金属组织控制技术江苏大学邵红红第一章钢的退火和正火将组织偏离平衡状态的金属及合金加热到适当的温度,保持一定的时间,然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。§1-1退火工艺分类及目的一、完全退火加热温度:碳钢:Ac3+20~30℃合金钢:Ac3+30~50℃保温时间:以工件的有效厚度来计算。在箱式电阻炉中可按下式计算:τ(min)=KDD(mm)为工件有效厚度;K为加热系数,一般K=1.5~2.0min/mm。完全退火目的:用于亚共析钢(WC=0.3~0.6%),细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性能。实际生产时,为了提高生产率,退火冷却至500℃左右即可出炉空冷二、不完全退火加热温度:亚共析钢在Ac1~Ac3过共析钢Ac1~Accm目的:降低硬度、消除内应力。不完全退火的加热温度比完全退火低,过程时间也较短,因而是比较经济的一种工艺。注意:不完全退火一般仅用于正确热加工后的亚共析钢,不需要改变其组织状态。过共析钢的不完全退火,实质上是球化退火的一种。三、球化退火球化退火是使钢中碳化物球状化,获得球化体的一种热处理工艺。目的:用于共析钢、过共析钢和合金工具钢,降低硬度、均匀组织、改善切削加工性,并为淬火作组织准备。球化退火加热温度一般在Ac1+20~30℃,保温时间一般2~4h。采用随炉冷却,或在Ar1以下20℃左右进行较长时间等温。四、等温退火钢加热到Ac3以上30~50℃保温后以较快的冷却速度冷至稍低于Ar1的温度等温,使奥氏体转变为珠光体,再空冷至室温的热处理工艺。目的:加速工艺过程。等温温度的选择应依据“C”曲线选在P转变区过冷A不稳定区域。但要保证P片层间距不至于过细,以获得适合的硬度。五、扩散退火(均匀化退火)将钢锭、铸件或锻坯加热到略低于固相线的温度下长时间保温,然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。目的:消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析,使成分和组织均匀化。加热温度:碳钢:1100~1200℃合金钢:1200~1300℃。保温时间:10~15h扩散退火后,晶粒特别粗大,必须补充一次完全退火或正火。六、去应力退火消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。加热温度在Ac1点以下,一般为500~650℃铸铁工件:一般为500~550℃,超过550℃容易造成珠光体的石墨化。焊接工件:一般为500~600℃对切削加工量大,形状复杂而要求严格的刀具、模具等,淬火之前常进行600~700℃、2~4h的去应力退火。去应力退火后的冷却应尽量缓慢,以免产生新的应力。七、再结晶退火加热温度:TR+(150~250℃)大部分钢件为600~700℃。保温时间:1~4h,空冷。目的:消除冷作硬化,提高塑性,改善切削性能及压延成型性能对于临界变形度范围形变的工件,采用完全退火或正火来代替再结晶退火。练习:确定下列工件的退火方法,并指出退火目的及退火后的组织:(1)经冷轧后的15钢板要求降低硬度;(2)ZG35铸造齿轮;(3)锻造过热的60钢坯;(4)具有片状渗碳体的T12钢坯。§1-3钢的正火将钢加热到Ac3(或Accm)以上适当温度,保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。目的:①细化晶粒、消除内应力。(主要针对铸锻件,可采用二次正火)②消除网状碳化物。(主要针对过共析钢③提高切削加工性能(主要针对低碳钢,对于铁素体过多的低碳钢可适当提高温度:Ac3+100℃,快冷。)§1-4退火、正火后钢的组织和性能一、退火和正火后的组织特点1正火的P组织比退火状态的片间距小。2正火时先共析产物不能充分析出,会形成伪共析组织。3由于合金钢中碳化物更稳定,不易充分固溶到A中,因此在退火后不易形成片状P,正火后的粒状S或T硬度较高。二、退火和正火组织与性能关系当碳含量<0.2%时,退火与正火后钢的力学性能相近。当碳含量升高时,正火比退火组织的强度、硬度要高,但塑性较低。只有在球化退火时,其综合力学性能优于正火。三、退火与正火的选用①含碳量<0.25%的低碳钢,通常采用正火代替退火。防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体,提高冲压件的冷变形性能。改善低碳钢的切削加工性能。②含碳量为0.25~0.5%的中碳钢也可以用正火代替退火,虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高,但尚能进行切削加工。③含碳量为0.5~0.75%的钢,采用完全退火,降低硬度,改善切削加工性。④含碳量为0.75%以上的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理。从经济原则考虑,正火比退火生产周期短,操作简便,工艺成本低。四、退火与正火常见缺陷及补救方法1黑脆碳素工具钢或低合金工具钢在退火后,有时发现硬度虽然很低,但脆性却很大,一折就断,断口呈灰黑色,所以叫做“黑脆”。金相组织特点是部分渗碳体转变成石墨。产生原因:主要是由于退火温度过高,保温时间过长,冷却缓慢,珠光体转变按更稳定的Fe—C平衡相图进行所致。钢中含碳量过高,含锰量过低,以及含有微量促进石墨化的杂质元素(如铝)等均能促进石墨化。2反常组织组织特征:①亚共析钢在先共析铁素体晶界上有粗大的渗碳体存在,珠光体片间距很大,②共析钢在先共析渗碳体周围有很宽铁素体条,而先共析渗碳体也很宽。反常组织产生的原因:亚共析钢或过共析钢退火时,在Ar1点附近冷却过慢,特别是略低于Ar1点(例如低10℃)的温度下长期停留。先共析相析出后,在后续的珠光体转变中,铁素体或渗碳体自由长大,而形成游离的铁素体或渗碳体。反常组织将造成淬火软点。出现这种组织时应进行重新退火消除。3网状组织网状组织主要是由于加热温度过高,冷却速度过慢所引起的。网状铁素体或渗碳体会降低钢的机械性能,特别是网状渗碳体,在后续淬火加热时很难消除,因此必须严格控制。网状组织一般采取重新正火的办法来消除。第二章钢的淬火及回火把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上,保温并随之以大于临界冷却速度(Vc)冷却,以得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。§2-1淬火目的、淬火的必要条件一淬火目的①提高工具、渗碳零件和其他高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性。②为随后的回火获得一定的力学性能而进行淬火。(如弹簧、调质件)③为了改变钢的某些物理和化学性能。二、淬火的必要条件三个必须:加热温度必须高于临界点(亚共析钢Ac3,过共析钢Ac1);冷却速度必须大于Vc;组织必须是M或B下。§2-2淬火介质理想的淬火冷却速度淬火冷却时怎样才能既得到马氏体而又减小变形与避免裂纹呢?可以从两方面着手:①是寻找一种比较理想的淬火介质。②是改进淬火的冷却方法。一、淬火介质的冷却机理最常用的淬火介质是液态介质。淬火介质按其冷却特性分为二类:①有物态变化的淬火介质②无物态变化的淬火介质(一)有物态变化的淬火介质是国内外广泛发展的类型。按基本组成可分为水基与油基。在有物态变化的淬火介质中淬火时,钢件的冷却分三个阶段:①蒸汽膜阶段②沸腾阶段蒸汽膜破裂的极限温度称为特性温度。③对流阶段(二)无物态变化的淬火介质这类介质主要是熔盐、熔碱、熔融金属及气体等,主要用于分级淬火和等温淬火。特点:①依靠周围介质的传导和对流将工件的热量带走。所以介质的冷却能力主要取决于介质本身的物理特性。②介质在高温下冷速很快,而在工件接近介质温度时冷速迅速降低。决定冷却速度的主要因素是工件与介质的温差。温差越大,冷却速度越快。(三)影响淬火介质冷却能力的因素1内在因素比热、汽化热、蒸汽压、导热性、粘度、表面张力等。2外界因素添加物、淬火介质温度、搅拌、工件投入介质的温度等添加物:①所有不溶或微溶于水的物质均提高水的蒸汽膜稳定性。如油、肥皂等这类物质均使水的冷却能力降低。②所有溶于水,形成水溶液的物质均降低水的蒸汽膜稳定性。如盐、碱等。二、淬火介质冷却特性的测定若工件尺寸及所用钢材均不变,则淬火硬化结果就取决于淬火介质对工件的淬火能力。这种能力是用硬度变化的情况反映出来,称为淬火介质的淬硬能力。淬硬能力通常用急冷度来评价,它是一种用钢硬化层深度来评定淬火介质冷却能力的方法。H=α热交换系数λ导热系数冷却强度对一般钢来讲,λ为一定值,所以H取决于钢与冷却介质之间的热交换情况。三、常用淬火介质及其冷却特性1水最常用且最经济的冷却介质。化学稳定性高、热容量较大。特点:(1)水的冷却速度较大。冷却特性与理想介质要求相反。(2)水的特性温度很低。(3)水温升高,高温区冷却能力降低,低温区冷却能力不变。(4)增加水的搅拌,可增加高温区的冷却能力,但不会减少开裂危险。水只适用于形状简单、尺寸不大的碳钢工件。2碱和盐的水溶液盐水和碱水的溶液的冷却特点为:蒸汽膜阶段极短,特性温度高,冷却能力大大增加。在水中添加10~15%的NaCl,或10~20%的NaOH,可大大提高在高温区冷却速度。适用于形状简单、尺寸较大的碳素结构钢工件的淬火,对大截面的碳素工具钢,低合金钢的工件用盐水-油双液淬火。3油(1)油的冷却特性接近理想冷却介质。但由于油的汽化热、比热、热传导速度小及粘度大,整个冷却过程均比水小。(2)油温升高冷却能力增强。油温在60~80℃之间使用较好。适用于合金钢和小截面的碳钢工件。防止油老化的措施:(1)控制油温。(2)经常清除油渣和氧化皮,及时补充新油。(3)避免水分带入。工件淬入方式§2-3钢的淬透性一、淬透性的基本概念钢的淬透性是表征钢材淬火时获得马氏体能力的特性。钢的淬透性与淬硬性区别:淬透性是指淬火时获得马氏体的难易程度。它主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关,或者说与钢的临界淬火冷却速度有关。淬硬性指淬成马氏体可能得到的最高硬度,因此它主要和钢中含碳量有关。二、淬透性的测定方法1临界直径法淬火临界直径:该种钢在该种淬火介质中能淬透的最大直径。临界直径的数值是随淬火介质的冷却能力而变的。为了排除冷却条件的影响,引入了理想临界直径的DI。用临界直径法来表示钢的淬透性,必须表明钢的冷却烈度H。两种钢用同一种介质中,D0越大,则钢的淬透性越好。已知:H=1.2时,D=27mmH=0.4时,D=?2端淬法由于钢的化学成分允许在一个范围内波动,因此手册上给出的各种钢的淬透性曲线通常是一条淬透性带。用J表示钢的淬透性(老标准)。JHRCd456表示在淬透性带的距离末端6mm处的硬度为45HRCJ××-d(新标准)表示硬度值水冷端距离三、淬透性在生产中的应用1根据淬透性曲线预测材料的组织与硬度距水冷端距离?25?25水100淬透性曲线硬度HRC举例:端淬曲线几个注意点:①近端面1.5处的硬度可代表钢的淬透性。此处一般情况下表示99.9%M的硬度。②曲线上拐点处大致与50%M硬度一致。该点距水冷端距离的远近代表该钢的淬透性高低。③硬度变化平稳标志着钢的淬透性大。请同学们阅读书中的实例:(1)根据端淬曲线求沿工件截面上硬度分布(2)根据所要求的硬度求工件的截面尺寸端淬法的局限性:对低淬透性钢其末端的冷速可能还不能淬透;对高淬透性钢则冷速显得太快,甚至使整个试样完全淬透。必须采取特殊的方法,但目前这些方法还没有标准化。2合理选择淬硬层深度①一般对于重要工件承受危险应力的部位应获得90%以上的M。如连杆、弹簧等。②对于要求不很高的调质件,一般只要求不出现F即可满足要求。③对于工作条件繁重的热锻模,要求高强度和高韧性,硬化层越深,其工作寿命越高。小型锻模要求全部淬透,大锻模硬化层厚度应在100mm以上。未淬透钢淬透钢淬透性不同的钢调质后力学性能3合理选材不是一切工件都要求钢的淬透性越高越好,要具体分析:①焊接件②渗碳钢③高频淬火工件§2-4淬火应力、变形及开裂一、淬火应力工件在淬火过程中会发生形状和尺寸的变化,有时甚至要产生淬火裂纹,工件变形或开裂的原因是由于淬火过程中,在工件内产生的内应力造成的。淬火内应力主要有热应力和组织应力两种。1热应力及其变化规律工件在加热和冷却时,由于表面和心部存在着温度差,胀缩时间不一致,而产生的内应力称为热应力。热应力变化规律:存在于工件冷却的全过程,开始时,热应力使表层受拉,心部受压,最终残留的热应力则使表面受压,心部
本文标题:强韧化1
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