热处理基础知识

环球传动泰州有限公司热处理基础知识目录第一章热处理概述第二章钢在加热过程中的组织转变第三章钢在冷却过程中的组织转变第四章钢的常规热处理第五章钢的表面淬火第六章钢的化学热处理第七章热处理零件的结构工艺性及缺陷的预防一、钢的热处理二、常见的热处理方法三、钢的临界转变温度第一章热处理概述中国在春秋晚期已掌握冶铁技术。战国时期，冶铁业已逐渐盛行，到了晚期，不仅能炼出高碳钢，并掌握了淬火技术，于是开始进入以铁兵器代替铜兵器的时代。战国晚期还出现了铁制铠甲。热处理的发展：19世纪中期，英国的索拜(H.C.Sorby)和德国的马登斯(A.Martens)等采用抛光、腐蚀等方法，并用光学显微镜成功地显示钢的显微组织，大大推动了热处理技术的发展。英国的奥斯汀(O.RobertAusten)和法国的奥斯摩特(F.Osmord)应用相率建立了Fe-C平衡图，使得钢的热处理有了依据。1930年贝茵(E.C.Bain)研究了过程奥氏体的等温变化，建立了钢的过冷奥氏体等温转变曲线，创立了等温淬火工艺，为以后制订各种热处理工艺提供了科学依据。热处理才真正形成了一门较完整的学科。一、钢的热处理1.定义：热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的一种综合的热加工工艺过程。加热：促使组织发生转变保温：保证组织充分转变冷却：获得所需的组织和性能热处理工艺流程：时间温度临界温度加热保温冷却温度时间Tc区别不同的热处理方法关键在冷却阶段随炉冷却空冷油冷热处理工艺曲线热加保温时间温度临界温度A1连续冷却等温冷却过冷奥氏体的两种冷却方式把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。钢在冷却时的转变把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。(1)钢筋绕成弹簧状；(2)加热钢筋至红热，急剧冷却；(3)将(2)钢筋再次加热(温度相对低)冷却。弹簧热处理过程为什么弹簧状钢筋加热到红热急冷后变得又硬又脆？为什么再次加热和冷却后变得刚柔相济，成为真正的弹簧？在机床制造中，约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中，需热处理的零件达70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用.模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。2、热处理特点:热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等具体参数称热处理工艺。(a)940淬火+220回火(板条M回+A‘少)(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火(板条M+条状F+A’少)(e)940淬火+780淬火+220回火(板条M回+条状F+A‘少)(f)780淬火+220回火(板条M回+块状F)20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织二、常见的热处理方法预备热处理：为随后的加工(冷拔、冲压、切削)或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理：赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：火焰加热表面淬火感应加热表面淬火接触加热表面淬火激光热处理等热处理普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理其他热处理表面淬火化学热处理渗碳渗氮(氮化)碳氮共渗等可控气氛热处理真空热处理形变热处理等钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；钢冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30～50℃/h的速度加热或冷却时测得的。铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将：三、钢的临界转变温度序号代号表示备注1A奥氏体2F铁素体3Fe3C渗碳体4M马氏体5B贝氏体(上贝氏体为B上；下贝氏体为B下)6P珠光体(根据片层间距的不同，可细分为珠光体P、索氏体S、屈氏体T)7A1加热时珠光体向奥氏体转变Ac1；冷却时奥氏体向珠光体转变Ar18A3亚共析钢加热时，先共析铁素体完全溶入奥氏体的温度Ac3；或冷却时先共析铁素体开始从奥氏体中析出的温度Ar39Acm过共析钢加热时，先共析渗碳体完全溶入奥氏体的温度Accm；或冷却时先共析渗碳体开始从奥氏体中析出的温度Arcm常用金相组织及临界点代号对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。第二章钢在加热过程中的组织转变一、奥氏体的形成二、影响奥氏体形成速度的因素三、奥氏体晶粒大小及其影响因素加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，加热目的是获得均匀的细晶奥氏体组织，称奥氏体化。钢坯加热1、奥氏体的形成条件一定的过热度，获得足够的自由能差。(加热到AC1以上)一、奥氏体的形成奥氏体的形核：F与Fe3C相界形核。奥氏体晶核长大：A晶核通过碳原子的扩散向F和Fe3C方向长大。残余Fe3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。2、奥氏体的形成过程奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：[P(F+Fe3C)A]奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。保温目的：(1)工件热透，相变完全；(2)成分均匀温度，℃共析钢奥氏体化曲线(875℃退火)奥氏体的形成过程晶体结构的改变：bcc→fccFe、C原子的扩散共析钢奥氏体化过程亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析F或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。二、影响奥氏体形成速度的因素奥氏体形成速度与加热温度、加热速度、钢的成分以及原始组织等有关。加热温度越高，奥氏体形成速度越快加热速度越快，奥氏体形成速度越快含碳量增加，利于奥氏体加速形成合金元素显著影响奥氏体的形成速度原始组织(珠光体)越细，奥氏体形成速度越快钴、镍等↑；铬、钼、钒等↓；硅、铝、锰等－。三、奥氏体晶粒大小及其影响因素1.奥氏体晶粒度：起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度A形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小特定条件下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性，并不代表具体的晶粒大小特定条件930±10℃，保温3-8h倾向性本质粗晶粒钢(Mn，Si)本质细晶粒钢(Al、Ti、Zr、V、Nb等)是不是本质粗晶粒钢的晶粒一定粗？本质晶粒度仅仅代表钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小2、影响奥氏体晶粒长大的因素⑴加热温度和保温时间:加热温度高、保温时间长,晶粒粗大。(严格控制加热温度)⑵加热速度:加热速度越快,过热度越大,形核率越高,起始晶粒越细。(快速加热、短时保温)⑶碳及合金元素：一定范围内含碳越高晶粒越易长大；碳超过A饱和度时，未溶Fe3C阻碍A长大。阻碍A晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等Nb/%奥氏体晶粒尺寸/μmNb、Ti对奥氏体晶粒的影响促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N(加速Fe扩散)。⑷原始组织:原始组织越细有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。箱式可控气氛多用炉真空热处理炉3、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响(1)奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。(2)粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。第三章钢在冷却过程中的组织转变一、过冷奥氏体的等温转变二、过冷奥氏体的连续冷却转变1)奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即发生转变呢？2)冷却方式及速度对冷却后的组织形态会不会产生影响呢？冷却方式：等温冷却方式和连续冷却方式。转变产物组织性能均匀，研究领域应用广(过冷奥氏体转变动力学曲线为C曲线)转变产物为粗细不匀甚至类型不同的混合组织，实际生产中广泛采用(CCT曲线)冷却是热处理工艺中最关键的工序。过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。奥氏体的冷却转变，直接影响钢热处理后的组织和性能。钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。过冷奥氏体的转变产物，决定于它的转变温度，而转变温度又主要与冷却的方式和速度有关。研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲线及连续冷却转变曲线。过冷奥氏体的等温转变曲线：表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下在各不同温度下的保温过程中转变量、转变产物与转变时间的关系曲线，又称C曲线或TTT曲线。(Time-Temperature-Transformationdiagram)一、过冷奥氏体的等温转变1、C曲线的建立以共析钢为例：⑴取一批小试样并进行奥氏体化；⑵将试样分组淬入低于A1点的不同温度的盐浴中,隔一定时间取一试样淬入水中。⑶测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。⑷将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度—时间坐标中，并分别连线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。共析碳钢TTT曲线建立时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区A过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃；高温转变区；扩散型转变；P转变区。550～230℃；中温转变区；半扩散型转变；贝氏体(B)转变区；230～-50℃；低温转变区；非扩散型转变；马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf5506502s10s5s2s5s10s30s40sA1-Ms间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体2、C曲线的分析⑴曲线含义三条水平线：A1线为钢的临界点，A与P的平衡温度；Ms线为M转变开始线(230℃)；Mf线M转变终了线(-50℃)。两条曲线：左边为过冷A转变开始线，右边为转变终了线。(2)孕育期：转变开始线与纵坐标之间的距离为。反映了过冷奥氏体的稳定性。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550℃。过冷A的稳定性跟驱动力和原子扩散系数两因素有关。在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小。在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。01时间/sT/℃M+A'A1100200300400500600700800-100100101010102345AMsMf过冷A过冷AA→MA→下BA→S转变开始转变结束A→上BA→TA→PM下B上BTSP5~25HRC25~35HRC35~40HRC40~50HRC50~60HRC60~65HRC(3)C曲线表示了各温度下等温转变类型及产物。三类转变：1)高温转变：A1～550℃过冷A→P型组织2)中温转变：550℃～MS过冷A→贝氏体3)低温转变：(连续冷却)MS～Mf过冷A→马氏体(M)3、影响C曲线的因素⑴成分的影响①含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms与Mf点随含碳量增加而下降。与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。②合金元素的影响：除Co外,凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移，增大过冷A的稳定性。碳化