工程材料學(xué)：第五章 鋼的熱處理2

1、工程材料,第五章 鋼的熱處理,影響 C 曲線的因素,1.奧氏體中含碳量的影響,2.奧氏體中含合金元素的影響: 除Co、Al (2.5% ) 外,所有合金元素溶入奧氏體中,會(huì)引起,3.加熱溫度和保溫時(shí)間的影響: 加熱溫度越高, 保溫時(shí)間越長(zhǎng), 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 C曲線向右移,鋼的整體熱處理,根據(jù)加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分為： 普通熱處理（退火、正火、淬火、回火） 表面熱處理（表面淬火、化學(xué)熱處理,第三節(jié) 鋼的退火與正火,退火和正火是生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的預(yù)備熱處理工藝。 零件及工、模具的毛坯經(jīng)退火或正火后，可以消除

2、鑄件、鍛件及焊接件的內(nèi)應(yīng)力及成分與組織的不均勻性，改善和調(diào)整鋼的機(jī)械性能和工藝性能，為下道工序作好組織性能準(zhǔn)備。 對(duì)于一些受力不大、性能要求不高的機(jī)械零件，退火和正火可作為最終熱處理。 最終對(duì)于鑄件，退火和正火通常就是熱處理,一.鋼的退火(Annealing of steel,一)定義: 將鋼加熱至臨界點(diǎn)Ac1以上或以下溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。 二）目的 ：均勻鋼的化學(xué)成分及組織，細(xì)化晶粒，調(diào)整硬度，消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化，改善鋼的成形及切削加工性能，并為淬火做好組織準(zhǔn)備,1. 完全退火,是把鋼加熱至Ac3以上2030, 保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻(隨爐冷卻或埋

3、入石灰和砂中冷卻), 以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。 完全退火一般用于亞共析鋼（Wc0.30.6），其目的在于均勻組織、細(xì)化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。由于冷卻速度緩慢，還可消除內(nèi)應(yīng)力。 低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火。 低碳鋼完全退火后硬度降低，不利于切削加工； 過共析鋼加熱至Accm以上奧氏體狀態(tài)緩冷退火時(shí)，有網(wǎng)狀二次滲碳體析出，使鋼的強(qiáng)度、韌性和沖擊韌性顯著降低,2. 等溫退火,是將鋼件加熱到高于Ac3 (或Ac1 ) 的溫度, 保溫適當(dāng)時(shí)間后, 較快地冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度, 并等溫保持, 使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。 等溫退火適用于高碳鋼、合金工具鋼和高合

4、金鋼，不但可以達(dá)到和完全退火相同的目的, 而且有利于鋼件獲得均勻的組織和性能， 對(duì)于奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼, 可大大縮短退火時(shí)間。 但是對(duì)于大截面鋼件和大批量爐料，卻難以保證工件內(nèi)外達(dá)到等溫溫度，故不宜采用等溫退火,3. 球化退火,球化退火為使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝。 目的是使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化（退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并為以后的淬火作組織準(zhǔn)備。球化退火主要用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼。 過共析鋼若為層片珠光體和網(wǎng)狀滲碳體，不僅硬度高，難以切削加工，而且增大鋼的脆性，容易產(chǎn)生淬火變形及開裂；球化退火后得到粒狀珠光體。球化退火的加熱溫度

5、略高于Ac1。球化退火需要較長(zhǎng)的保溫時(shí)間來保證二次滲碳體的自發(fā)球化。保溫后隨爐冷卻,4. 擴(kuò)散退火,為減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學(xué)成分和組織不均勻性，將其加熱到略低于固相線（固相線以下100200）的溫度，長(zhǎng)時(shí)間保溫（10h15h），并進(jìn)行緩慢冷卻的熱處理工藝，稱為擴(kuò)散退火或均勻化退火。 由于擴(kuò)散退火需要在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱，因此奧氏體晶粒很粗大，因此一般再進(jìn)行完全退火或正火處理，以細(xì)化晶粒、消除過熱缺陷,5. 去應(yīng)力退火,為消除鑄造、鍛造、焊接和機(jī)加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應(yīng)力而進(jìn)行的低溫退火，稱為去應(yīng)力退火。 去應(yīng)力退火是將鋼件加熱至低于Ac1的某一溫度(一般為500650)，

6、保溫后隨爐冷卻, 這種處理可以消除約50%80%的內(nèi)應(yīng)力, 不引起組織變化,碳鋼各種退火和正火工藝規(guī)范示意圖,二.鋼的正火( Normalizing of steel,鋼材或鋼件加熱到Ac3(對(duì)于亞共析鋼)和Accm(對(duì)于過共析鋼)以上3050, 保溫適當(dāng)時(shí)間后, 在自由流動(dòng)的空氣中均勻冷卻的熱處理稱為正火。 正火后的組織：亞共析鋼為F+S, 共析鋼為S, 過共析鋼為S+Fe3CII,正火的目的是使鋼的組織正?；?，亦稱?；幚?，一般應(yīng)用于以下方面,作為最終熱處理 正火可以細(xì)化晶粒，使組織均勻化，減少亞共析鋼中鐵素體含量，使珠光體含量增多并細(xì)化，從而提高鋼的強(qiáng)度、硬度和韌性。 作為預(yù)先熱處理 截

7、面較大的合金結(jié)構(gòu)鋼件，在淬火或調(diào)質(zhì)處理（淬火加高溫回火）前常進(jìn)行正火， 以消除魏氏組織和帶狀組織，并獲得細(xì)小而均勻的組織。對(duì)于過共析鋼可減少二次滲碳體量，并使其不形成連續(xù)網(wǎng)狀，為球化退火作組織準(zhǔn)備。 改善切削加工性能,第四節(jié).鋼的淬火( Quenching of steel,將鋼加熱到相變溫度以上（亞共析鋼為Ac3以上3050；共析鋼和過共析鋼為Ac1以上3050），保溫一定時(shí)間后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝,鋼的淬火溫度范圍,常用的冷卻介質(zhì)是水和油。為了減少零件淬火時(shí)的變形，可用鹽浴作介質(zhì),常用的淬火方法有單介質(zhì)淬火，雙介質(zhì)淬火，分級(jí)淬火和等溫淬火等,1. 鋼的淬透性,鋼接受淬火時(shí)形

8、成馬氏體的能力叫做鋼的淬透性。 影響淬透性的因素： 碳含量 在碳鋼中，共析鋼的臨界冷速最小，淬透性最好；亞共析鋼隨碳含量減少，臨界冷速增加，淬透性降低；過共析鋼隨碳含量增加，臨界冷速增加，淬透性降低。 合金元素 除鈷以外，其余合金元素溶于奧氏體后，降低臨界冷卻速度，使C曲線右移，提高鋼的淬透性，因此合金鋼往往比碳鋼的淬透性要好,影響淬透性的因素： 奧氏體化溫度 提高奧氏體化溫度，將使奧氏體晶粒長(zhǎng)大、成分均勻，可減少珠光體的生核率，降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。 鋼中未溶第二相 鋼中未溶入奧氏體中的碳化物、氮化物及其它非金屬夾雜物，可成為奧氏體分解的非自發(fā)核心，使臨界冷卻速度增大，降低淬透

9、性,鋼材經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后, 淬透性好的鋼棒整個(gè)截面都是回火索氏體, 機(jī)械性能均勻, 強(qiáng)度高, 韌性好，而淬透性差的鋼心部為片狀索氏體+鐵素體, 只表層為回火索氏體, 心部強(qiáng)韌性差,a)完全淬透; (b)淬透較大厚度; (c)淬透較小厚度,淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能的比較,第五節(jié).鋼的回火( Tempering of steel,鋼件淬火后, 為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能, 將其加熱到Ac1以下某一溫度, 保溫一定時(shí)間, 然后冷卻到室溫的熱處理工藝 。 主要目的是減少或消除淬火應(yīng)力，保證相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足各種用途工件的性能要求

10、。 對(duì)于一般碳鋼和低合金鋼，根據(jù)工件的組織和性能要求，回火有低溫回火、中溫回火和高溫回火幾種,1. 低溫回火,回火溫度為150250。在低溫回火時(shí)，從淬火馬氏體內(nèi)部會(huì)析出碳化物薄片（Fe2.4C), 馬氏體的過飽和度減小。部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w, 但量不多。所以低溫回火后組織為回火馬氏體殘余奧氏體。下貝氏體可忽略。 低溫回火的目的是降低淬火應(yīng)力，提高工件韌性，保證淬火后的高硬度(一般為58HRC64HRC)和高耐磨性。 使用于刀具、量具、滾動(dòng)軸承、滲碳件及高頻表面淬火工件,2. 中溫回火,回火溫度為350500，得到鐵素體基體與大量彌散分布的細(xì)粒狀滲碳體的混合組織，叫做回火屈氏體(回火T

11、)。鐵素體仍保留馬氏體的形態(tài)，滲碳體比回火馬氏體中的碳化物粗。 回火屈氏體具有高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，同時(shí)也具有一定的韌性，硬度一般為35HRC45HRC。 主要用于各種彈簧零件及熱鍛模具,3. 高溫回火,回火溫度為500650, 得到粒狀滲碳體和鐵素體基體的混和組織, 稱回火索氏體。 回火索氏體(回火S)綜合機(jī)械性能最好, 即強(qiáng)度、塑性和韌性都比較好，硬度一般為25HRC35HRC。通常把淬火加高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。 鋼在回火時(shí)會(huì)產(chǎn)生回火脆性現(xiàn)象, 即在250400（第一類回火脆性，不可逆回火脆性，幾乎所有鋼都存在這類回火脆性，應(yīng)避免在該溫度區(qū)間回火）和450650（第二類回火脆性，可通過高

12、于脆化溫度的再次回火后經(jīng)快速冷卻予以消除）兩個(gè)溫度區(qū)間回火后, 鋼的沖擊韌性明顯下降,高溫回火主要適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制作曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車半軸、機(jī)床主軸及齒輪等重要的機(jī)器零件。這些機(jī)器零件在使用中要求較高的強(qiáng)度并能承受沖擊和交變負(fù)荷的作用。 除了上述三種回火工藝外，某些不能通過退火來軟化的高合金鋼，可以在600680進(jìn)行軟化回火,鋼回火時(shí)性能的變化,鋼的硬度隨回火溫度的變化,40鋼機(jī)械性能與回火溫度的關(guān)系,淬火鋼中馬氏體的碳含量、殘余奧氏體量、 內(nèi)應(yīng)力及碳化物粒子大小與回火溫度的關(guān)系,工藝參數(shù),淬火 + 高溫回火 = 調(diào)質(zhì)處理,淬火 + 高溫回火 = 調(diào)質(zhì)處理,回火索

13、氏體組織金相圖,回火屈氏體組織金相圖,回火馬氏體組織金相圖,第七節(jié) 材料表面處理技術(shù),表面淬火 化學(xué)熱處理,工藝的核心:使零件具有“表硬里韌” 的力學(xué)性能,一.表面淬火( Surface Hardening,一) 定義:是一種不改變鋼表層化學(xué)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(yīng)加熱( 高、中、工頻 )、火 焰加熱、電接觸加熱法等,1.感應(yīng)加熱表面淬火,1)感應(yīng)加熱的基本原理,感應(yīng)

14、電流 - 渦流,集膚效應(yīng),2)工藝要求: * 表面淬火前,必須對(duì)零件進(jìn)行正火 或調(diào)質(zhì)處理,以保證零件有良好的 基體。 * 表面淬火后,必須對(duì)零件進(jìn)行低溫 回火處理,以降低淬火應(yīng)力和脆性,3)生產(chǎn)特點(diǎn): 淬火件的質(zhì)量好; 工件變 形小;不易氧化及脫碳;淬火層容易 控制;生產(chǎn)率高。設(shè)備投資大,不適 于復(fù)雜形狀零件和小批量生產(chǎn),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(diǎn),設(shè)備簡(jiǎn)單, 操作方便, 成本低。 *淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。 *適于單件、小批量及大型零件的生產(chǎn),二.化學(xué)熱處理 ( Chemical Heat Treatment,一)定義:將零件置于一定的化學(xué)介質(zhì)

15、中 , 通過加熱、保溫,使介質(zhì) 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(xué)成分和組織的熱處理工藝,二) 化學(xué)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(kuò)散: 活性原子由零件表面向內(nèi)部擴(kuò) 散, 形成一定的擴(kuò)散層,三) 化學(xué)熱處理進(jìn)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(kuò)散能力,2. 零件本身具有吸收滲入原子的能力, 即對(duì)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(xué)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 ( Carburize of steel,1)定義:

16、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,氣體滲碳法示意圖,5)工藝: 加熱溫度為900950; 滲碳時(shí)間一般為39小時(shí),6)滲碳后的組織,20鋼滲碳緩冷組織 ( 化染 ) 580 表層珠光體 + 網(wǎng)狀滲碳體; 中層珠光體; 內(nèi)層鐵素體 + 珠光體,7) 滲碳后的熱處理工藝,淬火,7) 滲碳后的熱處理工藝,8) 熱處理后的組織,低碳M回+F,M回+Cm+A殘,低碳 合金鋼,F+P,M回+Fe3C+A殘,低碳鋼,9)常用的鋼種: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18C

17、r2Ni4WA等,20CrMnTi 鋼滲碳層組織 ( 化染 ) 320 滲碳體( 白色塊狀 ) + 高碳M( 蘭色針狀 ) + 殘余A( 棕黃色,2.鋼的滲氮 ( Nitridation of steel,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500600; 保溫時(shí)間0.30.5mm/2050h,6)熱處理特點(diǎn): 滲氮前需調(diào)質(zhì)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 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌鋼 ) 等,38 CrMoAl 氣體滲氮層組織 ( 化染 ) 650 黃色區(qū) : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 紅色區(qū) : ( Fe4N ) ; 藍(lán)綠色區(qū):含氮索氏體 + 脈狀氮化物; 綠黃色區(qū):索氏體基體,越王勾踐劍,春秋晚期越國(guó)青銅兵器, 出土于湖北江陵楚墓。 長(zhǎng)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(diǎn),滲碳與滲氮的工藝特點(diǎn),滲碳與滲氮的工藝特點(diǎn),3.鋼的碳氮共滲-氰