鋼的熱處理和表面改性

1、教師：教師： 吉華吉華四川大學(xué)化工學(xué)院四川大學(xué)化工學(xué)院3 鋼的熱處理和表面改性3.1 鋼在熱處理時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在熱處理時(shí)的組織轉(zhuǎn)變n熱處理就是將固態(tài)金屬以一定的升溫速度加熱到既定溫度，保溫一定時(shí)間，再以一定的降溫速度冷卻的工藝方法n實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度與相圖有所區(qū)別u相圖只是平衡狀態(tài)的情況，就是在及其緩慢的冷卻或者加熱過程中才能達(dá)到的狀態(tài)，在實(shí)際鋼鐵生產(chǎn)和熱冷加工過程中的溫度變化較快的條件下 u實(shí)際加熱溫度都偏高、冷卻溫度都偏低，加熱和冷卻速度越大，這種差別越大，這使得鋼在熱處理時(shí)的臨界點(diǎn)偏離了相圖中的臨界點(diǎn) 加熱時(shí)相變溫度=3.1.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變3.1.1 鋼在加熱時(shí)的

2、組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變n奧氏體形成的三個(gè)階段u形核過程u首先形成在鐵素體與滲碳體的界面處，因?yàn)榻缑嫣幊煞州^不均勻，原子排列最不規(guī)則，為產(chǎn)生A準(zhǔn)備了濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏的有利條件u長(zhǎng)大和均勻化 u從宏觀上看A的轉(zhuǎn)變主要：晶格發(fā)生變化；晶體含碳量變化n 影響奧氏體形成速度的因素u加熱速度與加熱溫度：溫度；速度 奧氏體化越快u含碳量和合金元素：C 轉(zhuǎn)變u合金元素不影響基本過程，但影響轉(zhuǎn)變速度時(shí)間時(shí)間溫溫度度3.1.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變n影響奧氏體晶粒度的因素u加熱溫度保溫時(shí)間u加熱溫度 A晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì) ；但是有利于A的形成和均勻化u保溫時(shí)間 A晶粒粗大；只需使材料均勻化的

3、最短時(shí)間u合金元素(Pg40)u本質(zhì)晶粒度u原始組織u片狀P： 轉(zhuǎn)變 ，長(zhǎng)大u粒狀P： 轉(zhuǎn)變 ，長(zhǎng)大 3.1.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變3.1.2 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變n冷卻方式u等溫冷卻 u連續(xù)冷卻 n過冷奧氏體n等溫轉(zhuǎn)變曲線共析鋼過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖 (a)珠光體珠光體 3800 (b) 索氏體索氏體 8000 (c)屈氏體屈氏體 8000 A1650 ： 珠光體 650600：索氏體600550：屈氏體 片層越細(xì)硬度、強(qiáng)度、塑性上升 高溫轉(zhuǎn)變區(qū)高溫轉(zhuǎn)變區(qū)(A1550)n滲碳體呈層片狀分布在鐵素體基體上轉(zhuǎn)變溫度越低，層間距越小n奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

4、擴(kuò)散型的生核、長(zhǎng)大過程,是通過碳、鐵的擴(kuò)散和晶體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的雙C線=u350550區(qū)間形成的稱為上貝氏體u350 Ms區(qū)間內(nèi)形成的稱為下貝氏體n貝氏體是滲碳體分布在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物n 奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變屬于半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，鐵原子不擴(kuò)散而碳原子有一定擴(kuò)散能力 中溫轉(zhuǎn)變區(qū)中溫轉(zhuǎn)變區(qū)(550 Ms)上貝氏體=下貝氏體=雙C線=n馬氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)u馬氏體就是碳在-Fe中的過飽和固溶體u非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變：僅僅是點(diǎn)陣的改組，沒有化學(xué)成分的改變與擴(kuò)散，無孕育期，晶粒度取決于A的晶粒度u變溫轉(zhuǎn)變：在MSMf范圍內(nèi)完成，在某一溫度停留不能使M增多 u轉(zhuǎn)變不完全性：即使降到Mf下，也不能完全轉(zhuǎn)變

5、，殘余的A，塑性、韌性 ，硬度 ；但不穩(wěn)定，可能引起尺寸的變化u體積 內(nèi)應(yīng)力開裂雙C線=低溫轉(zhuǎn)變區(qū)低溫轉(zhuǎn)變區(qū)(MsMf)馬氏體形成=馬氏體=n高碳馬氏體u顯微形貌呈針狀/竹葉狀，故又稱針狀馬氏體；u硬度高、塑性和韌性很差n低碳馬氏體u顯微形貌呈板條狀，故又稱板條馬氏體u強(qiáng)度高、硬度不高、塑性和韌性較好，應(yīng)用廣泛 馬氏體的形態(tài)馬氏體的形態(tài) 0.6%1% 低碳馬氏體的組織形態(tài) 高碳馬氏體的組織形態(tài) 針狀馬氏體 板條馬氏體板條馬氏體+針狀馬氏體n意義u過冷度對(duì)奧氏體完成轉(zhuǎn)變所需時(shí)間的影響u過冷度對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變準(zhǔn)備時(shí)間的影響u不同溫度下，奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也有極大的區(qū)別n應(yīng)用u計(jì)算全部奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所必

6、需的最小冷卻速度u可以推斷連續(xù)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物組成u各種不同的鋼種，C線不同u可以按工件所需要性能，決定不同的等溫處理及保溫時(shí)間過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的意義和應(yīng)用過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的意義和應(yīng)用 n退火就是將鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1以上或者在臨界點(diǎn)以下某一既定溫度保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般是隨爐冷卻）u完全退火u“完全”是指退火時(shí)鋼的內(nèi)部組織全部進(jìn)行了重結(jié)晶u通過完全退火來細(xì)化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，便于切削加工，并為加工后零件的淬火作好組織準(zhǔn)備。完全退火完全退火只適用于亞共析鋼，不宜用于過共析鋼u等溫退火u等溫退火與完全退火加熱溫度完全相同，只是冷卻的方式有差別 3.2.1 鋼的

7、退火和正火鋼的退火和正火3.2.1 鋼的退火和正火鋼的退火和正火u球化退火u球化退火主要適用于共析鋼和過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。這些鋼經(jīng)軋制、鍛造后空冷，所得組織是片層狀珠光體與網(wǎng)狀滲碳體，這種組織硬而脆，不僅難以切削加工，且在以后淬火過程中也容易變形和開裂。而經(jīng)球化退火得到的是球狀珠光體組織，其中的滲碳體呈球狀顆粒，彌散分布在鐵素體基體上，和片狀珠光體相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加熱時(shí)，奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大，冷卻時(shí)工件變形和開裂傾向小u擴(kuò)散退火u擴(kuò)散退火又稱均勻化退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻

8、現(xiàn)象的熱處理工藝u去應(yīng)力退火3.2.1 鋼的退火和正火鋼的退火和正火n正火是將鋼加熱到Ac3 以上3050（亞共析鋼）或Accm以上3050（過共析鋼），保溫一定時(shí)間后在空氣中冷卻，得到索氏體組織u用于低碳鋼，正火后硬度略高于退火，韌性也較好，可作為切削加工的預(yù)處理u用于中碳鋼，可代替調(diào)質(zhì)處理作為最后熱處理，也可作為用感應(yīng)加熱方法進(jìn)行表面淬火前的預(yù)備處理u用于工具鋼、軸承鋼、滲碳鋼等，可以消降或抑制網(wǎng)狀碳化物的形成，從而得到球化退火所需的良好組織3.2.1 鋼的退火和正火鋼的退火和正火u用于鑄鋼件，可以細(xì)化鑄態(tài)組織，改善切削加工性能u用于大型鍛件，可作為最后熱處理，從而避免淬火時(shí)較大的開裂傾向

9、u用于球墨鑄鐵，使硬度、強(qiáng)度、耐磨性得到提高，如用于制造汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)的曲軸、連桿等重要零件u過共析鋼球化退火前進(jìn)行一次正火，可消除網(wǎng)狀二次滲碳體，以保證球化退火時(shí)滲碳體全部球粒化 鋼的退火和正火n淬火是將鋼加熱到到Ac3 以上3050（亞共析鋼）或者Ac1以上3050（共析鋼、過共析鋼），保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻（油冷或水冷），使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體u淬火的目的是獲得馬氏體組織以提高鋼的強(qiáng)度和硬度 u1)淬火的組織轉(zhuǎn)變亞共析鋼亞共析鋼細(xì)小奧氏體細(xì)小奧氏體細(xì)小馬氏體細(xì)小馬氏體過過/共析鋼共析鋼細(xì)小奧氏體細(xì)小奧氏體+滲碳體滲碳體細(xì)小馬氏體細(xì)小馬氏體+滲碳體滲碳體3.2.2 鋼的淬火鋼的淬火

10、u2)工藝及影響因素u淬火溫度u保溫時(shí)間：獲得細(xì)小均勻的奧氏體u冷卻介質(zhì)：既獲得馬氏體又不使剛件有太大內(nèi)應(yīng)力u3)淬透性及影響因素u淬透性指在淬火時(shí)獲得淬硬層的能力（淬硬層通常是指鋼件表面到半馬氏體層之間的區(qū)域）u淬硬性指鋼淬火能夠達(dá)到的最高硬度，主要取決于馬氏體的含碳量u“鼻尖”離縱坐標(biāo)越遠(yuǎn)，淬透性越好v合金元素v含碳量v加熱溫度3.2.2 鋼的淬火鋼的淬火冷卻介質(zhì)淬火溫度時(shí)間時(shí)間溫溫度度(a)完全淬透完全淬透; (b)淬透較大厚度淬透較大厚度; (c)淬透較小厚度淬透較小厚度淬透性及影響因素淬透性及影響因素n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

11、度, 保溫一定時(shí)間, 然后冷卻到室溫u低溫回火（150250）u中溫回火（350500）u高溫回火（500650）u習(xí)慣上把淬火加高溫回火的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理 u鋼在250350作回火熱處理時(shí)都要出現(xiàn)低溫回火脆性3.2.3 鋼的回火鋼的回火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 回火對(duì)性能的影響回火對(duì)性能的影響感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火示意圖3.3 鋼的表面化處理強(qiáng)化鋼的表面化處理強(qiáng)化火焰加熱表面淬火示意圖氣體滲碳爐氣體滲碳裝置示意圖教師：教師： 吉華吉華四川大學(xué)化工學(xué)院四川大學(xué)化工學(xué)院謝謝 謝謝 =高溫轉(zhuǎn)變區(qū)= 中溫轉(zhuǎn)變區(qū)= 低溫轉(zhuǎn)變區(qū)共析鋼過冷共析鋼過冷A的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖n它的組織特點(diǎn)是滲碳體分布于條狀鐵素體之間，顯微鏡下的整體形貌呈羽毛狀，所以又稱羽毛狀貝氏體 n上貝氏體的強(qiáng)度和韌性等機(jī)械性能都較差 (a)光學(xué)顯微照片光學(xué)顯微照片 1300 (b) 電子顯微照片電