金工材第四章

1、第四章 鋼的熱處理41 熱處理的原理及分類(lèi)42 鋼在加熱及冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變43 熱處理的基本方法44 鋼的表面熱處理45 零件的熱處理分析*46 鋼的熱處理（實(shí)驗(yàn)）*47 參觀熱處理車(chē)間l復(fù)習(xí)回顧：l1、鋼材中硫磷的影響？l2、共析鋼冷卻過(guò)程的的組織轉(zhuǎn)變？l3、鋼的含碳量范圍？l4、共析鋼的含碳量？l5、鋼加熱是不是都能成為均勻奧氏體？41 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 現(xiàn)象：放在水中冷卻的一根鋼絲硬而脆，很容易折斷；放在空氣中冷卻的一根較軟、有較好的塑性，可以卷成圓圈而不斷裂。 鋼絲的水冷與空冷鋼絲的水冷與空冷 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：雖然鋼的成分相同，加熱的溫度也相，但采用不同的冷卻方法，卻得到了不同的力學(xué)性能

2、。這主要是因?yàn)樵诓煌鋮s速度的情況下，鋼的內(nèi)部組織發(fā)生了不同的變化。 熱處理及工藝曲線熱處理及工藝曲線q 將固態(tài)金屬或合金，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝方法稱(chēng)熱處理。l實(shí)質(zhì)：在加熱、保溫和冷卻過(guò)程中，鋼的組織結(jié) l 構(gòu)發(fā)生了變化，從而改變了其性能；l目的：改善鋼（工件）的力學(xué)性能或工藝性能；l作用：充分發(fā)揮材料的性能潛力，提高零件質(zhì)量，l 延長(zhǎng)零件壽命；l應(yīng)用：十分廣泛。熱處理的分類(lèi)： 41 鋼在加熱及冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變4-1、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變1鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變溫度 在加熱時(shí)鋼的轉(zhuǎn)變溫度要高于平衡狀態(tài)

3、下的臨界點(diǎn)；在冷卻時(shí)要低于平衡狀態(tài)下的臨界點(diǎn)。 加熱時(shí)的各臨界點(diǎn)：Ac1、Ac3和Accm 冷卻時(shí)的各臨界點(diǎn)：Ar1、Ar3和Arcm A3A1Acm2奧氏體的形成 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變，主要包括形成奧氏體的晶核和晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。 形核 長(zhǎng)大 殘余滲碳體溶解 均勻化 3奧氏體晶粒的長(zhǎng)大 晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行。1.奧氏體晶粒大小一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)圖確定鋼的奧氏體晶粒大小。即將鋼的金相試樣放大100倍與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度作比較。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)分為8級(jí)，14級(jí)為粗晶粒度，58級(jí)為細(xì)晶粒度。 4、奧氏體晶粒大小及其控制2.奧氏體晶粒大小的控制（1）合理選擇加熱溫度和保

4、溫時(shí)間隨著溫度升高晶粒度將之間長(zhǎng)大。溫度愈高,晶粒長(zhǎng)大于愈明顯。在一定溫度下,保溫時(shí)間愈長(zhǎng),奧氏體晶粒也越粗大。 （2）加入合金元素奧氏體中的含碳量增高時(shí),晶粒長(zhǎng)大的傾向增多。若碳以未溶的碳化物形式存在,則它有阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用。 （3）合理選擇原始組織4-2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 請(qǐng)思考：1、之前學(xué)鐵碳相圖的時(shí)候講得最多的是什么過(guò)程？2、實(shí)際生產(chǎn)中是否相同？3、兩根鐵絲水冷空冷為何性能不同？組織是否相同？4、鐵碳相圖的冷卻和實(shí)際的冷卻過(guò)程有什么區(qū)別和聯(lián)系？?jī)煞N冷卻方式： 等溫處理 連續(xù)冷卻1奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 奧氏體在A1線以上是穩(wěn)定相，當(dāng)冷卻到A1線以下而又尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱(chēng)為過(guò)冷奧氏體。這是

5、一種不穩(wěn)定的過(guò)冷組織，只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的等溫保持，它就可以等溫轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新相。這種轉(zhuǎn)變就稱(chēng)為奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖 （1）高溫等溫轉(zhuǎn)變： 珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)（2）中溫等溫轉(zhuǎn)變： 貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) （3）低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變： 馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū) 珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)（1）珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)高溫等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼的過(guò)冷奧氏體在A1550溫度范圍內(nèi)，過(guò)冷奧氏體將發(fā)生奧氏體向珠光體型的轉(zhuǎn)變 ，即轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體。 珠光體粗片層狀鐵素體和滲碳體的混合物，片層間距大于0.4m一般在500倍以下的光學(xué)顯微鏡下即可分辨 索氏體索氏體為細(xì)片狀珠光

6、體，片層較薄間距在0.40.2m，一般在8001000倍的光學(xué)顯微鏡下才可分辨 屈氏體屈氏體是極細(xì)片狀的珠光體，片層極薄間距小于0.2m，只有在電子顯微鏡下（5000倍）才能分辨出它們呈片狀 （2）貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)中溫等溫轉(zhuǎn)變 在550Ms 溫度范圍內(nèi)，因轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的活動(dòng)能力較弱，轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定過(guò)飽和程度的鐵素體和分散的滲碳體（或碳化物）所組成的混合物，稱(chēng)為貝氏體，用符號(hào)B表示。 貝氏體有上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）之分。 上貝氏體上貝氏體中滲碳體呈較粗的片狀，平行分布于平行排列的鐵素體片層之間，它在顯微鏡下呈羽毛狀的組織 下貝氏體下貝氏體中的碳化物呈細(xì)小顆粒狀或

7、短桿狀均勻分布在鐵素體內(nèi)，在顯微鏡下呈黑色針葉狀的組織 （3）馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變 當(dāng)鋼從奧氏體區(qū)急冷到MS 以下時(shí)，奧氏體便開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于轉(zhuǎn)變溫度低，原子擴(kuò)散能力小，在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，只有Fe向Fe的晶格改變，而不發(fā)生碳原子的擴(kuò)散。因此，溶解在奧氏體中的碳，轉(zhuǎn)變后原封不動(dòng)地保留在鐵的晶格中，形成碳在Fe中的過(guò)飽和固溶體，稱(chēng)為馬氏體，用符號(hào)M表示。 低碳馬氏體低碳馬氏體其形狀為一束一束相互平行的細(xì)條狀，故也稱(chēng)板條狀馬氏體 高碳馬氏體高碳馬氏體其斷面呈針葉狀，故也稱(chēng)針狀馬氏體 2奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 v1：隨爐冷卻（退火）v2：空冷（正火）v3：油冷（油冷淬火）v4：水冷（水冷淬

8、火）三三) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能3.馬氏體型馬氏體型 ( M ) 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 ( 230 -50 ) :1)定義定義:馬氏體是一種碳在馬氏體是一種碳在 Fe中的中的 過(guò)飽和固溶體。過(guò)飽和固溶體。2)轉(zhuǎn)變特點(diǎn)轉(zhuǎn)變特點(diǎn):在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成;轉(zhuǎn)變速度極快轉(zhuǎn)變速度極快,即瞬間形核與長(zhǎng)大即瞬間形核與長(zhǎng)大;無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變( Fe、C原子均不擴(kuò)散原子均不擴(kuò)散 ), M與原與原A的成分相同的成分相同,造成晶格畸變。造成晶格畸變。轉(zhuǎn)變不完全性轉(zhuǎn)變不完全性, QM = f ( T )3)馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)馬氏體的晶體結(jié)構(gòu): 由于碳的過(guò)飽和作由于碳的過(guò)飽和

9、作 用用,使使 Fe晶格由體晶格由體心立方變成體心正心立方變成體心正 方晶格。方晶格。4)馬氏體的組織形態(tài)馬氏體的組織形態(tài):板條狀板條狀 - 低碳馬氏體低碳馬氏體(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。 低碳板條狀馬氏體組織金相圖低碳板條狀馬氏體組織金相圖4)馬氏體的組織形態(tài)馬氏體的組織形態(tài):針、片狀針、片狀 - 高碳馬氏體高碳馬氏體(1%C); 66HRC左右左右 ; 1%。 高碳針片狀馬氏體組織金相圖高碳針片狀馬氏體組織金相圖馬氏體的碳濃度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度 ( HRC ) 2000抗拉

10、強(qiáng)度b ( Mpa ) 1800 1400 1000 600 2005)馬氏體的性能馬氏體的性能: 主要取決于馬氏體中的碳濃度。主要取決于馬氏體中的碳濃度。一、退火與正火機(jī)械零件一般的加工工藝順序： 作用：消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力，可以改善材料的切削性能，為隨后的切削加工及熱處理（淬火回火）做好組織準(zhǔn)備。 43 鋼的退火與正火1退火 退火將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。常用退火方法： 完全退火球化退火去應(yīng)力退火 退火目的： 降低硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷變形加工 細(xì)化晶粒，均勻組織 消除殘余內(nèi)應(yīng)力，防止工件的變形與開(kāi)裂 為后續(xù)

11、熱處理作好組織上的準(zhǔn)備工藝參數(shù)工藝參數(shù):溫溫 度度 ( C )名名 稱(chēng)稱(chēng)Ac3 + 3050完全退火完全退火Ac1 + 3050球化退火球化退火500600去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火Ac3 + 150250擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火 共析鋼球化退火組織 ( 化染 ) 700 T10鋼球化退火組織 ( 化染 ) 500 2正火 正火將鋼加熱到c3或ccm以上3050，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻的工藝方法。 亞共析鋼：正火目的是細(xì)化晶粒，均勻組織，提高機(jī)械性能。 力學(xué)性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件：正火可作為最終熱處理。 低、中碳結(jié)構(gòu)鋼：調(diào)整硬度，改善切削加工性能。 高碳過(guò)共析鋼：正火的目的是消除網(wǎng)狀滲碳體，有利

12、于球化退火，為淬火做好組織準(zhǔn)備。 加熱溫度范圍 熱處理工藝曲線 1完全退火 2球化退火 3去應(yīng)力退火 4正火 二、淬火與回火 1鋼的淬火 淬火將鋼件加熱到Ac3或Ac1 以上的適當(dāng)溫度，經(jīng)保溫后快速冷卻（冷卻速度大于v臨），以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。 目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。 （1）淬火加熱溫度的選擇 碳鋼淬火溫度范圍 亞共析鋼：Ac3以上3050 （過(guò)）共析鋼 ：Ac1以上3050 （2）淬火冷卻介質(zhì)的選擇 淬火的冷卻速度必須大于該鋼種的臨界冷卻速度。 冷卻中要避免引起鋼件的變形和開(kāi)裂。 冷卻介質(zhì)對(duì)鋼的理想淬火冷卻速度應(yīng)是“慢快慢” 。（3）常用的淬火

13、方法 l 單液淬火法l 雙介質(zhì)淬火l 馬氏體分級(jí)淬火l 貝氏體等溫淬火 （4）鋼的淬透性與淬硬性 淬透性規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力。 淬硬性鋼在理想的淬火條件下，獲得馬氏體后所能達(dá)到的最高硬度。 取決于鋼的臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越低，則鋼的淬透性越好。鋼的臨界冷卻速度又主要取決于其化學(xué)成份。 取決于含碳量的高低。低碳鋼淬火的最高硬度低，淬硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度高，則淬硬性好。 （5）鋼的淬火缺陷 l 氧化與脫碳l 過(guò)熱和過(guò)燒l 變形與開(kāi)裂l 硬度不足l 軟點(diǎn) 2鋼的回火 回火將淬火后的鋼重新加熱到Ac1點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝

14、。 l 降低淬火鋼的脆性和內(nèi)應(yīng)力，防止變形或開(kāi)裂。 l 調(diào)整和穩(wěn)定淬火鋼的結(jié)晶組織以保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。 l 獲得不同需要的機(jī)械性能。 目的：（1）回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 鋼（45鋼）的回火組織 回火馬氏體 回火屈氏體 回火索氏體 （2）回火時(shí)鋼的性能轉(zhuǎn)變 40鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系 隨著加熱溫度的升高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，而塑性、韌性提高。 回火鋼的性能只與加熱溫度有關(guān)，而與冷卻速度無(wú)關(guān)。 （3）回火的分類(lèi)及應(yīng)用l 低溫回火l 中溫回火l 高溫回火 調(diào)質(zhì)生產(chǎn)中淬火及高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝。 44 鋼的表面熱處理一、表面淬火二、化學(xué)熱處理汽車(chē)變速齒輪 傳動(dòng)齒輪軸 一、表面淬火

15、 表面淬火僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的熱處理工藝。 原理：通過(guò)快速加熱，使鋼的表層奧氏體化，在熱量尚未充分傳到零件中心時(shí)就立即予以冷卻淬火。 適用：中碳鋼、中碳合金鋼。 方法：火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火。 1火焰加熱表面淬火 應(yīng)用氧乙炔（或其他可燃?xì)怏w）火焰對(duì)零件表面進(jìn)行快速加熱并隨之快速冷卻的工藝。 特點(diǎn)：加熱溫度及淬硬層深度不易控制，易產(chǎn)生過(guò)熱和加熱不均勻，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。不需要特殊設(shè)備，適用于單件或小批量生產(chǎn)。 2感應(yīng)加熱表面淬火 利用感應(yīng)電流通過(guò)工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面受到局部加熱，并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）加熱速度快。

16、）加熱速度快。 （2）淬火質(zhì)量好。）淬火質(zhì)量好。 （3）淬硬層深度易于控制，易）淬硬層深度易于控制，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適用于大批實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)。量生產(chǎn)。 二、化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。 不僅改變了鋼的組織，而且表面層的化學(xué)成分也發(fā)生了變化，因而能更有效地改變零件表層的性能。 根據(jù)滲入元素分：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等。 1化學(xué)熱處理的過(guò)程分解 吸收 擴(kuò)散 2鋼的滲碳 鋼的滲碳將鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。 目的：提高

17、鋼件表層的含碳量。 滲碳后處理：淬火及低溫回火。 工藝路線：鍛造正火機(jī)械加工滲碳淬火+低溫回火分類(lèi)：固體滲碳、鹽浴滲碳、氣體滲碳分類(lèi)：固體滲碳、鹽浴滲碳、氣體滲碳 氣體滲碳?xì)怏w滲碳將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。碳的工藝。 低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層顯微組織 由表面向中心： 過(guò)共析組織、共析組織、亞共析組織（過(guò)渡層），中心仍為原來(lái)的亞共析組織。 3鋼的滲氮 滲氮在一定溫度下， 使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。 目的：提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度。 （1）滲氮與滲碳相比具有以下特點(diǎn)： l 滲氮層具有很高的硬度和耐磨性l 滲氮層具有滲碳層所

18、沒(méi)有的耐蝕性l 滲氮比滲碳溫度低，工件變形小 滲氮工件的工藝路線： （2）滲氮方法 l 氣體滲氮 工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮。它將工件放入密閉的爐內(nèi)，加熱到500600，通入氨氣（NH3），氨氣分解出活性氮原子。 l 離子滲氮 在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩?，利用工件（陰極）和陽(yáng)極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行滲氮的工藝。 滲氮層及HV測(cè)痕 滲氮層中致密的針狀氮化物（白色） 4碳氮共滲 碳氮共滲碳氮共滲在一定溫度下，將碳、氮原子同時(shí)滲入在一定溫度下，將碳、氮原子同時(shí)滲入工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝。工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝。45 零件的熱處理分析一、熱處理的技術(shù)條件二、熱處理的工序位置三、典型零件熱處理分析一、熱處理的技術(shù)條件 工件在熱處理后組織、應(yīng)當(dāng)達(dá)到的力學(xué)性能、精度和工藝性能等要求，統(tǒng)稱(chēng)為熱處理技術(shù)條件。二、熱處理的工序位置1預(yù)備熱處理 包括退火、正火、調(diào)質(zhì)等。 2最終熱處理 包括淬火、回火及表面熱處理等