机械工程材料新.ppt

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1、第七章 钢的热处理,常用的热处理分类,钢在加热时的变化,钢在冷却时的转变,钢的淬火,钢的回火,钢的淬透性,钢的表面热处理,钢的退火与正火,一般零件的制造过程 锻造预先热处理（退火或正火）机械加工（粗加工）最终热处理（淬火+回火或表面热处理）机械加工（精加工）检验（尺寸和硬度）。,钢的热处理都有共同点 加热保温冷却,1-等温冷却 2-连续冷却,热处理工艺曲线,热处理在机械加工中是很重要的工序。,一、常用的热处理分类,二、钢在加热时的变化,钢的加热的变化是钢的冷却变化的逆过程，需要有一定的过热度。 加热转变温度分别用：Ac1（PSK）、Ac3（GS）、Accm（ES）表示。,1、奥氏体的形成过程,

2、 基本过程 （奥氏体化） 形核 长大 残余奥氏体溶解 奥氏体均匀化,亚共析钢 P+FA+FA 过共析钢 P+CmA+Cm A,共析钢PA, 影响奥氏体化的因素, 加热温度 等温温度越高，“孕育期”越短，奥氏体化速度越快。 加热速度 连续加热时，加热速度越快，转变温度越高，奥氏体化速度越快。 原始组织形态 细片P粗片P球化P 含碳量 含碳量越高，有利奥氏体的形核和扩散，加速奥氏体的形成。,2、奥氏体的晶粒长大, 奥氏体晶粒度 晶粒度表示晶粒大小的尺度。 起始晶粒度奥氏体刚刚形成时的晶粒度。（此时晶粒细小） 实际晶粒度在具体的热加工条件下，得到奥氏体晶粒度。（与热 加工工艺参数有关，一般比起始晶粒

3、度大）,14级为粗晶粒,58级为细晶粒,国家标准GB6394-86,金属平均晶粒度标准评级图,93010；保温38小时；缓慢冷却； 放大100；与标准图比较。,特定条件,本质晶粒度在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向。,1-本质粗晶粒钢2-本质细晶粒钢,加热温度与奥氏体晶粒长大的关系,钢的晶粒度14级，为本质粗晶粒， 随温度升高，晶粒迅速长大。 钢的晶粒度58级，为本质细晶粒， 随温度升高长大倾向不明显。, 奥氏体晶粒长大及其影响因素, 成分 ，含碳量增加，扩散速度增加，晶粒易长大。 ，含碳量增加，网状渗碳体的阻碍，晶粒不易长大。 Mn、P促进奥氏体晶粒的长大。 温度 温度高，晶粒大。,

4、奥氏体晶粒大小对冷却后晶粒的影响,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。 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。,等温转变:加热奥氏体化的钢,快速冷却到Ar1以下的某一温度,等温,使奥氏体在该温度完成组织转变的过程。,实验方法:每组取若干试样，在不同的温度等温，作出转变量与时间的关系曲线，然后在温度时间坐标系中找出对应点。,三、钢在冷却时的转变,冷却时的转变需要过冷，相变 温度低于平衡温度,分别为： Ar1（PSK）、Ar3（GS）、Arcm（ES）。,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。,（1）建立曲线,1.共析钢的等温

5、转变曲线和分析,过冷奥氏体区A1-Ms 间及转变开始线以左的区域 转变产物区转变终了线以右及Mf以下区域 转变区 开始线与终了线之间及Ms与Mf之间区域,孕育期 转变开始线与纵坐标之间的距离。 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。 在鼻尖以上, 温度较高，相变驱动力小，奥氏体较稳定。 在鼻尖以下，温度较低，扩散困难，奥氏体较稳定。,（2）C 曲线分析,在550Ar1温度之间， 等温冷却与a-b线相交， 钢发生珠光体转变。,在550Ms温度之间， 等温冷却与a-b线相交， 钢发生贝氏体转变。,在Ar1Ms温度间，b曲线右, 钢的转变已结

6、束，冷却到室 温组织不发生变化。,在MsMf温度之间， 连续冷却不与a-b线相交， 钢发生马氏体转变。, C曲线与过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物,设曲线a为转变开始线， 曲线b为转变终了线,（1）珠光体型转变扩散型转变组织 组织共性：铁素体与渗碳体组成层片状混合物。 组织个性：层片间距随过冷度的增加而减小。,400 ,5000,12000,2、过冷奥氏体的转变产物及转变过程,珠光体（P）：等温转变温度（Ar1650）； HRC520 索氏体（S）：等温转变温度（650600）； HRC2030 屈氏体（T）：等温转变温度（600550）； HRC3040,片间距越小，钢的强度、硬度越高，

7、而塑性和韧性略有改善。,珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成。在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。,珠光体转变（动画）,（2）贝氏体型转变-半扩散型转变组织,贝氏体：碳过饱和的铁素体与渗碳体（下贝氏体是碳化物）组成的 混合物。,上贝氏体（B上）：等温转变温度（550350）；组织形态：黑羽毛状。 HRC4050 ；强度较低，塑性和韧性较差。 下贝氏体（B下）：等温转变温度（350Ms）；组织形态：黑针状。 HRC5060；强度较高，塑性和韧性也较好，即具 有良好的综合力学性能。,转变温度较高

8、（550-350) 时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上 。,上贝氏体转变过程,上贝氏体的形成,贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。,转变温度较低（350- 230) 时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。,下贝氏体转变,下贝氏体的形成,（3）马氏体型转变-非扩散型转变组织,马氏体的晶体结构,马氏体碳溶在-Fe中形成的过饱和的固溶

9、体。,马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,马氏体的晶格为体心正方，ac，ca，c/a为马氏体的正方度，正方度随马氏体的含碳量的增加而增加，而且马氏体的比容也增加，体积会增加，是造成钢淬火变形和开裂的主要原因。,片状（针状）马氏体（M片）：连续冷却温度（MsMf）；HRC6065 组织形态：灰片状。C%1% 在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。 板条状马氏体（M板条）：连续冷却温度（MsMf）；HRC3545； 组织形态：灰板条状。C%0.3% 在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，又称位错马氏体。,正常加热条件下，冷却得到的马氏体组织非常细小，在光学显微镜下无法分辨，

10、称“隐晶马氏体”。,T12过热 500,500,T12正常 500,马氏体的形态,马氏体的形态与含碳量的关系 C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。 C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体. C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,马氏体形态与含碳量的关系,无碳原子的扩散 转变速度极快 转变的不完全性，有残余奥氏体存在 转变在MsMf温度区间进行, 冷却到室温转变未完全结束； 高碳钢存在较多的残余奥氏体。 工业上常采用“冷处理”的方法。,具有高的硬度和强度。 硬度主要取决于含碳量。 塑性和韧性主要取决于组织。 板条马氏体具有较高硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的良好的综

11、合力学性能。 针片状马氏体具有比板条马氏体更高的硬度，但脆性较大，塑性和韧性较差。,马氏体硬度与碳含量的关系,马氏体转变特点, 马氏体的力学性能,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。,3.影响C曲线位置的因素,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。,(1)含碳量的影响,除Co 外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线右移。 除Co和Al 外,所有合金元素都使Ms 与Mf 点下降。,(2) 合金元素的影响,4、过冷奥氏体的连续冷却曲线, 只有“C”曲线的上半部分，没有贝氏体转变区 多了一条“K”线，即转变中止线； 比“C”

12、曲线，右移。 “Vk”为“CCT”曲线的临界冷却速度。,临界冷却速度钢获得完全马氏体的最 小冷却速度。 VkVk，在“C”曲线讨论，能得到马氏体，实际上就一定能得马氏体。,(1)共析钢的CCT曲线,P,均匀A,细A,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,M+A,淬火,(水冷),可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变,45钢850油冷组织,转变中止线的含义,无贝氏体转变区, 但比共析钢CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。 由于Fe3C的析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高. 有贝氏体转变区，还多AF开始线, F析出使A含碳量升高, 因而Ms 线右

13、端下降。,（2）过共析钢CCT曲线,（3）亚共析钢CCT曲线,四、钢的退火与正火,退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。,机械零件的一般加工工艺,毛坯（铸、锻）预备热处理机加工最终热处理机加工,1.退火,将钢加热至适当温度保温，再缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺。,调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力，防止加工中变形。 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,（1）目的,常用退火:完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、 去应力退火、再结晶退火。 完全退火,将工件加热到Ac3+3050,保温后缓冷的退火工艺。 主要用

14、于亚共析钢。,（2）退火工艺,亚共析钢加热到Ac3+3050, 共析、过共析钢加热到Ac1+3050， 保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。 等温退火可缩短工件在炉内停留时间， 更适合于孕育期长的合金钢。,高速钢等温退火与普通退火的比较,高速钢连续冷却退火约24小时。 等温冷却总共约8小时: 开炉门冷到750，约4小时， 等温时间34小时，然后空冷。, 等温退火,组织：球状珠光体（P球 ） 即铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织,球状珠光体,对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先正火，以消除网状。,球化退火,加热温度：Ac1+（3050）,主要用于过共析钢（即

15、工具钢）。,亚共析钢加热到Ac1+30 50，共析钢加热到Ac1+3050， 过共析钢加热到Accm+30 50， 保温后空冷的工艺。 正火比退火冷却速度大。 （1）正火后的组织 c 0.6% 时，组织为F+S； c 0.6% 时，组织为S 。,正火温度,2.正火,冷却速度不同，先析相的量不同，同种钢冷却速度不同得到珠光体的量不同。 伪共析组织-非共析成分得到的共析组织。, 对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。,要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火。,（2）正火的目的, 普通件最终热处理，代

16、调质。,热处理与硬度关系,问题,不同成分的碳钢如何选择退火和正火？,淬火:将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度 的快速冷却,获得马氏体组织的热处理工艺。,1、淬火温度的选择 亚共析钢：Ac3+（3050）, 过共析钢：Ac1+（3050）,水：适用碳素钢 优点：价廉、安全、无腐蚀。 缺点：淬火硬度不均匀易出现软点，质量较差，易变形、开裂。,五、钢的淬火,2、淬火介质,油（机油或专用淬火油）：适用于大多数合金钢 优点：变形小，不易开裂。 缺点：价格贵、易燃不安全、有油污。 盐水或碱水（515%）：适用碳素钢 优点：价廉、安全、冷却能力和均匀性优于水。 缺点：易变形、开裂，比水

17、淬小，工件易腐蚀，产生水气损害健康。,淬火介质的冷却速度必须大于临界冷却速度,3、淬火方法, 单液淬火 在一种淬火介质中连续冷却到室温。 预冷淬火 空气中停留片刻,再在一种淬火介质中连续冷却到室温。, 双液淬火 在二种淬火介质中分段连续冷却到室温。, 等温淬火 钢件在盐浴（稍高于Ms温度）停留较长， 完成下贝氏体转变后，再空冷。,局部淬火 对局部硬度有要求，其他部位精度 高的钢件，局部加热淬火。, 分级淬火 钢件在盐浴（Ms温度附近）中停留25 分钟（减小钢件内外温差），然后空冷。,盐浴炉,各种淬火方法示意图,1、淬透性的概念 淬透性： 钢在淬火时获得马氏体组 织的能力，用规定条件下淬 硬层深

18、度表示。 淬硬层深度:从表面到半马氏体组 织区的距离。 淬硬性：钢在淬火后获得马氏体组 织所能达到最大硬度。,六、钢的淬透性,钢件淬硬深度、硬度分布与冷却速度的关系,2、淬透性与淬硬层深度的关系,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。 淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。 它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介 质相同时的淬硬层深度来确定的。,3、影响淬透性的因素, 临界冷却速度Vk越小，淬透性越高。, 奥氏体化温度高、保温时间 长也使钢的淬透性提高。,Vk取决于C曲线的位置， C 曲线越靠右，Vk越小。,问题,1.生产现场中，为什么常将高速

19、钢 W18Cr4V称为“锋钢”或“风钢”？,2.在40,40Cr,9SiCr, W18Cr4V中，哪 个淬透性高？,C曲线位置, 淬透性好，机械性能均匀。 淬透性好，材料的屈强比高（s/b），材料的利用率高。 淬透性好，材料的疲劳极限（-1）高。 淬透性好，材料的冲击韧性高。,4、淬透性对钢力学性能的影响,淬透性不同的钢调质后机械性能,5、淬透性的测定及表示,标准尺寸的试棒加热到完全奥氏体化后放在支架上，对其一端进行喷水冷却，再在试棒表面上从端面起依次测定硬度，得到硬度与距端面距离之间的关系曲线。,末端淬火法,淬透性的表示：,J - 末端淬透性，d - 半马氏体区到水冷端的距离 HRC - 半

20、马氏体区的硬度 如：,6、淬透性的应用,要求零件的表面和心部力学性能一致，应选能全部淬透的高淬透性的钢。 如螺栓、连杆、模具等大截面的零件或在动载荷下工作的的许多重要零件。 心部力学性能对使用条件影响不大的零件可选用淬透性低的钢(承受弯曲、 扭转的零件，淬硬层深度一般为半径的1/21/3)。如轴类、齿轮等。,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,（1）合理选择淬硬层深度,焊接件可选用淬透性低的钢。 淬硬层深度与工件尺寸有关,设计时应注意尺寸效应。 在设计中不可根据从手册里查到的小尺寸试样性能数据用于大尺 寸工件的强度计算。 淬透性低的大尺寸工件，淬硬层很浅，应考虑淬火之前切削加工。 用碳钢设计大尺寸工件

21、时，调质处理不如正火更经济。 如：设计尺寸为100mm时，用45钢调质b=610MPa， 而正火b=600MPa。,（2）预测零件淬火后的硬度分布 例：利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系曲线预测50mm 直径40MnB钢轴淬火后断面的硬度分布。,（3）利用淬透性曲线进行选材 例：要求厚60mm汽车转向节淬火后表面硬度超过HRC50， 3/4半径处为HRC45。按下图箭头所示程序进行选材分析。,七、钢的回火,回火将淬火钢加热到Ac1以下某温度保温，然后冷却到室温的 热处理工艺。,1、回火的目的, 降低脆性，减少或消除内应力，稳定组织，提高尺寸的稳定性， 减小工件的变形，防止工件的开裂。 提

22、高钢的弹性极限或屈强比。 提高钢的塑性和韧性，适当的降低硬度和强度，获得零件设计所 要求的性能。 可以作为高淬透性钢的软化的处理方法。,2、回火的种类及应用, 低温回火（150250）, 得到回火马氏体（M回），HRC5864,用途：工具钢制造的工具淬火后的回火处理； 结构钢中低碳钢的渗碳+淬火后的回火处理； 结构钢中中碳钢的表面淬火后的回火处理。,回火马氏体,回火马氏体（M回）： 淬火马氏体析出碳化物，并以极细小的片状分布在马氏体的基体上。,目的:保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力，减少 钢的脆性。, 中温回火（350500），得到回火屈氏体（T回），HRC3550,用途：弹簧钢制造

23、的弹簧淬火后的回火处理； 工具钢制造的模具淬火后的回火处理。,目的:获得高的弹性极限、高的屈服强度和较好的韧性。,回火托氏体,回火托氏体（T回）： 保持马氏体形态的铁素体基体上 分布着细粒状Fe3C的组织。, 高温回火（500650），得到回火索氏体（S回），HRC2535,用途:结构钢制造的机械零件淬火后的回火处理。, 时效处理（100150）保温时间1015小时 用途：结构钢制造的精密机械零件淬火后的尺寸稳定性处理。,目的:获得良好的综合力学性能，即在保持较高强度和硬度的同 时，具有良好的塑性和韧性。,回火索氏体,在多边形铁素体基体上分 布着颗粒状Fe3C的组织。,调质处理：淬火+高温回火

24、,回火索氏体（S回):,3.回火时的性能变化 总趋势：回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高, 淬火钢在250350回火，产生无法 消除的低温回火脆性，一般避开此温 度回火。 淬火钢在500650回火，产生高温 火脆性，在一部分合金钢中易产生 （含：Cr、Ni、Si、Mn等元素），可 用快速冷却消除。,5、淬火回火的工艺缺陷 硬度不足 温度低、脱碳、冷速不够等。 硬度不匀 原组织不匀、冷却不匀等。 过热和过烧 “过热”：奥氏体化加热温度过高； “过烧”：奥氏体化加热温度太高，部分晶界或氧化，报废。 淬火变形和开裂 加热和冷却不均匀造成的。（设计、选材、工艺等方面考虑）,4、回火脆性,