修改后第四章 热处理

第四章钢的热处理Heattreatmentofcarbonsteel1、热处理概念GB/T7372—99——将金属材料或工件在固态下进行加热、保温、冷却三个步骤以获得预期的组织结构与性能的工艺。目的：改变钢的工艺性能；强化钢材；满足使用要求。原理：改变组织。t℃o时间τ加热保温冷却热处理工艺曲线本章重点：热处理基本理论；常用热处理工艺；热处理组织、性能特点。2、热处理分类按目的、加热条件和特点不同分：——退火、正火、淬火、回火。是讨论的重点（1）整体热处理bulkheat--treatment（2）表面热处理surfaceheat--treatment——火焰加热淬火、感应加热淬火等。（3）化学热处理thermo-chemicaltreatment——渗碳、渗氮、碳氮共渗等（4）特殊热处理specialheat-treatment——形变热处理、磁场热处理、真空热处理、激光热处理等。第一节钢在加热时的组织转变GPQSEAFF+AA+Fe3CⅡPF+PP+Fe3CⅡ加热时：“C”下标如：AC1；AC3；AccmAC3AccmAC1冷却时：“r”下标如：Ar1；Ar3；ArcmAr3Ar1Arcm二、奥氏体的形成以共析钢为例，室温P是F+Fe3C混合物AC1A(WC=0.77%)一、临界温度P:F(WC=0.0218%)+Fe3C(WC=6.69%)1.结构的改组2.碳原子的扩散正交晶格面心立方0.77Wc727体心立方Fe3CF●A核●AA形成过程：1、奥氏体的形核与长大2、剩余Fe3C的溶解3、奥氏体成分的均匀化6.69%0.0218%三、影响A形成的因素1、加热温度的影响。温度高→转变速度快2、加热速度的影响。3、化学成分的影响亚共析钢和过共析钢中A的形成过程加热速度快→转变速度快（1）碳的质量分数WC↑A的形成速度↑（2）合金元素含合金元素→A的形成速度↓四、奥氏体晶粒大小与控制1、晶粒度——晶粒的大小程度，称晶粒度。YB/T5148——1993规定：有10个级别，1级最粗——10级最细。见教材P152、晶粒大小与控制（1）起始晶粒度（2）实际晶粒度（3）本质晶粒度——P刚刚转变为A时的晶粒大小。——经热处理后获得的A晶粒大小。（1）合理选择加热温度和保温时间。（2）选择原始材料晶粒粒状P组织。（3）加入一定量的合金元素，抑制A晶粒长大。——将钢试样加热到（930+/–10)℃、保温3—8h冷却后得到的晶粒大小。本质晶粒度代表着钢的晶粒长大倾向，由钢的成分及冶炼方法决定本质粗晶粒钢：用Si、Mn脱氧的钢。本质细晶粒钢：用Al脱氧的钢，含Ti、V等元素的合金钢。第二节钢在冷却时组织转变Ar1温度时间O连续冷却等温冷却●●●一、过冷A的等温冷却转变▲过冷A——冷却到Ar1线以下暂时存在的A。▲等温冷却——将A由高温冷却到Ar1线以下某个温度等温停留一段时间，然后冷却下来的方式。▲等温转变——在等温保持时，过冷A发生的转变1、等温转变曲线的建立以共析钢为例步骤（1）按照一定尺寸制成若干共析钢试样。A的冷却转变方式（2）将试样加热到850℃—900℃，保温一段时间，A化。（3）将试样分别放入不同温度的等温槽（炉）中冷却，如：700℃、650、600、550、500、450、400、200℃等A1tτO850—900-700-650-600----550500450200·.......230Ms.2、曲线分析（TTT曲线）时间—温度—组织转变关系曲线，简称“TTT”线。Time—Temperature—TransformPBM按温度划分三个区：高温转变区：A1—550℃→珠光体型转变P中温转变区：550℃—Ms→贝氏体型转变B低温转变区：Ms（230℃）以下→马氏体型转变M（4）测定A在各个温度下，组织转变开始与终止的时间、最终的组织与性能。（5）将测定结果描绘在温度—时间坐标系内，将组织转变开始点和终止点连接起来即得C曲线。Mf过冷A的孕育期...3、过冷A等温转变产物的组织与性能550600650A1MsPBM（1）珠光体型转变——产物P由于冷却速度不等，得到的P层片厚薄不同，三种：①、A1—650℃，△T小，P粒粗，160HBS—250HBS“P”表示。P②、650—600℃，△T稍大，P粒较细，薄F与Fe3C，”S”表示，sarbite索氏体，27—38HRC。S③、600—550℃，△T大，P粒很细，用T表示，troostite托氏体；38HRC—43HRC。T（2）贝氏体型转变--Bbainite727——奥氏体转变成过饱和铁素体和极细小的渗碳体的混合物，称“贝氏体”。分B上、B下，B上硬脆无使用价值，B下力学性能较好。——生产中常用。350B上B下面心立方：γ—Fe体心立方α—Fe对应珠光体转变的A1点和马氏体转变的Ms点，贝氏体也有一个上限温度Bs点。即奥氏体必须冷却到Bs点以下才能发生贝氏体转变贝氏体组织形态1）上贝氏体B上：550℃-350℃在贝氏体转变区的较高温度范围形成的贝氏体。组织呈羽毛状，为一束大致平行的铁素体板条，碳化物分布在铁素体板条间。2）下贝氏体B下：350℃-Ms在贝氏体转变区的较低温度范围形成的贝氏体。组织铁素体呈针状，碳化物比较细，分布在铁素体内。（3）马氏体型转变—Mmartensite△T极大，Fe、C原子不能扩散，C全部溶于α—Fe中，体积↑，产生应力。珠光体型转变（高温转变）——扩散型转变AP(F+Fe3C)包含两个过程：碳的扩散、晶格的重建贝氏体型转变（中温转变）——半扩散型转变AB(Fe3C+过饱和碳的铁素体）有晶格重建，但是有一部分碳原子无法析出。碳在α—Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体。马氏体型转变1.马氏体转变特点（3）在较低的温度下进行，只有晶格重建，Fe及C原子都不能进行扩散，在马氏体的成分与奥氏体的完全一样。（1）钢经过淬火得到的高硬度相称为马氏体，将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。（4）含碳量过饱和，所以马氏体的体心立方晶格的c轴伸长，a和b减小，体心立方成为体心正方。（2）马氏体转变是奥氏体必须快速冷却到某一温度以下才能发生。这一温度称为马氏体转变开始温度，用Ms代表。（低温转变）——非扩散型转变（５）室温下马氏体的转变是不完全的，总要残留少量奥氏体。２、残余奥氏体Ａ´室温下没有转变成马氏体的保留下来的奥氏体。二、过冷A连续冷却转变A1550℃MsV1炉冷V2空冷V3油冷V4水冷PSTVK1、连续冷却转变曲线又称“CCT”曲线ContinuousCoolingTransformVK—临界冷却速度V1→P170—220HBSV2→S27HRC—38HRCV3→T+M45HRC—55HRCV4→M+A'55HRC—65HRC2、马氏体的形态、性能①晶体结构：体心立方→体心正方，体积增大。②形态、性能：硬度很高，耐磨性好，62HRC—65HRC。片状M，WC≥1%，HB高，δ、ak差。板条状M，WC≤0.25%,良好σ，较高ak，强韧性。第三节钢的退火与正火一、退火annealingGB/T7232—1999概念：将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，称退火。——属整体热处理的一种。分：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火等。1、完全退火fullannealing（1）概念：将工件加热到AC3+30—50℃完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织（P+F）的退火工艺。AA3Ac3完全退火P+F（2）目的：细化晶粒，提高性能；消除应力，防止变形；降低硬度。提高切削加工性。（3）应用：亚共析钢；铸件；锻件；焊接件。2、球化退火spheroidizingannealing（1）、概念：使工件中碳化物球状化（片状渗碳体发生不完全溶解而断开，形成细小渗碳体）而进行的退火工艺。A+Fe3CⅡP+Fe3CⅡAAc130—50℃完全退火球化退火加热温度Ac1+30—50℃（2）目的：↓HB，↑切削加工性（195HBS左右）；为淬火做准备。（3）应用：过共析钢，模具钢，合金工具钢。3、去应力退火tressrelievisng（1）、概念：将工件加热到500—600℃左右，保温一段时间，然后随炉冷到200—300℃，再空冷的方法。去应力退火500600（2）、目的：去除内应力，稳定尺寸，减少变形。（3）、应用：铸件，锻造件，焊接件，切削加工件。（4）、特点：不发生相变，属低温退火二、正火normalizingAF+AA+Fe3CP+Fe3CSFPG1、概念：将工件加热到奥氏体化状态，然后在空气中冷却的热处理工艺。2、加热温度：Ac3或Accm+30—50℃正火AccmAc330—50℃3、目的：细化晶粒，调整硬度，消除网状Fe3C。4、应用：碳钢件。三、退火与正火的选择1、使用性能：工件要求不高，用正火；形状复杂、大件用退火。2、可加工性：WC≤0.45%碳钢用正火；高碳钢用退火，↓HB。3、经济性：正火——经济；退火——工艺繁杂；第四节钢的淬火与回火一、淬火quenching1、概念——将工件加热到奥氏体或部分奥氏体化后以适当的方式冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。2、目的：提高硬度，高弹性和耐磨性，获得好的综合力学性能。3、加热温度亚共析钢：AC3+30—50℃AA+Fe3CⅡM+A'少M+Fe3CⅡ+A´很少过共析钢：AC1+30—50℃得细小均匀的M组织若TAC3得F硬度不足，强度降低若T过高，粗大M组织，性能破坏——细小均匀的M和粒状渗碳体混合组织，A´较少，硬度耐磨性高若T＞ACcm，得粗大Ｍ组织，工件变形开裂。F+A5、淬火冷却介质水：较快，易变形开裂。油：较慢，减少变形，如10#、20#机油。食盐水：冷却能力提高，10%NaCI溶液。6、常用淬火方法7、钢的淬透性和淬硬性（1）淬透性hardenability：钢在淬火后的淬硬层深度，即获得硬度深度和硬度分布的能力。硬度层越深，淬透性越好。（2）淬硬性hardeningcapacity：淬火后获得的最高硬度的能力。主要取决于WC的含量。注意：淬火后硬度高的钢，不一定淬透性好；淬火后硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。4、保温时间：太短——奥氏体化不均匀，出现软点；太长——钢件表面出现氧化、脱碳、晶粒粗大。V表V临V心V临→M淬透性好（3）对力学性能的影响：淬透性好的钢，力学性能高；淬透性差的钢，尤其是心部力学性能低，受力易变形。二、回火tempering1、概念：淬火后的工件，再加热到A1以下某一温度、保温一定时间，然后冷却到室温的工艺。2、目的：（1）使工件获得要求的力学性能；（2）稳定工件尺寸；（3）消除或减少内应力；（4）改善工件的切削加工性。3、淬火钢在回火时的组织和性能的变化。——四个阶段（1）马氏体的分解（200℃)M→M回=饱和度降低的α固溶体+ε碳化物（2）A´的分解(200~300℃)A´→B下当WC≤0.7%，WC↑，淬透性↑；当WC0.7%，WC↑，淬透性↓（2）中温回火（350—500）℃；medium—temperaturtempering——回火后σb、σs较高，内应力消除，ak较好。回火组织：T回；用于弹簧钢制造的弹性件、锻模。（1）低温回火（150—250℃）low—temperaturetempering4、回火方法（组织转变、性能、应用）——获得组织M回；58—65HRC；用于高碳钢、工具钢（刀具、量具、模具）、滚动轴承钢。（4）碳化物的聚集长大(400℃以上）形成S回过饱和固溶体→FFe2.4C→细粒状渗碳体T回（3）回火托氏体的形成(250~400℃)性能：淬火应力消除，强度硬度下降，塑性韧性提高。性能：强度硬度进一步下降，塑性韧性进一步提高。目的：降低淬火应力，提高韧性。35~45HRC5、回火脆性：一般来讲，随回火温度↑，其σ、HB↓，δ、ak↑，但在250—350℃之间其ak↓的现象，称“回火脆性”。碳化物沿着马氏体周围析出，形成脆性薄壳，受力易裂纹。说明：①回火组织与等温冷却转变组