《金屬材料熱處理》PPT課件.ppt

工程材料 （4）,第四章 金屬材料熱處理,第四章 金屬材料熱處理 熱處理定義：在固態(tài)范圍內(nèi)，采用加熱、保溫和冷卻等方法而改變金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善金屬材料力學(xué)性能的工藝方法金屬材料。,4、去應(yīng)力退火,二、 正火 1.定義：加熱到Ac3或Accm以上3050，保溫適當(dāng)時(shí)間， 在靜止的空氣中冷卻， 獲得含有P的均勻組織。,+,2、目的：正火所達(dá)到的效果與材料的成分及組織狀態(tài)有關(guān)。 （1）低C鋼正火后，可得到較細(xì)的片狀P，硬度較退火略高，利于切削加工，由于所得F晶粒較細(xì)，鋼的韌性較好，板、管、帶及型材等大多采用正火處理，以保證良好的力學(xué)性能的配合。,（2）中C鋼普通零件正火后組織細(xì)化，得到一定的力學(xué)性能，要求不高時(shí)，可代替調(diào)質(zhì)處理作為最后熱處理或?yàn)楦袘?yīng)加熱表淬前的預(yù)備處理 還可以消除魏氏組織，低合金結(jié)構(gòu)鋼（wt0.4%，如40Cr）可用正火代替完全退火作為切削加工前的準(zhǔn)備，可縮短生產(chǎn)周期，降低費(fèi)用。,3）過共析鋼（工具鋼、軸承鋼）和滲C工件可用正火消除網(wǎng)狀C化物。以便在球化退火中獲得均勻的球狀C化物。在用正火代替滲碳件的第一次淬火時(shí)，還能減少工件變形。 4）大型鍛件常采用正火作為最終熱處理，可避免淬火時(shí)較大的開裂傾向（但不能充分發(fā)揮材料潛力）。正火后需高溫回火（T=700），以消除應(yīng)力，得到良好的力學(xué)性能。,（5）鑄鋼件正火， 細(xì)化鑄態(tài)組織（即細(xì)化鑄件中粗大晶粒， 消除由于截面尺寸不同在結(jié)晶過程中產(chǎn)生的顯微組織的不均勻性，如等軸晶-柱狀晶-粗晶）。 改善切削加工性能 由于鑄件一般形狀較復(fù)雜，偏析嚴(yán)重，韌性較差。在正火中應(yīng)采用較為緩慢的加熱，以免熱應(yīng)力造成變形開裂，加熱T也較鍛件高。,退火和正火的加熱溫度,成分,溫 度,擴(kuò)散退火,組織：正火冷速快，P組織比退火態(tài)的片層間距小，領(lǐng)域也小 性能：亞共析鋼中：P越多，強(qiáng)度，硬度越高，韌性，塑脆轉(zhuǎn)化T。 Wc0.2%時(shí)，退正火機(jī)械性能相近。C%，正火硬度、強(qiáng)度比退火高，塑性低。,三、退火、正火后的組織與性能,鋼的最重要的強(qiáng)化手段：淬火,將鋼加熱到Ac1或Ac3以上3050，保溫一段時(shí)間使鋼奧氏體化后，以大于臨界冷速冷卻獲得馬氏體的熱處理工藝,目的：主要目的是： (工具鋼) 硬度、強(qiáng)度、耐磨性。（結(jié)構(gòu)鋼）與不同T的回火相配合，獲得不同的強(qiáng)韌、塑的配合，滿足不同的性能要求。,臨界冷速,第二節(jié) 鋼的淬火,馬氏體轉(zhuǎn)變無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，切變,板條M,一、淬火加熱溫度 l亞共析鋼和共析鋼:AC3+3050？ 淬火后組織:均勻細(xì)小M l過共析鋼:AC1+3050？ 淬火后組織：均勻細(xì)小M +粒狀滲碳體,二、淬火冷卻介質(zhì) 保證工件冷速V臨界淬火冷速VC。,工件尺寸一定時(shí)，冷速越快： 1.獲得較大的淬硬深度。 2.容易引起變形開裂。,水作為淬火介質(zhì) （1）650550 :冷速200/s； M轉(zhuǎn)變區(qū)(300200），冷速：高達(dá)770/s 優(yōu)點(diǎn)：冷卻能力強(qiáng)，清潔、安全、價(jià)格低，不需清洗。 在可能情況下應(yīng)廣泛使用。 缺點(diǎn)：M 轉(zhuǎn)變區(qū)冷速大，易開裂 適用：形狀簡單，尺寸不大的碳鋼件。,鹽水、堿水溶液（水中添加510%的鹽、堿） 在高溫區(qū)（650550）的冷卻能力約為水的10倍 缺點(diǎn)：低溫冷速仍很大。 對工件有腐蝕作用，淬火后必須清洗。 堿水對皮膚有刺激作用，且易于老化變質(zhì) 堿水使用受到一定的限制。 適用范圍：用于形狀簡單，尺寸較大的碳素結(jié)構(gòu)鋼件淬火，還可對大截面的碳素工具鋼，低合金鋼工件用鹽-油雙介質(zhì)淬火。,3）油(主要用礦物油) 特點(diǎn)：低溫冷速低，。 油高溫冷卻能力很小，只有水的1/31/6。) “C”鼻尖處冷速較低。截面較大的C鋼及低合金鋼不易淬硬， 主要用于形狀復(fù)雜的中小型合金鋼（A穩(wěn)定性大，“C”曲線靠右淬透性大）或尺寸小的碳鋼。,3.淬火應(yīng)力與控制 淬火應(yīng)力形成原因 （1）熱應(yīng)力：零件不同部位冷卻不均衡引起。 （2）組織應(yīng)力：零件不同部位M轉(zhuǎn)變不同時(shí)引起。 時(shí)間特性 瞬時(shí)應(yīng)力熱處理過程中形成的內(nèi)應(yīng)力 殘余應(yīng)力熱處理后零件內(nèi)存在的應(yīng)力 變形 開裂,減小變形的措施 1、合理選材，正確設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 2、正確鍛造和進(jìn)行預(yù)備熱處理 3、采用合理的熱處理工藝,三 淬火冷卻方法: （1）單介質(zhì)淬火 （2）雙介質(zhì)淬火 （為減小淬火應(yīng)力） （3）M分級淬火 （為減小淬火應(yīng)力） （4）B等溫淬火：為獲得下貝氏體組織。 （5）冷處理：為獲得最大量M，減少A,B,時(shí)間,溫度,A1,P,M,A,Ms,室溫,1、直接淬火（direct quenching） 適用：無尖銳棱角，和截面形狀無突變的形狀簡單的碳鋼和合金鋼工件。,不適用：處理高碳鋼件和形狀復(fù)雜的工件。 例：手用鋸條 T10 T12 油淬（14 18）,2、雙液淬火法 特點(diǎn)：既保證了較高淬透層深，又可減少應(yīng)力，防止開裂。 水-油、鹽水-油、油-空氣等 適用范圍：淬透性較差的大尺寸工件 缺點(diǎn)：不易操作,多用碳素工具鋼和大截面合金工具鋼，要求淬透較深的零件淬火。,3、M分級淬火 優(yōu)點(diǎn)：減少了淬火應(yīng)力（組織應(yīng)力）,適用范圍：變形要求嚴(yán)格的工件。一般分級淬火時(shí)零件 能淬透的零件直徑要比油淬、水淬小， 對大截面碳鋼、低合金零件不適宜采用分級淬火。,4、貝氏體等溫淬火 等溫溫度：依C曲線及性能要求（T 低，B 下多且硬度高） 適用：合金鋼，Wc0.6%的碳鋼。,400-260 ,5、深冷處理（或冷處理）（Subzero treatment）,目的： A殘M 適用：Ms點(diǎn)低的鋼種（C高 0.6） 要求尺寸穩(wěn)定性很高的精密零件,四、淬火常見缺陷 1、淬火裂紋及變形 多種原因引起:工藝、結(jié)構(gòu)、材料等。 2、氧化、脫C 3、過熱、過燒 4、軟點(diǎn)與硬度不足 加熱溫度不勻、存在氧化皮和表面氣泡等 材料淬透性低、淬火冷速太小等。,第三節(jié) 鋼的表面淬火 零件使用性能要求： 高的表面硬度（HRC5058）、強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，較好的心部塑性和韌性。 采用熱處理工藝：表面淬火,軋輥,快速靈活的感應(yīng)加熱表面淬火,一、感應(yīng)加熱基本原理 感應(yīng)線圈通交流電交變磁場 表面感應(yīng)電勢 瞬時(shí)： 感生渦流： Z：渦流回路電抗，R：電阻，XL：感抗 Z很小，（渦流）能達(dá)到很大。,進(jìn)水,出水,淬火噴水套,進(jìn)水,電流密度,渦流熱效應(yīng) Q總=Q+Q，將零件表層加熱， （Q磁滯熱效應(yīng)，比渦流熱效應(yīng)小的多） 表面效應(yīng)（集膚效應(yīng)） 渦流強(qiáng)度隨高頻電磁場強(qiáng)度由零件表面向內(nèi)層逐漸減小而相應(yīng)減小的規(guī)律，稱為表面效應(yīng)。 交流電頻率越高，渦流層越淺集膚效應(yīng)。,C鋼：感應(yīng)加熱透入深度（近似公式）： f為電源頻率（HZ）,感應(yīng)加熱的頻率選擇及應(yīng)用,2、特點(diǎn)： （1）加熱速度快、時(shí)間短，表面淬火可得極細(xì)的 馬氏體。 （2）工件表面存在殘余壓應(yīng)力，可提高疲勞強(qiáng)度,疲勞強(qiáng)度顯著使用壽命 如：40Cr鋼，20mm光滑試樣， -1值：調(diào)質(zhì)：450480， 調(diào)質(zhì)+表淬：630Mpa， 40MnB鋼制造汽車半軸， 調(diào)質(zhì)改調(diào)質(zhì)+表淬，壽命20倍,（3）工件不易氧化、脫碳，變形小。 （4）易于自動化，生產(chǎn)率高。 （5）設(shè)備昂貴 （6）不適合形狀復(fù)雜的工件。,3、適用鋼：中碳鋼 4、預(yù)先熱處理及工件加工工序設(shè)置 預(yù)先熱處理：調(diào)質(zhì) 加工工序設(shè)置（各熱處理工序目的？） 下料鍛造正火或退火機(jī)加工（粗） 調(diào)質(zhì)機(jī)加工（細(xì)）感應(yīng)淬火低回磨削,二、火焰加熱表面淬火 操作:高溫火焰加熱工件表面，隨后水冷淬火。 特點(diǎn):（1）方法簡單、不需貴重設(shè)備。 （2）工件大小不受限制 （3）加熱溫度不易控制，淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定。,火焰加熱表面淬火示意圖,工件,噴水管、燒嘴移動方向,第四節(jié) 鋼的回火 回火：淬火鋼件加熱至AC1以下某溫度保溫一定 時(shí)間，而后冷卻的熱處理工藝。 一、回火目的 （1） 減小或消除淬火應(yīng)力，防零件變形和開裂。 （2） 穩(wěn)定組織，防止組織轉(zhuǎn)變引起的零件形狀、尺寸和性能變化。 （3） 獲得所需力學(xué)性能。,淬火,回火,二、回火時(shí)組織轉(zhuǎn)變及力學(xué)性能變化 1、回火時(shí)組織轉(zhuǎn)變 以碳鋼為例： （1）馬氏體開始分解（100200）： 碳原子以-碳化物形式從馬氏體中逐漸析出。 （2）殘余奧氏體分解（200300）： 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體或下貝氏體。 （3）滲碳體形成（250400）： -碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闃O細(xì)小的滲碳體。 （4）鐵素體的回復(fù)和再結(jié)晶，碳化物顆粒聚集長大（400以上）,碳化物的析出； 殘余奧氏體的分解； 鐵素體的回復(fù)和再結(jié)晶。,0.04mm 馬氏體,0.08mm 回火馬氏體,回火時(shí)組織變化,2、回火時(shí)力學(xué)性能變化 隨回火溫度升高 l 硬度下降；塑性、韌性上升。 l屈服強(qiáng)度先升后降， 最高值在200左右出現(xiàn)； l彈性極限先升后降， 最高值在350左右出現(xiàn)；,3、回火工藝 根據(jù)回火溫度分 （1）低溫回火（150250） 回火組織：回火馬氏體：碳過飽和度降低了的馬 氏體 + 析出碳化物 力學(xué)性能：殘余應(yīng)力消除，高硬度、高強(qiáng)度，較 低的塑性和韌性,回火馬氏體,主要適用 高碳鋼制造的各類工模具、機(jī)械零件（如軸承） 如銼刀 T12 160-180 64HRC 滲C及CN共滲淬火后的零件 低合金超高強(qiáng)度鋼 30CrMnSiNi2A 250-300 ,（2）中溫回火（350500） 回火組織：回火托氏體：鐵素體 + 極細(xì)粒狀滲碳體 力學(xué)性能：較高的屈服強(qiáng)度,高的彈性極限，較好的 塑性和韌性。,回火托氏體 1000X,適用：wc=0.60.9%的碳素彈簧鋼(T取下限)和 wc=0.450.75%的合金彈簧鋼(T取上限)都適合中溫回火,（3）高溫回火（500650） 回火組織：回火索氏體：鐵素體+細(xì)粒狀滲碳體 力學(xué)性能：高的塑性、韌性，較低的屈服強(qiáng)度和 硬度。,回火索氏體 500X,適用： 主要用于中碳碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼制造的各種機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件 結(jié)構(gòu)鋼淬火+高溫回火，以獲得綜合機(jī)械性能為目的，稱為調(diào)質(zhì)處理，如發(fā)動機(jī)曲軸、連桿、螺栓，機(jī)床主軸等要求綜合機(jī)械性能零件。 40Cr,高C高合金鋼（如高速鋼、高鉻鋼）的回火T的高達(dá)500600，在這個T區(qū)間里將發(fā)生二次硬化作用。,4、回火脆性 低溫回火脆性：250350回火時(shí)韌性降低。 預(yù)防方法：回避在該溫度回火 高溫回火脆性：500650回火時(shí)韌性降低。 預(yù)防方法：回火后快冷。,鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系,小結(jié)：各種熱處理組織比較,奧氏體,緩冷,快冷（淬火）,重新加熱,較快冷,球化退火,馬氏體,回火馬氏體,加熱回火,珠光體,貝氏體,第五節(jié) 鋼的淬透性 一、淬透性定義及影響因素 淬透性：鋼中奧氏體在冷卻時(shí)形成馬氏體而不形 成其他組織的能力,它主要與鋼的過冷A 的穩(wěn)定性與臨界淬火冷卻速度有關(guān) 淬透性影響因素： （1）奧氏體中含碳量 （2）奧氏體中合金元素的種 類和含量 （3）未溶碳化物和奧氏體晶 粒大小,T,通常用用標(biāo)準(zhǔn)試樣在一定條件下淬火能夠淬硬的深度H或全部淬透的最大直徑D表示。 測定結(jié)構(gòu)鋼的淬透深度規(guī)定以體積分?jǐn)?shù)為50%淬火M的硬度作為基準(zhǔn)。,二、淬透性的表示方法,三、淬透性與淬硬性的區(qū)別 淬透性是鋼的一種屬性。主要和鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性有關(guān)。淬透性有時(shí)用淬硬層深度來表示 淬硬性是指鋼淬火后獲得M的最高硬度，淬硬性主要與鋼中的碳含量（A中的C含量 ）有關(guān)（如圖）。 固溶于A中C含量越多，淬火后鋼的硬度就越高。 合金元素的含量對淬硬性沒有顯著的影響，但對鋼的淬透性影響較大。 ？：淬火后硬度高的鋼淬透性好,二、淬透性的測定 實(shí)際以淬硬層深度表征淬透性,試樣,噴水管,淬透性測試試驗(yàn)結(jié)果,樣品臺,試樣,噴水,試樣上磨出一個平面,測出從底部到頂部的洛氏硬度值,繪制出這樣一張圖,到試樣底端的距離,洛 氏 硬 度,鋼的淬透性以 來表示，如 ，表示距水冷端5mm處，試樣的硬度值為HRC42。,三、淬透性意義與選材 l 重要零件選高淬透性材料，保證表面和 心部性能一致。 l 選材時(shí)注意零件的尺寸效應(yīng)。,冷卻速度,淬硬層,V心部,第六節(jié) 固溶熱處理與時(shí)效強(qiáng)化 固溶熱處理：加熱合金到高溫單相區(qū)，使合金元 素充分溶入基體相而后快速冷卻，以獲得過飽和 固溶體的工藝。 時(shí)效強(qiáng)化：固溶處理的合金于室溫或略高于室溫 保溫，通過過飽和的溶質(zhì)原子形成偏聚區(qū)和析出 形成第二相微粒而導(dǎo)致的強(qiáng)度和硬度升高。,時(shí)效工藝分為： 人工時(shí)效：時(shí)效溫度高、時(shí)間短，硬度低。 自然時(shí)效：時(shí)效溫度低、時(shí)間長，硬度低。,第七節(jié) 鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理：通過活性元素原子的吸收和擴(kuò)散改變鋼的表層化學(xué)成分而改變鋼的表層組織與性能的熱處理工藝。 常用：（1）提高硬度：滲碳、滲氮、滲硼等 （2）提高抗高溫氧化性：滲鋁、滲鉻等 （3）提高抗腐蝕性：滲硅、滲氮等,化學(xué)熱處理三個過程： （1）活性原子產(chǎn)生 （2）活性原子被鋼表面吸收 （3）活性原子由鋼表面向心部擴(kuò)散,滲劑分解釋放活性原子,活性原子在工件表面吸附,活性原子由表面向心部擴(kuò)散,含活性原子的滲劑,鋼,鋼,一、 鋼的滲C（carburizing） 1、滲C的目的、分類及應(yīng)用 定義鋼件 滲C介質(zhì) 加熱和保溫， 表面含C量和一定C濃度梯度 應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理工藝。,目的： 高的表面硬度（HRC5863），耐磨性 高的接觸-，彎曲-1 高的沖擊韌性等。,應(yīng)用： 適用于承受磨損，交變接觸應(yīng)力或彎曲應(yīng)力和沖擊載荷的機(jī)器零件 如：軸，活塞銷、齒輪、凸輪軸既表面要求高硬度，心部要求足夠強(qiáng)度和韌性。 汽車、拖拉機(jī)、起重、坦克等設(shè)備中零件,80%以上,分類 依滲C劑 聚集狀態(tài) 滲C方法可分為： 固體滲C、 液體滲C、 氣體滲C（和特殊滲C）。,+,-,加熱爐,密封箱,工件,固體滲碳劑,固體滲碳示意圖,泥封,固體滲C,在滲C T加熱滲C（930，35h）,滲劑：固體碳粒：木炭（7090%）+催滲劑：碳酸鈉、BaCO3,單件、小批量,液體滲C 鹽浴 特點(diǎn)：加熱速度快，加熱均勻 缺點(diǎn)：多數(shù)鹽浴有毒， 鹽?。篘aCN，KCN，（氯化物，劇毒），用于小批量生產(chǎn)。,氣體滲C 滲C氣體可用碳?xì)浠衔镉袡C(jī)液體， 如：煤油、丙酮等直接滴入爐內(nèi)汽化而得。 優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高，可機(jī)械化、自動化生產(chǎn)、 滲C層濃度可控制，滲C質(zhì)量高。,滲C用鋼 含C量：0.150.25%，若心部要求強(qiáng)度較高，含C可為0.30%。 低碳鋼：要求不高時(shí)可用。 如：20鋼 低碳合金鋼：截面較大、形狀復(fù)雜、表面耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部機(jī)械性能要求高的零件 如20CrMnTi，18Cr2Ni4W,2、滲碳工藝參數(shù) 滲碳溫度：900950 滲層厚度：12毫米 滲碳時(shí)間：7小時(shí)左右 典型滴注劑 甲醇-煤油滴注劑：國內(nèi)許多廠家采用。 甲醇-乙酸乙脂 甲醇-丙酮,氣體滲碳示意圖,示例：滴注式氣體滲C工藝 如20鋼，齒輪， 要求滲層厚度為0.3mm 工藝：930，煤油20D/ min，3h。 爐冷，后淬火,3、滲碳后熱處理及組織 （1）滲碳后熱處理：淬火+低溫回火 （2）滲碳后組織： 滲層含碳量：0.851%左右； 滲層組織：回火馬氏體 + 少量碳化物 心部組織：回火馬氏體 性能：表HRC：5863 心 HRC40以下,4、滲碳工序安排 下料鍛造正火機(jī)加工（粗）滲碳 淬火低溫回火磨削,低C鋼滲C與中C鋼表淬比較。 性能上：中C鋼表淬HRC低（HRC5058），心部沖擊韌性，耐磨性也較低。 低C鋼滲C(HRC5863) 滲C層易獲沿零件輪廓均勻分布，表淬層分布不易控制，小模數(shù)齒輪常有淬透可能。 但滲碳工藝復(fù)雜，變形較大，成本較高。,二、滲氮 1、目的與用鋼 目的：保持工件心部良好綜合力學(xué)性能（較高的 強(qiáng)度和好的塑、韌性）的同時(shí)，使工件具有高的 表面耐磨性、紅硬性（高溫硬度）、抗蝕性和疲 勞強(qiáng)度。 適用鋼：中碳合金鋼 2、滲氮方法及參數(shù) 方法：氣體、液體或固體滲氮 滲氮溫度：500600 滲層厚度：0.150.7毫米