热处理的基本知识

热处理基础知识培训钢的热处理§1钢的热处理概述§2钢在加热和冷却时的转变§3钢的整体热处理工艺§4钢的表面热处理工艺§5热处理新技术简介热处理的定义:时间温度临界温度热加保温冷却§3-1钢的热处理概述热处理的主要目的:改变钢的性能。热处理的应用范围:整个制造业。热处理的分类热处理整体热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火化学热处理感应淬火火焰淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;§3-1钢的热处理概述箱式电阻炉§3-1钢的热处理概述台车式电阻炉§3-1钢的热处理概述连续式热处理炉§3-1钢的热处理概述钢的临界点：平衡临界点：加热临界点：冷却临界点：A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm§3-1钢的热处理概述钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。§2钢在加热和冷却时的转变1、奥氏体的形成(PA)一、钢在加热时的转变⑴奥氏体形核与晶核长大奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。⑵残留渗碳体的溶解铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。⑶奥氏体均匀化渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。亚共析钢的加热过程：过共析钢的加热过程：AAFPFACAC31ACFeACFePcmACⅡACⅡ331§2钢在加热和冷却时的转变奥氏体晶粒度的概念晶粒度：表示晶粒大小的尺度。钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，在一般情况下，奥氏体晶粒是比较细小而均匀的，此时的晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒度。用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。通常采用标准试验方法，即将钢加热到930±10℃，保温3～8h后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在1～4级，称为本质粗晶粒钢；如晶粒大小在5～8级，则称为本质细晶粒钢。2、奥氏体晶粒的长大§2钢在加热和冷却时的转变晶粒度的测定方法：930±10℃保温3~8小时(100×)本质粗本质细§2钢在加热和冷却时的转变晶粒度的控制Al脱氧(本质细)Si/Mn脱氧(本质粗)§2钢在加热和冷却时的转变3.影响奥氏体晶粒长大的因素1.加热温度加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大，热处理时必须规定合适的加热温度范围。2.保温时间随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保温时间的延长，晶粒长大速度越来越慢，且不会无限制地长大下去。§2钢在加热和冷却时的转变影响奥氏体晶粒长大的因素3.加热速度加热速度越快，奥氏体化的实际温度愈高，奥氏体的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。4.冶炼和脱氧条件冶炼时用铝脱氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒,阻止奥氏体晶粒长大，在一定温度下晶粒不易长大。§2钢在加热和冷却时的转变影响奥氏体晶粒长大的因素5.含碳量的影响(有临界值)随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大倾向减小。§2钢在加热和冷却时的转变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，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。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。二、钢在冷却时的转变§2钢在加热和冷却时的转变1、过冷奥氏体的等温转变§2钢在加热和冷却时的转变共析钢的等温转变图稳定的奥氏体区过冷奥氏体区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～Ms(230℃);中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区.Ms～Mf(-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(℃)0400A1MsMf§2钢在加热和冷却时的转变珠光体转变：扩散相变(A1～550℃,A→P（F+Fe3C）)1）在A1～650℃形成的珠光体，因为过冷度小，片间距较大(0.4m)，在500×以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形态；即为粗珠光体，习惯上称为珠光体（P）。§2钢在加热和冷却时的转变2）在650～600℃形成片间距较小的珠光体(0.2~0.4m)，在光学显微镜800~1500×能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交替重叠的复相组织称为细珠光体或索氏体，用字母S表示（以英国冶金学家H•C•Sorby的名字命名）。珠光体转变：扩散相变(A1～550℃,A→P（F+Fe3C）)§2钢在加热和冷却时的转变3）在600～550℃形成片层间距极小的珠光体(0.2m)，在光学显微镜下高倍放大已无法分辨出其内部构造，在电子显微镜下可观测到很薄的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的复相组织，称为极细珠光体或托氏体，用字母T表示（以法国金相学家L•Troost的名字命名）。珠光体转变：扩散相变(A1～550℃,A→P（F+Fe3C）)§2钢在加热和冷却时的转变珠光体转变：扩散相变(A1～550℃,A→P（F+Fe3C）)a)光学显微组织（500×）b)电子显微组织（8000×）图6-7珠光体组织§2钢在加热和冷却时的转变贝氏体转变：半扩散相变（C）550℃～Ms,A→B)上贝氏体：550～350℃，过饱和片状F＋渗碳体下贝氏体：350℃～Ms，过饱和针状F＋弥散-Fe2.4C§2钢在加热和冷却时的转变贝氏体转变：半扩散相变（C）550℃～Ms,A→B)贝氏体的显微照片上贝氏体：过饱和片状F＋渗碳体，性脆无实用价值下贝氏体：过饱和针状F＋弥散-Fe2.4C，综合性能好§2钢在加热和冷却时的转变马氏体转变：非扩散相变，Ms以下,A→M马氏体__过饱和的固溶体c/a1称为马氏体的正方度含碳量高，正方度大§2钢在加热和冷却时的转变低碳(0.2%)马氏体：板条状__高的强韧性§2钢在加热和冷却时的转变高碳(1.0%)马氏体：片状__硬而脆§2钢在加热和冷却时的转变2、过冷奥氏体的连续冷却转变只有P、M转变vk为临界冷却速度§2钢在加热和冷却时的转变过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用v1---炉冷A→Pv2---空冷A→Sv3---油冷A→T+Mv4---水冷A→M＋A/vk---临界冷却速度vkPSMT§2钢在加热和冷却时的转变一、钢的退火(降低硬度、消除应力，细化晶粒)•完全退火：亚共析钢Ac3+30~50℃，缓冷到600℃时空冷，得到F+P；•等温退火：同完全退火，可节省时间；•球化退火：过共析钢Ac1+20~30℃，消除网状碳化物，使之成为球状；•去应力退火：500-650℃炉冷至200℃后空冷，消除应力。§4钢的退火与正火过共析钢的退火组织§4钢的退火与正火钢的退火加热温度范围§4钢的退火与正火SGP退火过程[视频]500~650℃二、钢的正火•正火目的：细化晶粒，提高强度低碳钢--提高硬度高碳钢—消除网状渗碳体•工艺过程：Ac3、Accm+30~50℃,保温后空冷•优点：周期短、能耗少【视频演示】§4钢的退火与正火一、钢的淬火工艺加热温度：Ac3、Ac1+30~50℃保温碳钢：水冷，得细小M+A/合金钢：油或空冷，得M+Fe3C+A/§5钢的淬火钢的理想淬火工艺§5钢的淬火二、淬火方法•单液淬火：直冷，简单易操作•双液淬火：先快后慢，降低应力•分级淬火：快-恒-快，应力极低•等温淬火：得到B下〔工模具、弹簧〕•局部淬火：量具等的局部区域•冷处理：-70～-80℃，降低A残%，稳定尺寸§5钢的淬火淬火工艺曲线§5钢的淬火a)单液淬火b)双液淬火c)分级淬火d)等温淬火局部淬火方法§5钢的淬火三、钢的淬透性(钢在淬火时获得马氏体的能力)§5钢的淬火1.淬透性的概念(钢在淬火时获得马氏体的能力)§5钢的淬火表层与心部淬透性的差别半马氏体区合金元素对淬透性的影响淬透性与淬硬性的区别合金元素使C曲线右移，降低vk，提高钢的淬透性。是影响淬透性的最主要因素。含碳量碳钢中的含碳量愈接近共析成分，其C曲线愈靠右。vk愈小，淬透性越好。奥氏体化温度提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大，成分均匀化，从而减少珠光体的形核率，降低钢的vk，增大其淬透性。钢中未溶第二相碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使vk增大，降低淬透性。影响淬透性的因素(vK)§5钢的淬火影响淬透性的因素(vK)§5钢的淬火2.淬透性的测定(末端淬火法及临界直径测定法)§5钢的淬火末端淬火法:用标准尺寸的端淬试样(Φ25×100mm)，经奥氏体化后，对其端面喷水冷却。冷却后沿轴线方向测出硬度-距水冷端距离的关系曲线，即淬透性曲线。根据淬透性曲线可以对不同钢种的淬透性大小进行比较、推算出钢的临界淬火直径，确定钢件截面上的硬度分布情况等。末端淬透性:J_末端淬透性，d_至末端距离，HRC_该处测得的硬度§5钢的淬火dHRCJ2.淬透性的测定(临界直径测定法及端淬试验法)§5钢的淬火临界直径测定法:钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径，以D0表示。临界直径测定法就是制作一系列直径不同的圆棒，淬火后分别测定各试样截面上沿直径分布的硬度U曲线，从中找出中心恰为半马氏体组织的圆棒，该圆棒直径即为临界直径。临界直径越大，表明钢的淬透性越高。§5钢的淬火部分常用钢材的临界淬透直径§5钢的淬火3.淬透性的应用：受力情况：轴向拉压、弯曲与扭转重要与否：重要的轴、齿轮、连杆弹簧：要求大的屈强比(σs/σb)阶梯轴：可初车后淬火焊接件：不宜选择淬透性高的钢材§5钢的淬火淬透性的应用：§5钢的淬火淬透性的应用：钢经过淬火后必须回火！！！•回火目的：消除应力，防止工件开裂•回火工艺：Ac1以下保温后缓冷§6钢的回火一、淬火钢的回火转变•马氏体分解（100～350℃）–回火M(低过饱和α＋ε-Fe2.4C)[Fig6-35]•残余奥氏体的分解（200～300℃）–B下•碳化物的转变（250～400℃）–ε-Fe2.4C转变为Fe3C•渗碳体的聚集长大和α相再结晶（400℃）–成为粒状Fe3C，600℃后粗化§6钢的回火回火钢的组织和性能转变§6钢的回火二、回火的分类及应用•低温回火（150～250℃）–回火M(低过饱和F针＋ε-Fe2.4C)保证高硬度，用于工模具等HRC58~62•中温回火（350～500℃）–回火屈氏体，F针＋Fe3C极细粒状HRC35~45，用于各种弹性元件•高温回火（500～650℃）–回火索氏体，F多边形＋Fe3C细粒状HRC25~35–淬火+高温回火——调质【视频演示】§6钢的回火二、回火的分类及应用§6钢的回火不同含碳量碳钢的回火温度与硬度的关系一种淬火方式：形变强化+热处理强化•分类：§7钢的形变热处理形变→相变低温形变（T＜Ar1）高温形变（T＞Ac1）形变+相变相变→形变1、低温形变热处理•Ar1以下（500~600℃）变形量60~90%•抗拉强度可达3300MPa•超高强度钢的热处理•飞机起落架、模具、冲头、板簧§7钢的形变热处理2、高温形变热处理•Ac1以上变形•强化程度有限•强度提高，韧塑性大大提高•锻件、曲轴、连杆、叶片、弹簧§7钢的形变热处理概述•有需求：如汽车、拖拉机上的传动齿轮，其表面硬度要求为58～62HRC，而心部硬度则要求为33～38HRC；精密镗床主轴，要求其与滑动轴承配合的表面硬度不低于900HV，而心部硬度为248～286HBS。•成本低：•方法简单：通