工程材料第七章(钢的热处理).ppt
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第七章钢的热处理,本章重点:
退火、正火、淬火和回火的目的与应用。
感应加热表面淬火,渗碳和氮化的特点及应用。
难点:
相变机理。
概述一、钢的热处理定义根据钢在固态下组织转变的规律性,通过不同的加热、保温和冷却,以改变合金的内部组织,从而得到所要求性能的一种操作。
二、热处理的特点只改变零件或毛坯的内部组织,不改变形状和尺寸,并且是在固态下进行的。
三、热处理的目的,改变金属材料的组织,从而提高合金的机械性能。
四、热处理的依据和分类纯铁的同素异晶转变,钢在固态下的共析反应,就是钢进行热处理的依据。
分类:
普通热处理退火、正火、淬火、回火。
表面热处理表面淬火、表面化学热处理。
7-1钢在加热时的组织转变(以共析钢为例),加热是热处理的第一步。
目的是为了获得成分均匀,晶粒细小的奥氏体。
加热与冷却时钢的临界点位置,一、奥氏体的形成,P(F0.0218%+Fe3C6.69%)A0.07%转变时既有晶格的重构-Fe-Fe,又有Fe原子和C原子的扩散。
奥氏体化过程分四个阶段:
奥氏体形核(在F与Fe3C相界面上)奥氏体长大(-Fe-Fe晶格重构,Fe3C溶解,C原子向A扩散)剩余Fe3C溶解A成分均匀化,亚共析钢奥氏体化除PA,还需加热到AC3,FA。
过共析钢奥氏体化除PA,还需加热到ACCM,Fe3CA。
二、奥氏体晶粒的长大,1、起始晶粒度:
珠光体向奥氏体转变刚完成时的晶粒度。
2、实际晶粒度:
钢在某一具体加热条件下A体的实际晶粒大小。
一般要比起始晶粒度大。
3、本质晶粒度:
表示钢在特定加热条件下(930C,保温38小时,冷却),奥氏体晶粒长大的倾向性。
4、晶粒大小的评定方法将钢加热到93010C,保温8小时,缓慢冷却,在100倍金相显微镜下测量奥氏体晶粒大小,与标准晶粒大小金相图片比较。
共分8级,14级为粗晶粒,58级为细晶粒。
7-2钢的非平衡冷却转变,一、共析钢等温转变曲线(TTT曲线或C曲线)的测定C曲线:
表示A急速冷却到A1以下,在各不同温度的保温过程中,转变量与转变时间的关系曲线。
共析钢TTT图Time-Temperature-TransformationforaEutectiodSteel,EquilibriumPhaseChangeTemperature,100,200,300,400,500,600,700,TemperatureC,0.1,1,10,100,1000,10,000,seconds,StartTime,FinishTime,T,DrivingForceAP形核、长大速度,TD,A1-650-珠光体P650-600-索氏体S600-550-屈氏体T550-350-B上350-MSB下,二、C曲线分析,1、A1以上为稳定的A区。
A1以下,转变开始线以左为过冷A区。
A1以下,转变终了线以右,MS线以上为转变产物区。
2、不同温度下过冷A转变总要有一段孕育期,孕育期越长,过冷A越稳定。
为什么过冷A的稳定性会出现以上这种马鞍形?
三、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能
(一)珠光体转变(扩散型转变)A1-650-珠光体P(粗P)650-600-索氏体S(细P)600-550-屈氏体T(极细P)
(二)贝氏体转变(半扩散型转变),四、影响C曲线形状和位置的因素,1、碳的影响,2、合金元素的影响3、加热温度和保温时间的影响,五、过冷奥氏体连续转变曲线图,1、只有C曲线的上半部分,即无贝氏体转变。
2、kk线是P体转变中途停止线。
3、过冷A的转变是在一个温度区间进行,因开始转变温度高,所以晶粒内粗外细,且转变产物往往是几种组织的混合。
4、VK是过冷A转变为M的最小冷速,称临界冷速。
5、过共析钢除多出一条先共析Fe3C线外,其它与共析钢相同。
亚共析钢不同,出现了贝氏体转变区。
(一)共析钢连续冷却转变的主要特点,
(2)连续冷却速度对共析钢组织与性能的影响,六、马氏体转变,
(一)M的晶体结构-体心正方c/a1正方度M体的实质:
含碳过饱和的固溶体。
体心正方晶格马氏体晶格示意图,
(二)M的组织形态,有两种,一种是片状M,另一种是板条状M。
2)TypesofMartinsite,(三)M的性能,(四)M转变的特点1、M转变是无扩散型转变。
2、M转变具有切变共格性。
3、M转变速度极快,M量的增加不是靠已形成M体的长大,而是靠新M体片的不断形成。
4、M转变是在一个温度区间形成。
5、M转变是不完全的。
7-3钢的退火与正火,一、退火将钢加热保温后,随炉缓慢冷却的热处理工艺。
主要用于铸、锻、焊件毛坯的热处理。
1、退火的目的1)降低钢件硬度,便于切削加工。
2)消除工件内应力,稳定尺寸。
3)细化晶粒,改善组织,提高钢的机械性能。
4)为最终热处理做好组织准备。
2、退火的种类、工艺过程与应用,分类工艺过程适用范围目的最后组织完全退火Ac3+3050C炉冷,亚共析钢2、3F+P扩散退火Ac3+150200C炉冷,合金钢2、均匀成分F+P球化退火Ac1+3050C炉冷,共(过)析钢1、2F+Fe3C粒去应力退火A1以下炉冷,铸、锻、焊件2无变化再结晶退火A1以下空冷,冷变形件2消除加工硬化等轴晶,二、正火,将钢加热到完全奥氏体化,保温后在空气中冷却的热处理工艺。
正火的目的与退火相似,只是正火冷却较快,P体较多,强度较高。
对于低碳钢,可适当提高硬度,便于切削加工。
对于过共析钢,可减少或消除二次渗碳体网,为球化退火做组织准备。
对于不重要的件或形状复杂的件可作为最终热处理。
7-4钢的淬火,将钢加热到Ac3(亚共析)或Ac1(共析、过共析)以上3050C,保温后在油中或水中快速冷却的热处理。
一、淬火的目的获得M或下贝氏体,提高钢的硬度和耐磨性。
二、淬火工艺1、加热温度的选择亚共析钢淬火温度为Ac3以上3050C。
共析、过共析钢为Ac1以上3050C。
2、保温时间一般根据工件的有效厚度选择t=D,t:
保温时间(min):
加热系数(=1.01.5min/mm),D:
工件厚度mm,理想的冷却介质是既能获得M,又不使零件造成大的内应力。
常用的冷却介质有水、盐水、矿物油。
三、冷处理将淬火后的钢件,在零度以下继续冷却,使残余A转变为M体的工艺。
冷处理主要用于提高零件的表面硬度和耐磨性,提高工具的使用寿命,提高精密量具的尺寸稳定性等。
3、淬火冷却介质,四、淬火缺陷及防止方法,1、氧化与脱碳防止方法:
1)采用脱氧良好的盐浴炉加热,或真空炉加热。
2)若采用电炉加热,可加入还原剂,起保护作用。
3)在工件表面预留加工余量,将氧化层切削加工去除。
2、变形与开裂在热处理工艺上采取以下措施:
1)采用合理的锻造和预先热处理。
2)采用合理的淬火工艺和方法。
3)零件的结构设计要避免产生应力集中。
7-5钢的淬透性与应用,一、淬透性的概念淬透性是钢淬火时奥氏体转变成M体而不转变成其它组织的能力。
淬透性的大小用一定条件下淬透层的深度表示。
规定:
从钢表面到内部M占50%处的距离为淬透层深度。
淬硬性与淬透性的概念不同。
钢的淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度。
主要决定于M体的含碳量。
而淬透性的好坏主要取决于奥氏体的稳定性。
二、影响淬透性的因素,凡是增加A体稳定性的因素,或凡是使C曲线右移,减小临界冷却速度的因素,都提高钢的淬透性。
1、化学成分2、奥氏体化条件注意:
在相同奥氏体化条件下,同一种钢的淬透性是相同的,但它的淬硬层深度却随工件形状和尺寸及冷却介质冷却能力的不同而变化。
如同一种钢在相同的奥氏体化条件下,水淬比油淬、小件比大件的淬硬层深,这决不能说同一种钢水淬比油淬、小件比大件的淬透性好。
只有在一切条件相同时,才可根据淬硬层深度判定钢的淬透性的好坏。
三、零件设计与淬透性,1)对于整个截面均匀受力或受大的冲击载荷的零件,应选用淬透性好的材料,使整个截面淬透。
2)对于受弯曲、扭转的实心轴类零件,表面要求耐磨性并受冲击的一些模具,可选用淬透性较低的钢。
3)对于焊接件,不选用淬透性高的钢。
4)当工件尺寸很大,钢的淬透性又较差时,粗加工应安排在淬火前进行。
5)零件的尺寸大,钢的淬透性很差时,应选用正火代替淬火。
四、淬透性的测定和表示方法,淬透性的测定:
常用方法是末端淬火法(端淬法)。
7-6钢的回火,将淬火钢重新加热到A1以下某一温度,保温后冷却到室温的热处理工艺称回火。
一、回火的目的1、降低淬火钢的脆性,消除或减少淬火钢的内应力。
2、获得所要求的性能。
3、稳定工件尺寸,降低硬度,便于切削加工。
二、回火转变(以共析钢为例)1、在100200C回火,M体分解。
M2、在200300C回火,残余A转变(B下)。
M3、在300400C回火,碳化物转变(FeXCFe3C)T4、在400C以上回火,Fe3C聚集长大,相再结晶。
S,三、回火转变产物的组织与性能,1、回火M,300C回火的产物。
在过饱和的固溶体上分布着高度弥散的碳化物-FexC。
2、回火T,300500C回火的产物,尚未再结晶的F+Fe3C细粒。
3、回火S,500650C回火的产物,多边形的F+Fe3C粗粒。
4、回火P,650CA1温度回火的产物。
F+Fe3C粗粒。
随回火温度的提高,强度、硬度下降,塑性韧性升高。
而弹性极限随回火温度的升高而升高在300400C时达最大值,所以要求弹性极限高的弹簧类零件采用中温回火。
四、回火的种类与应用,1、低温回火150250C,得到回火M,HRC5864,主要为了保持淬火钢的高硬度和耐磨性,而降低淬火钢的内应力和脆性。
用于工具钢、滚动轴承钢及渗碳件。
2、中温回火350500C,得到回火T,HRC3550,主要是获得高的弹性极限和屈服强度,并具有一定的硬度和韧性。
用于各类弹簧件。
3、高温回火500650C,得到回火S,HRC2535,使钢获得高的综合机械性能。
主要用于中碳钢,合金调质钢的重要零件的处理。
淬火+高温回火又叫调质。
回火T、回火S与奥氏体直接转变的T、S相比的异同点?
五、回火脆性,在某些温度回火时,淬火钢的韧性不但不提高,反而降低的现象。
1、低温回火脆性(250350C),不可逆。
一般认为是沿M片或条的界面析出薄片碳化物,或P、Sn、Sb、As等杂质偏聚于晶界所致。
2、高温回火脆性(450650C),可逆。
快冷可防止,加入1%W或0.5%Mo可防止,也与杂质偏聚于晶界有关。
7-7钢的表面热处理,一概述二、表面热处理的分类1、只改变表层组织,不改变表层化学成分的热处理表面淬火。
2、同时改变表层组织和化学成分的热处理表面化学热处理(渗碳、渗氮等)。
三、表面淬火通过快速加热使工件表面迅速达到淬火温度,未等热量传到心部就立即冷却淬火,只是表面获得M体,而心部组织未变的热处理工艺叫表面淬火。
表面淬火与未淬透有什么区别?
(一)感应加热表面淬火,
(一)感应加热表面淬火,1、工艺交流电的“集肤效应”,=C/f1/2(:
加热深度mm,f:
交流电的频率Hz)。
2、感应加热表面淬火的特点1)加热速度快,组织转变温度高,A体晶粒不易长大,淬火后M体细小,钢件表面硬度高,脆性低。
2)由于只是表层获得M,心部组织未变,M的比容大,使零件表层产生残留压应力,提高了零件的抗疲劳极限。
3)加热速度快,氧化与脱碳减小,且工件的变形小。
4)淬硬层深度易控制,生产率高。
但设备费用高,特殊形状的感应圈不易制造。
3、应用,主要用于中碳钢和调质钢。
感应加热淬火后,一般要进行低温回火。
高频淬火(2030kHz),淬硬层0.52mm。
中频淬火(2.58kHz),淬硬层36mm。
工频淬火,淬硬层1015mm。
工艺路线:
锻造退火或正火粗加工调质半精加工感应加热表面淬火低温回火磨削加工,四、渗碳,渗碳是把钢置于渗碳剂中,加热到A体区,保温一定时间,碳原子渗入钢件表层的过程。
1、渗碳的目的及用钢,使工件得到表面高硬度高耐磨性,心部有好的强度和韧性的要求。
含碳0.10.25%的低碳钢。
渗碳淬火+低温回火2、渗碳方法1)气体渗碳(煤油、苯、甲醇+丙酮)渗碳介质的分解吸收扩散三个基本过程。
主要控制好加热温度(930C)和保温时间。
温度越高,渗速越大,扩散层越厚,但晶粒越大,使钢变脆。
保温时间取决于渗层厚度,但时间越长,扩散速度减慢。
钢件渗碳几小时到几十小时,可得到0.52mm的渗碳层深度。
3、渗碳后的组织与热处理,1)表层含碳0.851.05%,从表层到心部含碳量逐渐降低,心部为原始低碳钢的组织。
2)渗后热处理直接淬火法:
渗碳后,出炉预冷到略高于Ar3后淬火,再低温回火。
一次淬火法:
渗碳出炉缓冷后,再加热到淬火温度(略高于AC3或AC1AC3之间)后淬火+低温回火。
以上两种方法适合于本质细晶粒钢。
回火后表层组织为回火M,心部组织取决于钢的淬透性,碳钢为P+F,合金钢一般为低碳回火M。
二次淬火法,第一次淬火是为了细化心部组织及消除表层网状渗碳体,加热温度AC3以上。
第二次淬火是为了改善表层组织和性能,得到细片M+Fe3C粒,加热温度在AC1以上。
适合于本质粗晶粒钢和重要件。
渗碳件的工艺路线:
锻造正火粗加工渗碳淬火低温回火精加工,1、氮化的分类及用钢根据氮化的目的不同,氮化方法分为抗磨氮化和抗蚀氮化两类。
抗磨氮化.氮化温度一般为560C。
而且要用含铝、铬、钼等合金元素的合金钢,因为这些合金元素能与N原子形成高度弥散硬度极高而且稳定的氮化物。
氮化层深度为0.150.75mm,氮化时间为10100小时。
抗蚀氮化。
氮化温度一般为590C,最高达720C。
氮化时间为0.53小时。
耐蚀层为0.0150.06mm。
此方法适于碳钢、合金钢及铸铁等。
五、氮化,2、氮化方法,1)气体氮化2NH33H2+2N特点:
不需要特殊设备,易于操作。
但是氮化速度慢。
2)离子氮化特点:
氮化速度快,氮化时间为气体氮化的1/21/4。
氮化质量也高。
3、氮化后的组织氮化后,工件表层的含氮量最高,由表层到心部的组织为:
+相是以Fe23N为基的固溶体。
hpc,室温含N8.2511%。
相是以Fe4N为基的固溶体,fcc,室温含N5.76.1%。
相是N溶入-Fe中的固溶体,bcc,室温下N0.001%,4、氮化前的准备,1)一般要先进行调质,使工件获得好的综合机械性能。
2)为防止氮化变形,对形状复杂的零件,机加工后应进行消除应力的高温回火。
3)氮化后不再机加工或热处理,最多进行精磨,氮化前放磨量不应过大。
4)不需氮化部位应镀铜或锡保护或留出适当的磨削量。
1)工件表面形成一层极硬的合金氮化物,具有很高的硬度和耐磨性,且能保持到650C而不明显下降。
2)疲劳极限可提高1535%。
3)表面有很好的抗蚀性,而且工件变形小。
6、氮化件的工艺路线安排锻造正火粗加工调质精加工去应力退火粗磨氮化精磨,5、氮化的特点,六、表面热处理方法比较与选用,高频淬火、渗碳与氮化共同的目的是提高工件表面硬度和耐磨性及疲劳强度,但是它们之间也有一定差别。
渗碳法可获得较厚的硬化层(3mm)及高的表面硬度(HV800)但是渗碳后需淬火,变形量大。
用于易发生点蚀的重载齿轮或形状复杂零件较合适。
高频淬火可在短时间内获得厚的硬化层(10mm),变形小,生产率高。
但硬度少低(HV700),耐磨性不如渗碳件。
形状复杂、批量小不宜采用。
氮化法表面硬度最高(HV1100),硬化层最薄0.5mm硬度梯度最陡。
适合于转速快、压力小、不受冲击的件。
但氮化工艺时间长,效率最低。
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