机械工程材料基础第三章钢的热处理

3.1.1钢在加热时的转变第三章钢的热处理1)钢在实际加热时的转变点2)奥氏体的形成过程及影响因素3)奥氏体晶粒的长大及影响因素1)钢在实际加热时的转变点第三章钢的热处理2)奥氏体的形成过程及影响因素第三章钢的热处理1.奥氏体的形成过程2.奥氏体形成的影响因素•加热温度和加热速度•原始组织•合金元素3)奥氏体晶粒的长大及影响因素第三章钢的热处理•Hell-Petch公式:•奥氏体晶粒尺寸对冷却后加热温度对晶粒尺寸的影响钢的性能的影响210kds加热温度本质粗晶粒钢本质细晶粒钢晶粒尺寸d3.1.2钢在冷却时的转变1）过冷奥氏体等温转变图2）过冷奥氏体的连续转变图3）过冷奥氏体的转变产物及性能第三章钢的热处理1)过冷奥氏体等温转变图第三章钢的热处理共析碳钢的C曲线C曲线的位置和形状的影响因素1.含碳量的影响2.合金元素的影响3.奥氏体化温度和保温时间的影响第三章钢的热处理1.含碳量的影响第三章钢的热处理2.合金元素的影响第三章钢的热处理共析钢连续冷却转变图2)过冷奥氏体连续冷却转变曲线第三章钢的热处理时间45钢的CCT图3)过冷奥氏体的转变产物及性能第三章钢的热处理A`的转变产物类型:珠光体(P)、马氏体(M)、贝氏体(B)1.珠光体类型组织珠光体转变AF+Fe3C0.77%0.0218%6.69%面心立方体心立方复杂斜方2.马氏体类型组织马氏体中固溶碳引起的晶格畸变马氏体正方度与含碳量的关系碳钢含碳量与马氏体硬度的关系3.贝氏体类型组织马氏体的晶格畸变第三章钢的热处理马氏体正方度与含碳量的关系第三章钢的热处理马氏体组织板条马氏体片状马氏体碳钢含碳量与马氏体硬度的关系第三章钢的热处理贝氏体组织第三章钢的热处理上贝氏体下贝氏体P、B、M转变的异同点珠光体转变贝氏体转变马氏体转变转变温度范围高温转变Ar1~550ºC中温转变550ºC~MS低温转变MS~Mf扩散性C、Fe原子均扩散C原子扩散Fe原子不扩散无扩散组成相两相：F、Fe3C两相：F(C)、Fe3C（350ºC)或F、FeXC(350ºC)单相:F(C)合金元素的分布合金元素扩散，重新分布合金元素不扩散合金元素不扩散相变的完全性相变可在恒温下进行到底恒温下相变的完全程度与转变温度有关。温度越低，转变越不充分，有A残存在。主要在连续冷却过程中进行，相变不彻底，有A残存在。第三章钢的热处理3.1.3焊接接头的相变第三章钢的热处理低碳钢焊接时热影响区内的组织变化0__焊缝1__熔合区2__过热区3__重结晶区4__部分相变区5__基体金属热影响区1)焊缝缺陷气孔非金属夹杂物裂纹未焊透咬边焊缝金属化学成分不均匀柱状晶组织2)热影响区内的组织变化第三章钢的热处理3.2钢的普通热处理3.2.1退火与正火3.2.2钢的淬火3.2.3钢的表面淬火3.2.4钢的回火3.2.5钢的淬透性3.2.6固溶处理与时效强化第三章钢的热处理热处理分类•普通热处理:退火、正火、淬火、回火•表面热处理：1）表面淬火:感应加热表面淬火、火焰加热淬火2）化学热处理:渗碳、渗氮、渗金属•其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理保温临界温度时间热处理工艺曲线第三章钢的热处理3.2.1退火与正火3.2.1.1退火1.完全退火2.球化退火3.扩散退火(均匀化退火)定义、应用范围、后处理4.去应力退火定义、应用范围、目的3.2.2.2正火第三章钢的热处理•完全退火与等温退火定义：应用范围：目的：工艺：等温退火高速钢等温退火与完全退火的比较第三章钢的热处理•球化退火定义：应用范围：目的：工艺：T10钢球化退火第三章钢的热处理正火定义：将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上30~50℃，保温适当的时间后在静止空气中冷却的热处理叫正火。应用范围：目的：（1）要求不高的结构件，可作为最终热处理。（2）改善低碳钢的切削加工性（以防粘刀）。（3）共析钢、过共析钢正火后可消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。各种退火及正火的加热温度范围第三章钢的热处理第三章钢的热处理各种退火及正火的加热温度范围第三章钢的热处理3.2.2钢的淬火定义、目的3.2.2.1淬火加热温度和加热时间3.2.2.2淬火冷却介质3.2.2.3淬火冷却方法1.单介质淬火法2.双介质淬火法3.分级淬火法4.等温淬火法5.冷处理第三章钢的热处理碳钢的淬火加热温度范围合金钢的淬火加热温度稍微高一些，是临界点以上50~100℃。加热时间：箱式炉：1~2min/mm盐浴炉：0·4~1min/mm合金钢适当延长3·2·2.1淬火加热温度和加热时间第三章钢的热处理3·2·2.2淬火冷却介质第三章钢的热处理3.2.2.3淬火冷却方法各种淬火方法示意图1—单介质淬火法2—双介质淬火法3—分级淬火法4—等温淬火法5—冷处理第三章钢的热处理3.2.3钢的表面淬火3.2.3.1感应加热表面淬火3.2.3.2火焰加热表面淬火3.2·3·3激光加热表面淬火第三章钢的热处理感应加热表面淬火示意图f/)600~500(高频100~500kHz0.5~2.0mm中频2.5~8kHz2~10mm工频50Hz10~15mm特点：加热速度快、时间短、氧化脱碳少、变形小、晶粒细小、硬度高，表面层具有较大的残余压应力，可提高疲劳强度。但设备昂贵。淬火前调质或正火，淬后需低温回火。第三章钢的热处理火焰加热表面淬火示意图第三章钢的热处理3.2.4钢的回火3.2.4.1回火目的3.2.4.2回火组织转变及性能变化4.2.4.3回火工艺及应用3.2.4.4回火脆性第三章钢的热处理3.2.4.1回火目的（1）消除或降低应力，防止变形或开裂。（2）调整性能（硬度）（3）稳定组织，稳定形状和尺寸，保证精度第三章钢的热处理1.钢在回火时的组织转变※(1)马氏体的分解（200℃以下）(2)残余奥氏体分解(200~300℃)(3)渗碳体的形成(250~400℃)(4)渗碳体的聚集长大(400℃以上)2.回火后的组织和性能(1)回火马氏体(250℃以下)(2)回火托氏体(350~450℃)(3)回火索氏体(500~650℃)3.2.4.2回火组织转变及性能变化第三章钢的热处理淬火钢回火时的变化过程第三章钢的热处理40钢回火后的力学性能与回火温度的关系第三章钢的热处理3.2.4.3回火工艺及应用1.低温回火(150~250℃)2.中温回火(350~500℃)3.高温回火(500~650℃)第三章钢的热处理第一类回火脆性第二类回火脆性防止和减弱第二类回火脆性的措施:①合金钢回火时,加热到500~650℃)快速冷却;②大型零件在钢中加Mo、W、Nb等合金元素;③提高合金的纯度,减少N、O、P等杂质元素含量;④采用变形热处理或二次淬火,避免杂质的偏聚3.2.4.4回火脆性钢的韧性与回火温度的关系第三章钢的热处理淬硬层深度概念：淬透性概念:淬透性的影响因素：(1)钢的含碳量(2)合金元素(3)钢中未溶物质淬硬性概念：淬透性与选材的关系:(1)动载和交变载荷下;(2)弹簧类零件(3)轴类零件(4)工具类零件工作截面的不同冷却速度3.2.5钢的淬透性3.2.6固溶处理与时效强化固溶处理:时效强化:时效需满足的条件:举例:铝合金时效强化特点:Wc为4%的Al-Cu合金的时效曲线第三章钢的热处理3.3钢的表面热处理3.3.1钢的表面淬火1）感应加热表面淬火2)火焰加热表面淬火第三章钢的热处理第三章钢的热处理定义:钢的化学热处理是将金属或合金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表层,以改变其化学成分组织和性能的热处理工艺.化学热处理的基本过程:(1)活性原子的产生2CO2[C]+O22NH32[N]+3H2(2)活性原子的吸收(3)活性原子的扩散举例:钢的渗碳3.3.2钢的化学热处理钢的渗碳1.渗碳方法气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳2.渗碳工艺参数渗碳温度:900~950℃渗层表面含碳量:0.85%~1.05%渗层厚度:与渗碳时间有关,与工件的尺寸有关3.渗碳后的热处理直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法渗碳件淬火后应进行低温回火(150~200℃),以减少应力和脆性.回火后的组织是马氏体和渗碳体,硬度达58~64HRC.第三章钢的热处理钢的气体渗碳定义:工件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺,称为气体渗碳.活性碳原子的获得:通入煤气、液化石油气等,或滴入易分解的液体有机物,如煤油、甲醇、丙酮等.CnH2nn[C]+NH22CO[C]+CO2CO+H2[C]+H2O特点:渗碳过程、渗层厚度容易控制,渗碳时间短,生产效率高质量好.风扇电动机废气火焰炉盖砂封电阻丝耐热罐工件炉体气体渗碳示意图第三章钢的热处理第三章钢的热处理3.3.3热处理零件的结构工艺性和技术条件标注3.3.3.1热处理零件的结构工艺性(1)力求避免尖角、棱角(2)截面厚薄尽量均匀(3)形状尽量对称和封闭(4)采用组合结构3.3.3.2热处理技术条件的标注第三章钢的热处理避免尖角设计第三章钢的热处理避免厚薄悬殊第三章钢的热处理采用对称结构第三章钢的热处理采用封闭结构第三章钢的热处理热处理技术条件的标注5×××□加工方法工艺名称工艺类型热处理附加分类工艺代号基础分类工艺代号工艺名称代号工艺类型代号工艺名称代号加热方法代号热处理5整体热处理1退火1加热炉感应12正火2淬火3淬火和回火4调质5稳定化处理6火焰3固溶热处理;水韧处理7固溶处理和时效8表3.3.3热处理工艺分类及代号续表3.3.3热处理工艺分类及代号工艺名称代号工艺类型代号工艺名称代号加热方法代号热处理5表面热处理2表面淬火和回火1电阻激光45物理气相沉积2化学气相沉积3等离子体2气相沉积4续表3.3.3热处理工艺分类及代号工艺名称代号工艺类型代号工艺名称代号加热方法代号热处理5化学热处理3渗碳1电子束等离子体67碳氮共渗2渗氮3氮碳共渗4渗其他非金属5渗金属6其他8多元共渗7熔渗8热处理技术条件标注举例45钢Ⅱ轴45钢摇杆表面淬火标注实例第三章钢的热处理3.4热处理技术新进展3.4.1形变热处理1.高温形变热处理2.低温形变热处理3.4.2超细化热处理3.4.3真空热处理1.真空退火2.真空淬火3.真空渗碳3.4.4离子轰击热处理3.4.5激光热处理3.4.6电子束热处理3.4.7计算机辅助热处理生产第三章钢的热处理3.5热处理工艺的应用3.5.1常见的热处理缺陷1）过热与过烧2）氧化与脱碳3）变形与开裂第三章钢的热处理第三章钢的热处理3.5.2热处理工件的结构工艺性(见前面所述)3.5.3热处理技术条件的标注及热处理工序位置安排1)热处理技术条件的标注2）热处理的工序位置3）确定热处理工序位置的实例第三章钢的热处理热处理安排在各种加工工序之间，既可用于消除上一道工艺所产生的缺陷，也可为下一道工艺创造条件，更重要的是可以充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能，提高产品的质量，延长工件的使用寿命。因此，热处理是强化钢材的重要工艺之一。热处理的方法很多，他们都是由加热、保温、冷却三个阶段组成，因此，应重点掌握各种热处理在以上三阶段的组织变化。本章小结