金屬工藝學 第五章-鋼的熱處理

金屬工藝學

第五章鋼的熱處理唐建衛(wèi)

第五章鋼的熱處理

概述鋼在加熱時的組織轉變鋼在冷卻時的組織轉變退火與正火淬火與回火零件結構的熱處理工藝性

第一節(jié)概述1.熱處理的定義:時間溫度臨界溫度

熱加保溫冷卻2.熱處理的主要目的:改變鋼的性能。3.熱處理的應用范圍:整個制造業(yè)。4.熱處理的分類熱處理

普通熱處理

表面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學熱處理感應加熱淬火火焰加熱淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;一.轉變溫度一班2.Fe-Fe3C相圖中的線PSK,GS,ES三條線是加熱或冷卻時相變的臨界線.PSK稱為A1線;GS稱為A3線;ES線稱為Acm線.Fe-Fe3C相圖中的線:3.加熱和冷卻是在過冷度和過熱度存在的條件下進行的.加熱時相變臨界線:Ac1Ac3Accm冷卻時相變臨界線:Ar1Ar3Arcm

第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉變2轉變溫度奧氏體的形成奧氏體晶粒度及其控制一.轉變溫度

熱處理的任務是通過改變鋼材的組織，來改變鋼材的性能，以滿足使用要求的。一般都有將鋼加熱到相變溫度以上，使常溫組織變?yōu)楦邷亟M織--奧氏體。然后在冷卻過程中使它向要求的組織轉變。因此，奧氏體在形成過程中，其成份、晶粒大小等，將直接影響熱處理的效果。為此，了解奧體的形成過程和影響因素是很重要的。以共析鋼為例，說明奧氏體的轉變(形成)過程。

其轉變過程可歸納為四個階段:

1．奧氏體（A）晶核的形成2．奧氏體（A）晶核的長大3．殘余滲碳體（Fe3C）的溶解4．奧氏體（A）的均勻化奧氏體的形成FFe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA

形核A

長大殘余Fe3C溶解A均勻化三.奧氏體晶粒度

一)奧氏體晶粒度:將鋼加熱到相變點以上某一溫度,保溫一定時間后所得到的奧氏體晶粒的大小.分12級,加熱溫度與保溫時間.

熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。1.通過控制加熱溫度和保溫時間,能夠獲得細小均勻的奧氏體晶粒.2.隨溫度升高晶粒容易長大的為粗晶粒鋼.3.隨溫度升高晶粒不容易長大,但加熱930℃以上時,晶粒會迅速長大的為細晶粒鋼.

鋼的本質晶粒度示意圖奧氏體晶粒度1.用錳鐵脫氧的鋼多屬粗晶粒鋼,用鋁脫氧的鋼多屬細晶粒鋼.沸騰鋼是粗晶粒鋼,鎮(zhèn)靜鋼是細晶粒鋼.2.影響奧氏體晶粒度的因素:

(1)加熱溫度和保溫時間:加熱溫度過高和保溫時間過長,必然導致奧氏晶粒粗大.

(2)加熱速度:加熱速度快,過熱大,有利于細化奧氏體晶粒(3)鋼的組織及成分:鋼的原始組織越細,則晶界面越多,使奧氏體晶核的數(shù)量增加,從而有利于獲得細晶粒組織.奧氏體中碳含量的增加,使奧氏體長大的傾向性也增加.但是,當奧氏體晶界上存在未溶的殘余滲碳體時,未溶滲碳體有阻礙奧氏體長大的作用.二)奧氏體晶粒大小對鋼的

力學性能的影響1.奧氏體晶粒均勻細小,熱處理后鋼的力學性能提高。2.粗大的奧氏體晶粒在淬火時容易引起工件產生較大的變形甚至開裂。第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉變鋼在熱處理時的冷卻方式過冷奧氏體的等溫冷卻轉變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變

過冷奧氏體及其轉變方式過冷奧氏體:在A1線以下尚未發(fā)生轉變的的奧氏體.

熱處理的零件，加熱以后的冷卻方式

有以下兩種：1）等溫冷卻2）連續(xù)冷卻把加熱到奧氏體的鋼先以較快的速度過冷到A1線以下的一定溫度，然后保持此溫度，使奧氏體恒溫進行組織轉變，當組織轉變結束后再繼續(xù)冷卻到室溫把加熱到奧氏體的鋼先以某一速度（在一定介質中）冷卻至室溫，使奧氏體在A1線以下的連續(xù)冷卻中發(fā)生組織轉變一.鋼在熱處理時的冷卻方式

熱加保溫時間溫度臨界溫度連續(xù)冷卻等溫冷卻二.過冷奧氏體的等溫冷卻轉變一)建立共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉變曲線----TTT曲線

(

C曲線

)T

---

合金的溫度T

---

過冷奧氏體開始轉變時間T

---

過冷奧氏體轉變結束時間

共析碳鋼TTT曲線建立過程示意圖時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1二)共析碳鋼TTT曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產物轉變開始線A向產物轉變終止線

A+產物區(qū)產物區(qū)A1～550℃;高溫轉變區(qū);擴散型轉變;P轉變區(qū)。550～230℃;中溫轉變區(qū);半擴散型轉變;

貝氏體(B)轉變區(qū);230～-50℃;低溫轉變區(qū);非擴散型轉變;馬氏體(M)轉變區(qū)。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf1.A`線最左點對應的是550℃.2.MS線是過冷奧氏體低溫轉變的始線.3.用550℃線和MS線將過冷奧氏體轉變區(qū)分為三個區(qū)域:(1)550℃線之上為高溫等溫轉變:擴散型轉變(2)MS線之下為低溫轉變區(qū):非擴散型(3)550℃線與MS線之間為中溫轉變區(qū):半擴散型轉變4.過冷奧氏體的高溫轉變區(qū):擴散型轉變(1)在A1~650℃范圍內,等溫轉變獲得粗片狀P.布氏硬度值為160~250HBS(2)在650~600℃范圍內,等溫轉變獲得細片狀P.常稱為索氏體,用S表示.洛氏硬度值為25~30HRC.(3)在600~550℃范圍內,等溫轉變獲得極細片狀P.常稱為托氏體,用T表示.洛氏硬度值為35~48HRC.5.過冷奧氏體的中溫轉變:半擴散型轉變(1)在550~350℃范圍內,等溫轉變獲得B上.硬度為40~48HRC.塑性較差,脆性大,生產中較少使用.(2)在350℃~MS線范圍內,等溫轉變獲得B下.

硬度為55HRC.強度較高,有一定的塑性和韌性.生產中常使用等溫轉變獲得B下.6.過冷奧氏體的低溫轉變:擴散型由于過冷度很大,相變動的驅動力足以改變過冷奧氏體的晶格結構,成為新的組織結構.(1)低溫轉變產物是馬氏體:M當WC>1.0%時,M呈針片狀.當WC<0.2時,M呈板條狀.當WC=0.2~1.0%時,M呈針狀與板條狀復相狀態(tài).二)共析碳鋼TTT曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產物轉變開始線A向產物轉變終止線

A+產物區(qū)產物區(qū)A1～550℃;高溫轉變區(qū);擴散型轉變;P轉變區(qū)。550～230℃;中溫轉變區(qū);半擴散型轉變;

貝氏體(B)轉變區(qū);230～-50℃;低溫轉變區(qū);非擴散型轉變;馬氏體(M)轉變區(qū)。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfP索氏體托氏體上貝氏體下貝氏體等溫轉變溫度硬度值Ａ１~６５0℃160~250HBS650~600℃25~30HRC600~550℃35~48HRC550~350℃40~48HRC350℃~Ms55HRC塑性較差，脆性大，生產中少用．強度較高，一定的塑性和韌性，綜合力學性能較好．三)轉變產物的組織與性能2.貝氏體型(B)轉變(550～230℃):550～350℃:

B上;40～45HRC;B上=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細條狀過飽和碳α-Fe條狀Fe3C細條狀羽毛狀三)轉變產物的組織與性能2.貝氏體型(B)轉變(550～230℃):350～230℃:

B下;50～60HRC;B下=過飽和碳

α-Fe針葉狀+Fe3C細片狀過飽和碳

α-Fe針葉狀Fe3C細片狀針葉狀三)轉變產物的組織與性能3.馬氏體型(M)轉變(230～-50℃):1)定義:馬氏體是一種碳在α–Fe中的過飽和固溶體。2)轉變特點:在一個溫度范圍內連續(xù)冷卻完成;轉變速度極快,即瞬間形核與長大;無擴散轉變(Fe、C原子均不擴散),

M與原A的成分相同,造成晶格畸變。轉變不完全性,總會有少量的殘余奧氏體保留下來.奧氏體含碳量對馬氏體轉變溫度的影響6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00溫度℃Wc100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100殘余奧氏體量(%)奧氏體含碳量對殘余奧氏體數(shù)量的影響4)馬氏體的組織形態(tài):當WC>1%時,M呈針片狀;當WC<0.2%時,M呈板條狀;當WC=0.2%~1%時,M呈針片狀板條狀復相狀態(tài).4)馬氏體的組織形態(tài):板條狀---低碳馬氏體(＜0.2%C);具有良好的綜合力學性能.4)馬氏體的組織形態(tài):針、片狀---高碳馬氏體(＞1%C);

塑性和韌性差.馬氏體的含碳量

Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉強度σb(Mpa)1800140010006002005)馬氏體的性能:

主要取決于馬氏體中的含碳量.亞共析鋼的TTT曲線

FAP+FS+FTBM+A殘A3時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf

過共析鋼的TTT曲線P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A殘

Fe3CⅡAACM時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf

四)影響TTT曲線形狀

與位置的因素1.奧氏體中含碳量的影響:過共析鋼共析鋼亞共析鋼時間溫度A12.奧氏體中含合金元素的影響:

除Co(鈷)、Al(鋁)(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奧氏體中,會引起:向右移向下移MsA13.加熱溫度和保溫時間的影響:2班

加熱溫度越高,保溫時間越長,

碳化物溶解充分,奧氏體成分均勻,

提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性,從而

使TTT曲線向右移。三.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變一)建立共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線----CCT曲線Vk

一)共析碳鋼CCT曲線建立過程示意圖時間(lgτ)溫度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1爐冷空冷二)共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfCCT曲線TTT曲線穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf三)在連續(xù)冷卻過程中TTT曲線的應用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:爐冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A殘V4≥138℃/s:水冷;M+A殘本課作業(yè)P63

第

10題.

第四節(jié)鋼的普通熱處理工藝毛坯生產預備熱處理機械加工最終熱處理機械精加工預備熱處理:退火;正火最終熱處理:淬火;回火一般零件生產的工藝路線:一.鋼的退火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然后

隨爐冷卻。二)目的:

消除應力;降低硬度;細化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準備。退

火將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋入灰中緩慢冷卻目的：降低硬度，便于機加工。細化晶粒，提高塑性和韌性。消除應力。應用：鑄件、鍛件、焊接及其它毛坯的熱處理。

退火的分類1、完全退火：將亞共析鋼加熱到Ac3線以上20—30℃，保溫后緩慢冷卻.2、球化退火:將過共析鋼加熱到Ac1線以上20—30℃，保溫后緩慢冷卻.3、去應力退火:將鋼加熱到500-600℃，保溫后緩慢冷卻.

三)種類退火完全退火:主要用于亞共析鋼球化退火:主要用于共析鋼和過共析鋼去應力退火:用于消除鑄件、焊件內應力四)工藝參數(shù):溫度(°C)名稱Ac3

+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去應力退火

工藝參數(shù):二.鋼的正火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然后

在空氣中冷卻。二)目的:

消除應力;調整硬度;細化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準備。也可做最終熱處理三)工藝參數(shù):溫度(°C)名稱Ac3

+30～50亞共析鋼Ac1

+30～50共析鋼Accm+30～50過共析鋼四)熱處理后的組織:索氏體S(Wc=0.6～1.4%)

索氏體S+鐵素體F(Wc＜0.6%)五)應用范圍:

1.預備熱處理:調整低、中碳鋼的硬度;消除過共析鋼中的Fe3CⅡ。

2.最終熱處理:用于力學性能要求不高的普通零件。三.鋼的淬火一)定義:

把零件加溫到臨界溫度以上

30～50℃,保溫一段時間,然

后快速冷卻(水冷)。二)目的:為了獲得馬氏體組織M,提高鋼的硬度和耐磨性。三)工藝參數(shù):鋼的淬火加熱溫度溫度(°C)名稱Ac3

+30～50亞共析鋼Ac1

+30～50共析鋼Accm

+30～50過共析鋼三)工藝參數(shù):鋼的淬火加熱溫度四)熱處理后的組織:M+Fe3C+A殘Ac1+30～50過共析鋼M+A殘Ac1+30～50

共析鋼M+A殘Ac3+30～50亞共析鋼Wc＞0.5%MAc3+30～50亞共析鋼Wc≤0.5%

最終組織淬火溫度(℃)

鋼種六)淬火冷卻介質1.理想淬火冷卻介質時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf七)常用的淬火方法單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火時間溫度MsA1八)鋼的淬硬性1.定義:是指鋼在淬火后所能達到的最高硬度。2.影響鋼的淬硬性的因素:主要取決于馬氏體的含碳量。九)鋼的淬透性

1.定義:是指鋼在淬火時所能得到的淬硬層的深度。2.影響鋼的淬透性的因素:主要是臨界淬火冷卻速度VK的大小,

VK越大,鋼的淬透性越小。工件淬硬層與冷卻速度的關系四.鋼的回火一)定義:

把淬火后的零件重新加溫到

A1線以下某個溫度,保溫一段時間,然后冷卻到窒溫。二)目的:

消除淬火應力,降低脆性;穩(wěn)定工件尺寸;調整淬火零件的力學性能。轉變溫度回火種類及應用：

（1）低溫回火（150—250℃），目的是降低淬火鋼的內應力和脆性，并保持高硬度（56—64HRC)和耐磨性。如模具、刃具等。（2）中溫回火（350—500℃），目的是使鋼獲得高彈性，并保持較高硬度（35—50HRC)和一定的韌性。如彈簧、鍛模等。（3）高溫回火—調質處理（500—650℃目的是獲得得強度及韌性等綜合力學性能較好。如連桿、曲軸、齒輪等。回火組織與性能

●回火時碳化物逐漸析出，A’逐漸消失，形成碳化物分布在M或F的基體之上的粒狀組織。●隨回火溫度升高，顆粒漸粗，硬度漸低。因此組織粒度可調，材料性能可調?！衽c片狀組織相比，粒狀組織在相同強度時韌性更好，具有更好的綜合力學性能?；鼗鸾M織與性能1．馬氏體的分解（200℃以下）回火時馬氏體中過飽和的碳發(fā)生短距離的遷移，形成極細的ε碳化物(Fe2.4C)，以薄片存在馬氏體片中，這種組織稱為回火馬氏體。2．殘余奧氏體的分解（200－300℃）

馬氏體向回火馬氏體轉變時，由于壓應力的減小，殘余奧氏體發(fā)生分解生產下貝氏體?；鼗瘃R氏體的組織與下貝氏體非常相象，難區(qū)分,統(tǒng)一稱為回火馬氏體。耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低溫回火彈簧等T回=F針+Fe3C粒350～500中溫回火調質件S回=F多+Fe3C球500～650高溫回火三)工藝參數(shù)淬火+高溫回火=調質處理用途組織溫度(℃)名稱

第五節(jié)鋼的表面熱處理工藝表面淬火化學熱處理工藝的核心:使零件具有“表硬里韌”的力學性能。一.表面淬火一)定義:是一種不改變鋼表層化學成分,但改變表層組織的局部熱處理工藝。二)工藝特征:通過快速加熱使鋼的表層奧氏體化,然后急冷,使表層形成馬氏體組織,而心部仍保持不變。三)表面淬火用鋼:

選用中碳或中碳低合金鋼。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法:

感應加熱(高、中、工頻)、火焰加熱、電接觸加熱法等。感應加熱表面淬火示意圖2)工藝要求:

*表面淬火前,必須對零件進行正火或調質處理,以保證零件有良好的基體。

*表面淬火后,必須對零件進行低溫回火處理,以降低淬火應力和脆性。3)生產特點:

淬火件的質量好;工件變形小;不易氧化及脫碳;淬火層容易控制;生產率高。設備投資大,不適于復雜形狀零件和小批量生產。2.火焰加熱表面淬火1)火焰加熱表面淬火的基本方法2)火焰加熱表面淬火的特點:*設備簡單,操作方便,成本低。*淬火質量不穩(wěn)定。*適于單件、小批量及大型零件的生產。二.化學熱處理

一)定義:將零件置于一定的化學介質中,通過加熱、保溫,使介質中一種或幾種元素原子滲入工件表層,以改變鋼表層的化學成分和組織的熱處理工藝。二)化學熱處理的基本過程:2.吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。3.擴散:活性原子由零件表面向內部擴散,形成一定的擴散層。1.分解:

化學介質在高溫下釋放出待滲的活性原子。

2COCO2+〔C〕三)化學熱處理進行的條件:1.滲入元素的原子必須是活性原子,而且具有較大的擴散能力。2.零件本身具有吸收滲入原子的能力,

即對滲入原子有一定的溶解度或能與之化合,形成化合物。四)化學熱處理的種類:滲碳;滲氮;碳氮共滲;滲硼;滲鋁;滲硫;滲硅;滲鉻等。1.鋼的滲碳1)定義:向鋼的表面滲入碳原子的過程。2)目的:獲得具有表硬里韌性能的零件。3)用鋼:低碳鋼和低碳合金鋼。4)方法:固體、氣體、液體滲碳。

固體滲碳法示意圖零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱

氣體滲碳法示意圖熱處理后的組織低碳M回+FM回+Cm+A殘低碳合金鋼F+PM回+Fe3C+A殘低碳鋼心部組織表層組織鋼種9)常用的鋼種:

15、20、20Cr、20Mn2、

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。2.鋼的滲氮1)定義:向鋼的表面滲入氮原子的過程。2)目的:獲得具有表硬里韌及抗蝕性能的零件。3)用鋼:中碳合金鋼。4)方法:氣體滲氮。5)工藝:加熱溫度500～600℃;

保溫時間0.3～0.5mm/20～50h。6)熱處理特點:

滲氮前需調質處理;

滲氮后不需熱處理。7)滲氮處理后的組織

表層:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、

MoN、TiN、VN。

心部:S回。8)常用的鋼種:

35CrMo、18CrNiW、

38CrMoAlA

(氮化王牌鋼)等。越王勾踐劍春秋晚期越國青銅兵器,出土于湖北江陵楚墓。長55.7厘米，劍鍔鋒芒犀利，鋒能割斷頭發(fā)。

滲碳與滲氮的工藝特點處理后是否需要熱處理處理時間(h)處理溫度(℃)名稱需要3～9900～950滲碳不需要20～50500～600滲氮三.其它熱處理方法1.氧化和脫碳:將影響熱處理質量;2.可控氣氛熱處理:爐氣成分可以控制;3.真空熱處理:低于一個大氣壓環(huán)境中進行;4.形變熱處理:加熱到A1,進行塑性變形,并立即淬火和回火.5.激光熱處理:百分之幾秒,