工程材料第七章(钢的热处理).

第七章钢的热处理•本章重点：•退火、正火、淬火和回火的目的与应用。感应加热表面淬火，渗碳和氮化的特点及应用。•难点：相变机理。•概述•一、钢的热处理定义•根据钢在固态下组织转变的规律性，通过不同的加热、保温和冷却，以改变合金的内部组织，从而得到所要求性能的一种操作。•二、热处理的特点•只改变零件或毛坯的内部组织，不改变形状和尺寸，并且是在固态下进行的。三、热处理的目的•改变金属材料的组织，从而提高合金的机械性能。•四、热处理的依据和分类•纯铁的同素异晶转变，钢在固态下的共析反应，就是钢进行热处理的依据。•分类：普通热处理—退火、正火、淬火、回火。•表面热处理—表面淬火、表面化学热处理。§7-1钢在加热时的组织转变（以共析钢为例）•加热是热处理的第•一步。目的是为了•获得成分均匀，晶•粒细小的奥氏体。加热与冷却时钢的临界点位置一、奥氏体的形成•P（F0.0218%+Fe3C6.69%)A0.07%•转变时既有晶格的重构-Fe-Fe，又有Fe原子和C原子的扩散。•奥氏体化过程分四个阶段：奥氏体形核（在F与Fe3C相界面上）奥氏体长大（-Fe-Fe晶格重构，Fe3C溶解，C原子向A扩散)剩余Fe3C溶解A成分均匀化•亚共析钢奥氏体化除PA，还需加热到AC3，FA。•过共析钢奥氏体化除PA，还需加热到ACCM，Fe3CA。二、奥氏体晶粒的长大1、起始晶粒度：•珠光体向奥氏体•转变刚完成时的•晶粒度。2、实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下A体的实际晶粒大小。一般要比起始晶粒度大。3、本质晶粒度：表示钢在特定加热条件下(930ºC，保温3~8小时，冷却），奥氏体晶粒长大的倾向性。4、晶粒大小的评定方法将钢加热到93010ºC，保温8小时，缓慢冷却，在100倍金相显微镜下测量奥氏体晶粒大小，与标准晶粒大小金相图片比较。共分8级，1~4级为粗晶粒，5~8级为细晶粒。§7-2钢的非平衡冷却转变一、共析钢等温转变曲线（TTT曲线或C曲线）的测定C曲线：表示A急速冷却到A1以下，在各不同温度的保温过程中，转变量与转变时间的关系曲线。共析钢TTT图Time-Temperature-TransformationforaEutectiodSteelEquilibriumPhaseChangeTemperature1002003004005006007000.1110100100010,000secondsStartTimeFinishTimePsPfBsBfMfMsPearliteBainiteMartinsite•T↓,DrivingForceA→P↑→形核、长大速度↑•T↓↓→D↓↓•A1-650℃-珠光体P•650-600℃-索氏体S•600-550℃-屈氏体T550-350℃-B上350℃-MS–B下二、C曲线分析•1、A1以上为稳定的A区。A1以下，转变开始线以左为过冷A区。A1以下，转变终了线以右，MS线以上为转变产物区。•2、不同温度下过冷A转变总要有一段孕育期，孕育期越长，过冷A越稳定。•为什么过冷A的稳定性会出现以上这种马鞍形？•三、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能•（一）珠光体转变（扩散型转变）•A1-650℃-珠光体P(粗P）•650-600℃-索氏体S（细P）•600-550℃-屈氏体T（极细P）•（二）贝氏体转变（半扩散型转变）四、影响C曲线形状和位置的因素1、碳的影响2、合金元素的影响3、加热温度和保温时间的影响五、过冷奥氏体连续转变曲线图•1、只有C曲线的上半部分，即无贝氏体转变。•2、kk’线是P体转变中途停止线。•3、过冷A的转变是在一个温度区间进行，因开始转变温度高，所以晶粒内粗外细，且转变产物往往是几种组织的混合。•4、VK是过冷A转变为M的最小冷速，称临界冷速。•5、过共析钢除多出一条先共析Fe3C线外，其它与共析钢相同。亚共析钢不同，出现了贝氏体转变区。（一）共析钢连续冷却转变的主要特点（2）连续冷却速度对共析钢组织与性能的影响六、马氏体转变•（一）M的晶体结构-体心正方•c/a1正方度•M体的实质：含碳过饱和的固溶体。体心正方晶格马氏体晶格示意图（二）M的组织形态•有两种，一种是片状M，另一种是板条状M。2）TypesofMartinsite低碳马氏体（板条马氏体）C0.6%高碳马氏体（针状马氏体）C1%（三）M的性能•（四）M转变的特点•1、M转变是无扩散型转变。•2、M转变具有切变共格性。•3、M转变速度极快，M量的增加不是靠已形成M体的长大，而是靠新M体片的不断形成。•4、M转变是在一个温度区间形成。•5、M转变是不完全的。§7-3钢的退火与正火•一、退火•将钢加热保温后，随炉缓慢冷却的热处理工艺。主要用于铸、锻、焊件毛坯的热处理。•1、退火的目的•1）降低钢件硬度，便于切削加工。•2）消除工件内应力，稳定尺寸。•3）细化晶粒，改善组织，提高钢的机械性能。•4）为最终热处理做好组织准备。2、退火的种类、工艺过程与应用•分类工艺过程适用范围目的最后组织•完全退火Ac3+30~50ºC炉冷，亚共析钢2、3F+P•扩散退火Ac3+150~200ºC炉冷，合金钢2、均匀成分F+P•球化退火Ac1+30~50ºC炉冷，共（过）析钢1、2F+Fe3C粒•去应力退火A1以下炉冷，铸、锻、焊件2无变化•再结晶退火A1以下空冷，冷变形件2消除加工硬化等轴晶二、正火•将钢加热到完全奥氏体化，保温后在空气中冷却的热处理工艺。•正火的目的与退火相似，只是正火冷却较快，P体较多，强度较高。对于低碳钢，可适当提高硬度，便于切削加工。对于过共析钢，可减少或消除二次渗碳体网，为球化退火做组织准备。对于不重要的件或形状复杂的件可作为最终热处理。§7-4钢的淬火•将钢加热到Ac3（亚共析）或Ac1（共析、过共析）以上30~50ºC，保温后在油中或水中快速冷却的热处理。一、淬火的目的•获得M或下贝氏体，提高钢的硬度和耐磨性。二、淬火工艺1、加热温度的选择•亚共析钢淬火温度为Ac3以上30~50ºC。共析、过共析钢为Ac1以上30~50ºC。2、保温时间•一般根据工件的有效厚度选择t=D，t：保温时间(min)：加热系数（=1.0~1.5min/mm），D：工件厚度mm•理想的冷却介质是既能获得M，又不使零件造成大的内应力。常用的冷却介质有水、盐水、矿物油。•三、冷处理•将淬火后的钢件，在零度以下继续冷却，使残余A转变为M体的工艺。•冷处理主要用于提高零件的表面硬度和耐磨性，提高工具的使用寿命，提高精密量具的尺寸稳定性等。3、淬火冷却介质四、淬火缺陷及防止方法•1、氧化与脱碳•防止方法：•1）采用脱氧良好的盐浴炉加热，或真空炉加热。•2）若采用电炉加热，可加入还原剂，起保护作用。•3）在工件表面预留加工余量，将氧化层切削加工去除。•2、变形与开裂•在热处理工艺上采取以下措施：•1）采用合理的锻造和预先热处理。•2）采用合理的淬火工艺和方法。•3）零件的结构设计要避免产生应力集中。§7-5钢的淬透性与应用•一、淬透性的概念•淬透性是钢淬火时奥氏体转变成M体而不转变成其它组织的能力。•淬透性的大小用一定条件下淬透层的深度表示。•规定：从钢表面到内部M占50%处的距离为淬透层深度。•淬硬性与淬透性的概念不同。钢的淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度。主要决定于M体的含碳量。而淬透性的好坏主要取决于奥氏体的稳定性。二、影响淬透性的因素凡是增加A体稳定性的因素，或凡是使C曲线右移，减小临界冷却速度的因素，都提高钢的淬透性。1、化学成分2、奥氏体化条件•注意：在相同奥氏体化条件下，同一种钢的淬透性是相同的，但它的淬硬层深度却随工件形状和尺寸及冷却介质冷却能力的不同而变化。如同一种钢在相同的奥氏体化条件下，水淬比油淬、小件比大件的淬硬层深，这决不能说同一种钢水淬比油淬、小件比大件的淬透性好。只有在一切条件相同时，才可根据淬硬层深度判定钢的淬透性的好坏。三、零件设计与淬透性•1）对于整个截面均匀受力或受大的冲击载荷的零件，应选用淬透性好的材料，使整个截面淬透。2）对于受弯曲、扭转的实心轴类零件，表面要求耐磨性并受冲击的一些模具，可选用淬透性较低的钢。•3）对于焊接件，不选用淬透性高的钢。•4）当工件尺寸很大，钢的淬透性又较差时，粗加工应安排在淬火前进行。•5）零件的尺寸大，钢的淬透性很差时，应选用正火代替淬火。四、淬透性的测定和表示方法淬透性的测定：常用方法是末端淬火法（端淬法）。§7-6钢的回火将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺称回火。一、回火的目的•1、降低淬火钢的脆性，消除或减少淬火钢的内应力。•2、获得所要求的性能。•3、稳定工件尺寸，降低硬度，便于切削加工。二、回火转变（以共析钢为例）•1、在100~200ºC回火，M体分解。M’•2、在200~300ºC回火，残余A转变(B下）。M’•3、在300~400ºC回火，碳化物转变（FeXC—Fe3C）T’•4、在400ºC以上回火，Fe3C聚集长大，相再结晶。S’三、回火转变产物的组织与性能1、回火M，300ºC回火的产物。在过饱和的固溶体上分布着高度弥散的碳化物-FexC。2、回火T，300~500ºC回火的产物，尚未再结晶的F+Fe3C细粒。3、回火S，500~650ºC回火的产物，多边形的F+Fe3C粗粒。4、回火P，650ºC~A1温度回火的产物。F+Fe3C粗粒。•随回火温度的提高，强度、硬度下降，塑性韧性升高。而弹性极限随回火温度的升高而升高在300~400ºC时达最大值，所以要求弹性极限高的弹簧类零件采用中温回火。四、回火的种类与应用•1、低温回火150~250ºC，得到回火M，HRC58~64，主要为了保持淬火钢的高硬度和耐磨性，而降低淬火钢的内应力和脆性。用于工具钢、滚动轴承钢及渗碳件。•2、中温回火350~500ºC，得到回火T，HRC35~50，主要是获得高的弹性极限和屈服强度，并具有一定的硬度和韧性。用于各类弹簧件。•3、高温回火500~650ºC，得到回火S，HRC25~35，使钢获得高的综合机械性能。主要用于中碳钢，合金调质钢的重要零件的处理。•淬火+高温回火又叫调质。回火T、回火S与奥氏体直接转变的T、S相比的异同点?五、回火脆性•在某些温度回火时，淬火钢的韧性不但不提高，反而降低的现象。•1、低温回火脆性（250~350ºC），不可逆。一般认为是沿M片或条的界面析出薄片碳化物，或P、Sn、Sb、As等杂质偏聚于晶界所致。•2、高温回火脆性（450~650ºC），可逆。快冷可防止，加入1%W或0.5%Mo可防止，也与杂质偏聚于晶界有关。§7-7钢的表面热处理•一概述•二、表面热处理的分类•1、只改变表层组织，不改变表层化学成分的热处理—表面淬火。•2、同时改变表层组织和化学成分的热处理—表面化学热处理（渗碳、渗氮等）。•三、表面淬火•通过快速加热使工件表面迅速达到淬火温度，未等热量传到心部就立即冷却淬火，只是表面获得M体，而心部组织未变的热处理工艺叫表面淬火。•表面淬火与未淬透有什么区别？（一）感应加热表面淬火（一）感应加热表面淬火1、工艺交流电的“集肤效应”，=C/f1/2（：加热深度mm，f：交流电的频率Hz）。2、感应加热表面淬火的特点•1）加热速度快，组织转变温度高，A体晶粒不易长大，淬火后M体细小，钢件表面硬度高，脆性低。•2）由于只是表层获得M，心部组织未变，M的比容大，使零件表层产生残留压应力，提高了零件的抗疲劳极限。•3）加热速度快，氧化与脱碳减小，且工件的变形小。•4）淬硬层深度易控制，生产率高。但设备费用高，特殊形状的感应圈不易制造。3、应用主要用于中碳钢和调质钢。•感应加热淬火后，一般要进行低温回火。•高频淬火（20~30kHz），淬硬层0.5~2mm。•中频淬火（2.5~8kHz），淬硬层3~6mm。•工频淬火，淬硬层10~15mm。•工艺路线：锻造—退火或正火—粗加工—调质—半精加工—感应加热表面淬火—低温回火—磨削加工四、渗碳渗碳是把钢置于渗碳