§6热处理、表面热处理、化学热处理.ppt
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1、工程材料,张建军 主编,西南大学工程技术学院,6 钢的热处理及表面处理,将钢在固态下加热、保温、冷却,以改变钢的内部组织结构,从而获得所需要性能的一种工艺。,1热处理工艺的定义,根据热处理原理而制定温度、时间、介质等参数称为热处理工艺。,6.1 概述,2热处理的作用,热处理可提高使用性能,改善工艺性能,提高产品质量,利于冷热加工。如錾子在热处理之前和之后的性能是不一样的。,3热处理与其它加工工艺的区别 不改变工件的形状,只改变工件的组织。,4.热处理工艺分类如下:, 普通热处理:退火、正火、淬火和回火。, 表面热处理:表面淬火、化学热处理。, 其它热处理:控制气氛热处理、真空热处理。,5预备热
2、处理和最终热处理,按热处理在零件整个生产过程的位置和作用不同,可将热处理工艺分为预备热处理和最终热处理。, 最终热处理:赋予工件所需使用性能的热处理, 预备热处理:为随后的加工和进一步热处理做准备。,在实际加热和冷却时,存在过热和过冷现象,如图所示。, 过热:加热时高于合金相图临界温度才发生相变的现象。 如图所示AC1 、 AC3、ACm为加热时钢的临界温度;,6.2 钢在加热时的转变, 过冷:冷却时低于合金相图临界温度才发生相变的现象。 如图所示A1 、A2、Acm为冷却时钢的临界温度。,转变温度(过热与过冷),6.2.1 奥氏体的形成,1.形成过程:钢加热时奥氏体的形成也是通过形核及长大过
3、程来实现的。现以共析钢为例说明奥氏体形成的四个步骤:,亚共析钢与过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。,第一步:奥氏体晶核形成,第二步:奥氏体晶核长大,第三步:残余渗碳体溶解,第四步:奥氏体均匀化,4)原始组织:片状组织比球状组织易向A转变。,2.影响A转变的因素,1)加热温度:加热温度提高,会加速A的形成。,2)加热速度:加热速度快,过热愈大,A的形成加快。,3)化学成分:C量增加,转变速度加快。除Co、Ni外,多数合金元素会减慢A的转变。,6.2.2 A晶粒度和晶粒长大及影响因素, 奥氏体晶粒长大是一个自发过程。, 注意:本质晶粒度的概念与起始晶粒度和实际晶粒度完全不同。,1奥氏体晶粒度
4、, 奥氏体转变刚完成时的细小晶粒称为起始晶粒度。, 在给定温度下的奥氏体晶粒度称为实际晶粒度。, 奥氏体晶粒越大,冷却后的晶粒也越大,力学性能则越 低。, 钢的成分不同,奥氏体晶粒的长大倾向也不同,这种倾向称为本质晶粒度。,A. 本质晶粒度有本质粗晶粒度和本质细晶粒度之分。,B. 奥氏体晶粒度: 14级的钢为本质粗晶粒度钢; 58级的钢为本质细晶粒度的钢。,a) 本质粗晶粒度:奥氏体随温度的升高迅速长大的钢。如经锰硅脱氧的钢、沸腾钢等;,b) 本质细晶粒度:奥氏体晶粒长大倾向小,加热到较高温度时才显著长大的钢。如经铝脱氧的钢、镇静钢等。,2奥氏体晶粒的长大及影响因素, Mn、P元素增加,晶粒增
5、大。,1)温度:加热温度越高,晶粒越大;, C含量增高,晶粒长大倾向增大,残余渗碳体增加,则倾向减小;, 形成碳化物、氮化物、氧化物的元素增加,则阻碍晶粒长大;,2)合金成分:,3)原始组织:大小、形态。,6.3 钢在冷却时的组织转变,冷却方式:等温冷却; 连续冷却。,奥氏体过冷到临界点A1以下时,则为不稳定状态的过冷奥氏体。,一)过冷奥氏体的等温转变曲线 等温转变曲线如图所示。等温转变曲线称为C曲线,或称为TTT曲线。,一、过冷奥氏体的等温转变产物及转变过程 P102, A1Ms之间及周边开始线以左区域为过冷奥氏体区。,1.共析钢C曲线的建立与分析, C曲线是用实验的方法建立起来的。, 左边
6、曲线称为转变开始线。, 右边曲线称为转变终了线。, 转变开始线与转变终了线之间称为转变过渡区。, 转变终了线以右及Ms以下为转变产物区。, 中温转变 产物为贝氏体(包括B上和B下);,2.转变类型及产物:, 高温转变 产物为珠光体(包括P、S和T);, 低温转变 产物为马氏体(M)。,随过冷度不同,过冷奥氏体将发生三种类型转变,即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。现以共析钢为例,说明其转变过程。, 屈氏体:形成温度为600550,片层极薄,用符号“T”表示。,奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程。如57图所示。,形成铁素体晶核,由于铁原子和碳原子均进行扩散时形成了珠光体,因此珠光体转
7、变是一种扩散型转变。,(1)组织形态及性能 过冷奥氏体在A1至550将转变为珠光体类型组织。根据片层的厚薄不同,这类组织又可分细为:,6.3.1 珠光体型转变, 珠光体:形成温度为A1 650,片层较厚, 用符号“P”表示。, 索氏体:形成温度为650600,片层较薄,用符号“S”表示。,形成渗碳体晶核,渗碳体晶核长大,珠 光 体,铁素体晶核长大,奥 氏 体,6.3.2 贝氏体型转变,过冷奥氏体在550Ms将转变为贝氏体组织,贝氏体用符号“B”表示。贝氏体可分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。,形成铁素体晶核片状铁素体平行生长 析出渗碳体短棒上贝氏体,A .特征:呈羽毛状 B .性能:上贝
8、氏体的力学性能差,无实用价值。, 上贝氏体:形成温度为550350 上贝氏体转变过程如图所示。,(1)贝氏体的组织形态和特性,下贝氏体:形成温度为350Ms 下贝氏体转变过程如图所示。,A 特征:呈黑针状 B 性能:下贝氏体具有优良的力学性能,是生产上常用的组织。,由于贝氏体形成时只有碳原子发生扩散,而铁原子不扩散,因此贝氏体转变属于半扩散型转变。,形成铁素体晶核铁素体长成针状铁素体内析出片状碳化物下贝氏体,3)影响C曲线的因素 (1)化学成分:, 含碳量的影响:,A 亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而向右移。,B 过共析钢的C曲线随含碳量的增加而向左移。,C 亚共析钢和过共析钢各有一条共析相析
9、出线。,B. 某些合金对珠光体转变与贝氏体转变具有不同的延缓作用,使C曲线出现两个“鼻子”。,(2)加热条件:, 合金元素的影响 铬对C曲线的影响如图所示。,A .加入溶于奥氏体的合金元素使C曲线右移。,2过冷奥氏体的连续冷却曲线 p103,实际生产中,过冷奥氏体是在连续冷却过程中转变的。连续冷却曲线称为CCT曲线。 共析钢的CCT曲线如图所示。, 曲线中没有贝氏体转变区。 当连续冷却曲线碰到K线时,AP则终止;冷至Ms点以下,则AM。 Vk为CCT曲线的临界冷却速度。 Vk为TTT曲线的临界冷却曲线。, CCT曲线由AP转变开始线Ps和终了线Pz及AP转变终止线K组成。 与TTT曲线相比,C
10、CT曲线稍位于右下方。,因CCT曲线测定困难,可参照TTT曲线确定转变产物。如: 冷却速度为5.5/s时,组织为索氏体; 冷却速度为33/s时,组织为屈氏体和马氏体; 冷却速度大于138/s时,组织为马氏体和残余奥氏体。,(1)马氏体的转变特点,马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。主要特点是: 无扩散性 ,相变的过冷度极大,转变速度极快,瞬间形成。 共格切变性,由面心立方奥氏体转变为体心正方的马氏体。 在不断降温的条件下连续形成马氏体。 具有不彻底性。,马氏体:碳在-Fe中过饱和的固溶体,用符号“M”表示。,6.3.2 马氏体型转变,上马氏体点:发生马氏体转变的开始温度称为上马氏体 点,用“
11、Ms”表示。,下马氏体点:马氏体转变的终了温度称为下马氏体点,用“Mf”表示。,Ms 、Mf点的温度取决于奥氏体的含碳量。图3-20,(2)马氏体的形态特点 马氏体的组织形态分为板条状和针状两大类。, 板条马氏体。显微组织如图所示。 形态:呈细长的扁棒状,显微组织为细条状。 马氏体板条内的亚结构是高密度的位错,因而又称为位错马氏体。, 针状马氏体。显微组织如图所示。形态:呈双凸透镜的片状,显微组织为针状。其亚结构主要是孪晶,因此又称为孪晶马氏体。,分析: A .当C0.2%时,为板条马氏体; B .当C1.0%时,为针状马氏体; C. 当C0.2.0%时,为板条和 针状的混合组织。,马氏体的形
12、态取决于含碳量,如图所示。,(3)马氏体的性能,马氏体最主要的特点是硬度高,强度高。 马氏体的硬度、韧性与含碳量的关系如图所示, 含碳量增加,其硬度增加。所以马氏体是钢的 主要强化手段之一。, 塑性和韧性取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和度。,6.4.1 退火和正火的主要目的。p104,6.4 钢的退火和正火,退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火等,如图所示。,1) 完全退火,6.4.2 退火,退火是将钢加热、保温,然后缓慢冷却的热处理工艺。,1) 完全退火 将亚共析钢加热到Ac3+3050,保温后缓冷的退火工艺称为完全退火。 目的:降低硬度,消除内应力。,2
13、)等温退火 将亚共析钢加热到 Ac3 +3050、过共析钢加热到Ac1+3050,保温后快冷到Ar1以下某一温度保温,然后出炉空冷。如图是高速钢等温退火与普通退火的比较。,3)球化退火 将共析钢或过共析钢加热到 Ac1 +2030,保温适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。,目的:降低硬度,改善切削加工性能;形成球状珠光体(如图所示),为后面的淬火作组织准备。,4)扩散退火 将工件加热到略低于固相线温度,保温后缓慢冷却的热处理工艺称为扩散退火。 目的:消除成份偏析。,5)去应力退火 将工件加热到 Ac1以下某一温度,保温后随炉冷却的 热处理工艺称为去应力退火。 目的:消除铸、锻、焊的内应
14、力。 6)再结晶退火 消除冷塑性变形后的硬化,恢复塑性的退火。,正火是将钢加热到 Ac3或Accm以上3050,保温后空气中冷却的热处理工艺。,正火具有以下几方面的应用:,6.4.3 正火,正火具有以下几方面的应用:, 含碳量0.25%经正火后硬度提高,改善了切削加工性能。 消除过共析钢中的二次渗碳体。 作为普通结构零件的最终热处理。 正火的冷却速度稍快于退火,由C曲线可知,二者的组织是不一样的。正火后的组织比退火细,如图所示。,正火,退火,淬火是将钢加热到临界点以上,保温后以大于Vk的速度冷却的热处理工艺。 目的:为了获得马氏体,提高钢的力学性能。,淬火,6.5 淬火,选择淬火温度的原则是获
15、得均匀细小的奥氏体。如图所示,一般淬火温度在临界点以上。,6.5.1 淬火加热温度, 对亚共析钢,淬火温度为Ac3+3050,淬火组织为马氏体,如图所示。,亚温淬火:加热温度在Ac1 Ac3之间,淬火组织为马氏体加铁素体,如图所示。亚温淬火也是一种强韧化处理方法。, 对共析钢和过共析钢, 淬火温度为Ac1+3050,组织为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体,如图所示, 对合金钢,一般淬火温度为临界点以上50100。提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化。,6.5.2 淬火介质, 为了保证得到马氏体组织,淬火速度必须大于临界冷却速度Vk,但往往会引起工件变形和开裂。 要想既得到
16、马氏体又避免变形和开裂,理想的淬火冷却曲线如图所示。, 最常用的淬火介质是水和油。 水是经济且冷却能力较强的淬火介质。如表所示冷却能力。,常用介质如表6-1和6-2所示。, 油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。 熔融状态的盐也常用作淬火介质,称作盐浴。这类介质只 适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火。 近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液等淬火介质。,6.5.3 淬火方法,常用淬火方法如图所示。 1)单液淬火法 将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法,如水淬、油淬等。,3)分级淬火法 将加热的工件在Ms点附近(150260)的盐浴或碱
17、浴中淬火,然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂,是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。,2)双液淬火法 将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却至高于MS线(300),然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。 双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。,4)等温淬火 将加热工件在稍高于Ms点附近温度(260400)的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。其特点是工件具有良好的综合力学性能,一般不必回火。多用于形状复杂和要求较高的小件。,6.6 钢的淬透性,淬透性:钢在淬火时能够获得M体的能力,它是钢材本身固有的
18、属性,取决于M体的临界冷却速度 通常用淬透层深度来表示(在相同的加热条件下) 淬透层深度:从工件表面到半M体层的深度,6.6.1 淬透性的概念,钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能。, 淬透性高的钢,其力学性能沿截面均匀分布。 淬透性低的钢,其截面心部的力学性能低。,6.6.2 淬透性对钢力学性能的影响,6.6.3 影响淬透性的因素,(1)含碳量 亚共析钢,含碳量增加,奥氏体的稳定性增大,曲线右移,淬透性提高 过共析钢,随着含碳量增加,奥氏体的稳定性降低,曲线左移,淬透性降低(未溶渗碳体促进奥氏体分解) (2)合金元素 除Co外,绝大多数合金元素溶入奥氏体后,都使曲线右移,形状也可能会发生改
19、变,使淬透性提高 (3)加热温度和保温时间 随加热温度的提高和保温时间的延长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,晶粒粗大(总形核部位减少),这些都增加过冷奥氏体的稳定性,使曲线右移,提高了钢的淬透性 (4)钢中未溶第二相 未溶第二相越多,作为结晶核心,使A体不稳定,C曲线左移,淬透性下降,6.6.4 淬透性的测定和表示方法, 淬透性的测定方法 测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法。 A. 将25100mm的标准试样经奥氏体化后,对末端进行喷水冷却。如图所示。,B .按规定方法测定硬度值,作出淬透性曲线; C .利用钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图,和淬透性曲线图可找出其淬透性的大小。, 淬
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