钢的热处理原理和工艺

1第五章钢的热处理原理和工艺2热处理是改善金属材料使用性能和工艺性能的一种非常重要的工艺方法。热处理是机械零件及工具制造过程中的重要工序。它担负着改善工件的组织和性能，充分发挥材料潜力，从而提高产品质量延长使用寿命的重要任务。重要的机械零件必须经热处理才能获得良好的使用性能。3§1.钢的热处理原理及分类一、热处理原理1.定义将钢在固态范围内，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺方法。42.工艺曲线注明：临界温度（A1、A3、Acm）53.原理：热处理不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的内部组织和性能的一种非常重要的工艺方法。根本原因：是由于铁具有同素异构转变特性，从而使钢在加热和冷却过程中发生组织和结构上的变化，从而可以改善和提高获得所需要的使用性能。6二、热处理的分类7常见热处理车间8加热冷却保温9§2.钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1.钢在加热和冷却时的相变温度加热温度选择的理论依据——铁碳合金状态图；但实际转变温度（相变温度）比状态图上的临界温度（A1、A3、Acm）有一定的滞后现象，采用代号表示。即：加热(c)和冷却(r)A3—Ac3—Ar3A1—Ac1—Ar1Acm—Accm—Arcm10钢在加热和冷却时的临界温度112.奥氏体的形成（以共析钢为例）(1)奥氏体晶核的形成；(2)奥氏体晶核的长大；(3)残余渗碳体的溶解；(4)奥氏体成分的均匀化。（基本过程）共析钢中奥氏体形成过程示意图a)形核；b)长大；c)残余渗碳体溶解；d)奥氏体均匀化12奥氏体形成示意图4秒6秒8秒15秒13对于亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程：1.亚共析钢：F+P→F+A→A2.过共析钢：Fe3C+P→Fe3C+A→A143.奥氏体晶粒的长大晶粒的长大主要是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的。晶粒的吞并与长大过程为了防止晶粒长的粗大，严格控制加热温度和保温时间。154.奥氏体晶粒大小的实际意义：钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的组织也较细小，性能较好；反之，转变产物的组织则粗大，而且其性能也较差。晶粒号的标准等级图(100×)16二、钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却；连续冷却。171.奥氏体的等温转变1）定义不稳定的过冷奥氏体经过一段时间的等温保持，转变为稳定的新相的过程。2）转变产物珠光体（粗珠光体、索氏体、屈氏体）贝氏体（上贝氏体、下贝氏体）马氏体（低碳马氏体、高碳马氏体）18共析钢等温冷却转变曲线图（C曲线或为TTT曲线）表示：过冷奥氏体的等温转变温度~转变时间~转变产物的关系。191）珠光体型转变区（A1~550℃）——高温等温转变a）形成温度范围A1~650℃b）组织——珠光体（P）粗片状珠光体片层间距0.4μmC）性能强度比较高，硬度适中170~220HBW有一定的塑性，具有较好的综合力学性能。珠光体组织3800×20a）形成温度范围650℃~600℃b）组织——索氏体（S）细片状珠光体片层间距0.4~0.2μmC）性能硬度为230~320HBW综合力学性能优于粗珠光体。索氏体组织8000×21a）形成温度范围600℃~550℃b）组织——屈氏体（T）极细片状珠光体片层间距0.2μmC）性能硬度为330~400HBW综合力学性能优于索氏体。规律：形成温度↓；片层间距↓；硬度↑。屈氏体组织8000×222）贝氏体型转变区（550℃~Ms）——中温等温转变形成上贝氏体组织。组织组成：铁素体+渗碳体组织特征：铁素体——长成板条状大致平行分布渗碳体——呈粒状或短杆状分布在铁素体板条之间。23a）形成温度范围550℃~350℃b）组织——上贝氏体（B上）形态呈典型羽毛状C）性能硬度为40~45HRC强度低，塑性很差，基本上没有使用价值。24下贝氏体组织组织组成：铁素体+渗碳体组织特征：铁素体——长成针片状，互不平行，有一定角度，形成分枝；渗碳体——呈粒状或细小短条状分布在铁素体片内。25a）形成温度范围350℃~Msb）组织——下贝氏体（B下）形态呈黑色针叶状C）性能硬度可达45~55HRC具有较高的强度及良好的塑性和韧性。采用等温淬火方法可获得B下，是各种复杂模具、量具、刀具热处理后的一种理想组织。下贝氏体组织630×262）马氏体型转变区（Ms~Mf）——低温连续转变①定义碳在α-Fe中的过饱和固溶体——称为马氏体（用M表示）②分类根据碳含量不同分为：低碳马氏体——0.20%C高碳马氏体——0.25%Cabca=b≠c——碳原子27低碳马氏体组织特征：呈一束一束相互平行的细条状板条。性能特点：硬度可达HRC45~50，具有较高的强度及良好的韧性。M板条M板条束低碳马氏体组织形态28高碳马氏体组织特征：断面呈针状或片状性能特点：硬度均在≥HRC60，表现为硬度高而脆性大。29③马氏体的性能特点1、硬度高，且随C%的增加而增加；2、强度高，亦随C%的增加而增加。30④马氏体转变特点a）过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变；b）马氏体转变是在一定温度范围内（Ms~Mf）的连续冷却过程中进行的；c）马氏体的转变速度极快，产生很大的内应力，转变时发生体积膨胀；d）马氏体转变的不彻底性，仍有少量未转变的A被保留下来，成为残余奥氏体（用AR表示）。31e）马氏体中溶入过多的碳而使α-Fe晶格发生畸变，形成组织不稳定；f）过冷A转变为马氏体所需的最小冷却速度称为临界冷却速度（用Ѵc表示）。指出：每一种钢的临界冷却速度都不同。要想获得马氏体组织，必须使其冷却速度Ѵc。这种操作叫淬火。获得马氏体是强化钢材的一种重要组织。32二、奥氏体的连续冷却转变（CCT）在实际热处理生产中，过冷奥氏体转变多数是在连续冷却过程中进行的，除了等温转变获得贝氏体组织；另外常采用连续冷却曲线（CCT）与等温转变曲线（TTT）叠加，近似地分析连续冷却转变的组织和性能。VcMM+PP共析碳钢CCT曲线MsMfVcMM+PP共析碳钢CCT曲线①②③共析碳钢TTT曲线3334亚共析钢、共析钢、过共析钢连续冷却转变曲线比较亚共析钢共析钢过共析钢35§3.钢的热处理工艺机械零件的一般加工工艺顺序：铸造或锻造→退火和正火→机械粗加工→淬火+回火（或表面热处理）→机械精加工其中：退火和正火——预备热处理淬火+回火——最后热处理36一、退火1.定义：将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。372.退火分类：；a.扩散退火：Ac3+200℃～300℃b.完全退火：Ac3+20℃～50℃c.球化退火：Ac1+20℃～30℃d.去应力退火：＜Ac1；500℃～650℃383.退火目的：1）降低硬度，提高钢的塑性，以利于机械加工；2）细化晶粒，均匀组织，为淬火工序做好准备；3）消除内应力，防止工件变形和开裂；4）消除或减轻偏析、带状组织。394.退火应用：1）扩散退火：适宜合金钢锭和大型铸钢件；2）完全退火：适宜亚共析钢，不适宜过共析钢；3）球化退火：适宜共析钢和过共析钢；4）低温退火：适宜铸造、锻造或焊接及切削加工后的高精度工件。40二、正火1.定义：将钢加热到Ac3以上30～50℃（亚共析钢）或Accm以上30～50℃（过共析钢），保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。2.正火的目的和应用是使钢的组织正常化，亦称——常化处理；一般应用于以下方面：1）作为最终热处理——要求不高的普通结构件；2）作为预先热处理——含碳量高的过共析钢；3）改善切削加工性能——低、中碳合金结构钢。41正火的作用与退火相似，与退火不同之处是：a.正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获得的组织更细。b.正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而塑性、韧性则稍低。c.不占用设备；生产率高。42三、淬火1.定义：将钢加热到Ac3以上30～50℃（亚共析钢）或Ac1以上30～50℃（过共析钢），保温后在淬火介质中快速冷却以获得马氏体组织（M）的一种热处理工艺。43钢的淬透性与淬硬性区别：淬透性——在规定的条件下，钢接受淬火时获得马氏体组织深度的能力。淬硬性——钢淬火后能够达到的最高硬度，它主要决定于马氏体中的含碳量。指出：淬透性好的钢淬硬性不一定高。442．淬火介质：淬火时为了得到足够的冷却速度，以保证奥氏体向马氏体转变，又不致由于冷却速度过大而引起内应力增大，造成零件变形和开裂。常用的淬火冷却介质：水、盐水、油、硝盐浴和空气等。453．淬火方法选择根据钢材成分及对组织、性能和工件尺寸精度的要求，在保证技术要求规定的前提下，应选择简便而经济的淬火冷却方法。464.钢的淬火缺陷1）氧化与脱碳2）过热与过烧3）变形与开裂4）硬度不足5）淬火软点47四、回火回火是紧接淬火之后进行的，通常也是零件进行热处理的最后一道工序。目的是消除和减小内应力、稳定组织、调整性能，获得较好的强度和韧性。因为，淬火钢的组织主要由马氏体和少量残余奥氏体组成(有时还有未溶碳化物)，存在很大内应力，如不及时消除，将会引起工件的变形、甚至开裂。淬火组织很不稳定，有向稳定组织转变的趋势，而且组织脆性大，韧性低，一般不能直接使用。481.定义：将钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种热处理工艺。2.目的：1）降低内应力，防止工件变形、开裂；2）调整性能（提高淬火钢的塑性和韧性）满足生产需要；3）稳定组织，防止尺寸变化；4）降低硬度，便于切削加工。回火往往是零件生产中的最后一道工序，决定钢件最后的性能。493.回火时的组织转变1）马氏体分解（80～200℃）转变产物：回火M+残余A2）残余奥氏体分解（200～300℃）转变产物：回火M3）渗碳体形成（300～400℃）转变产物：回火T4）渗碳体聚集长大（400℃）转变产物：回火S504.回火后的组织和应力变化515.回火时的分类及应用1）低温回火：150～250℃，56～64HRC，获得高的硬度和耐磨性；2）中温回火：350～500℃，35～50HRC，获得高的弹性极限；3）高温回火：550～650℃，20～35HRC，获得良好的综合性能。生产上：淬火+高温回火——称作调质处理52§4.钢的表面热处理在机械设备中，有许多零件，如：齿轮、花键轴、活塞销等，要求表面具有高的硬度和耐磨性．而心部却要求一定的强度和足够的韧性。在这种情况下，要达到上述要求，如果仅从材料方面去解决是很困难的。如：选用高碳钢，淬火后表面硬度虽然很高，但心部韧性不足；如：采用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬度和耐磨性低。这就需要对零件进行表面热处理，以达到强化表面的目的，即：所谓‘外硬内韧’的性能要求。53表面热处理分为两类：一类是只改变工件表面组织而不改变表面化学成分的热处理，称为表面淬火。另一类是既改变表面化学成分又改变表面组织的热处理，称为化学热处理。54一、表面淬火1.定义是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火前状态的一种局部淬火方法。2.方法（快速加热）火焰加热、感应加热、电接触加热、激光加热等表面淬火方法。目前生产上最常用是：火焰加热表面淬火；感应加热表面淬火。3.目的获得高硬度、高耐磨性的表层，而心部仍保持良好的韧性。551）火焰加热表面淬火应用氧-乙炔火焰对零件表面进行快速加热并随后快速冷却的工艺。特点：不需要特殊设备，淬火质量不够稳定；适合单件或小批量生产。562）感应加热表面淬火利用感应电流通过工件所产生的热效应，使得工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺。特点：加热速度冷却快，淬火质量好；适合大批量生产。573）感应加热表面淬火电流频率与淬硬层的关系：指出：频率越高淬硬层深度越浅；生产上根据零件技术要求，通过调整频率获得需要使用性能。58二、化学热处理1）定义将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件的表层以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。2）目的与其它热处理相比，能更有效地改变零件表层的使用性能。3）分类根据渗入元素不同可分为：渗C、渗N、C-