第三章 钢的热处理

1第三章钢的热处理本章学习要求:理解钢在加热、冷却时的组织变化过程；了解各种热处理的方式、目的以及应用；重点掌握普通热处理（退火、正火、淬火、回火）的基本工艺方法、目的和应用。2第三章钢的热处理热处理的发展历史1.战国时青铜器具的热处理工艺已达相当高水平：如越王勾践的青铜宝剑。2.辽阳出土的西汉钢剑，经金相检测，发现其内部组织完全符合现在的淬火马氏体组织。金属材料进行热处理的前提？金属材料须具有固态相变的特性。以钢铁为例。热处理的主要目的充分发挥金属材料的潜力，提高其力学性能，改善其工艺性能。热处理在机械制造业中的重要地位3工业用钢是主要的金属材料，占据工程材料的主导地位。钢的热处理：定义：将钢在固态下以适当方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺过程。什么是热处理?4根据加热和冷却方法不同，热处理可分为：普通热处理退火正火淬火回火表面热处理表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火及其它表面热处理化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗及其它5第一节钢的热处理基础6一、概述碳钢的平衡相变点A1、A3、Acm碳钢在加热时的临界温度为Ac1、Ac3、Accm碳钢在冷却时的临界温度为Ar1、Ar3、Arcm7二、钢在加热时的转变1、共析钢的奥氏体化奥氏体化的定义奥氏体化的三个阶段和分析：1、A的形核和长大；2、残余渗碳体的溶解；3、A的均匀化82、亚共析钢和过共析钢的奥氏体化与共析钢有相似之处外，还有先共析的F和渗碳体的转变钢的奥氏体化的主要目的：获得晶粒细小，成分均匀的A组织。3、A晶粒度及其影响因素A晶粒的大小对冷却转变后钢的性能有很大影响。A晶粒的大小是评定热处理加热质量的主要指标之一。（1）晶粒度：表示晶粒大小的尺度。9（2）A晶粒度的种类1、起始晶粒度：P刚刚全部转变为A时的晶粒度。一般细小而均匀。2、实际晶粒度：钢在实际加热或具体热处理条件下获得的A晶粒度的大小。一般比起始晶粒度大，其直接影响热处理后性能。3、本质晶粒度：某种钢在规定加热条件下，A长大的倾向，并不是晶粒大小的实际度量。10（3）影响A晶粒度的因素A的形成是通过形核和长大过程实现的1.合理地选择加热速度、加热温度和保温时间2.成分（加入一些形成碳化物的合金元素）3.合理选择原始组织11不同冷变形工业纯铝500度再结晶退火后的不同晶粒大小12图3.4铸态Cu-3.0Ni-0.64Si合金微观组织（×200）Fig3.4microstructureofCu-3.0Ni-0.64Sialloyascast（×200）(a)0#试样合金微观组织(b)1#试样合金微观组织(c)2#试样合金微观组织(d)3#试样合金微观组织图3.3Cu-Ni-Si合金铸锭照片Fig.3.3photoofCu-Ni-Sialloyascast1315020025030035040045000.020.040.060.08Ce含量(质量分数,%)抗拉强度(MPa)图3.11Ce含量对铸态Cu-3.0Ni-0.64Si合金抗拉强度的影响Fig.3.11effectoftheCecontentontensilestrength14三、钢在冷却时的转变加热仅是为冷却做组织转变的准备，冷却才是热处理的关键阶段。过冷A的概念两种冷却方式：1、等温冷却；2、连续冷却151、过冷A的等温转变建立等温转变图（C曲线）。转变时间、转变温度和转变产物的关系。（1）共析钢的等温转变图马氏体M161718（2）亚共析钢和过共析钢的等温转变相比共析钢C曲线多出一条先共析F或二次渗碳体的析出线C曲线鼻尖离纵向温度坐标轴比较近，说明过冷A不稳定19（3）影响等温转变的因素1.A成分的影响：碳是稳定A的元素，亚共析钢随着碳含量增加C曲线右移,过共析钢左移2.奥氏体化条件的影响：加热温度愈高、保温时间愈长、A成分愈均匀，A稳定性也愈高，使得C曲线右移20２、过冷Ａ的连续冷却转变建立连续冷却转变图，转变图分析上临界冷却速度下临界冷却速度21连续冷却转变图测定困难，资料少。故生产中，经常把冷却速度应用在Ｃ曲线上，可获得一个近似的组织和性能。22３、过冷Ａ向Ｍ转变（１）Ｍ的形成（过冷Ａ与Ｍ成分相同）温度很低，转变速度极快，这时铁、碳原子已不能扩散，只能靠铁原子的切变方式来完成晶格改组。（２）Ｍ的晶格结构23（３）Ｍ的组织形态Ｍ的组织形态主要取决于Ａ的含碳量ωc1%时，叫高碳Ｍ，呈片状ωc0.2%时，叫低碳Ｍ，呈板条状24（４）Ｍ的性能主要取决于含碳量片状Ｍ硬度高、脆性大、塑性、韧性差板条状Ｍ不仅硬度较高，塑性、韧性也较好。具有良好综合力学性能25（５）Ｍ转变的特点也是形核和长大的过程，转变温度很低、过冷度非常大是无扩散型的转变Ｍ晶核长大速度极快连续冷却到Ｍs点时，Ｍ开始转变Ｍ转变的不彻底性26第二节钢的普通热处理一、钢的退火定义：加热到适当温度保温一定时间，缓冷（炉冷）到室温。（教学录象）目的降低硬度，改善切削加工性能消除残余应力，稳定尺寸，减少变形和开裂细化晶粒，改善组织，消除组织缺陷，为最终热处理作组织准备热处理的作用与种类(录象),热处理设备(录象)27退火种类（１）完全退火加热到Ac3以上30~50℃,保温足够时间，随炉冷至550℃以下再出炉空冷适用于亚共析钢各种铸件、锻件、热轧及焊接件（２）等温退火将钢Ａ化后快冷至Ac1以下某一温度进行等温转变成Ｐ组织，后空冷适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢28（３）球化退火加热到Ac1以上30~50℃,保温一定时间，随炉冷至550~600℃以下再出炉空冷。可使片状、网状渗碳体变成球状。适用于过共析钢（４）去应力退火加热到Ac1以下某一温度，保温足够时间后随炉冷至200~300℃后空冷加热温度低，无组织转变。适用于毛坯件及经过切削加工的零件29二、钢的正火定义：加热到Ac3、Accm线以上30~50℃，保温足够时间后空冷到室温。（教学录象）目的1.减少碳和其他合金元素的成分偏析2.使Ａ晶粒细化和碳化物的弥散分布，以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解量30冷却速度高于退火，获得的组织更细应用1.对于力学性能要求不高的普通结构钢零件，可作为最终热处理2.改善低碳钢的切削加工性能3.对共析钢、过共析钢可消除其网状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备退火和正火是常用的预先热处理方法，一般安排在切削加工之前，毛坯生产之后进行31三、钢的淬火（重点）定义：加热到相变点（Ac1或Ac3）以上，保温足够时间获得Ａ后，以大于vk的冷速获得Ｍ（或下Ｂ）组织。（教学录象）目的：获得Ｍ或下Ｂ组织，配以适当回火工艺，得到满足零件使用性能的要求。淬火是强化钢材的重要手段32淬火工艺主要包括加热温度、保温时间和冷却介质的选择（１）加热温度的选择１）亚共析钢一般选择在Ac3以上30~50℃２）共析钢、过共析钢一般选择在Ac1以上30~50℃33（２）淬火加热时间的确定包括升温和保温时间确定原则：使Ａ均匀化的同时，避免加热带来的内应力34（３）冷却介质的选择(录象)决定淬火质量的关键，既要保证Ａ转变为Ｍ，又要保证淬火过程中减少内应力、变形和开裂的危险。钢的种类不同，淬火介质不同，常用介质：水、油。水便宜，冷却能力较强，碳素钢件用的多。油冷却能力较水低、成本高，但是，可以防止工件产生裂纹等缺陷，主要用于合金钢淬火的场合。3536常用的淬火工艺方法(动画)(录象)37四、钢的回火定义：淬火后重新加热到A1点以下某一温度，保温足够后以适当速度冷却到室温。（教学录象）1、目的1.减少或消除淬火内应力，减少变形和开裂2.稳定组织和尺寸3.通过不同方法，调整零件力学性能382、回火时的组织转变（四个阶段）1.M的分解阶段（200℃）2.残余A的分解阶段（200~300℃）3.碳化物的转变（250~400℃）4.渗碳体集聚长大和F的再结晶（450~700℃）再结晶：指金属在固态下，通过形核与晶核长大形成新的晶粒的无相变过程3940413、回火种类、组织、性能与应用1.低温回火（150~250℃），组织：回火M2.中温回火（350~500℃），组织：回火T3.高温回火（500~650℃），组织：回火S调质处理：淬火后高温回火淬火钢回火过程中的组织和性能主要取决于回火温度(动画1)(动画2)42回火方法加热温度（℃）力学性能特点应用范围硬度（HRC）低温回火150～250高硬度、耐磨性刃具、量具、冷冲模等58～65中温回火350～500高弹性、韧性弹簧、钢丝绳等35～50高温回火500～650良好的综合力学性能连杆、齿轮及轴类20～3043（4）回火脆性定义：淬火钢在某些温度区间回火时会产生冲击韧度的显著下降1.低温回火脆性或第一类回火脆性（250~350℃），2.高温回火脆性或第二类回火脆性（450~650℃），44五、钢的淬透性（重点）定义：钢淬火时获得M组织深度的能力。钢本身的固有特性。淬硬性：钢在正常淬火条件下的M达到最高硬度的能力。注意二者的本质区别45影响钢淬透性的因素1.A成分。除Co外的合金元素能增加过冷A稳定性，使C曲线右移，临界冷速愈低，淬透性愈好2.A化条件。A化温度愈高，保温时间愈长，A成分愈均匀，过冷A愈稳定淬透性与力学性能关系46淬透性曲线的应用对于选材、预测钢的组织与性能、制定合理的热处理工艺有重要的实用价值47本表要熟记！48判断题:1.钢在A化后,冷却时形成的组织主要取决于钢的加热温度.2.低碳钢与高碳钢件为了方便切削,可预先进行球化处理.3.钢的实际晶粒度主要取决于钢在加热后的冷却速度.4.过冷A冷却速度越快,钢冷却后硬度越高.5.钢中合金元素越多,钢淬火后的硬度越高.6.同一钢种在相同的淬火条件下,水淬比油淬的淬透性好,小件比大件的淬透性好.7.钢经淬火后是处于硬脆状态.8.冷却速度越快,M的转变点MS和MF越低.9.淬火钢回火后的性能主要取决于回火后的冷却速度.10.钢中的含碳量就等于M的含碳量.49第三节钢的表面热处理一、钢的表面淬火定义：使表层获得M组织而心部仍保持淬火前组织状态。1、感应加热表面淬火（教学录象1）（教学录象2）1.高频感应2.中频感应3.工频感应4.超音频感应感应加热表面淬火适宜于中碳钢（0.25%~0.6%)和中碳低合金钢。对原始组织有一定要求502、火焰加热表面淬火优点：设备简单、投资少缺点：不易于控制温度，淬火质量不稳定二、化学热处理定义：使活性介质分解出活性元素渗入工件表层，以改变表层的化学成分的工艺方法基本过程：1.分解2.吸收3.扩散511、钢的渗碳定义分类：按介质不同分固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。其中气体渗碳最常用适用范围：（0.1%~0.25%）的低碳钢和低碳合金钢渗碳后的工件必须进行随后的热处理才能发挥渗碳层的作用522、钢的渗氮定义渗氮的作用：提高表层的硬度、耐磨性、疲劳性能和耐蚀性缺点：工艺复杂、生产周期长，成本高，氮化层薄而脆。53第四节热处理新技术简介1.真空热处理2.可控气氛热处理3.形变热处理4.化学热处理5.激光热处理和电子束表面淬火54第五节热处理工艺的应用一、常见的热处理缺陷1、过热和过烧过热：加热过高或保温时间过长引起晶粒粗化。可正火解决过烧：加热过高使晶界上的低熔点共晶体熔化或氧化。无法挽救552、氧化与脱碳氧化：工件表面被氧气氧化生成氧化物脱碳：碳被氧化烧损3、变形与开裂尺寸和形状的变化产生的内应力瞬间大于了材料的抗拉强度56二、热处理工件的结构工艺性遵循以下原则：1.避免尖角和棱角2.避免厚薄悬殊的截面3.尽量采用封闭结构4.尽量采用对称结构5.有必要时把整件改为组合件57三、热处理技术条件的标注及热处理工序位置安排1、热处理技术条件的标注一般情况用硬度范围来标注2、热处理的工序位置（1）预先热处理的工序位置1）退火、正火的位置：毛坯生产之后，切削加工之前2