工程材料第3章热处理工艺

第三章热处理与表面工程技术(热处理工艺部分）教学要求：本节是课程的重点，要求熟练掌握：1.各种热处理工艺方法的目的，工艺特点，组织和性能特点及其应用。2.能根据零件材料和性能要求选择合适的热处理方法。Review金属热处理是通过加热、保温、冷却，以改善材料内部结构与性能的工艺方法。根据工艺方法热处理可分为三大类：普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火和表面化学热处理其它热处理：形变热处理，超细化热处理,真空热处理等3.3退火与正火1、定义退火（Annealing）将钢加热到预定温度，保温后缓慢冷却（炉冷），获得接近平衡组织的热处理工艺。正火（Normalizing）将钢加热到奥氏体状态,保温后在空气中冷却的工艺。1..退火与正火（1）目的例、齿轮加工工艺路线毛坯锻造——正火（退火）——机加工——热处理——精加工----1）消除应力以减少铸锻焊和其它加工零件变形,开裂倾向；2）细化晶粒，消除组织缺陷为后续热处理作准备。3）调整硬度，改善切削性能（退火可降低硬度，正火可适当提高硬度）；正火还可以消除网状渗碳体，利于后续球化退火。2、工艺13.3钢的退火与正火1）完全退火特点：完全A化缺点：周期很长，成本高。2）等温退火特点：完全A化周期短，成本低3）球化退火适用：高碳钢目的：降低硬度，改善切削性能。加热温度：Ac1+30～50℃平衡组织球化组织含1.4%C钢的组织3、选择1）考虑切削性能（刀具最佳切削硬度180—220HBS)表\不同含碳量的钢在正火和退火后的硬度(HBS)含碳量（％）＜0.250.25～0.650.65－0.8工具钢退火硬度＜150150－180180－220187—217正火硬度＜156156－228228－280230—340中低碳钢采用正火，高碳钢和工具钢采用退火有利于切削。2）考虑使用性能正火比退火硬，正火优先。3）考虑经济性正火生产周期短，成本较低真空退火炉3.4钢的淬火淬火：Quenching激冷Hardening硬化把钢加热—保温—快冷使零件硬化的热处理工艺。淬火后获得马氏体或贝氏体组织。3.4.1-1淬火加热温度的选择碳钢的淬火加热温度范围1、亚共析钢AC3＋(30－50℃)2、过共析钢Ac1＋(30－50℃)为什么亚共析钢要进行完全淬火完全淬火——得到完全马氏体。不完全淬火——马氏体组织中有铁素体出现。为什么过共析钢只能进行不完全淬火完全淬火：马氏体含碳量过高，易开裂和形成大量残余奥氏体；不完全淬火：有细小弥散渗碳体残余，奥氏体含碳量低，因而淬火时不易开裂，且残余渗碳体量少。为什么过共析钢只能进行不完全淬火1T12钢正常淬火组织T12钢过热淬火组织3.4.1-2淬火冷却介质的选择选用原则：为减少淬火应力，能获得M或B尽可能慢冷。※水适用于碳钢，变形开裂倾向大。※盐水10％的NaCl水溶液，适用于低碳钢，※油常用10号机油，适用于合金钢，不能用于碳钢冷却。理想的淬火冷却曲线图3.4.2常用淬火方法1.单液淬火优点：工艺简单，操作方便。缺点：淬火应力大，工件易变形。适用：形状简单的中、低碳钢工件。3.4.2常用淬火方法--双液淬火优点：大大减小工件的淬火应力和变形开裂倾向。缺点：操作难度较高。适用：小批量3.4.2常用淬火方法分级淬火优点：操作简单。可有效防止应力和开裂。缺点：需要盐浴炉适用：小工件大批量。3.4.2常用淬火方法等温淬火目的：得到B下优缺点：同分级淬火，也需要盐浴炉。适用：需要高强韧性的小工件。3.4.2常用淬火方法※单液淬火操作方便，变形大※双液淬火水淬—油冷或油淬—空冷※分级淬火加热零件先在Ms点附近介质中冷却,再取出空冷，※等温淬火在贝氏体转变区的介质中冷却，得到贝氏体组织常用淬火方法示意图3.4.3钢的淬透性1定义淬透性（Hardenability）直译：钢可淬火硬化的能力,钢淬火时获得马氏体的难易程度。它主要取决于钢中合金元素，合金元素的种类和含量越高，钢的淬透性越高。钢的淬透性对零件淬硬层深度的影响a)b)图3.28淬火时零件截面上的冷速变化及结果a）未淬透b）淬透2、测定----末端淬火法（GB225－88）图3.29.末端淬示意图钢的淬透性值以J表示，J表示末端淬火法，d（mm）为至水冷端距离，HRC为相应距离的硬度值。如：J，J，JdHRC54217744103530（c）淬透性曲线3、意义淬透性不同的钢调质后机械性能的比较淬透性的意义淬透性好的钢材经调质处理后，整个截面都是回火S，力学性能均匀，强韧性高；而淬透性差的钢表层为回火S，心部为片状S+F，心部强韧性差。4、应用1）选择材料2）选择淬火冷却介质40Cr钢的淬透性曲线带3.5.淬火钢的回火回火(Tempering,韧化)：淬火钢在A1温度以下加热、保温、冷却的工艺。（1）回火的目的1）消除应力，降低脆性，减少变形和开裂；2）稳定组织，使AR（RetainedAustenite）分解转变；3）调整和改善性能，通过不同回火工艺提高钢的强韧性。（2）回火的组织与性能变化1）组织变化100－300℃200－300℃马氏体的分解M→－碳化物＋（回火马氏体）残余奥氏体的转变AR→B或M渗碳体聚集长大、铁素体回复和再结晶≥500℃组织：块状F＋粒状Fe3C（回火索氏体＞500℃）碳化物的形成－碳化物→Fe3C→针状F组织：针状F+细粒状Fe3C(回火托氏体（350－500℃）)400℃以上300--400℃2）性能变化图.40钢在不同回火温度的性能变化随着回火温度升高,淬火钢的强度,硬度下降,塑性升高,韧性呈升高趋势,但中间出现两次下降（回火脆性）。回火脆性第一类回火脆性发生在300℃左右，是一种不可避免的脆性，亦称不可逆回火脆性。第二类回火脆性发生在570℃左右，但回火以后较快冷却可以避免。图淬火钢的韧性与回火温度的关系回火名称回火温度回火后组织性能特点及主要应用低温回火150－250℃回火马氏体高硬度，高耐磨性。适用于工具、齿轮，滚动轴承等中温回火350－500℃回火托氏体高弹性极限，屈服极限和抗疲劳性能适用于弹性元件，部分模具高温回火500－650℃回火索氏体高的综合力学性能.适用于轴类，杆类零件，以及齿轮的表面淬火前处理。3）回火工艺淬火+高温回火称为调质处理。