碳钢的热处理及性能分析

实验五碳钢的热处理及性能分析实验六常用钢铁材料的组织观察清华大学基础工业训练中心一、金属的概念二、金属材料的力学性能三、金属的结晶和组织1.金属的结晶过程2.金属的组织（1）室温平衡组织（2）非平衡组织四、钢铁的分类和异同钢和铸铁所含的主要合金元素都是铁和碳，所以也称钢和铸铁为Fe-C合金，它们的不同点在于含碳量，钢的含碳量小于2.11%，铸铁的含碳量大于2.11%。五、Fe-C合金基本组织1.铁素体F2.渗碳体Fe3C3.珠光体P（F+Fe3C）六、钢铁的组织和性能1.碳钢的室温平衡组织碳钢的室温平衡组织由铁素体、渗碳体和珠光体三种基本组织组成。随碳钢含碳量的不同，基本组织的含量也相应发生变化。碳钢按室温组织的不同根据含碳量可分为三类。项目种类含碳量（%）室温平衡组织备注亚共析钢＜0.77铁素体＋珠光体随含碳量的增加，组织中珠光体的量增多。共析钢＝0.77全部是珠光体过共析钢＞0.77珠光体＋渗碳体渗碳体分布于珠光体晶粒的周围（即晶界），在金相显微镜下观察呈网状结构，故又称网状渗碳体。含碳量越高，渗碳体层越厚。纯铁亚共析钢共析钢过共析钢碳钢的成分、组织、性能之间的关系示意图2.铸铁的室温平衡组织铸铁由于含碳量高，碳的存在形态发生了变化。在钢中碳是以化合态的Fe3C（渗碳体）存在，而在铸铁中碳不仅以化合态的Fe3C存在，同时出现了游离态的石墨。铸铁的组织可以认为是在铁素体或珠光体，或铁素体＋珠光体的基体上分布着不同形态的石墨。根据石墨形态的不同，常用铸铁可分为：灰铸铁—石墨以片状存在可锻铸铁—石墨以团絮状存在球墨铸铁—石墨以球状或近似球状存在可锻铸铁（铁素体基体）灰铸铁（珠光体基体）球墨铸铁（铁素体＋珠光体基体）3.铸铁与碳钢的性能比较铸铁与碳钢比较（在同一种基体下），由于铸铁中石墨的强度和伸长率都极低（σb20Mpa，δ→0）,而且石墨的存在对基体起割裂作用，所以，铸铁的力学性能（抗拉强度、塑性、韧性）较差，不如碳钢，尤以灰铸铁（片状石墨）最差，球墨铸铁因球状石墨的割裂作用最轻，具有较好的力学性能。铸铁具有优良的减震性、耐磨性、铸造性能和切削加工性能，而且生产成本低廉，因而在工业生产中得到广泛的应用。六、热加工工艺对碳钢组织的影响在材料加工工程中存在着如下关系：设备→工艺↘↑↓组织→性能→应用原材料→成分↗这个关系在实际生产过程中，表现为设备、工艺条件等的不同决定了热过程的非平衡程度的不同，使得金属结晶和转变过程不同，最终使金属材料的组织呈现多样性，即使同一种金属材料的组织也可呈现不同的形态。可见，正是非平衡过程的多样性，使得工程材料得到不同的组织，具备不同的性能，从而满足各种使用要求。此外，相同的金属组织，晶粒越细小、分布越均匀，其力学性能越高。工艺热过程及其特点成形特点组织特点性能或应用铸造在熔化设备中熔化金属炉料（熔点以上约100℃），使满足化学成分要求的金属液体具有流动性短时间保温静置，使金属熔体中气体、夹杂物上浮在铸型中较为缓慢地冷却凝固，获得铸件液态凝固成形非平衡结晶，一般为粗大的柱状晶。冷却速度越大，晶粒越细小受力不大的形状复杂件锻造在加热设备中加热工件，使其具有良好的塑性，并降低变形抗力在始锻和终锻温度范围内对工件施以冲击力或压力，使其发生塑性变形，并改善内部组织在终锻温度以下冷却，得到锻件固态塑性变形成形使俦锭原来粗大的晶粒细化，并沿变形方向呈现方向性的特点，减小甚至消除铸锭内部缺陷受力复杂的形状简单件焊接在空气或保护气氛中高能量加热，使构件连接区域快速熔化，形成熔池基本没保温过程在熔渣或保护气氛保护下快速冷却凝固，形成焊缝，焊缝以及附近母材冷却速度很不均匀不可拆卸的连接成形非平衡结晶特点更为明显，使得焊缝组织的柱状晶的特点更为明显，同时焊缝附近母材金属组织也发生不同程度的变化接头区域一般为性能薄弱区热处理在加热设备中使工件达到规定温定，使工件可能发生内部组织的变化工件于加热炉内在规定温度下保温规定时间，使工件热透，或使内部发生组织转变以不同方式或速度冷却，使工件获得所需要的组织和性能非成形加工同种材料经过不同的热处理可得到不同的组织根据不同的使用要求选用不同的热处理的方法常用热加工工艺方法特点铸锭宏观组织示意图焊接接头宏观组织示意图七、热处理的概念及常用工艺热处理是将金属在固态下通过加热、保温和冷却过程，改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。它的特点是：只改变金属材料内部组织结构，获得所需性能，尽量避免改变零件的形状。同样的材料经过不同的热处理方法，可以得到不同的内部组织，因此，热处理工艺可以最大限度地发挥材料的潜力。钢的常用热处理方法有：退火、正火、淬火和回火。常用热处理方法的工艺曲线示意图退火正火淬火回火1.退火退火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。退火的目的：a.降低硬度，以利于切削加工；b.细化晶粒，改善组织，提高机械性能；c.消除内应力，为下一道热处理作好准备；d.提高金属材料的塑性、韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。退火的缺点：占用设备；生产率低。2.正火正火是将金属制件加热到高于或低于这种金属的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷却，以获得更细组织的一种热处理工艺。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。3.淬火淬火是将金属制件加热到这种金属的临界温度以上30～50℃，经保温一定时间，随后在水或油中快速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。淬火的目的：提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火后获得高强度和一定韧性相配合的性能。4.回火回火是把淬火后的金属制件重新加热到某一温度，保温一段时间，然后置于空气或油中冷却的热处理工艺。回火的目的：为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属材料的淬性，使它具有一定的韧性。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。（1）低温回火：回火温度为150～250℃。低温回火能消除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。（2）中温回火：回火温度为350～500℃。中温回火可大大减小钢的内应力，提高了弹性、韧性，但硬度有所降低，应用于弹簧和热锻模等。（3）高温回火：回火温度为500～650℃。高温回火可以消除内应力，硬度有显著的下降，可获得具有强度、塑性、韧性等综合机械性能，应用于齿轮、连杆、曲轴等。5.调质处理淬火后再经高温回火的热处理工艺，称为调质处理。一般要求具有较高综合机械性能的重要结构零件，都要经过调质处理。