第六章 钢的热处理Word下载.docx
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晶粒度:
是指晶粒大小的尺度。
常用单位或单位面积或单位体积内的晶粒数量或晶粒度级别来表示。
A晶粒度级别由下式求出:
式中:
n—放大100倍后,每平方英寸视场中含有的平均晶粒数目;
G—晶粒度级别。
晶粒度分为:
G在1—4级为粗晶粒;
G在5—8级为细晶粒;
G在9—12级为超细晶粒。
2)影响奥氏体(A)晶粒度的因素
奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的,所以,形成奥氏体的速度决定于奥氏体的形核速率和晶核的长大速率。
1合理选择加热速度、加热温度和保温时间
2合金成分
3合理选择原始组织
2、却时的转变
过冷奥氏体:
奥氏体冷却到A1线以下某一温度,处于未转变的、暂时存在的、不稳定的奥氏体。
过冷奥氏体的冷却方式有两种:
等温冷却方式:
是指将过冷奥氏体快速冷却到相变点以下某一温度进行等温转变,再冷却到室温,如图6—2曲线1所示。
连续冷却方式:
将过冷奥氏体以不同的冷却
速度连续冷却到室温,使之发生转变
的方式,如图3—2曲线2所示。
⑴过冷奥氏体的等温转变
过冷奥氏体等温转变:
将高温A迅速冷却到A1以下某一温度,并保持恒温,使过冷A奥氏体进行转变的过程。
过冷奥氏体等温转变曲线:
全面表示过冷A转变温度、转变的时间、转变产物间的关系图。
也称“C曲线”。
1)共析钢的等温转变图
如图3—3b为共析钢的C曲线,将其分为五个区域:
稳定A区:
A1线以上区域;
过冷A区:
曲线左边区域;
A转变产物区:
曲线右边区域;
过冷A与转变产物混合区:
两曲线中间区域;
马氏体区:
MS~Mf之间区域。
2)亚共析钢、过共析钢的等温转变图
如图3—3a、c,它们与共析钢等温转变图相似,多一条铁素体或渗碳体析出线。
3)过冷A等温转变产物与性能
A的等温转变温度不同,转变产物也不同,将发生以下转变类型:
1P转变类型(高温扩散转变)
过冷A在A1至550℃温度范围内为P类型组织。
片状P:
形成温度为A1~650℃;
索氏体S:
形成温度为650℃~600℃;
托氏体T(或屈氏体):
形成温度600℃~550℃。
P、S与T均属F与Fe3CII的混合物,差别仅是粗细不同。
性能:
P硬度低,S较高,T更高。
2贝氏体B转变类型
过冷A在550℃~MS温度范围内为B类型组织。
B上:
形成温度为550℃~350℃;
显微组织为羽毛状。
B下:
形成温度为350℃~MS;
显微组织为黑针状。
B的性能主要取决于B的组织形态。
B上性能易脆断,强度、韧性均差;
B下的强度、韧性和塑性均高于B上,具有综合力学性能。
⑵过冷奥氏体的连续冷却转变℃
过冷A的连续冷却转变:
将钢加热到A状态后,使A在温度连续下降到室温的过程中发生转变。
过冷A的连续冷却转变曲线图:
指钢经A化后,经过不同的冷却速度连续冷却的条件下获得的转变温度、转变时间与转变产物间关系的曲线。
共析钢过冷A连续冷却转变曲线图如图3—4所示。
临界冷却速度υK:
冷却曲线与C曲线鼻尖相切的冷却速度。
也称M的临界冷却速度。
是获得全部M的最小冷却速度。
υK越小,越容易获得M。
⑶过冷奥氏体向马氏体的转变
1)马氏体的形成当过冷奥氏体的冷却速度大于υK并连续冷却到MS~Mf之间获得的组织,即马氏体组织。
马氏体:
碳在α—Fe中的过饱和固溶体。
过冷奥氏体的成分与马氏体成分相同。
2)马氏体的组织形态马氏体形态取决于奥氏体的含碳量。
M形态有三种:
片状马氏体:
奥氏体中含碳量ωC>1%时,称高碳马氏体。
板条马氏体:
当ωC<0.2%时,称低碳马氏体。
马氏体混合组织:
ωC=0.2%~1%时。
3)马氏体的性能其硬度随C含量增加而增加。
当ωC>0.6%后,硬度随C量增加而升高的趋势不太明显。
片状M硬度高而脆,塑、韧性差。
板条状M硬度高,塑、韧性也好,具有良好的综合力学性能。
4)M转变特点
M的转变也是形核与长大过程。
M转变有以下几个特点:
1是无扩散型转变
2M晶核的长大速度极快
3当连续冷却到MS点时,M开始转变,当温度降到Mf点时,M转变结束。
4M转变的不彻底性
6—2钢的整体热处理方法
一、退火
定义:
将钢件加热到适当温度,保持一定时间后,缓慢(炉冷)冷却到室温的工艺方法。
1、退火目的
⑴降低钢的硬度,改善切削加工;
⑵消除钢件的残余应力,稳定尺寸,防止变形与开裂;
⑶细化晶粒,改善组织,消除组织缺陷,为最终热处理做好组织准备。
2、退火种类
按退火目的与工艺特点分为:
扩散退火、完全退火、等温退火、球化退火、再结晶退火、去应力退火。
常用的四种退火方法:
⑴完全退火:
将钢件加热到Ac3以上20~40℃,保温足够时间后随炉冷却到550~650℃出炉空冷的热处理。
⑵等温退火:
将钢件A化后快冷至Ar1以下某一温度进行进行等温转变等到P组织,再空冷到室温的热处理。
⑶球化退火:
将钢件加热到Ac1以上20~40℃,保温足够时间后随炉冷却550~600℃出炉空冷的热处理。
⑷去应力退火:
将钢件加热到Ac1点以下某一温度,保温足够时间随炉冷却至200~300℃出炉空冷的热处理工艺。
二、正火
将钢件加热到相变线(Ac3或Accm)以上完全A化后,在空气中冷却到室温的一种热处理工艺。
1、正火目的
⑴减少碳和其它合金元素的成分偏析
⑵使A晶粒细化和碳化物弥散分布,以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解量。
2、应用
⑴改善低碳钢的切削加工性;
⑵用于中碳结构钢制作重要零件的预先热处理;
⑶消除过共析钢中网状二次渗碳体,为球化退火做好组织准备;
⑷对力学性能要求不高的普通结构钢零件,用正火作最终热处理。
三、淬火
将钢件加热到相变线(Ac1或Ac3)以上某一温度,保温足够时间获得A,以大于VK冷却,获得M(或B下)组织的热处理工艺。
1、淬火目的
获得M或B下组织。
强化钢件的重要热处理工艺。
2、淬火工艺
淬火工艺包括加热温度、保温时间的确定、淬火冷却介质的选择。
⑴加热温度的选择:
碳钢加热温度主要取决于钢的化学成分,按Fe-Fe3C相图的相变点来选择。
1共析钢:
加热温度选择在Ac3以上30~50℃的范围,获得晶粒细小、成分均匀的A组织,冷却后得到细小晶粒的M组织。
2共析钢、过共析钢:
加热温度选择在Ac1以上30~50℃,获得晶粒细小的A或晶粒细小的A+少量颗粒状的Fe3CII,冷却后得到细小的M和细小的颗粒状Fe3CII。
⑵淬火加热时间的确定:
淬火加热时间包括升温和保温时间。
加热时间是指达到加热温度和获得奥氏体均匀化的时间。
加热时间的确定主要考虑钢种、加热介质、加热速度、装炉方式、装炉量及钢件的形状、尺寸等因素。
⑶淬火冷却介质的选择:
淬火时既要保证奥氏 体转变为马氏体,又要在淬火过程中减少应力和变形,防止开列,保证钢件的淬火质量,必须选择合理的淬火冷却介质。
常用的淬火冷却介质有碱水、盐水、水和油等。
3、常用的淬火工艺方法
1单液淬火法 将奥氏体化后的零件投入到一种冷却介质中冷却到室温的淬火方法。
2双液淬火法 将奥氏体化后的零件先投入冷却能力较强的介质(νk)中,然后到出再投入到冷却能力较弱的介质中进行马氏体转变的淬火方法。
3预冷淬火法 将奥氏体化后的零件从炉中取出,在空气中预冷一定温度后,再进行淬火的方法。
4分级淬火法 将奥氏体化后的零件先投入到温度在MS线附近的恒温槽中停留适当时间,然后取出空冷的淬火方法。
5等温淬火法 将奥氏体化后的零件投入到稍高于MS线温度的恒温槽中进行等温转变,获得下贝氏体组织后取出空冷的淬火方法。
四、回火
将淬火钢加热到A1以下某一温度,保温足够时间后冷却到室温的热处理工艺。
1、回火的目的
⑴获得所需的组织与性能。
⑵稳定工件的组织与尺寸。
⑶消除淬火应力,减小变形与开裂倾向。
2、淬火钢回火时的组织转变
淬火钢在A1线下不同温度重新加热时,将发生四个阶段的组织转变:
⑴马氏体的分解(<200℃) 在80℃以下,由于温度太低,只发生马氏体中碳原子偏聚现象。
回火后的组织由的α固溶体和亚稳定的η碳化物组成,称回火马氏体。
钢的硬度没有明显降低,但淬火应力下降。
⑵残余奥氏体的分解(200~300℃)当回火温度在200~300℃以上时,残余A分解为下贝氏体组织(过饱和的F+η碳化物)。
马氏体继续分解到350℃左右,淬火应力进一步降低,但硬度降低不明显。
⑶碳化物的转变(250~400℃)当回火温度在250℃以上时,η碳化物随温度升高逐渐转变为稳定的渗碳体。
当回火温度达到450℃以上时,所有的η碳化物全部转变成渗碳体。
回火组织为F+颗粒状的Fe3C复合组织,称回火托氏体。
淬火应力已基本消除,硬度明显下降。
⑷Fe3C集聚长大和F的再结晶(450~700℃)当回火温度升至450℃以上时,Fe3C发生集聚,长大成为较大的颗粒状,F形态在600℃以下回火时保持淬火时的板条状或片状;
而在600℃以上时,F的形状变成近似等轴的多边形晶粒,称F发生了再结晶。
于是得到回火索氏体组织(多边形的F和较大颗粒的Fe3C组成的组织)。
如果回火温度升高到650℃~A1间,颗粒状的Fe3C进一步长大,回火后形成多边形的F+大颗粒Fe3C组织,称回火珠光体P。
3、回火种类、组织、性能与应用
⑴低温回火(150~250℃)回火后组织为回火M。
⑵中温回火(350~500℃)回火后组织为回火托氏体。
⑶高温回火(500~650℃)回火后组织为回火S。
⑷回火脆性淬火钢在某些温度区间回火时会产生冲击功的显著下降,这种脆化现象称回火脆性。
1)低温回火脆性或第一类回火脆性一般在250~350℃回火时产生。
应避免在该温度区间进行回火。
2)高温回火脆性或第二类回火脆性一般在450~650℃回火后缓冷时产生,若在该段温度回火后快冷,脆性消失。
6-3钢的淬透性
钢在规定温度下,决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。
它的大小可用规定条件下淬硬层来表示。
钢的淬硬性:
钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到最高硬度的能力。
硬度高的钢淬透性不一定高,而硬度低的钢淬透性有时却很高。
一、淬透性的测定方法
1、末端淬火法
2、临界淬透直径法它是一种比较直观的衡量淬透性的方法,是指钢在某种介质中淬火,其心部能淬透的最大直径。
二、影响钢淬透性的因素
主要因素:
奥氏体成分和A化条件。
⑴A成分除CO外,能溶入A的合金元素均能增加过冷A的稳定性,使C曲线右移,降低νk,提高钢的淬透性。
⑵A化条件A化温度愈高,保温时间愈长,A成分愈均匀,则使过冷A更加稳定,使C曲线右移,νk愈低,故淬透性愈高。
三、淬透性曲线的应用
钢的淬透性及淬透性曲线是机械设计人员和热处理工作者制订热处理工艺的主要数据。
钢的淬透性高低直接影响热处理后的力学性能。
⑴利用淬透性曲线,可比较不同钢件淬透性的大小。
⑵利用淬透性曲线可估算临界淬透直径。
6-4 钢的表面热处理
表面热处理包括表面淬火和化学表面热处理。
一、钢的表面淬火
通过对钢表面进行快速加热后,使表层获得A组织,待热量还没有传导钢件心部时,以大于νk的冷却速度快速冷却到室温,表层获得M而心部仍保持淬火前的组织状态的热处理工艺方法。
钢的表面淬火方法很多,包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解加热表面淬火、激光淬火、电子束淬火等。
感应加热表面淬火:
将钢制零件置于一个用空心铜管绕制的感应圈中,通入一定频率的交变电流,感应圈便产生了交变磁场。
从而使钢件表层迅速加热到A化温度,再快速冷却,获得所需组织和性能的工艺操作。
⑴高频感应加热表面淬火:
电流频率为70~1000kHz,常用200~300kHz,淬硬层深度为0.5~2mm。
⑵中频感应加热表面淬火:
电流频率为500-10000Hz,常用2500~8000Hz,淬硬层深度为2~8mm。
⑶工频感应加热表面淬火:
电流频率为50Hz,淬硬层深度为10~15mm。
⑷超音频感应加热表面淬火:
电流频率为20~40kHz,淬硬层深度介于高频与中频之间。
二、表面化学热处理
定义:
将工件置于某种介质中加热、保温,使介质分解出某种活性元素渗入钢件的表层,改变表层的化学成分,从而使表层与心部具有不同成分与组织性能的工艺方法。
1、钢的渗碳
将钢件置入渗碳介质中,加热到900~950℃的单相A区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳、心部仍保持原有成分的热处理工艺。
渗碳件必须进行热处理才能发挥表层渗碳的作用。
常用的热处理方法有三种:
⑴直接淬火法:
将渗碳后的工件出炉后在空气中预冷至800~850℃后进行淬火,再低温回火。
⑵一次淬火法:
将渗碳件出炉缓冷到室温,再加热到淬火温度进行淬火和低温回火的处理方法。
⑶二次淬火法:
第一次淬火是为了细化心部组织和消除表层网状Fe3CII,加热温度选择在略高于心部的Ac3以上。
第二次淬火是使表层得到细片状M和均匀分布的颗粒状Fe3C,加热温度选择在表层的Ac1以上。
2、钢的渗氮
将钢件置入渗氮介质中,加热到规定温度,保温足够时间后,依靠渗氮介质中分解出的活性氮原子渗入钢件表层,从而提高工件表层的硬度、耐磨性、疲劳性能和耐蚀性的一种化学热处理。
可分为:
⑴耐磨渗氮:
温度500~570℃,渗氮层深度为0.15~0.75mm。
⑵耐蚀渗氮:
渗氮温度为590℃左右,渗氮层深度极薄。
除渗碳、渗氮外,还有碳氮共渗、氮碳共渗、渗金属等许多化学热处理方法。
6-5 热处理新工艺简介
一、真空热处理
二、形变热处理
三、离子轰击热处理
四、激光热处理
五、钢的表面气相沉积
3-6 热处理工件的结构工艺性和常见的热处理缺陷
一、常见的热处理缺陷
⑴过热:
加热温度过高或保温时间过长引起晶粒粗化现象。
可用正火消除。
⑵过烧:
加热温度过高,分布在晶界上的低熔点共晶体或化合物被熔化或气化的现象。
⑶氧化:
当空气为传热介质时,空气中的O2与工件表面形成氧化物的现象。
⑷脱碳:
工件表层中碳被介质中O2、H2等烧损而使工件表层碳含量下降的现象。
⑸变形:
尺寸和形状发生变化。
⑹开裂:
二、热处理工件的结构工艺性
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
三、热处理技术条件标注及工序位置
1、热处理技术条件标注
2、热处理的工序位置
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- 第六章 钢的热处理 第六 热处理