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机械工程材料-ch4钢的热处理.pdf

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机械工程 材料 CH4 热处理
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山 东 农 业 大 学 专 业 基 础 课 程 主 讲 : 田 富 洋 机 械 工 程 材 料 Mechanical Engineering Materials Science第 四 章 钢 的 热 处 理 第 四 章 钢 的 热 处 理 ( Heat Treatment of Steel ) ¨ 概 述 ¨ 钢 在 加 热 时 的 转 变 ¨ 钢 在 冷 却 时 的 转 变 ¨ 钢 在 回 火 时 的 转 变第 四 章 钢 的 热 处 理 热 处 理 概 述 1. 热 处 理 的 定 义 : 时间 温度 临 界 温 度 热 加 保 温 冷 却第 四 章 钢 的 热 处 理 2. 热 处 理 的 主 要 目 的 : 改 变 钢 的 性 能 。 3. 热 处 理 的 应 用 范 围 : 整 个 制 造 业 。 4. 热 处 理 的 分 类 热 处 理 普 通 热 处 理 表 面 热 处 理 退 火; 正 火; 淬 火; 回 火; 表 面 淬 火 化 学 热 处 理 感 应 加 热 淬 火 火 焰 加 热 淬 火 渗 碳; 渗 氮; 碳 氮 共 渗;第 四 章 钢 的 热 处 理 第 一 节 钢 在 加 热 时 的 组 织 转 变 ¨ 转 变 温 度 ¨ 奥 氏 体 的 形 成 ¨ 奥 氏 体 晶 粒 度 及 对 力 学 性 能 的影 响第 四 章 钢 的 热 处 理 一. 转 变 温 度( transformation temperature )第 四 章 钢 的 热 处 理 l 二 、 奥氏体 的形成 过程 l 奥 氏 体 化 也 是形核 和长大 的过程 , 分为 四步 。 现 以 共 析 钢 为 例说明 : ¨ 第 一 步 奥 氏 体 晶 核 形 成 : 首 先 在a 与Fe3C 相 界 形 核 。 ¨ 第 二 步 奥 氏 体 晶 核 长 大 :g 晶 核 通 过 碳 原 子 的 扩 散 向a 和Fe3C 方 向 长 大 。 ¨ 第 三 步 残 余Fe3C 溶 解: 铁 素 体 的 成 分 、 结 构 更 接 近 于 奥 氏 体 , 因 而 先 消 失 。 残 余 的Fe3C 随 保 温 时 间 延 长 继 续 溶 解 直 至 消 失 。 ¨ 第 四 步 奥 氏 体 成 分 均匀 化 :Fe 3 C 溶 解 后 , 其 所在 部 位 碳 含 量 仍很高 , 通过 长时间 保温使 奥氏体 成 分 趋 于 均 匀 。F Fe3C 未 溶Fe3C A 残 余Fe3C A A A A 形 核 A 长 大 残 余Fe3C 溶 解 A 均 匀 化第 四 章 钢 的 热 处 理 ? 影 响 奥 氏 体 形 成 的 因 素 4 、 合 金 元 素 : 合 金 元 素 可 以 改 变 钢 的 临 界 温 度 , 影 响 碳 的 扩 散 速 度 , 从 而 限 制 奥 氏 体 的 形 成 速 度 。 2 、 加 热 速 度 : 速 度 越 大 , 奥 氏 体 形 成 时 间 越 短 。 3 、 钢 中 碳 的 质 量 分 数 : 质 量 分 数 越 多 , 相 界 面 增 多 , 则 有 利 于 奥 氏 体 的 形 成 。 1 、 加 热 温 度 : 温 度 越 高 , 奥 氏 体 形 成 速 度 越 快 。第 四 章 钢 的 热 处 理 三. 奥 氏 体 晶 粒 度 及 对 力 学 性 能 的 影 响 一) 奥 氏 体 晶 粒 度: 1. 起 始 晶 粒 度: 珠 光 体 刚 刚 转 变 成 奥 氏 体 的 晶 粒 大 小 。 2. 实 际 晶 粒 度: 热 处 理 后 所 获 得 的 奥 氏 体 晶 粒 的 大 小 。 3. 本 质 晶 粒 度: 度 量 钢 本 身 晶 粒 在930 ℃ 以 下, 随 温 度 升 高, 晶 粒 长 大 的 程 度 。第 四 章 钢 的 热 处 理 标 准 晶 粒 度 等 级第 四 章 钢 的 热 处 理 钢 的 本 质 晶 粒 度 示 意 图第 四 章 钢 的 热 处 理 二) 奥 氏 体 晶 粒 大 小 对 钢 的 力 学 性 能 的 影 响 1. 奥 氏 体 晶 粒 均 匀 细 小, 热 处理 后 钢 的力 学 性 能 提 高 。 2. 粗 大 的 奥 氏 体 晶 粒 在淬 火 时 容易 引 起 工 件 产 生 较 大 的 变 形 甚 至 开 裂 。第 四 章 钢 的 热 处 理 ¨ 三 ) 影 响奥氏体晶粒长大的因素 (3 )合金元素 : 阻碍 奥氏体 晶粒长 大的元 素: Ti 、V 、Nb 、Ta 、Zr 、W 、Mo 、Cr 、 Al等 碳 化物 和氮化 物形成 元素 。 (1 ) 加 热 温 度 和 保 温 时间: 加 热 温 度 高 、 保 温 时 间 长, g 晶 粒 粗 大. (2)加热速 度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细.第 四 章 钢 的 热 处 理 第 二 节 钢 在 冷 却 时 的 组 织 转 变 ¨ 钢 在 热 处 理 时 的 冷 却 方 式 ¨ 过 冷 奥 氏 体 的 等 温 冷 却 转 变 ¨ 过 冷 奥 氏 体 的 连 续 冷 却 转 变第 四 章 钢 的 热 处 理 钢 在 热 处 理 时 的 冷 却 方 式 热 加 保 温 时间 温度 临 界 温 度 连 续 冷 却 等 温 冷 却第 四 章 钢 的 热 处 理 一. 过 冷 奥 氏 体 的 等 温 冷 却 转 变 一) 建 立 共 析 钢 过 冷 奥 氏 体 等 温 冷 却 转 变 曲 线 ---- TTT 曲 线 ( C 曲 线 ) T --- time T --- temperature T --- transformation共 析 碳 钢 TTT 曲 线 建 立 过 程 示 意 图 时 间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温 度 ( ℃) 0 400 A1二) 共 析 碳 钢 TTT 曲 线 的 分 析 稳 定 的 奥 氏 体 区 过 冷 奥 氏 体 区 A 向 产 物 转 变 开 始 线 A 向 产 物 转 变 终 止 线 A + 产 物 区 产 物 区 A1 ~550℃; 高 温 转 变 区; 扩 散 型 转 变; P 转 变 区 。 550~230℃; 中 温 转 变 区; 半 扩 散 型 转 变; 贝 氏 体( B ) 转 变 区; 230~ - 50℃; 低 温 转 变 区; 非 扩 散 型 转 变; 马 氏 体 ( M ) 转 变 区 。 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 ( ℃) 0 400 A1 Ms Mf三) 转 变 产 物 的 组 织 与 性 能 1. 珠 光 体 型 ( P ) 转 变 ( A1 ~550 ℃ ) : ?A1~650 ℃ : P ; 15 ~27HRC; 片 间 距 为0.6 ~0.7μm ( 500 × ) 。 ?650 ~600 ℃ : 细 片 状P--- 索 氏 体(S); 片 间 距 为0.2 ~0.4μm (1000 ×); 27 ~38HRC 。 ?600 ~550 ℃: 极 细片 状P--- 托 氏体(T); 片 间 距 为 <0.2μm ( 电 镜 ); 38 ~43HRC 。珠 光 体 形 貌 像 光 镜 下 形 貌 电 镜 下 形 貌光镜形貌 电镜形貌 索 氏 体 形 貌 像托 氏 体 形 貌 像 电镜形貌 光镜形貌第 四 章 钢 的 热 处 理 2.贝 氏 体 型 ( B ) 转 变 ( 550 ~230℃ ) : ?550 ~350℃: B 上; 40 ~45HRC; B 上 =过 饱 和 碳 α-Fe 条 状 + Fe3C 细 条 状 过 饱 和 碳α-Fe 条 状 Fe3C 细 条 状 羽 毛 状 稳 定 的 奥 氏 体 区 过 冷 奥 氏 体 区 A 向 产 物 转 变 开 始 线 A 向 产 物 转 变 终 止 线 A + 产 物 区 产 物 区 A1 ~550℃; 高 温 转 变 区; 扩 散 型 转 变; P 转 变 区 。 550~230℃; 中 温 转 变 区; 半 扩 散 型 转 变; 贝 氏 体( B ) 转 变 区; 230~ - 50℃; 低 温 转 变 区; 非 扩 散 型 转 变; 马 氏 体 ( M ) 转 变 区 。 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 ( ℃) 0 400 A1 Ms Mf第 四 章 钢 的 热 处 理 上贝氏体转变过程第 四 章 钢 的 热 处 理 上 贝 氏 体 组 织 金 相 图第 四 章 钢 的 热 处 理 2.贝 氏 体 型 ( B ) 转 变 ( 550 ~230℃ ) : ?350 ~230℃: B 下; 50 ~60HRC; B 下 =过 饱 和 碳 α-Fe 针 叶 状 + Fe3C 细 片 状 过 饱 和 碳 α-Fe 针 叶 状 Fe3C 细 片 状 针 叶 状第 四 章 钢 的 热 处 理 下 贝 氏 体 组 织 金 相 图第 四 章 钢 的 热 处 理 ¨ 上 贝 氏 体 强 度与塑 性都较 低 ,无 实用价 值 。 ¨ 下 贝 氏 体 除 了强度 、 硬度 较高外 , 塑性 、 韧性 也 较 好 , 即 具 有良好 的综合 力学性 能 ,是 生产上 常 用 的 强 化 组 织之一 。 上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形 貌 下贝氏体第 四 章 钢 的 热 处 理 3. 马 氏 体 型 ( M ) 转 变 ( 230 ~ -50 ℃ ) : 1) 定 义: 马 氏 体 是 一种 碳 在α – Fe 中 的 过 饱 和 固 溶 体 。 2) 马 氏 体 形 成: ? 在 一 个 温 度 范 围 内 连 续 冷 却 完成; ? 转 变 速 度 极 快, 即 瞬 间 形 核与 长 大; ? 无 扩 散 转 变( Fe 、C 原 子 均 不 扩 散 ), M 与 原A 的 成 分 相 同, 造 成 晶格 畸 变 。 ? 转 变 不 完 全 性 稳 定 的 奥 氏 体 区 过 冷 奥 氏 体 区 A 向 产 物 转 变 开 始 线 A 向 产 物 转 变 终 止 线 A + 产 物 区 产 物 区 A1 ~550℃; 高 温 转 变 区; 扩 散 型 转 变; P 转 变 区 。 550~230℃; 中 温 转 变 区; 半 扩 散 型 转 变; 贝 氏 体( B ) 转 变 区; 230~ - 50℃; 低 温 转 变 区; 非 扩 散 型 转 变; 马 氏 体 ( M ) 转 变 区 。 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 ( ℃) 0 400 A1 Ms Mf第 四 章 钢 的 热 处 理第 四 章 钢 的 热 处 理 3) 马 氏 体 的 晶 体 结 构: 由 于 碳 的 过 饱 和 作 用, 使α – Fe 晶 格 由 面 心 立 方 变 成体 心 正 方 晶 格 。第 四 章 钢 的 热 处 理 4) 马 氏 体 的 组 织 形 态: ? 板 条 状 --- 低 碳 马 氏 体( <0.2%C ); 30 ~50HRC ; δ = 9 ~17% 。第 四 章 钢 的 热 处 理 低 碳 板 条 状 马 氏 体 组 织 金 相 图第 四 章 钢 的 热 处 理 4) 马 氏 体 的 组 织 形 态: ? 针 、 片 状 --- 高 碳 马 氏 体( >1%C); 66HRC 左 右 ; δ ≈ 1% 。第 四 章 钢 的 热 处 理 高 碳 针 片 状 马 氏 体 组 织 金 相 图第 四 章 钢 的 热 处 理 5 ) 马 氏 体 转 变 的 基 本 特征 ¨ 由于马氏体转变的无扩散性 , 因而马 氏体的 化学成 分与母相奥氏体完全相同 。显然, 马 氏体是 碳在α- Fe 中的过饱和间隙固溶体 。造成晶格 的严重 畸变 , 成为具有一定正方度 (c/a )的体心正方 晶格 。 ¨ 过冷奥氏体向马氏体的转变 , 必须在 不断降 温条件 下转变才能继续进行 , 冷却过程中断 ,转变 立即停 止。 ¨ 马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速 冷却 , 来不及 发生扩散分解而产生的无扩散型的相 变马氏 体转变 是, 通过切变和原子的微小调整来实 现γ 相向α 相转 变的 。第 四 章 钢 的 热 处 理 l 即使冷却到M f 点,也不可能获得100% 的马氏 体, 总有部分奥氏体未能转变而残留 下来 , 称 残余奥氏体 ,用A’ 或g ’ 表示 。 g’第 四 章 钢 的 热 处 理 奥 氏 体 含 碳 量 对 马 氏 体 转 变 温 度 的 影 响 600 700 500 300 400 200 100 0 -100 -200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0 温度 ℃ Wc ′ 100 Ms M f第 四 章 钢 的 热 处 理 90 80 50 70 40 60 20 30 10 0 0.6 0.9 0.8 0.7 1.0 0.5 1.1 1.21.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wc ′ 100 残余奥氏体量 ( % ) 奥 氏 体 含 碳 量 对 残 余 奥 氏 体 数量 的 影响马氏体的碳浓度 Wc ′ 100 50 70 40 60 20 30 10 0.1 0.3 0.2 0.4 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 硬度 ( HRC ) 2000 抗拉强度σb ( Mpa ) 1800 1400 1000 600 200 6) 马 氏 体 的 性 能: 主 要 取 决 于 马 氏 体 中 的 碳浓 度 。第 四 章 钢 的 热 处 理 三 、 影 响 TTT 曲 线 形 状 与 位 置 的 因 素 1. 奥 氏 体 中 含 碳 量 的 影响: 共 析 钢 的过冷奥氏体最稳定 ,C 曲 线最靠右。Ms 与M f 点 随 含 碳量增加而下降。 与 共 析 钢相比 ,亚共析钢和过共析钢C 曲 线的上部 各 多 一 条先共析相的析出线 。第 四 章 钢 的 热 处 理 亚 共 析 钢 的TTT 曲 线 F A P + F S + F T B M + A 残 A3 时 间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温 度 ( ℃) 0 400 A1 Ms M f第 四 章 钢 的 热 处 理 过 共 析 钢 的TTT 曲 线 P + Fe3C Ⅱ S + Fe3C Ⅱ T B M + A 残 Fe3C Ⅱ A ACM 时 间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温 度 ( ℃) 0 400 A1 Ms M f 时间 温度 A1第 四 章 钢 的 热 处 理 过 共 析 钢 共 析 钢 亚 共 析 钢 时间 温度 A1 亚 共 析 钢 随 着含碳 量的增 加C 曲 线 向 右移动 过 共 析 钢 随 着含碳 量的增 加C 曲 线 向 左移动第 四 章 钢 的 热 处 理 2. 奥 氏 体 中 含 合 金 元 素的 影 响: 除Co 、Al ( >2.5% ) 外, 所 有 合金元 素 溶 入 奥 氏 体 中, 会 引 起: 向 右 移 向 下 移 Ms A1 A1 Ms 含Cr 合 金 钢第 四 章 钢 的 热 处 理 3.加 热 温 度 和 保 温 时 间 的 影 响: 加 热 温 度 越 高, 保 温 时 间 越 长, 碳 化 物 溶 解 充 分, 奥 氏 体 成 分 均 匀, 提 高 了 过 冷 奥 氏 体 的 稳 定 性, 从 而 使 TTT 曲 线 向 右 移 。第 四 章 钢 的 热 处 理 过 冷 奥氏体 转变产 物 (共 析钢 ) 转 变 类 型 转 变 产 物 形 成 温 度 , ℃ 转 变 机 制 显 微 组织特 征 HRC 获 得 工 艺 珠 光 体 P A 1 ~650 扩 散 型 粗 片 状 ,F 、Fe 3 C 相间分布 5-20 退 火 S 650~600 细 片 状 ,F 、Fe 3 C 相间分布 20-30 正 火 T 600~550 极 细 片 状 ,F 、Fe 3 C 相间分布 30-40 等 温 处 理 贝 氏 体 B 上 550~350 半 扩 散 型 羽 毛 状 , 短 棒状Fe 3 C 分布于 过 饱 和F 条之 间 40-50 等 温 处 理 B 下 350~M S 竹 叶 状 , 细 片状Fe 3 C 分布于 过 饱 和F 针上 50-60 等 温 淬 火 马 氏 体 M 针 M S ~M f 无 扩 散 型 针 状 60-65 淬 火 M * 板 条 M S ~M f 板 条 状 50 淬 火第 四 章 钢 的 热 处 理 四. 过 冷 奥 氏 体 的 连 续 冷 却 转 变 一) 建 立 共 析 钢 过 冷 奥 氏 体 连 续 冷 却 转 变 曲 线 ---- CCT 曲 线 C --- continuous C --- cooling T --- transformationVk 一) 共 析 碳 钢 CCT 曲 线 建 立 过 程 示 意 图 时间( lg τ ) 温度 ℃ A1 Pf Ps A+P K Ms Mf 水 冷 油 冷 Vk1 炉 冷 空 冷二) 共 析 碳 钢 TTT 曲 线 与CCT 曲 线 的 比 较 稳 定 的 奥 氏 体 区 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 ( ℃) 0 400 A1 Ms Mf CCT 曲 线 TTT 曲 线稳 定 的 奥 氏 体 区 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 ( ℃) 0 400 A1 Ms Mf 三) 在 连 续 冷 却 过 程 中 TTT 曲 线 的 应 用 V1 V2 Vk V3 V4 V1 = 5.5 ℃/s : 炉 冷 ; P V2 = 20 ℃/s : 空 冷 ; S V3 = 33 ℃/s : 油 冷;T+M+A 残 V4 ≥ 138 ℃/s : 水 冷 ; M+A 残第 四 章 钢 的 热 处 理 第 三 节 钢 的 退 火 与 正 火 毛 坯 生 产 预 备 热 处 理 机 械 加 工 最 终 热 处 理 机 械 精 加 工 预 备 热 处 理 : 退 火 ; 正 火 最 终 热 处 理 : 淬 火 ; 回 火 一 般 零 件 生 产 的 工 艺 路 线:第 四 章 钢 的 热 处 理 一. 钢 的 退 火(Annealing of steel) 一) 定 义: 把 零 件 加 温 到 临 界 温 度 以 上 30~50℃,保 温 一 段 时 间,然 后 随 炉 冷 却 。 二) 目 的: 消 除 应 力; 降 低 硬 度; 细 化 晶 粒; 均 匀 成 分; 为 最 终 热 处 理 作 好 组 织 准 备 。第 四 章 钢 的 热 处 理 三) 种 类 退 火 重 结 晶 退 火 低 温 退 火 完 全 退 火 扩 散 退 火 球 化 退 火 再 结 晶 退 火 去 应 力 退 火 普 通 退 火 等 温 退 火 普 通 球 化 退 火 等 温 球 化 退 火第 四 章 钢 的 热 处 理 1. 完全退火 将 亚 共 析 钢 加 热 至A c 3 以 上20~30 ℃ , 保 温 足 够 时 间 奥 氏 体 化 后 , 随 炉 缓 慢 冷 却 , 从 而 获 得 接 近 平 衡状态的组织 , 这种热处理工艺称为 完全退 火 。 完全退火的目的为 : (1) 消 除 铸 、 锻 件 中 存 在 的 魏 氏 组 织 或 带 状 组 织, 细化晶粒和均匀组织 ; (2) 消 除 铸 、 锻 件 中 存 在 的 内 应 力 , 降 低 硬 度 , 便于切削加工 。 完 全 退 火 只 适 用 于 亚 共 析 钢 , 不 适 用 于 过 共 析 钢。第 四 章 钢 的 热 处 理 2. 不完全退火 将 亚 共 析 钢 在 A c 1 ~A c 3 之 间 或 过 共 析 钢 在 A c 1 ~A ccm 之 间 两 相 区 加 热 , 保 温 足 够 时 间 后 缓 慢 冷却的热处理工艺 ,称为不完全退火 。 不 完 全 退 火 的 目 的 是 : 改 善 珠 光 体 组 织 , 消 除内应力 ,降低硬度以便切削加工 。 亚 共 析 钢 不 完 全 退 火 的 温 度 一 般 为 740~780 ℃ , 其 优 点 是 加 热 温 度 低 , 操 作 条 件 好 , 节省燃料和时间 。第 四 章 钢 的 热 处 理 3. 球化退火 将 过 共 析 钢 加 热 在A c 1 上 , 保 温 后 , 当 冷 却 到 Ar1 下缓慢冷却的热处理工艺 ,称为 不完全 退火 球 化 退 火 是 一 种 将 钢 中 渗 碳 体 或 碳 化 物 由 片 状 变 为 粒 状 , 均 匀 分 布 在 铁 素 体 基 体 上 的 热 处 理 工 艺 。 主要用于过共析钢 ,是一种不完全退 火 。 球 化 退 火 的 目 的 是 : 消 除 钢 中 的 片 状 珠 光 体 , 代之以粒状珠光体 。第 四 章 钢 的 热 处 理 经 球 化 退 火 后 的 组 织 有 以 下 优 点 : 由 片 状 珠 光 体 变 为 粒 状 珠 光 体 , 可 降 低 钢 的 硬 度 , 改 善 其 切 削 加 工 性 能 ; 粒 状 珠 光 体 加 热 时 奥 氏 体 晶 粒 不 易 长 大 , 允 许 有 较 宽 的 淬 火 温 度 范 围 , 淬 火 时 变 形 开 裂 倾 向 小 , 能 获 得 最 佳 的 淬 火 组 织 , 即 马 氏 体 片 细 小 , 残 余 奥 氏 体 量 少 , 并 保 留 有 一 定 量 均 匀分布的粒状碳化物 。第 四 章 钢 的 热 处 理 4. 扩散退火 扩 散 退 火 是 通 过 高 温 长 时 间 加 热 , 使 合 金 元 素 扩 散 均 匀 , 以 消 除 或 减 弱 枝 晶 偏 析 的 热 处 理 工 艺 。 主要用于合金钢锭或铸件 。 扩 散 退 火 温 度 通 常 为1100~1200 ℃ , 保 温 时 间 为10~15 小时 。 5. 软化退火 软 化 退 火 是 消 除 钢 锭 或 合 金 结 构 钢 锻 轧 钢 材 内 应力 ,降低其硬度的热处理工艺 。 软 化 退 火 温 度 通 常 为650~720 ℃ , 保 温 后 出 炉 空冷 。第 四 章 钢 的 热 处 理 6. 再结晶退火 再 结 晶 退 火 是 将 冷 加 工 后 的 钢 材 加 热 至T 再 ~A c 1 之 间 , 通 常 为650~700 ℃ , 使 变 形 晶 粒 恢 复 成 等轴状晶粒 ,从而消除加工硬化的热 处理工 艺 。第 四 章 钢 的 热 处 理 四) 常 用 的 工 艺 参 数: 温 度 ( °C ) 名 称 Ac3 + 30 ~50 完 全 退 火 Ac1 + 30 ~50 球 化 退 火 500 ~600 去 应 力 退 火 Ac3 + 150 ~250 扩 散 退 火 目 的 应 用 细 化 晶 粒 ,降低 硬 度 , 改 善 切 削 加 工 性 能 。 亚 共 析 钢 和 合 金 钢 网 状 渗 碳 体 球 化 , 改 善 组 织 , 为 淬 火 作 准 备 过 共 析 钢 和 合 金 工 具 钢 消 除 应 力 各 类 钢 铁 材 料 消 除 枝 晶 偏 析 铸 态 产 生 枝 晶 偏 析 材 料第 四 章 钢 的 热 处 理第 四 章 钢 的 热 处 理 二. 钢 的 正 火( Normalizing of steel ) 一) 定 义: 把 零 件 加 温 到 临 界 温 度 以 上 30~50℃,保 温 一 段 时 间,然 后 在 空 气 中 冷 却 。 二) 目 的: 消 除 应 力; 调 整 硬 度; 细 化 晶 粒; 均 匀 成 分; 为 最 终 热 处 理 作 好 组 织 准 备 。第 四 章 钢 的 热 处 理 三) 工 艺 参 数 及 目 的: 温 度 ( °C ) 名 称 Ac3 + 30 ~50 亚 共 析 钢 Ac1 + 30 ~50 共 析 钢 Accm + 30 ~50 过 共 析 钢 目 的 : 亚 共 析 钢 细 化 晶 粒 , 消 除 组 织 中 的 缺 陷 , 其 珠 光 体 片 层 较 细 , 钢 的 强 度 和 硬 度 提 高 , 过 共 析 钢 正 火 的 目 的 主 要 是 抑 制 或 消 除 网 状 渗 碳 体第 四 章 钢 的 热 处 理 四) 工 艺 参 数:第 四 章 钢 的 热 处 理 四 ) 热 处 理 后 的 组 织 :S (Wc=0.6 ~1.4%) S+F (Wc <0.6%) 五) 应 用 范 围: 1.预 备 热 处 理: 调 整 低 、 中 碳 钢 的 硬 度; 消 除 过 共 析 钢 中 的Fe3C Ⅱ 。 2.最 终 热 处 理: 用 于 力 学 性 能 要 求 不 高 的 普 通 零 件 。第 四 章 钢 的 热 处 理 一 、 定 义: 把 零 件 加 温 到 临 界 温 度 以 上 30 ~ 50℃,保 温 一 段 时 间,然 后 快 速 冷 却 ( 水 冷 ) 。 二 、 目 的: 为 了 获 得 马 氏 体 组 织,提 高 钢 的 硬 度 和 耐 磨 性 。 获 得 优 异 的 综 合 性 能 , 或 者 某 些 特 殊 的 物 理 和 化 学 性 能 。 第 四 节 钢 的 淬 火 Vk 时间( lg τ ) 温度 ℃ A1 Pf Ps A+P K Ms Mf 水 冷 油 冷 Vk1 炉 冷 空 冷第 四 章 钢 的 热 处 理 三 、 工 艺 参 数: 温 度 ( °C ) 名 称 Ac3 + 30 ~50 亚 共 析 钢 Ac1 + 30 ~50 共 析 钢 Ac1 + 30 ~50 过 共 析 钢 Ac3 、Ac1 + 50~100 合 金 钢第 四 章 钢 的 热 处 理 四 、 热 处 理 后 的 组 织 : M+Fe3C+A 残 Ac1+30~50 过 共 析 钢 M + A 残 Ac1+30~50 共 析 钢 M + A 残 Ac3+30~50 亚 共 析 钢 Wc >0.5% M Ac3+30~50 亚 共 析 钢 Wc≤0.5% 最 终 组 织 淬 火 温 度( ℃) 钢 种第 四 章 钢 的 热 处 理 五 、 淬 火 加 热 时 间 ( t ) 的 选 择: t = α K D 工 件 有 效 厚 度 ( 尺 寸 最 小 部 位) 装 炉 量 有 关 系 数 一 般 K = 1 ~1.5 加 热 系 数,与 钢 种 及 加 热 介 质 有 关第 四 章 钢 的 热 处 理 六 、 淬 火 冷 却 介 质 1. 理 想 淬 火 冷 却 介 质 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 ( ℃) 0 400 A1 Ms Mf Vk2. 常 用 的 淬 火 冷 却 介 质 名 称 最 大 冷 却 速 度 时 平 均 冷 却 速 度/( ℃?s -1 ) 所 在 温 度/ ℃ 冷 却 速 度 /( ℃ ? s -1 ) 650 ~550 ℃ 300 ~200 ℃ 20 ℃ 静 止 水 340 775 135 450 40 ℃ 静 止 水 285 545 110 410 60 ℃ 静 止 水 220 275 80 185 10%NaCl 溶 液 580 2000 1900 1000 10%NaOH 溶 液 560 2830 2750 775 20 ℃10 号 机 油 430 230 60 65 80 ℃10 号 机 油 430 230 70 55 20℃3 号 锭 子 油 500 120 100 50第 四 章 钢 的 热 处 理 l 水 的 冷 却 能 力 强 , 但 低 温 却 能 力 太 大 , 只 使 用 于 形 状 简 单 的 碳 钢 件 。 l 油 在 低 温 区 冷 却 能 力 较 理 想 , 但 高 温 区 冷 却 能 力 太 小 , 使 用 于 合 金 钢 和 小 尺 寸 的 碳 钢 件 。 l 熔 盐 作 为 淬 火 介 质 称 盐 浴 , 冷 却 能 力 在 水 和 油 之 间 , 用 于 形 状 复 杂 件 的 分 级 淬 火 和 等 温 淬 火 。第 四 章 钢 的 热 处 理 七 、 常 用 的 淬 火 方 法 单 液 淬 火 双 液 淬 火 分 级 淬 火 等 温 淬 火 时 间 温度 Ms A1第 四 章 钢 的 热 处 理 ¨ 采 用 不 同 的 淬火方 法可弥 补介质 的不足 。 ¨ 1 、 单 液 淬 火法 ¨ 加 热 工 件 在 一种介 质中连 续冷却 到室温 的淬 火 方 法 。 ¨ 操 作 简 单 , 易实现 自动化 。 ¨ 水 淬 工 件 变 形开裂 倾向大 ; 油淬 火冷却 能力 低 。第 四 章 钢 的 热 处 理 ¨ 2 、 双 液 淬 火法 ¨ 工 件 先 在 一 种冷却 能力强 的介质 中冷 , 却躲过 鼻 尖 后 , 再 在 另一种 冷却能 力较弱 的介质 中发生 马 氏 体 转 变 的 方法 。 如水淬 油冷 , 油淬空 冷. ¨ 优 点 是 冷 却 理想 , 缺点是 不易掌 握 。 ¨ 用 于 形 状 复杂的碳钢件及大型合金钢件 。第 四 章 钢 的 热 处 理 ¨ 3 、 分 级 淬 火法 ¨ 在Ms 附 近 的 盐浴或 碱浴中 淬火 , 待内外 温度均 匀 后 再 取 出 缓 冷 。 ¨ 可减少内应力 ,用于小尺寸工件 。 盐浴炉第 四 章 钢 的 热 处 理 ¨ 4 、 等 温 淬 火法 ¨ 将 工 件 在 稍 高于 Ms 的 盐 浴 或 碱 浴中 保温足 够长 时 间 , 从 而 获得下 贝氏体 组织的 淬火方 法 。 ¨ 经 等 温 淬 火 零件具 有良好 的综合 力学性 能 , 淬 火 应 力 小. ¨ 适 用 于 形 状 复杂及 要求较 高的小 型件 。第 四 章 钢 的 热 处 理 八 、 钢 的 淬 硬 性 ( Hardening of steel ) 1.定 义: 是 指 钢 在 淬 火 后 所 能 达 到 的 最 高 硬 度 。 2.影 响 钢 的 淬 硬 性 的 因 素: 主 要 取 决 于 马 氏 体 的 含 碳 量 。第 四 章 钢 的 热 处 理 九 、 钢 的 淬 透 性 ( Hardenability of steel ) 1.定 义: 是 指 钢 在 淬 火 时 所 能 得 到 的 淬 硬 层 ( 马 氏 体 组 织 占50%处) 的 深 度 。 2.影 响 钢 的 淬 透 性 的 因 素: 主 要 是 临 界 淬 火 冷 却 速 度VK 的 大 小, VK 越 大,钢 的 淬 透 性 越 小 。工 件 淬 硬 层 与 冷 却 速 度 的 关 系第 四 章 钢 的 热 处 理第 四 章 钢 的 热 处 理 3. 影 响 淬 透 性的 因素 ¨ 钢 的 淬 透 性 取决于 临界冷 却速度V k , V k 越小 , 淬 透 性 越 高 。 ¨ V k 取 决 于C 曲 线 的位置 ,C 曲 线 越 靠 右 ,V k 越 小 。 ¨ 因 而 凡 是 影 响C 曲 线的 因素都 是影响 淬透性 的因 素. 即 除Co 外 , 凡 溶 入 奥氏体 的合金 元素都 使钢 的 淬 透 性 提 高 ; ¨ 奥 氏 体 化 温 度高 、 保温时 间长也 使钢的 淬透性 提 高 。第 四 章 钢 的 热 处 理 4.淬 透 性 测 试 方 法 (1) 端 淬 法 (Jominy ):第 四 章 钢 的 热 处 理第 四 章 钢 的 热 处 理 J 表示末端淬透性 ,d 表示半马氏体 区到水冷端的距离 ,HRC 为半马氏体区的 硬度 。 d HRC J 即用 表示 (2) 用 临 界 淬 透 直径表 示 临 界 淬 透 直径 是指圆 形钢棒 在介质 中冷 却 , 中 心 被 淬成半 马氏体 的最大 直径 , 用D 0 表 示 。第 四 章 钢 的 热 处 理 5. 淬 透 性 的 大 小 对 钢 的热 处 理 后的 力 学性 能 的 影 响 未 淬 透 钢 淬 透 钢第 四 章 钢 的 热 处 理 第 五 节 钢 的 回 火 ( Tempering of steel ) 一 、 定 义: 把 淬 火 后 的 零 件 重 新 加 温 到 A1线 以 下 某 个 温 度,保 温 一 段 时 间,然 后 冷 却 到 室 温 。 二 、 目 的: 消 除 淬 火 应 力,降 低 脆 性; 稳 定 工 件 尺 寸; 调 整 淬 火 零 件 的 力 学 性 能 。第 四 章 钢 的 热 处 理 三 、 钢 在 回 火 时 的 转 变 1 . 马 氏 体 分 解 ( 1 0 0 ~ 2 0 0 ℃ ) 1 0 0 ℃ 以 上 回 火 , 马 氏 体 开 始 发 生 分 解 , 从 过 饱 和 α 固 溶 体 中 析 出 弥 散 的 ε 碳 化 物 , 这 种 碳 化 物 的 成 分 和 结 构 不 同 于 渗 碳 体 , 是 亚 稳 定 相 。 一 定 饱 和 度 的 α 固 溶 体 和 弥 散 分 布 的 ε 碳 化 物 组 成 的 复 相 组 织 , 称 为 回 火 马 氏 体 。第 四 章 钢 的 热 处 理 2 . 残 余 奥 氏 体 的 转 变 ( 2 0 0 ~ 3 0 0 ℃ ) 在 2 0 0 ~ 3 0 0 ℃ 之 间 回 火 时 , 钢 中 的 残 余 奥 氏 体 将 会 发 生 分 解 , 产 物 是 过 饱 和 的 α 固 溶 体 和 ε 碳 化 物 组 成 的 复 相 组 织 , 相 当 于 回 火 马 氏 体 或 下 贝 氏 体 。 3 . 碳 化 物 的 转 变 ( 3 0 0 ~ 4 0 0 ℃ ) 在 3 0 0 ~ 4 0 0 ℃ 范 围 内 回 火 , ε 碳 化 物 将 自 发 地 向 稳 定 相 渗 碳 体 转 变 。 由 饱 和 针 状 的 α 固 溶 体 和 细 小 颗 粒 状 的 渗 碳 体 组 成 的 组 织 称 为 回 火 托 氏 体 。第 四 章 钢 的 热 处 理 4 . 渗 碳 体 的 聚 集 长 大 和 相 的 再 结 晶 ( 4 0 0 ℃ 以 上 ) 回 火 温 度 升 高 到 4 0 0 ℃ 以 上 , 渗 碳 体 明 显 聚 集 长 大 。 由 等 轴 的 相 和 粗 粒 状 的 渗 碳 体 组 成 的 组 织 称 为 回 火 索 氏 体 。第 四 章 钢 的 热 处 理 回 火 马 氏 体 组 织 金 相 图第 四 章 钢 的 热 处 理 回 火 托 氏 体 组 织 金 相 图第 四 章 钢 的 热 处 理 回 火 索 氏 体 组 织 金 相 图第 四 章 钢 的 热 处 理 耐 磨 件 M 回=α 0.3%C +ε 150 ~250 低 温 回 火 弹 簧 等 T 回=F 针+Fe 3 C 粒 350 ~500 中 温 回 火 调 质 件 S 回=F 多+Fe 3 C 球 500 ~650 高 温 回 火 高 合 金 钢 P 回=F 多+Fe 3 C 粒 650 ~A1 高 温 软 化 四 、 工 艺
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