鋼的熱處理ppt課件

鋼的熱處理HeatTreatmentofSteels,主要內(nèi)容：熱處理的基本概念鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼的退火與正火鋼的淬火與回火鋼的表面熱處理,熱處理原理,熱處理工藝,鋼鐵材料是工程材料中最重要的材料之一，在機(jī)械制造業(yè)中的比例達(dá)到90%左右，在汽車制造業(yè)中的比例達(dá)到70%，在其他制造業(yè)中也是最重要的材料之一。改善鋼鐵材料性能的途徑：合金化（Alloying）通過在鋼中加入合金元素，調(diào)整鋼的化學(xué)成分，從而獲得優(yōu)良的性能。熱處理（HeatTreatment）將金屬在固態(tài)下經(jīng)加熱、保溫和冷卻，以改變金屬的內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，從而獲得優(yōu)良的性能。,第一節(jié)熱處理的基本概念一、熱處理的定義熱處理是指金屬在固態(tài)下經(jīng)加熱、保溫和冷卻，以改變金屬的內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的一種工藝過程。,加熱,保溫,冷卻,臨界溫度,鋼的熱處理熱處理的基本概念,二、熱處理的基本要素和作用熱處理的三大要素加熱（Heating）目的是獲得均勻細(xì)小的奧氏體組織。保溫（Holding）目的是保證工件燒透，并防止脫碳和氧化等。冷卻（Cooling）目的是使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。熱處理后的組織加熱、保溫后的奧氏體在隨后的冷卻過程中，根據(jù)冷卻速度的不同將轉(zhuǎn)變成不同的組織。不同的組織具有不同的性能。,鋼的熱處理熱處理的基本概念,熱處理的特點(diǎn)熱處理不改變工件的形狀，僅改變鋼的內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，從而改變鋼的性能。熱處理的作用改善鋼（工件）的力學(xué)性能或工藝性能，充分發(fā)揮鋼的性能潛力，提高工件質(zhì)量，延長工件壽命。重要結(jié)論：材料是否能夠通過熱處理而改善其性能，關(guān)鍵條件是材料在加熱和冷卻過程中是否發(fā)生組織和結(jié)構(gòu)的變化。,鋼的熱處理熱處理的基本概念,普通熱處理(整體熱處理),退火,表面淬火,熱處理工藝,化學(xué)熱處理,表面熱處理,其他熱處理,控制氣氛熱處理,真空熱處理,形變熱處理,三、熱處理的類型1.按加熱、冷卻方式及鋼的組織、性能不同分類,正火,淬火,回火,感應(yīng)加熱表面淬火,火焰加熱表面淬火,電接觸加熱表面淬火,滲碳,滲氮（氮化）,碳氮共滲,鋼的熱處理-熱處理的基本概念,2.按熱處理在工件生產(chǎn)過程中的位置和作用不同分類,預(yù)備熱處理：為隨后的加工或熱處理作準(zhǔn)備,熱處理工藝,最終熱處理：賦予工件所需的力學(xué)性能,毛坯（鍛件）,預(yù)備熱處理（退火、正火）,機(jī)加工（車削）,最終熱處理（淬火、回火）,精加工（磨削）,鋼的熱處理熱處理的基本概念,舉例：零件的典型加工工藝路線：,A1,A3,Acm,Ac1,Ar1,Ac3,Ar3,Arcm,Accm,四、鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度（CriticalTemperatureofSteels）,鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度是鋼在熱處理時(shí)制定加熱、保溫、冷卻工藝的重要依據(jù)，由鐵碳合金相圖確定。重要結(jié)論：鋼的實(shí)際臨界轉(zhuǎn)變溫度總是滯后于理論臨界轉(zhuǎn)變溫度,即加熱時(shí)需要過熱，冷卻時(shí)需要過冷。,鋼的熱處理熱處理的基本概念,第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變兩種加熱方式：,鋼的熱處理鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變,加熱,保溫,冷卻,Ac1,細(xì)小的奧氏體組織。該過程又稱為鋼的奧氏體化（Austenitizing）。,第種加熱方式發(fā)生在臨界溫度Ac1以上，一定有組織轉(zhuǎn)變，是一種相變過程。第種加熱方式發(fā)生在臨界溫度Ac1以下，不一定有組織轉(zhuǎn)變。加熱的目的：本節(jié)介紹第種加熱過程，目的是使鋼從室溫組織（如珠光體）轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，即獲得均勻,相變（PhaseTransformation）：材料中的一種相在一定條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。,加熱,保溫,冷卻,第四節(jié)鋼的退火與正火一、退火（Annealing）1.退火的定義退火是將鋼加熱至臨界點(diǎn)Ac1以上或以下溫度，保溫后緩慢冷卻下來以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。2.退火的目的調(diào)整硬度以便切削加工適于機(jī)加工的硬度：HB170230。消除殘余內(nèi)應(yīng)力防止工件淬火時(shí)變形或開裂。細(xì)化晶粒，改善組織為最終熱處理（淬火和回火）作組織準(zhǔn)備獲得粒（球）狀珠光體。,鋼的熱處理鋼的退火與正火,通常是隨爐冷卻,3.退火的種類第一類退火：目的和作用：不以組織轉(zhuǎn)變?yōu)槟康?，使鋼的不平衡狀態(tài)過渡到平衡狀態(tài)。種類：擴(kuò)散退火、再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火。第二類退火：目的和作用：以改變組織和性能為目的，獲得以珠光體為主的組織，并使鋼中的珠光體、鐵素體和碳化物等組織形態(tài)及分布達(dá)到要求。種類：完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火。,鋼的熱處理鋼的退火與正火,鋼的熱處理鋼的退火與正火,完全退火（CompleteAnnealing）工藝規(guī)范：加熱溫度：Ac3+30C50C。適用范圍：亞共析成分的鋼。,保溫,加熱,Ac3,600C,空,30C50C,冷,鋼的熱處理鋼的退火與正火,等溫退火（IsothermalAnnealing）工藝規(guī)范：加熱溫度：對(duì)亞共析成分的鋼，Ac3+30C50C；對(duì)過共析成分的鋼，Ac1+30C50C。適用范圍：亞共析鋼、（尤其是）合金鋼。,保溫,加熱,Ac3或Ac1,AP轉(zhuǎn)變溫度區(qū),等溫,30C50C,空,冷,特點(diǎn)：大大縮短工件在爐內(nèi)的時(shí)間。,臨界溫度,球化退火（SpheriodizingAnnealing）工藝規(guī)范：加熱溫度：Ac1附近。目的：使鋼中的滲碳體或碳化物球狀化，以獲得粒（球）狀珠光體。適用范圍：共析成分和過共析成分的鋼。擴(kuò)散退火（DiffusingAnnealing）又稱為均勻化退火（HomogenizingAnnealing）。工藝規(guī)范：加熱溫度：略低于相圖上的固相線。目的：消除偏析。,鋼的熱處理鋼的退火與正火,二、正火（Normalizing）1.正火的定義正火是將鋼加熱至Ac3或Accm+30C50C，保溫后空冷以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。與退火相比，正火冷卻速度快，得到較細(xì)的P，強(qiáng)度和硬度也較高。2.正火的目的正火的目的與退火基本相同。3.正火的應(yīng)用消除網(wǎng)狀二次滲碳體。作為要求不高的零件的最終熱處理。作為低、中碳結(jié)構(gòu)鋼的預(yù)備熱處理，改善切削加工性能。,鋼的熱處理鋼的退火與正火,三、退火和正火的選用wC%0.25%的低碳鋼宜采用正火代替退火作為預(yù)備熱處理。0.25%wC%0.50%的中碳鋼，可采用退火或正火作為預(yù)備熱處理。0.50%wC%0.75%的中、高碳鋼，采用完全退火。wC%0.75%的高碳鋼，首先用正火消除網(wǎng)狀Fe3C，再進(jìn)行球化退火。退火和正火通常屬于預(yù)備熱處理。,鋼的熱處理鋼的退火與正火,鋼的熱處理鋼的退火與正火,A,FA,AFe3C,PFe3C,FP,P,第五節(jié)鋼的淬火與回火淬火和回火通常屬于最終熱處理。一、淬火（Quenching）1.淬火的定義淬火是將鋼加熱至Ac3或Ac1以上一定溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度vk冷卻下來，以獲得馬氏體的熱處理工藝。2.淬火的目的獲得馬氏體（有時(shí)也可以是下貝氏體），提高鋼的硬度和耐磨性。淬火是鋼的最重要的熱處理工藝。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,3.淬火工藝參數(shù)淬火溫度淬火溫度，或稱淬火加熱溫度，即是鋼的奧氏體化溫度。確定淬火溫度的原則：獲得均勻細(xì)小的奧氏體。確定淬火溫度的依據(jù)：Fe-Fe3C相圖。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,各類鋼淬火溫度的確定：亞共析鋼：Ac3+30C50C共析鋼和過共析鋼：Ac1+30C50C合金鋼：臨界溫度以上50C100C,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,加熱時(shí)間加熱時(shí)間由升溫時(shí)間和保溫時(shí)間組成。確定加熱時(shí)間的原則：保證工件內(nèi)外溫度一致，奧氏體化過程充分，奧氏體均勻細(xì)小。確定加熱時(shí)間的依據(jù)：通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算或通過實(shí)驗(yàn)確定。淬火介質(zhì)兩個(gè)方面的問題：冷卻速度大，容易獲得馬氏體。冷卻速度大，內(nèi)應(yīng)力大，工件變形和開裂的傾向大。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,理想淬火介質(zhì)的冷卻特性：當(dāng)冷卻至“鼻尖”溫度前冷卻較慢，以充分降低熱應(yīng)力。在“鼻尖”溫度附近具有較大的冷卻能力，避免產(chǎn)生非馬氏體組織。在Ms點(diǎn)附近冷卻盡量緩慢，以減少馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,常用淬火介質(zhì)：水特點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)，冷卻能力較強(qiáng)，但在Ms點(diǎn)附近冷速過快。適用范圍：碳鋼。鹽水：鹽或堿的水溶液，高溫冷卻能力比水強(qiáng)，適用于碳鋼。油特點(diǎn)：低溫區(qū)（Ms點(diǎn)附近）冷速緩慢，可有效降低變形和開裂傾向，但高溫區(qū)冷卻能力較低。適用范圍：合金鋼。種類：錠子油、機(jī)油、柴油。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,（1）單液淬火（SimpleQuenching）操作簡單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。用于尺寸不大、形狀簡單的工件。淬火后組織：M（2）雙液淬火（DoubleQuenching）操作復(fù)雜，不易掌握。用于形狀復(fù)雜的高碳鋼及尺寸較大的合金鋼工件。淬火后組織：M（3）分級(jí)淬火（BrokenQuenching）工藝較復(fù)雜。用于尺寸較大、形狀復(fù)雜的合金鋼工件。淬火后組織：M（4）等溫淬火（IsothermalQuenching）用于形狀復(fù)雜和要求較高的小工件。淬火后組織：B下,4.淬火方法,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,5.鋼的淬透性淬透性（Hardenability）的概念鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時(shí)獲得淬透層深度的能力。簡單地講，淬透性就是鋼淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,淬透性的量度：淬透性的大小用規(guī)定條件下鋼淬火后獲得的淬硬層的深度表示。淬硬層深度：由工件表面到半馬氏體區(qū)域的深度。,影響淬透性的因素淬透性的高低取決于鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性。過冷奧氏體的穩(wěn)定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。什么因素影響過冷奧氏體的穩(wěn)定性？C曲線的位置。C曲線右移，淬火臨界冷卻速度減小，淬透性提高。重要結(jié)論：凡是使鋼的C曲線向右移的因素，均提高鋼的淬透性。最主要因素：化學(xué)成分除Co外，所有溶入奧氏體中的合金元素均提高淬透性。含碳量愈接近共析成分的碳鋼，其C曲線愈靠右，淬透性越高。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,淬透性與淬硬性（HardeningCapacity）的區(qū)別：淬透性表示鋼淬火后獲得淬透層深度的能力，取決于鋼本身。淬硬性表示鋼淬火后所能達(dá)到的最高硬度，取決于鋼的含碳量。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,幾種典型鋼種淬透性與淬硬性的比較,淬透性的測定及其表示方法（1）末端淬火試驗(yàn)（End-quenchHardenabilitytest）法通過端淬試驗(yàn)測定淬透性，淬透性的數(shù)值為。（2）臨界淬透直徑（CriticalQuenchDiameter）法用鋼在某種淬火介質(zhì)中能夠完全淬透的最大直徑D0表示。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,二、回火（Tempering）回火是緊接淬火之后的一種最終熱處理工藝。淬火鋼為什么要回火？鋼淬火后的組織是什么？馬氏體殘余奧氏體，均為亞穩(wěn)定的組織，在一定條件下要轉(zhuǎn)變。馬氏體的性能怎樣？馬氏體硬度高、脆性大（尤其是高碳針狀馬氏體），性能不能滿足工件的使用要求。馬氏體轉(zhuǎn)變有什么特點(diǎn)？馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，工件淬火后內(nèi)部有殘余內(nèi)應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致工件的變形或開裂。結(jié)論：淬火后的工件不能直接使用！,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,1.回火的定義回火是將淬火鋼加熱到Ac1以下某一溫度，保溫后再冷卻到室溫的一種熱處理工藝。2.回火的目的降低或消除殘余內(nèi)應(yīng)力防止工件變形或開裂。減少或消除殘余奧氏體穩(wěn)定組織，穩(wěn)定工件的尺寸。消除淬火鋼的脆性調(diào)整工件的組織和性能，滿足工件的使用要求。特別提示：鋼淬火后應(yīng)及時(shí)回火。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,3.淬火鋼在回火時(shí)的轉(zhuǎn)變回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,第一階段：馬氏體的分解溫度范圍：100C200C，組織：回火馬氏體。,第二階段：殘余奧氏體的分解溫度范圍：200C300C，組織：回火馬氏體。,第三階段：碳化物類型的轉(zhuǎn)變溫度范圍：250C400C，組織：回火托氏體。,第四階段：滲碳體的聚集長大和相的再結(jié)晶溫度范圍：400C，組織：回火索氏體。,回火的四個(gè)階段,6.5鋼的淬火與回火,4.回火工藝低溫回火（LowTempering）目的：降低淬火應(yīng)力，改善工件韌性，獲得高硬度和高耐磨性。溫度：150C250C。組織：M回。性能：硬度：HRC5864。高的硬度和高的耐磨性。應(yīng)用：工具、模具、軸承、滲碳工件、表面淬火工件等。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,6.5鋼的淬火與回火,中溫回火（MediumTempering）目的：提高工件韌性，獲得高的彈性極限和屈服強(qiáng)度。溫度：350C500C。組織：T回。性能：硬度：HRC3545。高的彈性，高的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，足夠的韌性。應(yīng)用：各種彈簧。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,6.5鋼的淬火與回火,高溫回火（HighTempering）目的：獲得高的韌性，足夠的強(qiáng)度和硬度。溫度：500C600C。組織：S回。性能：硬度：HRC2535。良好的綜合力學(xué)性能。應(yīng)用：軸、齒輪、連桿等。調(diào)質(zhì)處理（ThermalRefining）：淬火加高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì)。鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有良好的綜合性能，應(yīng)用廣泛。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,5.回火脆性（TemperBrittleness）淬火鋼在某些溫度回火時(shí)，其沖擊韌性顯著下降的現(xiàn)象稱為回火脆性。第一類回火脆性出現(xiàn)的溫度范圍：250C350C。特點(diǎn)：淬火鋼一旦在這一溫度范圍回火，就極可能產(chǎn)生這類回火脆性，且無法消除。解決辦法：避免將淬火鋼在該溫度范圍內(nèi)回火。第一類回火脆性又稱為低溫回火脆性、不可逆回火脆性。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,第二類回火脆性出現(xiàn)的溫度范圍：500650C。特點(diǎn)：淬火鋼在這一溫度范圍內(nèi)回火后，如果緩冷則會(huì)出現(xiàn)回火脆性，如果快冷則不產(chǎn)生回火脆性。解決辦法：產(chǎn)生第二類回火脆性的鋼可重新回火后進(jìn)行快速冷卻。第二類回火脆性又稱為高溫回火脆性、可逆回火脆性。,鋼的熱處理鋼的淬火與回火,第六節(jié)鋼的表面熱處理很多零件要求表面和心部具有不同的性能。舉例：齒輪。,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,受力分析：嚙合的齒表面受到很大的接觸應(yīng)力和磨擦力，只有表面具有很高的硬度，才能滿足要求。嚙合的齒表面受到交變應(yīng)力，只有表面具有很高的接觸疲勞強(qiáng)度，才能滿足要求。嚙合的齒受到彎曲應(yīng)力和時(shí)有的沖擊載荷，只有齒心部具有高的韌性和足夠的強(qiáng)度，才能保證不斷齒，滿足要求。,齒輪的性能要求：表面：要求具有高的硬度、高的耐磨性和高的接觸疲勞強(qiáng)度。心部：要求具有良好的塑性、韌性和足夠的強(qiáng)度。即賦予齒輪“表硬內(nèi)韌”的性能組合。問題：選擇何種鋼，采用何種熱處理可以滿足“表硬內(nèi)韌”呢？選擇高碳鋼，采用普通（整體）熱處理，行嗎？選擇中碳鋼，采用普通（整體）熱處理，行嗎？選擇低碳鋼，采用普通（整體）熱處理，行嗎？答案：NO!,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,怎么辦？選擇合適的鋼，采用表面熱處理！,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,?,表面淬火或化學(xué)熱處理,一、鋼的表面淬火（SurfaceQuenchingofSteels）1.表面淬火的定義表面淬火是在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織的情況下，利用快速加熱將表面層奧氏體化后進(jìn)行淬火，以強(qiáng)化工件表面的熱處理工藝。2.表面淬火用材料及表面淬火后的組織表面淬火用材料典型材料：中碳鋼和中碳合金鋼。預(yù)備熱處理典型工藝：調(diào)質(zhì)處理。如果心部性能要求不高，可采用正火。表面淬火后的組織預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)：表面M回，心部S回。預(yù)備熱處理為正火：表面M回，心部FS。,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,3.感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火的基本原理集膚效應(yīng)：當(dāng)感應(yīng)線圈中的交變電流在工件表面感生出感應(yīng)電流時(shí)，該感應(yīng)電流絕大部分分布在工件表面，而工件內(nèi)部幾乎沒有電流通過，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱表面淬火原理：基于集膚效應(yīng)，工件表面被迅速加熱到奧氏體化溫度（幾秒鐘即升至8001000C），而工件內(nèi)部幾乎未被加熱，隨后噴水冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火。,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,感應(yīng)加熱表面淬火示意圖,感應(yīng)電流透入工件表面層的深度：取決于交變電流的頻率。：感應(yīng)電流的透入深度（mm）；：工件的電阻率（mm2/m）；：工件的磁導(dǎo)率（H/m）；f：交變電流的頻率（Hz）。,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,感應(yīng)加熱表面淬火的種類（1）高頻感應(yīng)加熱電流頻率：250300kHz。淬硬層深度：0.52.0mm。應(yīng)用：中、小模數(shù)齒輪及中、小尺寸的軸件。（2）中頻感應(yīng)加熱電流頻率：25008000kHz。淬硬層深度：210mm。應(yīng)用：較大尺寸的軸和大、中模數(shù)齒輪。（3）工頻感應(yīng)加熱電流頻率：50Hz。淬硬層深度：1015mm。應(yīng)用：要求淬硬層很深的工件。,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)加熱溫度高，加熱時(shí)間短，升溫快?？蓪?shí)現(xiàn)“短時(shí)快速加熱”。工件表層奧氏體晶粒細(xì)小。淬火后，表層多為隱晶馬氏體，硬度比普通淬火高HRC23。工件表面質(zhì)量好。加熱時(shí)間短，不易氧化和脫碳，同時(shí)淬火變形小。工件疲勞強(qiáng)度高。表面層M相變產(chǎn)生壓應(yīng)力。工作效率高。適用于大批量生產(chǎn)。,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,感應(yīng)加熱表面淬火生產(chǎn)實(shí)景,二、鋼的化學(xué)熱處理（ChemicalHeatTreatmentofSteels）1.化學(xué)熱處理的定義化學(xué)熱處理是將鋼工件放在一定的活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，從而改變工件表面化學(xué)成分和組織，進(jìn)而改變其性能的熱處理工藝。2.化學(xué)熱處理的基本過程分解加熱時(shí)，活性介質(zhì)分解出活性原子。吸收活性原子被鋼件表面吸附并向鋼的固溶體中溶解。擴(kuò)散鋼件表面吸收并溶解的活性原子向內(nèi)部遷移。,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,3.化學(xué)熱處理的分類,鋼的熱處理鋼的表面熱處理,化學(xué)熱處理,滲碳,滲氮（氮化）,碳氮共滲,滲硼,滲鉻,滲釩,滲鋁,滲入非金屬元素,滲入金屬元素,4.滲碳（C