工程材料及加工+鐵碳合金+熱處理.ppt

1、第二章 鐵碳合金,第一節(jié) 純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變,一、晶體與非晶體 晶體：原子（或分子）在三維空間的排列有規(guī)則的固態(tài)物質(zhì)； 非晶體：原子（或分子）是無規(guī)則地堆積在一起； 晶體與非晶體的區(qū)別： 晶體具有固定的熔點或凝固點；各向異性 而非晶體則沒有固定的熔點，各向同性。 晶體在一定的條件下可以轉(zhuǎn)變成非晶體，近年來，采用特殊的制備方法已能獲得非晶態(tài)的金屬和合金。,二、金屬的結(jié)晶,金屬及其合金絕大多數(shù)都是晶體 晶體的特性：內(nèi)部原子或分子呈規(guī)則排列，有固定的熔點，規(guī)則的形狀。 物質(zhì)從液態(tài)變成固態(tài)的過程稱為凝固 凝固后得到的固體如果是晶體，這種凝固稱為結(jié)晶 金屬的結(jié)晶就是由液體轉(zhuǎn)為晶體的過程，也即

2、金屬原子由無序轉(zhuǎn)為有序排列的過程,純金屬的結(jié)晶過程：,純金屬的結(jié)晶過程：,純金屬的結(jié)晶試驗，測出純金屬的冷卻曲線 總結(jié)：實際的結(jié)晶溫度總是低于理論的結(jié)晶溫度，即結(jié)晶過冷現(xiàn)象 理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶的溫度之差，稱為過冷度 冷卻速度愈快，實際結(jié)晶溫度就愈低，過冷度就愈大，其結(jié)晶速度愈快,金屬的結(jié)晶過程是遵循：形核、核心長大的基本規(guī)律，即在液態(tài)金屬中先形成小的固體晶核，晶核長大直至晶核長大到互相接觸，結(jié)晶終了 長大方式：晶體最常見的長大方式是樹枝狀長大。,由上所述：固態(tài)金屬是由多晶體構(gòu)成 每一個晶核長成的是一個小單晶體,稱為晶粒。 晶粒之間的界限稱為晶界 每個晶粒內(nèi)部原子按一定的方向排列，不同晶粒之

3、間原子排列取向不同，晶界是2-3個原子厚度排列紊亂的過渡層。,金屬晶粒的大小對其力學(xué)性能影響很大 晶粒愈細(xì)小，其強度硬度愈高，而且塑性和韌性愈好，即力學(xué)性能愈好 因此在整個金屬材料加工過程，晶粒粗化是不允許的,而細(xì)化晶粒是金屬熱加工中的重要任務(wù)。金屬結(jié)晶時細(xì)化晶粒的主要途徑是： 1.加快冷卻速度，增加晶核的數(shù)目 2.在金屬液體中，加入外來晶核，增加晶核數(shù)目，以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。這種工藝即變質(zhì)處理，所加入的物質(zhì)即變質(zhì)劑 用熱處理或壓力加工方法也可以使固態(tài)金屬晶粒細(xì)化,二純金屬的晶體結(jié)構(gòu),金屬晶體：即原子按一定規(guī)律排列的金屬 晶格：能夠反映晶體中原子排列規(guī)律的空間網(wǎng)格 晶胞：在晶格中取出能夠反映

4、晶格排列規(guī)律的最小單元稱為晶胞。一般為平行六面體。 晶格常數(shù)：反映晶胞大小形狀的參數(shù)有六個。a b c 單位為“埃”, a b c為晶格常數(shù) 各種金屬晶體結(jié)構(gòu)的主要差別就在于其晶格類型和晶格常數(shù)的不同。,常見的金屬晶格,1、體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞它是一個立方體。在晶胞的中心和八個角上各有一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，每個晶胞實際上只占有18個原子。而中心的原子為該晶胞所獨有。故晶胞中實際原子數(shù)為81812（個）。具有體心立方晶格的金屬有：-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等,2、面心立方晶格 面心立方晶格也是一個立方體，在晶胞的每個角上和晶胞的六個面的中心都排一個原子

5、，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，而每個面中心的原子為兩個晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子數(shù)為8186124（個）。 具有面心立方晶格的金屬有：-Fe、Al、Ni、Mn、Au、Ag等,密排立方晶格，如圖。具有密排六方晶格的金屬有：Mg、Zn、Cd、Be等,三金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變,大多數(shù)金屬固態(tài)下從高溫到室溫其晶格類型都將保持不變。但有些金屬如鐵、錫、 鈦 、錳等金屬固態(tài)時，在不同溫度范圍呈現(xiàn)出不同的晶格， 這種隨著溫度的改變，固態(tài)金屬晶格也隨之改變的現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。 例如鐵，如圖：,固態(tài)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變也稱為固態(tài)相變。 同素異晶轉(zhuǎn)變對熱處理有重要的意義 一般稱液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變成為

6、一次結(jié)晶。固態(tài)之間的相變稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。 同素異晶轉(zhuǎn)變時，隨著晶格類型的惡化，其密度也發(fā)生變化，例如FeFe轉(zhuǎn)變時，鐵的體積要膨脹。這種體積變化的不均勻時就會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。也稱為組織應(yīng)力（熱脹冷縮不均勻時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力成為熱應(yīng)力）,第二節(jié) 鐵碳合金的基本組織,由于純金屬性能的局限性，不能滿足各種場合的要求。因此，目前使用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。 合金：兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素熔合在一起，構(gòu)成的具有金屬特性的物質(zhì)。 下面再介紹幾個關(guān)于合金的觀念。,組元：組成合金的最基本的獨立的物質(zhì)稱為組元。組元可以是純金屬也可以是化合物。 由幾種組元組成的合金就稱為幾元合金。如二元合金。

7、 相：在合金中，凡化學(xué)成分和晶格類型相同并與其他部分由界面分開的均勻部分稱為相。如單相合金，雙相合金 顯微組織: 用放大鏡或顯微鏡觀察到,合金內(nèi)部各組成相的相對大小、形狀、數(shù)量、分布的綜合即顯微組織。 溶解度：,合金中的組織相當(dāng)復(fù)雜，并隨著成分、溫度和冷卻速度而變化。 一般合金中的組織可分為：固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物。,一、固溶體,當(dāng)兩種組元熔合到一起并保持其中一種組元晶格類型時，形成的這種新物質(zhì)稱為固溶體。保持晶格類型的組元稱為溶劑組元，另一組元稱為溶質(zhì)組元。 鐵碳合金中，鐵為溶劑組元，碳為溶質(zhì)組元。,固溶體的分類：,間隙固溶體：溶質(zhì)原子溶入到溶劑晶格的間隙位置，形成的固溶體。碳鋼。

8、置換固溶體：溶質(zhì)原子溶入到溶劑晶格的結(jié)點位置，代替一部分溶劑原子形成的固溶體。合金鋼。 有限固溶體： 無限固溶體： 固溶強化：形成固溶體時，由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的大小不同，溶入后造成溶劑晶格產(chǎn)生不同程度的畸變，這種畸變使塑性變形的阻力增加，表現(xiàn)為固溶體的強度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱作固溶強化。,1.鐵素體,鐵素體：是碳溶解于-Fe中形成的間隙固溶體；呈體心立方晶格，用F來表示。 溶碳量：600時，溶碳量0.006%； 727時，溶碳量0.0218%. 力學(xué)性能：強度、硬度低，塑性、韌性好。b250MPa =45%50% 80HBS,2.奧氏體,奧氏體：是碳溶解于-Fe中形成的間隙固溶體；呈面心

9、立方晶格，用A來表示。 溶碳量：1148時，溶碳量2.11%； 727時，溶碳量0.77%. 力學(xué)性能：奧氏體是高溫相（727攝氏度以上存在）其性能、強度、硬度不高，塑性優(yōu)良，因此常將鋼加熱至奧氏體狀態(tài)進(jìn)行鍛造或軋制。,二、化合物,當(dāng)兩種組元熔合到一起時，所具有的晶格與其組元的晶格均不相同，而具有新的晶格，這種具有金屬特性的新物質(zhì)稱為金屬化合物。 金屬化合物：一般具有復(fù)雜的晶格，性能硬而脆，一般在合金中作為強化相 金屬化合物的形狀、大小、分布、數(shù)量對合金的性能影響極大。 鐵碳合金中的金屬化合物稱為滲碳體Fe3C 滲碳體在一定條件下可發(fā)生分解形成石墨。Fe3CFe+C,三機(jī)械混合物,機(jī)械混合物：

10、是由結(jié)晶過程所形成的多相混合組織。 特點：組成相之間有界面（相界）分開，相互之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和原子擴(kuò)散。 鐵碳合金中常見的機(jī)械混合物是珠光體和萊氏體。,1. 珠光體,珠光體：是由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用P表示（一般鐵素體和滲碳體呈交替片層狀組織） 含碳量：0.77% 力學(xué)性能：b750Mpa HB180HBC =20%-25% aK=30-40J/cm2,2. 萊氏體Ld,萊氏體：高溫萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物 低溫萊氏體是由珠光體和滲碳體組成的機(jī)械混合物 含碳量：4.3%C 性質(zhì)：硬而脆,第三節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖,鐵碳合金狀態(tài)圖又稱為鐵碳相圖；是研究不同成分的鋼和鑄鐵在

11、不同溫度下組織變化規(guī)律的重要工具。,一、相圖的概念,當(dāng)兩種組元組成二元合金時，組元間的比例不同就組成了一系列合金，即二元合金系 相圖或狀態(tài)圖是反映合金系中各個合金的結(jié)晶過程的簡明圖解。 相圖是平衡圖，它是表明合金系中不同成分的合金在不同溫度下，是由那些相組成以及這些相之間的平衡關(guān)系的圖形。 利用相圖可以知道各種成分的合金在不同的溫度下有哪些相，各相的相對含量、成分以及溫度變化時可能發(fā)生的變化 相圖是制定合金熔煉、鍛造、熱處理的重要依據(jù),二相圖的建立,相圖一般是用實驗方法測定的，常用的方法為熱分析法以FeC合金為例，說明實驗的步驟 1.配置合金。并配畫成均勻液態(tài)，然后緩慢的冷卻，測出合金的冷卻曲

12、線。 2.把冷卻曲線上的各臨界點（拐點）標(biāo)在溫度成分坐標(biāo)中 3.將各意義相同的臨界點連接起來，即得到相圖,三、FeC合金狀態(tài)圖的分析,基本相：液相L 、奧氏體（A）、 鐵素體相（F）和滲碳體。 重要的點：A、B、E、C、G、S、P等 線：液相線ACD、固相線AECF、 共晶線ECF：LA+Fe3C（Ld） 共析線PSK AF+Fe3C（P）也稱A1線 GS線：也稱A3線，是AF； ES線：也稱Acm線，是碳在奧氏體中的溶解度曲線，冷卻時過飽和的碳以滲碳體的形式析出。,鐵碳合金的分類,根據(jù)含碳量和組織的特點，可將鐵碳合金分為三類： 1.工業(yè)純鐵：含碳量0.0218%；組織：F+Fe3C 2.鋼：

13、含碳量0.0218%2.11%；又分為： 亞共析鋼：含碳量0.77%；組織：F+P 共析鋼：含碳量 0.77%；組織：P 過共析鋼：含碳量0.77%；組織： P+Fe3C,3.鑄鐵：含碳量2.11%-6.69%；又分為： 亞共晶鑄鐵：含碳量4.3%； 共晶鑄鐵：含碳量4.3%； 過共晶鑄鐵：含碳量4.3%；,三、鋼在結(jié)晶過程中的組織轉(zhuǎn)變,利用鐵碳合金相圖分析各種鋼或鑄鐵在加熱或冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變是非常重要的，可以了解其變化規(guī)律。,T1：LA,T2：A,T3：AF,T4：AP,室溫：F+P,T3：AP,室溫：P,室溫：P+Fe3C,第三章 鋼的熱處理,鋼的熱處理是將鋼件在固態(tài)下經(jīng)過加熱、保溫和

14、冷卻等三個步驟，以改變其整體或表面的組織，從而獲得所需性能的一種工藝。 通過熱處理可以充分發(fā)揮材料性能的潛力，調(diào)整材料的工藝性能和使用性能，滿足機(jī)械零件在加工和使用過程中對性能的要求，所以凡是重要的機(jī)械零部件都需要進(jìn)行熱處理。 熱處理只改變鋼件的組織和性能，不改變其形狀和尺寸。,熱處理的分類,按照應(yīng)用特點，常用的熱處理工藝可大致分以下幾類： （1）普通熱處理 包括退火、正火、淬火和回火等。 （2）表面熱處理和化學(xué)熱處理 表面熱處理包括感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱淬火和電接觸加熱淬火等；化學(xué)熱處理包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁、滲鉻等。 （3).其他熱處理 包括可控氣氛熱處理、真空熱處理和形變熱

15、處理等。,第一節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變,Fe-Fe3C相圖是平衡狀態(tài)圖， 在實際的熱處理過程中，加熱或冷卻都是按一定的速度進(jìn)行，因此相變是在非平衡條件下進(jìn)行的； 必然要產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，即有一定的過熱度或過冷度。 因此在加熱時，鋼發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變的實際溫度比相圖中的A1、A3、Acm點高，分別用Ac1、Ac3、Accm表示。同樣，在冷卻時奧氏體分解的實際溫度要比A1 、 A3 、Acm點低，分別用Ar1、Ar3、Arcm表示，,根據(jù)Fe-Fe3C相圖，共析鋼加熱到Ac1線以上，亞共析鋼和過共析鋼加熱到Ac3線和Accm線以上時才能完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 ； 鋼在加熱時要注意

16、的問題： 要得到所需要的組織； 晶粒一定要細(xì)化。 影響以上兩點的因素有：加熱溫度、鋼的冶金質(zhì)量、化學(xué)成分等。,二.鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,冷卻條件也是熱處理的關(guān)鍵工序，它決定鋼在冷卻后的組織和性能。 例如：40Cr鋼經(jīng)850加熱到奧氏體后，在不同冷卻條件下對其性能的影響。 爐冷： b =574 MPa s =289 MPa =22% =58.4% Ak= 61 J/cm2 空冷：b = 678 MPa s =387 MPa =19.3% =57.3 % Ak= 80 J/cm2 油冷并經(jīng)200回火：b = 1850 MPa s =1590 MPa =8.3% =33.7% Ak= 55 J/cm

17、2,由Fe-Fe3C相圖可知，奧氏體在A1以上的溫度是穩(wěn)定的。當(dāng)溫度處于臨界點A1以下時，奧氏體就變得不穩(wěn)定，要發(fā)生分解和轉(zhuǎn)變。 但在實際冷卻過程中，處在臨界點以下的奧氏體并不立即發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種在臨界點以下存在的奧氏體，稱為過冷奧氏體。 過冷奧氏體冷卻時可以兩種方式進(jìn)行，即在等溫條件下轉(zhuǎn)變，和在連續(xù)冷卻條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)變。現(xiàn)以共析鋼為例討論過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變。,共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變時的組織和性能,根據(jù)過冷奧氏體在不同溫度下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的不同，可分為三種不同類型的轉(zhuǎn)變：珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變。 （1）珠光體型轉(zhuǎn)變高溫轉(zhuǎn)變（A1-550） 珠光體是F和Fe3C片層狀組織，但由于轉(zhuǎn)變溫度不同，

18、原子擴(kuò)散能力及驅(qū)動力不同，其片層間距差別很大，一般轉(zhuǎn)變溫度愈低，層間距愈小。 一般又把珠光體型組織分為珠光體(P)、索氏體(S)和托氏體(T)，但它們從組織上并沒有本質(zhì)的區(qū)別，也沒有嚴(yán)格的界限，只在形態(tài)上有片間距的不同。,珠光體組織類型形成溫度和硬度： 珠光體（P）： A1650 ； 硬度 =1527 HRC 索氏體（S）：650600 硬度= 2738 HRC 托氏體（T）： 600550 硬度 =3843 HRC,（2）貝氏體型轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變（550Ms） 貝氏體是碳化物（滲碳體）分布在過飽和碳的鐵素體基體上的兩相混合物。根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度和產(chǎn)物組織形態(tài)的差異，貝氏體又分為：550350范圍內(nèi)形成

19、的上貝氏體（B上）， 和在350Ms范圍內(nèi)形成的下貝氏體（B下）。,貝氏體的組織形態(tài)和性能,由于上貝氏體中的鐵素體條比較寬，抗塑性變形能力比較低，滲碳體分布在鐵素體條之間容易引起脆斷。因此，上貝氏體的強度較低，塑性和韌性都很差，這種組織一般不適用于機(jī)械零件。 由于下貝氏體組織中的針狀鐵素體細(xì)小且無方向性，碳的過飽和度大，碳化物分布均勻，彌散度大，所以它的強度和硬度高(5060HRC),并且具有良好的塑性和韌性。因而許多機(jī)械零件經(jīng)常選用等溫淬火熱處理，以得到綜合力學(xué)性能較好的下貝氏體組織。,（3）馬氏體型轉(zhuǎn)變-低溫轉(zhuǎn)變（MsMf） 馬氏體是碳在-Fe中的過飽和固溶體。 過冷奧氏體以某一冷卻速度（

20、大于臨界冷卻速度Vk）冷卻到Ms點以下（230）時，將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（M）。,馬氏體的組織形態(tài)與鋼的成分、原始奧氏體晶粒的大小以及形成條件有關(guān)。 其形態(tài)主要分為兩大類，即板條馬氏體和片狀馬氏體。影響馬氏體形態(tài)的主要因素是奧氏體的含碳量。 含碳量低于0.25%時為典型的板條馬氏體； 含碳量大于1.0%，幾乎全是片狀馬氏體； 含碳量在0.251.0%之間時，是板條狀和片狀兩種馬氏體的混合組織。,馬氏體的性能 由于含碳過飽和，其晶格畸變嚴(yán)重歪扭，各種強化因素綜合作用后，其硬度和強度大幅度提高，而塑性、韌性急劇下降，含碳量愈高，強化作用愈顯著。 高碳馬氏體含碳量較高，晶格畸變嚴(yán)重，淬火應(yīng)力較大，往往存在

21、許多顯微裂紋。所以塑性和韌性都很差。但隱晶馬氏體的韌性比前者為好。 低碳板條馬氏體中碳的過飽和度小，淬火應(yīng)力低，不存在顯微裂紋。所以板條馬氏體的硬度較高，強韌性也好，得到了廣泛的應(yīng)用。,過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,1.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線） 大多數(shù)熱處理工藝都是在連續(xù)冷卻過程中完成的，所以鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線更具有實際意義。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線是用實驗方法測定的。,將相同條件奧氏體化冷卻測得的共析鋼CCT曲線和C曲線疊加在一起 可以看出。 連續(xù)冷卻時，過冷奧氏體的穩(wěn)定性增加，奧氏體完成珠光體轉(zhuǎn)變的溫度更低，時間更長。根據(jù)實驗，等溫轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度大約是連續(xù)冷卻的1.5倍。另外在

22、連續(xù)冷卻過程中，沒有貝氏體轉(zhuǎn)變過程，即得不到貝氏體組織，只有等溫冷卻才能得到。,與C曲線比較，CCT曲線有以下特點： 1. 直線AB為P分解轉(zhuǎn)變終止線， 2.臨界冷卻速度Vc 3.連續(xù)冷卻時，組織轉(zhuǎn)變是在一定溫度區(qū)域內(nèi)發(fā)生，得到的組織不均勻，有時得到組織的混合物。 4.共析鋼和過共析鋼連續(xù)冷卻時，沒有貝氏體轉(zhuǎn)變。亞共析鋼會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。,第二節(jié) 退火和正火,在機(jī)械制造過程中，退火和正火經(jīng)常作為預(yù)先熱處理，用以消除鑄造或鍛造等熱加工工件存在的晶粒粗大，組織不均勻，成分偏析和殘余應(yīng)力過大等缺陷，有時也為最終熱處理（淬火回火）做好組織上的準(zhǔn)備。 通過適當(dāng)?shù)耐嘶鸷驼鸷螅ぜ慕M織細(xì)化，成分均勻，具

23、有較好的力學(xué)性能和切削加工性能，對于一些普通鑄件、焊接件以及不重要的工件，退火和正火也可以作為最終熱處理工序,一、退火,退火是將鋼加熱到一定溫度并保溫一定時間，然后隨爐緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。 根據(jù)退火的工藝特點和不同的目的，退火工藝可分為完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火和擴(kuò)散退火等 。,1. 完全退火,又稱重結(jié)晶退火，一般簡稱退火。它是把鋼加熱至Ac3以上3050，并保溫一定時間，然后隨爐緩冷。 完全退火的“完全”是指工件被加熱到臨界點以上獲得完全的奧氏體組織。它主要用于亞共析鋼和合金鋼，目的是使熱加工造成的粗大、不均勻組織均勻細(xì)化；或使中碳以上的碳鋼及合金鋼降低硬

24、度、改善切削加工性能；由于冷卻緩慢，還可消除殘余應(yīng)力。,2. 球化退火,球化退火屬于不完全退火。它是將鋼加熱到略高于Ac1的溫度并保溫，使鋼中未溶碳化物自發(fā)地由片狀變成球狀。 球化退火主要用于過共析鋼及合金工具鋼等熱處理， 目的是使網(wǎng)狀的二次滲碳體及珠光體中的片狀滲碳體球化，以降低硬度，改善切削加工性能，并為以后的淬火做好組織準(zhǔn)備。過共析鋼球化退火的顯微組織是在鐵素體基體上分布著細(xì)小均勻的球狀滲碳體,（3）去應(yīng)力退火,去應(yīng)力退火又稱低溫退火。將鋼加熱至低于A1的某一溫度，保溫后隨爐緩冷。 去應(yīng)力退火常用于消除鑄、鍛、焊工件的殘余應(yīng)力。 與去應(yīng)力退火類似的另一種低溫退火再結(jié)晶退火，用于消除冷變形

25、加工產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象。其工藝過程是將這類工件加熱到再結(jié)晶溫度以上150250， 即500650保溫后緩慢冷卻，其目的是改善組織，降低硬度和提高塑性。,二、正火,將鋼加熱到Ac3（對于亞共析鋼）或Accm（對于過共析鋼）點以上30-50，保溫一定時間后，在空氣中冷卻，從而得到珠光體類組織的熱處理工藝稱為正火 。 亞共析鋼正火的主要目的是細(xì)化晶粒，消除組織中的缺陷。由于冷卻較快，正火組織中珠光體片層較細(xì)，提高了鋼的強度和硬度。 過共析鋼正火的主要目的是抑制或消除網(wǎng)狀滲碳體。,普通結(jié)構(gòu)零件的正火處理可作為最終熱處理。合金鋼在調(diào)質(zhì)處理前均進(jìn)行正火處理，以獲得細(xì)密而均勻的組織。 低碳鋼或低碳合金鋼正火

26、后可提高硬度，改善切削加工性能。 由于正火比退火生產(chǎn)周期短，設(shè)備利用率高，節(jié)約能源，因此得到了廣泛的應(yīng)用。,第三節(jié) 淬火和回火,鋼淬火+回火是強化鋼的最常用的手段，一般淬火后，配合不同溫度的回火，可使鋼獲得所需要的性能。 強調(diào)：鋼淬火后必須進(jìn)行回火處理。,一、淬火,鋼的淬火是以獲得馬氏體組織為目的的熱處理工藝。 它是將工件加熱至奧氏體化或部分奧氏體化的溫度，然后以大于臨界冷卻速度（Vk）冷到Ms點以下，使鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變 。,淬火的目的,1）提高鋼的硬度和耐磨性 工具、軸承等工件一般用高碳鋼制造，并淬火得到馬氏體（部分下貝氏體），再配以低溫回火，以提高其硬度和耐磨性 2）獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能

27、 齒輪（心部）、軸類、結(jié)構(gòu)件等重要機(jī)器零件，都要求具有良好的綜合力學(xué)性能，即高強度和高韌性，一般用中、低碳鋼制造并淬火得到馬氏體，再進(jìn)行高溫回火,3）獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能 例如不銹鋼、耐熱鋼、磁鋼等，都可通過淬火使之得到一定的物理或化學(xué)性能。,淬火的加熱溫度,對亞共析鋼，適宜的淬火加熱溫度為Ac3以上3050，淬火后可獲得細(xì)小均勻的馬氏體組織。 如果淬火加熱溫度不足（Ac3），則淬火后的組織中將會出現(xiàn)鐵素體，造成硬度不足、強度降低。 若淬火加熱溫度過高，淬火后獲得粗大的馬氏體組織，零件的性能變壞，同時容易引起零件變形和開裂。,過共析鋼：淬火加熱溫度為Ac1以上3050，淬火后的組織為：

28、細(xì)小均勻的馬氏體和粒狀滲碳體，硬度和耐磨性都比較高。 如果淬火加熱溫度過高（Accm），將獲得粗大的馬氏體組織，同時引起較嚴(yán)重的變形或開裂。,淬火時應(yīng)注意的問題,1）嚴(yán)格控制加熱溫度。既要得到馬氏體組織，又要保持晶粒細(xì)化。 2）合理選用淬火介質(zhì)。在保證得到馬氏體前提下，盡量降低冷卻速度，以減少淬火應(yīng)力的產(chǎn)生，是鋼件變形小，不開裂。 3）正確選擇淬火方法。目的與上相同，如用：雙液淬火，分級淬火，等溫淬火等。,二、回火,將淬火鋼加熱到Ac1以下某一溫度，經(jīng)適當(dāng)保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。,鋼的淬透性,鋼的淬透性是指鋼在淬火后的淬硬層深度（又稱為淬透層深度） 。是鋼的熱處理工藝性能。 一

29、定尺寸的圓柱形工件，淬火時工件表面冷卻較快，心部冷卻較慢，如果工件表面和心部冷卻速度V表和V心都大于臨界冷卻速度 V臨時，則整個工件的截面上都可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，即被淬透了。如果工件心部的冷卻速度小于V臨，心部就不能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而是索氏體或托氏體組織，則沒有被淬透 。,影響淬透性的因素,合金元素 除鈷以外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后均使C曲線向右移，降低臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。 奧氏體化溫度 提高奧氏體化溫度將使奧氏體晶粒長大，成分更均勻化，提高鋼的淬透性。 鋼中未溶第二相 未溶入奧氏體的碳化物、氮化物及其它非金屬夾雜促進(jìn)奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形核，減少過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使淬透性降低。,鋼淬火

30、后為什么要回火,鋼淬火后獲得馬氏體組織不是最終目的，而是通過隨后的回火，使馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，并控制轉(zhuǎn)變的程度以獲得不同的回火組織，使鋼具有不同的性能，以滿足各類零件及工具的使用要求。 另外，淬火鋼硬度高、脆性大，存在著淬火內(nèi)應(yīng)力。淬火馬氏體和殘余奧氏體也都是亞穩(wěn)定的組織，在一定條件下，經(jīng)過一定時間，它們有可能分解，向平衡組織轉(zhuǎn)變。淬火鋼在組織和性能上的這些特征，不僅限制了其使用，而且還會造成零件形狀、尺寸和使用性能的不穩(wěn)定性，甚至使零件變形、開裂。因此對淬火鋼必須進(jìn)行回火處理。,回火的分類和應(yīng)用,1）低溫回火（150250） 低溫回火的目的是在保證淬火后工件的高硬度和耐磨性的基礎(chǔ)上，降低淬火應(yīng)力

31、，提高工件韌性。低溫回火得到的是回火馬氏體組織，硬度可達(dá)5864HRC。常用于處理高碳工具鋼、模具鋼、滾動軸承鋼及滲碳鋼等零件。,2）中溫回火（350500） 中溫回火得到的組織為回火托氏體，它具有高的彈性極限、屈服極限及屈強比，同時具有一定的塑性和韌性，硬度一般為3545HRC。常作為各種彈簧的熱處理。,高溫回火（500650）,通常把淬火后再進(jìn)行高溫回火處理稱為調(diào)質(zhì)處理。 調(diào)質(zhì)處理得到的是回火索氏體組織，具有良好的綜合力學(xué)性能。 在許多重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)件中，如受力比較復(fù)雜的連桿，重要的螺栓、齒輪及軸類零件得到了廣泛應(yīng)用。中碳鋼調(diào)質(zhì)處理后的硬度一般為200350HBS。 調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能與

32、正火相比，不僅強度高，而且塑性和韌性也較好。.,第四節(jié) 鋼的表面淬火和化學(xué)熱處理,一些零件既要表面硬度高、耐磨性好，又要心部的韌性好，如齒輪、軸等，若僅從選材方面去考慮，是難以解決的。如高碳鋼的硬度高，但韌性不足；雖然低碳鋼的韌性好，但表面的硬度和耐磨性又低。在實際生產(chǎn)中廣泛采用表面淬火或化學(xué)熱處理的辦法來滿足上述要求,一、鋼的表面淬火,表面淬火是將工件的表面層淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火法。它是利用快速加熱使工件表面奧氏體化，然后迅速予以冷卻，這樣工件的表層組織為馬氏體，而心部仍保持原來的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。 表面淬火一般適用于中碳鋼和中碳合金鋼，也可用于高碳

33、工具鋼、低合金工具鋼以及球墨鑄鐵等。目前應(yīng)用最多的是火焰加熱和感應(yīng)加熱表面淬火法。,感應(yīng)加熱表面淬火,感應(yīng)加熱的基本原理 ： 在感應(yīng)線圈中通以高頻率的交流電，線圈內(nèi)外即產(chǎn)生高頻交變磁場。若把鋼制工件置于通電線圈內(nèi)，在高頻磁場的作用下，鋼的內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），在本身電阻的作用下工件被加熱。這種感應(yīng)電流密度在工件的橫截面上分布是不均勻的，即在工件表面電流密度極大，而心部電流密度幾乎為零，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。頻率愈高，電流密度極大的表面層愈薄。感應(yīng)加熱的速度很快，在幾秒鐘內(nèi)即可使溫度上升至8001000，而心部仍接近室溫。當(dāng)表層溫度達(dá)到淬火加熱溫度，立即噴水冷卻，使工件表層淬硬,感應(yīng)加熱淬

34、火的淬硬層深度與加熱功率、加熱時間、電流的頻率有關(guān)。 頻率愈高，淬硬層愈淺。 根據(jù)電流頻率的不同，可分為高頻加熱、中頻加熱和工頻加熱。 高頻感應(yīng)加熱淬火電源的頻率為200300kHz，適用于淬硬層小于2mm的工件； 中頻電源的頻率為25008000Hz，適用于淬硬層25mm的工件； 工頻電源頻率為50Hz，可直接采用工業(yè)電源，適用于淬硬層1015mm以上的工件。,感應(yīng)加熱表面淬火的特點,感應(yīng)加熱時相變的速度極快，過熱度大，淬火后得到的是細(xì)小隱晶馬氏體組織，表面硬度比一般淬火高23HRC，而且脆性較低 表面淬火后，工件的表層殘余壓應(yīng)力較高，可提高工件的疲勞強度。小工件可提高23倍，大工件也可提高

35、20%30% 工件表面氧化和脫碳少，而且由于心部未被加熱，淬火變形小. 加熱溫度和淬硬層厚度易于控制，便于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化.,加熱溫度和淬硬層厚度易于控制，便于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化 感應(yīng)加熱的缺點是設(shè)備較貴，感應(yīng)圈的設(shè)計和制造難度較大，生產(chǎn)成本比較高 感應(yīng)加熱表面淬火后要進(jìn)行180200的低溫回火，以降低淬火應(yīng)力，保持高硬度和耐磨性。,二、鋼的化學(xué)熱處理,化學(xué)熱處理是將工件置于一定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，改變其表面層的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。 與表面淬火相比，化學(xué)熱處理不僅使工件的表面層有組織變化，而且還有成分變化。,根據(jù)滲入元素的類別，化學(xué)熱處理可分為滲

36、碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等?；瘜W(xué)熱處理的主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲勞強度外，有時也用于提高零件的抗腐蝕性、抗氧化性，以替代昂貴的合金鋼。,鋼的滲碳,滲碳是將工件置于滲碳介質(zhì)中，在一定的溫度下使其表面層滲入碳原子的化學(xué)熱處理工藝。滲碳可以使工件的表面具有高硬度和高耐磨性，并具有較高的疲勞極限，而心部仍保持良好的塑性和韌性。主要用于表面受嚴(yán)重磨損，并在較大沖擊載荷、交變載荷，較大的接觸應(yīng)力條件下工作的零件，如齒輪、活塞銷、套筒等。,滲碳件一般采用低碳鋼或低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi等。滲碳層厚度一般在0.52.5mm，滲碳層的碳濃度一般控制在1%左右 。 滲

37、碳方法 根據(jù)滲碳介質(zhì)的不同，可分為固體滲碳、氣體滲碳和液體滲碳，常用的是氣體滲碳和固體滲碳。,氣體滲碳 ： 將工件裝在密封的滲碳爐中，加熱到900-950，向爐內(nèi)滴入易分解的有機(jī)液體（如煤油、丙酮、甲醇等），或直接通入滲碳?xì)怏w（如煤氣、石油液化氣等）。在爐內(nèi)發(fā)生下列反應(yīng)，產(chǎn)生活性碳原子，使工件表面滲碳： 氣體滲碳的優(yōu)點是生產(chǎn)率高，勞動條件較好，滲碳?xì)夥杖菀卓刂?，滲碳層比較均勻，還可實現(xiàn)滲碳后直接淬火，是目前應(yīng)用最多的滲碳方法。,滲碳后的熱處理 滲碳后的零件要進(jìn)行淬火和低溫回火處理。 滲碳鋼淬火、回火后的性能 表面硬度高，達(dá)5864HRc以上，耐磨性好。心部塑性、韌性好，未淬硬時，心部為1381

38、85HBS；淬硬后的心部為低碳馬氏體組織，硬度可達(dá)3045HRC。 滲碳鋼的表面層為高碳馬氏體，體積膨脹大，心部為低碳馬氏體（淬透時）或鐵素體加托氏體（未淬透時），體積膨脹小。結(jié)果在表面層造成殘余壓應(yīng)力，提高了工件的疲勞強度。,第四章 工業(yè)用鋼,一、鋼的分類 按化學(xué)成分分類：碳素鋼、合金鋼； 按用途分類：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼 按冶金質(zhì)量分類：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼 按脫氧程度分類：鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼；,第一節(jié) 碳素鋼,一、化學(xué)成分對碳鋼性能的影響 鋼中常存的雜質(zhì)：硅、錳、硫、磷等 硫S：是有害雜質(zhì)元素，主要是硫在鋼的晶界處形成低熔點共晶體，使含硫量較高的鋼在熱加工時容易產(chǎn)生裂紋，即熱脆性

39、。 磷P：使鋼的塑性和韌性下降，特別是使鋼的低溫時脆性急劇增加，即冷脆性。 硅和錳：是有益的雜質(zhì)元素，硅和錳可提高鋼的強度和硬度，錳還能與硫形成MnS，從而減輕硫的有害作用，一般不限制其含量。,碳素結(jié)構(gòu)鋼,1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼： 一般只保證性能，不保證成分；直接使用，不進(jìn)行熱處理強化；用于一般工程結(jié)構(gòu)。 含碳量：0.38%；常用小于0.25%C 編號原則：Q235；Q代表屈服點的“屈”，三位數(shù)字代表最低屈服點（MPa）。數(shù)字越大強度越高。,2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼含硫和磷較低，也稱機(jī)械零件用鋼。既保證性能又保證成分。 編號原則：45鋼，用兩位數(shù)字表示，是鋼中含碳量的萬分之幾。 08、10、15、20、25等牌號屬于低碳鋼。塑性好，焊接性好，常用于制造螺釘、螺母、墊圈小軸等。 35、45、50、55等牌號屬于中碳鋼。不僅強度和硬度較高，而且塑性和韌性也較好，即綜合性能優(yōu)良。45鋼應(yīng)用最廣，常用于制造軸、齒輪、連桿、重要的螺栓等。 60、65、70、75等牌號屬于高碳鋼。它們經(jīng)過