《鋼的熱處理》課件

鋼的熱處理熱處理是利用加熱、保溫和冷卻來改變鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的過程。熱處理可以提高鋼的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性和耐腐蝕性等性能。課程目標(biāo)了解鋼材的微觀結(jié)構(gòu)學(xué)生將學(xué)習(xí)識別鋼材的晶體結(jié)構(gòu)和微觀組織，如鐵素體、奧氏體和珠光體。掌握熱處理工藝學(xué)生將學(xué)習(xí)淬火、回火、正火、退火等熱處理工藝，以及它們對鋼材性能的影響。理解鋼材的性能學(xué)生將學(xué)習(xí)如何根據(jù)鋼材的熱處理狀態(tài)來預(yù)測其強(qiáng)度、硬度、韌性等性能。應(yīng)用熱處理知識學(xué)生將學(xué)習(xí)如何根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇合適的熱處理工藝，并能進(jìn)行簡單的熱處理操作。鋼材簡介鋼材是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)材料之一，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、交通、能源等領(lǐng)域。鋼材具有強(qiáng)度高、韌性好、可塑性強(qiáng)、易加工等優(yōu)點，使其成為各種工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備的理想材料。鋼材的成分鐵元素鐵是鋼材的主要成分，通常占總質(zhì)量的98%以上。碳元素碳含量是決定鋼材性能的關(guān)鍵因素，碳含量越高，鋼材強(qiáng)度越高，但韌性越低。合金元素為了改善鋼材的性能，通常添加一些合金元素，如錳、硅、磷、硫等。鋼鐵的合金元素碳碳是鋼鐵中最主要的合金元素，它直接影響鋼的強(qiáng)度、硬度、韌性和可焊性等性能。錳錳是鋼鐵中的重要合金元素，它能提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，并改善鋼的焊接性能。硅硅是鋼鐵中的脫氧劑，能提高鋼的強(qiáng)度和耐腐蝕性。磷磷是鋼鐵中的有害元素，它會降低鋼的韌性和可焊性。鋼材的晶體結(jié)構(gòu)鋼材的晶體結(jié)構(gòu)主要為體心立方（BCC）和面心立方（FCC）兩種。BCC結(jié)構(gòu)，原子在立方體的角頂和中心位置排列，例如鐵素體。FCC結(jié)構(gòu)，原子在立方體的角頂和面心位置排列，例如奧氏體。不同的晶體結(jié)構(gòu)影響鋼材的物理和機(jī)械性能。鋼材的微觀組織鋼材的微觀組織是指鋼材內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)和相組成。鋼材的微觀組織對鋼材的機(jī)械性能有重要的影響。不同的微觀組織，鋼材的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等性能都有很大的差異。鋼材的微觀組織可以通過熱處理來改變。鋼材的熱處理分類11.固溶熱處理固溶熱處理可以細(xì)化晶粒，提高鋼材的強(qiáng)度和韌性。22.相變熱處理相變熱處理改變鋼材的相組成，以獲得所需的機(jī)械性能。33.表面熱處理表面熱處理改變鋼材表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)，以提高其硬度和耐磨性。44.復(fù)合熱處理復(fù)合熱處理是指將兩種或多種熱處理工藝結(jié)合起來，以獲得更優(yōu)異的綜合性能。鋼材的淬火1加熱將鋼材加熱至奧氏體化溫度2保溫在奧氏體化溫度下保溫一段時間3冷卻以適當(dāng)速度冷卻至室溫淬火是一種重要的熱處理工藝，用于提高鋼材的硬度和強(qiáng)度。淬火過程中，鋼材的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高其硬度和強(qiáng)度。淬火中的相變過程1奧氏體形成加熱到臨界溫度以上，鋼材中的鐵素體和珠光體發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成奧氏體。奧氏體是面心立方結(jié)構(gòu)，具有較高的溶解度，可以容納更多的碳原子。2快速冷卻快速冷卻使碳原子來不及析出，奧氏體被抑制，并以亞穩(wěn)態(tài)的形式保存下來。淬火后，鋼材的組織將由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。3馬氏體生成馬氏體是一種亞穩(wěn)態(tài)的相，具有體心四方結(jié)構(gòu)。由于冷卻速度過快，碳原子沒有時間擴(kuò)散，它們被困在鐵原子晶格中，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變。淬火工藝參數(shù)淬火溫度淬火溫度是指鋼材加熱到一定溫度，使其奧氏體化，然后急速冷卻的溫度。淬火溫度應(yīng)略高于鋼材的Ac3點或Ac1點，才能使鋼材完全奧氏體化。冷卻介質(zhì)常用的冷卻介質(zhì)有水、油、空氣等。不同冷卻介質(zhì)的冷卻速度不同，會影響鋼材的組織和性能。冷卻速度冷卻速度是指鋼材在淬火過程中溫度下降的速度。冷卻速度越快，鋼材的硬度越高，但脆性也越大。保溫時間保溫時間是指鋼材在淬火溫度下保溫的時間。保溫時間過短，鋼材不能完全奧氏體化，保溫時間過長，鋼材可能會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。淬火缺陷及解決措施裂紋淬火過程中冷卻速度過快，產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致鋼材開裂。變形淬火時鋼材受熱不均勻，冷卻后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鋼材變形。軟點淬火時鋼材內(nèi)部溫度不均勻，導(dǎo)致局部區(qū)域未完全淬硬?；鼗鸸に?消除內(nèi)應(yīng)力降低硬度和脆性2提高韌性和塑性改善加工性能3穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)提高抗腐蝕性回火是將淬火后的鋼件加熱到低于淬火溫度的適當(dāng)溫度，保溫一定時間后，再緩慢冷卻的熱處理工藝?；鼗鸬闹饕康氖窍慊饍?nèi)應(yīng)力，提高韌性和塑性，改善加工性能，并使組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?；鼗疬^程中的相變馬氏體轉(zhuǎn)變回火過程中，馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，硬度和強(qiáng)度降低，塑性和韌性提高。碳化物析出碳原子從馬氏體晶格中析出，形成碳化物，如Fe3C，并隨著溫度升高而增多，使鋼材的硬度降低，韌性提高。晶粒長大回火過程中，晶粒尺寸增大，晶界面積減少，使鋼材的強(qiáng)度和硬度降低，塑性和韌性提高?；鼗饏?shù)對性能的影響11.回火溫度回火溫度越高，鋼材的硬度和強(qiáng)度降低，韌性和塑性提高，但抗沖擊強(qiáng)度降低。22.回火時間回火時間越長，鋼材的硬度和強(qiáng)度降低，韌性和塑性提高。33.冷卻速度回火后，快速冷卻可以保持較高的硬度和強(qiáng)度，但韌性和塑性會降低，而緩慢冷卻可以提高韌性和塑性，但硬度和強(qiáng)度會降低。44.回火介質(zhì)不同回火介質(zhì)會影響鋼材的冷卻速度，從而影響回火效果。調(diào)質(zhì)工藝1淬火將鋼件加熱到奧氏體化溫度后，在水中或油中快速冷卻，使其獲得馬氏體組織。2回火將淬火后的鋼件再加熱到低于淬火溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時間后，再緩慢冷卻，使鋼材獲得最佳的綜合力學(xué)性能。3綜合性能調(diào)質(zhì)工藝可以使鋼材兼具強(qiáng)度、韌性和耐磨性，并能提高抗沖擊性能。調(diào)質(zhì)過程中的相變調(diào)質(zhì)工藝，又稱淬火回火，是指將鋼材加熱到奧氏體區(qū)，保溫一段時間，然后快速冷卻到馬氏體組織，最后在低于Ac1溫度下回火處理的一種熱處理工藝。1奧氏體化加熱到奧氏體區(qū)，使鋼材的組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體2淬火快速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體3回火低于Ac1溫度加熱，再冷卻，使馬氏體組織發(fā)生變化調(diào)質(zhì)過程中的相變，包含奧氏體化、淬火和回火三個階段，每個階段都伴隨不同的相變過程。奧氏體化階段，鋼材的組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，淬火階段，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，回火階段，馬氏體組織發(fā)生變化。調(diào)質(zhì)參數(shù)對性能的影響硬度淬火溫度和回火溫度直接影響鋼材的硬度。淬火溫度越高，硬度越高?；鼗饻囟仍礁?，硬度越低。強(qiáng)度調(diào)質(zhì)工藝可以提高鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但會降低塑性和韌性。韌性適當(dāng)?shù)幕鼗饻囟瓤梢愿纳其摬牡捻g性，避免出現(xiàn)脆性斷裂。疲勞強(qiáng)度調(diào)質(zhì)工藝可以提高鋼材的疲勞強(qiáng)度，延長使用壽命。正火工藝1加熱將鋼材加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫一段時間。2冷卻在空氣中自然冷卻。3細(xì)化晶粒使鋼材的機(jī)械性能和可加工性得到改善。正火工藝是一種常用的熱處理工藝，主要用于細(xì)化晶粒，改善鋼材的機(jī)械性能，并提高其可加工性。正火過程中的相變奧氏體化加熱溫度高于Ac3或Acm點，鋼材完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。均勻化保溫時間足夠長，奧氏體晶粒均勻細(xì)化，并消除內(nèi)部組織的不均勻性。冷卻從奧氏體區(qū)緩慢冷卻至室溫，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，組織均勻細(xì)化。正火參數(shù)對性能的影響正火溫度正火溫度直接影響鋼材的組織和性能。正火溫度過低，鋼材組織粗大，強(qiáng)度、硬度和韌性都較低。正火溫度過高，鋼材組織過細(xì)，強(qiáng)度、硬度提高，但韌性下降。冷卻速度冷卻速度也會影響鋼材的組織和性能。冷卻速度越快，鋼材組織越細(xì)，強(qiáng)度、硬度越高，韌性越低。冷卻速度越慢，鋼材組織越粗大，強(qiáng)度、硬度越低，韌性越高。退火工藝加熱將鋼材加熱到一定的溫度并保持一段時間，使其內(nèi)部組織發(fā)生變化。保溫在加熱溫度下保溫一段時間，使鋼材內(nèi)部組織充分發(fā)生轉(zhuǎn)變，消除內(nèi)部應(yīng)力，改善鋼材的加工性能。冷卻將鋼材緩慢冷卻到室溫，使鋼材內(nèi)部組織穩(wěn)定，并保持退火后的性能。退火過程中的相變1奧氏體化加熱到奧氏體區(qū)，鋼材中的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，晶粒長大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得均勻。2均勻化在奧氏體區(qū)保溫一段時間，使鋼材內(nèi)部的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)趨于均勻，消除內(nèi)應(yīng)力。3冷卻緩慢冷卻到室溫，奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體，晶粒尺寸和分布均勻，性能得到改善。退火參數(shù)對性能的影響溫度影響退火溫度影響晶粒尺寸和相變程度。溫度過低，晶粒尺寸小，硬度高，韌性低。溫度過高，晶粒尺寸大，硬度低，韌性高。時間影響退火時間影響相變的徹底程度。時間過短，相變不完全，性能不穩(wěn)定。時間過長，晶粒長大，硬度降低。冷卻速率影響冷卻速率影響組織和性能?？焖倮鋮s，組織細(xì)化，硬度高，韌性低。緩慢冷卻，組織粗化，硬度低，韌性高。滲碳及氮化工藝1滲碳增加鋼表面的碳含量2氮化增加鋼表面的氮含量3滲碳氮化增加鋼表面的碳和氮含量滲碳和氮化都是表面熱處理工藝，使鋼表面的硬度和耐磨性顯著提高。滲碳工藝通過將碳原子滲入鋼的表面，使表面形成高碳馬氏體組織，從而提高硬度和耐磨性。氮化工藝通過將氮原子滲入鋼的表面，形成氮化物，從而提高硬度、耐磨性和抗疲勞性。滲碳氮化工藝兼具滲碳和氮化的優(yōu)點，可以獲得更高的硬度和耐磨性。滲碳及氮化過程中的相變1奧氏體化加熱至奧氏體化溫度，使鋼材表面形成奧氏體2滲碳/氮化碳原子或氮原子擴(kuò)散到奧氏體中3冷卻冷卻到室溫，奧氏體發(fā)生相變4馬氏體形成表面形成高硬度、高耐磨性的馬氏體滲碳和氮化過程涉及一系列的相變，最終形成高硬度和耐磨性的馬氏體組織，從而提高鋼材表面的硬度和耐磨性。滲碳及氮化參數(shù)對性能的影響硬度滲碳和氮化工藝能夠提高鋼材表面硬度。耐磨性表面硬度增強(qiáng)，提升鋼材的耐磨性，延長使用壽命?？蛊谛詽B碳和氮化能夠改善鋼材的疲勞性能，提高抗疲勞強(qiáng)度。耐腐蝕性滲碳和氮化工藝可以改善鋼材的耐腐蝕性，延長使用壽命。熱處理質(zhì)量檢驗外觀檢驗檢查熱處理后的零件表面是否有裂紋、變形、氧化等缺陷。硬度檢驗用硬度計測量零件的硬度，判斷熱處理是否達(dá)到預(yù)期效果。金相檢驗通過顯微鏡觀察零件的顯微組織，判斷熱處理后的組織結(jié)構(gòu)是否符合要求。性能測試對零件進(jìn)行拉伸試驗、沖擊試驗等，檢驗其力學(xué)性能是否符合設(shè)計要求。熱處理設(shè)備及操作規(guī)程11.熱處理爐熱處理爐種類繁多，例如電阻爐、感應(yīng)爐、鹽浴爐等，需根據(jù)材料和工藝選擇合適的爐型。22.溫度控制系統(tǒng)精確控制溫度是熱處理的關(guān)鍵，溫度控制系統(tǒng)需穩(wěn)定可靠，確保均勻加熱和冷卻。33.冷卻介質(zhì)冷卻介質(zhì)類型多樣，如水、油、空氣等，需根據(jù)材料和工藝選擇合適的冷卻介質(zhì)，確保冷卻速度和冷卻效果。44.安全措施熱處理操作過程需嚴(yán)格遵守安全規(guī)程，注意高溫、高壓、化學(xué)品等安全風(fēng)險。熱處理工藝選擇的依據(jù)鋼材類型鋼材的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和微觀組織決定了其力學(xué)性能和熱處理的響應(yīng)。例如，碳鋼對熱處理的響應(yīng)比不銹鋼敏感。性能要求根據(jù)最終產(chǎn)品的功能和使用環(huán)境，例如強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨性等，選擇合適的熱處理工藝以滿足特定的性能要求。成本考慮不同的熱處理工藝具有不同的成本。例如，滲碳處理比正火處理成本更高。因此，在選擇熱處理工藝時，需要考慮成本效益。生產(chǎn)效率選擇熱處理工藝時，還需要考慮生產(chǎn)效率。例如，淬火和回火工藝需要較長的處理時間，而正火工