热处理(有2个热处理组织照片)

第四章材料的改性改造材料性能的手段改变材料的成分采用不同的加工工艺改变材料的内部结构。4.1钢的热处理1、热处理：将钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需的组织结构与性能的工艺要素：加热、保温、冷却时间温度临界温度保温2、热处理特点：只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。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。4、热处理的分类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加热淬火火焰加热淬火渗碳；渗氮；碳氮共渗；热处理(1)按照国家标准(2)按零件在生产中工艺流程的位置和作用不同为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。预备热处理最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理。4.1.1钢的整体热处理工艺1、退火—将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺。第二类退火：以改变组织与性能为目的的退火工艺方法。完全退火、等温退火、球化退火等。第一类退火：不以组织转变为目的的退火工艺方法。均匀化退火、再结晶退火、去应力退火。②工艺：随炉缓慢冷却至500℃以下空冷。Ac3+30～50℃，保温一定时间，(1)完全退火空冷FeC%→AGPSQ时间/s温度/℃Ac3Ac1Ac3+30～50℃①目的：细化组织；降低硬度、改善切削加工性能；去除内应力。④应用：wC=0.3～0.6%的中碳及中碳合金钢的铸件、锻件、轧制件及焊接件。不适于过共析钢C＜0.3%不宜用退火方式改善切削加工性能③组织：平衡组织对于某些A比较稳定的合金钢，需十几个小时甚至几天。退火时间很长完全退火的局限性：保温后快冷到Ar1以下某一温度下等温保温，使过冷A转变为P体，⑵等温退火①工艺：AFeC%→GPSQ时间/s温度/℃Ac3Ar1时间/s温度/℃Ac1Ar1Ac1+20～40℃空冷相变完成后空冷至室温。亚共析Ac3+30～50℃；Ac3+30～50℃共、过共析Ac1+20～40℃空冷A→P②特点：大大缩短合金钢(A较稳定)的退火时间。③应用：A较稳定的合金钢转变易控制，能获得均匀的预期组织；将钢中渗碳体球状化的退火工艺⑶球化退火600℃空冷。FeC%→AGPSQ时间/s温度/℃Ac1Ar1Ac1±10～20℃空冷空冷①目的：降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能；②工艺：Ac1±(10～20)℃保温，获得均匀组织，改善热处理工艺性能，为以后的淬火作组织准备。等温冷却或缓慢冷却，③退火组织：球状P(F+颗粒状渗碳体)。④应用：共析和过共析成分的碳钢和合金钢锻、轧件。球化退火前原始组织中不允许有网状Fe3CⅡ存在，否则球化效果不好(难以将网状碳化物熔断、球化)。如有，应先进行正火，以消除网状Fe3CⅡ。空冷FeC%→AGPSQ时间/s温度/℃Ac31100℃左右保温10～15h②工艺：Ac3+150～200℃(温度高)，保温10～15h，随炉缓冷到350℃，出炉空冷。③退火组织：粗大过热平衡组织退火后需进行一次完全退火或正火来细化晶粒④应用：质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件(4)均匀化退火(扩散退火)①目的：减轻化学成分偏析和组织不均匀性。350℃(5)去应力退火①目的：消除残余内应力，提高工件尺寸稳定性，防止变形和开裂。(不发生组织的转变)②工艺：工件随炉缓慢加热到Ac1-(100～200)℃保温，随炉缓慢冷却至200℃出炉FeC%→AGPSQ时间/s温度/℃Ac1500～650℃空冷200℃③应用：铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机加工件AFeC%→GPSQ时间/s温度/℃Ac3（Ac1）2、正火消除过共析钢二次网状渗碳体，有利于球化退火的进行。(1)目的：细化晶粒，提高低碳钢、低碳低合金钢硬度(140～190HBS)，改善切削加工性；在静止的空气中冷却。Ac3(Ac1)+30～50℃空冷加热到Ac3(或Accm)+30～50℃，完全A化后，(2)工艺：(3)组织：伪共析组织C%=0.6%～1.4%，伪共析的P或索氏体S。C%＜0.6%，S+有少量的F。(4)优点(与退火比)力学性能高退火组织正火组织操作方便生产周期短、耗能少e.用于某些碳钢、低合金钢的淬火返修件注：不适于高合金钢(C曲线右移，空气中也能淬火)(5)应用a.改善低碳钢的切削加工性能b.中碳结构钢件的预备热处理c.普通结构零件的最终热处理d.消除过共析钢的网状碳化物3、钢的淬火①淬火加热温度温度过低(＜Ac3)：淬火组织中有F残。FeC%→AGPSQ(1)钢的淬火工艺淬火—将钢加热到Ac3或Acl以上，保持一定时间后以适当速度冷却，获得马氏体和(或)贝氏体组织。温度过高：A晶粒粗化，M粗大，使钢的脆性增大；淬火组织：细小而均匀的M。a.亚共析钢Ac3+30～50℃预备热处理组织：退火或正火组织。淬火应力增大，易产生变形和开裂。氧化脱碳严重；过共析钢—M+粒状渗碳体+A残(预备组织为P球)过共析钢加热温度大于Accm，有害：ⅰ)A的C%增加，Ms和Mf点降低，淬火后A残增加，使钢的硬度和耐磨性降低。ⅱ)A晶粒粗大，M片粗，使钢的脆性增大。组织：共析钢—M+A残FeC%→AGPSQⅲ)淬火应力大，工件表面氧化、脱碳严重。b.共析钢、过共析钢过共析钢组织中有未溶渗碳体，淬火后钢的硬度和耐磨性高。Ac1+30～50℃c.合金钢Ac1(Ac3)+50～100℃提高淬火温度有利于合金元素在A中充分溶解和均匀化。②淬火介质a.理想淬火冷却速度得到M；避免零件的变形和开裂A时间(s)3001021031010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfvkⅰ)淬火冷却速度必须大于vkⅱ)“鼻子”附近快冷；“鼻子”上方，在不出现P前提下，尽量缓冷，以降低零件的热应力；“鼻子”下方M转变区，应缓冷，减缓相变应力。此介质不存在。b.常用淬火介质ⅰ)水应用：只适于尺寸较小、形状简单的碳钢零件淬火。特点：650～500℃(“鼻子”附近)，冷却能力不够。300～200℃(M区)不够缓冷。ⅱ)盐水5%～15%的盐水溶液650～500℃冷却能力远大于水，且件Ra低。特点：300～200℃冷却能力也大于水，工件易产生变形，甚至开裂。应用：用于形状简单、硬度要求较高而均匀、表面要求光洁、变形要求不严格的碳钢零件。螺钉、销、垫圈价廉冷却能力较强ⅲ)油特点：300～200℃V冷＜水，零件淬火应力大大降低。650～500℃V冷小，对防止过冷A的分解不利。应用：过冷A较稳定的合金钢或尺寸较小的碳钢件。(2)淬火方法可弥补介质的不足a.操作简单、易实现机械化和自动化特点：①单液淬火法b.易造成淬火内应力(工件表面与心部温差大)应用：适用于形状简单的工件。c.水淬易变形和裂纹；油淬易硬度不足或硬度不均匀A1MsMf时间温度0单液V冷小②双液淬火法将A化后的工件在水中冷却到接近Ms时，立即取出放入油中冷却。应用：形状中等复杂的高碳钢小件和尺寸较大的合金钢零件。特点：既防止A→M发生中途分解，又防止淬火变形、开裂(M相变在缓冷的介质中进行)a.冷却条件理想b.工件表面与心部温差较大；工艺操作困难。A1MsMf时间温度0单液双液应用：适用于尺寸较小，要求变形小、尺寸精度高的工件，如刀具、量具等。④等温淬火将A化钢件快冷到B转变温度区间等温保持，使A→B下后，取出空冷。特点：淬火应力与变形极小，有较高的塑性和韧性。应用：常用来处理形状复杂、尺寸要求精确，强韧性高的工具、模具和弹簧等。A1MsMf时间温度0单液双液分级等温⑤冷处理将零件淬火至室温后，立即放入0℃以下的介质(如温度为-78℃的干冰+酒精)中继续冷却，以增加马氏体的转变量的工艺。目的：减少A残，提高硬度、耐磨性、稳定尺寸。应用：wC0.6％、尺寸稳定性要求很高的高精度零件。如精密量具、精密丝杠、精密轴承等(3)钢的淬透性淬透性—钢在淬火时获得M的能力①指标钢的淬透性≠实际工件淬硬(透)层深度淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。有效淬透层深度—工件表面至半M的深度②影响淬透性因素：vkvk愈小，A愈稳定淬透性好ⅰ)合金元素除Co外，大多数溶于A的合金，使钢的淬透性↑(C曲线右移)。ⅱ)含碳量共析钢淬透性最好ⅲ)A化温度淬透性↑高A稳定性↑，C曲线右移，vk↓原因：A晶粒长大，成分均匀化ⅳ)钢中未溶第二相︱C%-0.77%︱↑淬透性↓原因：未溶第二相成为A分解的非自发形核核心A越易分解，淬透性↓未溶第二相越多a.临界直径测定法临界直径Dc—淬火钢在冷却介质中冷却后，心部能淬透的最大直径。Dc越大，钢的淬透性越高。临界直径测定法端淬试验法③淬透性的测定Dc测定方法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形曲线，从中找出中心恰为半M组织的圆棒，该圆棒直径即为临界径。b.端淬试验法表示方法：J表示末端淬透性；d表示半马氏体区到水冷端的距离；HRC为半马氏体区的硬度。标准试样(Ф25mm×100mm)经A化后，在专用设备上对末端喷水冷却，冷却后沿轴线方向测出硬度—距水冷端距离的关系曲线(淬透性曲线)的试验方法④淬透性的应用截面较大、形状复杂及受力情况特殊的重要零件，用淬透性高的钢。如拉杆、锻模、锤杆等。a.根据零件不同的工作条件合理确定钢的淬透性要求受扭转或弯曲载荷的零件，用淬透性较低的钢。如轴类、齿轮等。焊接件，不宜选用淬透性高的钢，否则工件变形、开裂。b.考虑钢材的“尺寸效应”尺寸效应：随件尺寸增大而热处理强化效果减弱的现象尺寸越大，淬火时V冷越慢合金元素含量高，钢的尺寸效应则不明显。淬透层越薄，性能越差c.合理的加工工序影响因素：马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好合金元素对淬硬性无显著影响。淬硬性—钢在淬火后所能达到的最高硬度。注意﹡淬硬性≠淬透性。淬透层浅的大尺寸工件应在淬火前先切削加工(3)钢的淬硬性ⅲ)要求高塑性、韧性的焊接件及其它机械零件，应选用淬硬性低的低碳、低合金钢。淬硬性的应用ⅰ)高硬度、高耐磨性的各种工、模具，可选用淬硬性高的高碳、高合金钢；ⅱ)综合力学性能要求高的机械零件，可选用淬硬性中等的中碳及中碳合金钢；4、回火回火—钢件淬硬后加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间然后冷却到室温的热处理工艺。未淬火的钢回火无意义。钢淬火后应立即进行回火。(1)目的①降低脆性、消除或降低残余应力，防止工件变形开裂②赋予工件所要求的力学性能。(淬火钢硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性)③稳定工件尺寸淬火M和A残不稳定，有自发向平衡组织转变的倾向(2)钢在回火时的转变随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。共析钢为例淬火组织：M+A残①M分解(200℃以下)a.T℃＜80℃M中碳原子偏聚，组织无变化b.80～200℃M开始分解，析出亚稳定的ε-碳化物。硬度变化不大；内应力减小保留淬火M形态组织：过饱和α固溶体+ε-碳化物，即回火马氏体(M回)钢的硬度基本不变，ReL略↑，应力进一步↓。组织：回火马氏体(M回)+B下③回火托氏体(T回)的形成(300～400℃)淬火应力大部分消除，钢的硬度、强度↓，塑性、韧性↑M进一步分解；A残→B下。②A残转变(200～300℃)α固溶体→F；ε-碳化物→细球状渗碳体，并与α-固溶体失去共格关系T回T回—针状F和球状渗碳体组成的复相组织。保留淬火M形态组织：回火索氏体S回—多边形F基体上分布着球状渗碳体④渗碳体的聚集长大和F的再结晶(400℃以上)渗碳体球聚集长大；F由针片状变为多边形。强度、硬度进一步下降，韧塑进一步上升。随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。S回低温回火中温回火高温回火温度150～250℃350～500℃500～650℃组织M回58～64HRCT回35～50HRCS回25～35HRC目的在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低淬火应力和脆性。提高Re及ReL，同时使工件具有一定韧性获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。