材料科學(xué)金屬的加熱課件

1、金屬熱處理工藝學(xué)第一章 金屬的加熱1-1 金屬加熱的物理過(guò)程及其影響因素 1-2 金屬及合金在不同介質(zhì)中加熱時(shí)常見(jiàn)的物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)選擇第1頁(yè)，共44頁(yè)。1.1 金屬加熱的物理過(guò)程及其影響因素 一、加熱介質(zhì)和工件表面的傳熱過(guò)程 熱處理加熱工序大多在各種熱處理爐中進(jìn)行，在加熱過(guò)程中爐膛和工件之間建立溫度梯度。在溫度場(chǎng)中，工件主要依靠輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)傳熱。 1、對(duì)流傳熱： a ：定義第2頁(yè)，共44頁(yè)。b：基本定律（牛頓冷卻公式）第3頁(yè)，共44頁(yè)。c：影響對(duì)流給熱系數(shù)c 的因素 1）流體流動(dòng)情況 自然對(duì)流： 強(qiáng)迫對(duì)流：層流與紊流 紊流時(shí)的對(duì)流給熱系數(shù)較大。2）流體的物理性質(zhì):導(dǎo)熱系數(shù)，比熱C，

2、密度及粘度系數(shù)等。 3）工件表面形狀及其在爐內(nèi)放置位置： 工件形狀和放置位置對(duì)流體流動(dòng)越有利，則給熱系數(shù)愈大。 第4頁(yè)，共44頁(yè)。2、輻射傳熱： 在高于700度主要是輻射傳熱。 第5頁(yè)，共44頁(yè)。輻射傳熱基本特點(diǎn)：第6頁(yè)，共44頁(yè)。輻射傳熱基本定律：第7頁(yè)，共44頁(yè)。工件放在爐內(nèi)加熱，吸收發(fā)熱體、爐壁等輻射來(lái)的熱量，反射部分熱量；同時(shí)本身向外輻射一部分熱量。在輻射傳熱時(shí)工件表面吸收的熱量可表示為：當(dāng)發(fā)熱體與工件之間存在擋板等遮熱物時(shí)，輻射能量將減少。第8頁(yè)，共44頁(yè)。3、傳導(dǎo)傳熱： 定義：熱量直接由工件的一部分傳遞至另一部分，或由加熱介質(zhì)把熱量傳遞到與其相鄰的工件而無(wú)需媒介質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的傳熱過(guò)程。

3、 第9頁(yè)，共44頁(yè)。b：基本定律第10頁(yè)，共44頁(yè)。4、綜合傳熱： 實(shí)際工件在傳加熱過(guò)程中，三種傳熱方式同時(shí)存在；但不同場(chǎng)合以不同傳熱方式為主，要綜合考慮 。綜合傳熱Q：Q=Qc+Qr+Qcd式中：Qc、Qr、Qcd分別為對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)傳熱的熱量。綜合傳熱Q可用下式表示：Q= （t介-t工件）式中： 為綜合傳熱給熱系數(shù)， = c+ r+ cd第11頁(yè)，共44頁(yè)。二、工件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過(guò)程 工件內(nèi)部傳熱主要是傳導(dǎo)傳熱:工件表面獲取能量后，表面溫度升高，在表面和心部存在溫度梯度，發(fā)生傳導(dǎo)傳熱。 第12頁(yè)，共44頁(yè)。在低溫時(shí)合金元素強(qiáng)烈降低鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)，隨溫度的升高，其影響減弱。高于900 時(shí)影響

4、很小。鋼中的合金元素降低鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)。第13頁(yè)，共44頁(yè)。三、熱處理加熱時(shí)間的確定1、t加的含義：t加=t升+t透+t保t升和加熱功率有關(guān)，和加熱介質(zhì)有關(guān)，和加熱制度、工件的體積、裝爐數(shù)量等有關(guān)；t透熱和工件本身體積、截面尺寸、材料導(dǎo)熱性等有關(guān)；t保溫，根據(jù)熱處理工藝要求確定。例如：A均勻化，去應(yīng)力退火等，t保溫短；擴(kuò)散退火、球化退火、回火，t保溫要求長(zhǎng)。第14頁(yè)，共44頁(yè)。三、熱處理加熱時(shí)間的確定2、t加的理論計(jì)算薄件：t加與工件的厚度成線性關(guān)系。厚件：t加與工件的厚度成非線性關(guān)系。對(duì)于薄件：參數(shù)：c比熱，密度，K介質(zhì)到工件的傳熱系數(shù)，F(xiàn)工件表面積，V工件的體積，t爐-爐溫，t始-工件的初

5、始溫度，t終-工件要加熱到的溫度。第15頁(yè)，共44頁(yè)。3、生產(chǎn)實(shí)際中t加的計(jì)算t加=KH= AHK，加熱系數(shù)；H，有效厚度；例如：圓柱：H=D，板件：H=t，筒件：H=壁厚；，與加熱有關(guān)的常數(shù)；A，堆放系數(shù)，可取11.5。第16頁(yè)，共44頁(yè)。四、影響熱處理工件加熱的因素1、加熱方式的影響隨爐加熱：把需要加熱的零件裝入，隨爐將零件升至所需要的溫度。其加熱速度應(yīng)控制在150 左右。就經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)看，這種加熱方法不符合節(jié)約原則。因此，只有在下列條件下才考慮采用：裝爐零件多，為裝爐方便，如大批鑄件退火等。零件在加熱前有極大的殘余應(yīng)力，如鑄件、冷作件。雜質(zhì)極高的鑄鋼件和導(dǎo)熱性不良的鋼，如合金含量較高的合金

6、工具鋼、高速鋼等。通常對(duì)升溫時(shí)間不作規(guī)定，保溫時(shí)間應(yīng)按零件的大小及裝爐的具體情況決定。第17頁(yè)，共44頁(yè)。預(yù)熱加熱：將工件裝入已升溫至較低溫度的爐內(nèi)加熱，到溫后再轉(zhuǎn)移至預(yù)定工件加熱溫度的爐內(nèi)達(dá)到所要求的溫度。第18頁(yè)，共44頁(yè)。到溫入爐加熱（也叫熱爐裝料加熱）：將零件裝入爐溫約等于零件需要加熱溫度的爐中。大多數(shù)零件都可采用這種方法加熱。應(yīng)該注意，零件裝爐后會(huì)使?fàn)t溫降低。因此裝爐速度要快，不使?fàn)t溫降低過(guò)多；或者采用先將爐溫升至高于零件所需加熱溫度20-30 時(shí)裝爐。第19頁(yè)，共44頁(yè)。高溫入爐加熱：將零件裝入爐溫比需要的最高加熱溫度高100-200 的爐中進(jìn)行加熱。適用于形狀簡(jiǎn)單的碳素鋼及低合金

7、鋼零件。加熱速度：隨爐加熱預(yù)熱加熱到溫入爐加熱高溫入爐加熱依次增大。第20頁(yè)，共44頁(yè)。2、加熱介質(zhì)及工件放置方式的影響（影響的因素）1）加熱介質(zhì)的影響固體加熱： 綜合傳熱； 金屬傳導(dǎo)，固態(tài)顆粒，流動(dòng)粒子；液體介質(zhì)中加熱： 綜合傳熱； 金屬浴（鉛?。?、油浴、鹽??； 加熱速度快，加熱均勻，氧化、脫碳、變形傾向小，加熱易控制。第21頁(yè)，共44頁(yè)。真空加熱：輻射傳熱；低壓充氣，高純度加熱；間接加熱。氣體介質(zhì)中加熱： 綜合傳熱，在高溫區(qū)以輻射傳熱為主； 空氣加熱，具有保護(hù)氣氛、可控氣氛、高溫火焰等形式； 生產(chǎn)效率高，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。第22頁(yè)，共44頁(yè)。2）工件在爐內(nèi)排布方式的影響工件在爐內(nèi)的排

8、布方式直接影響熱量傳遞的通道。如：輻射傳熱中的擋熱現(xiàn)象及對(duì)流傳熱中影響氣流運(yùn)動(dòng)情況等。由圖1-3可以看出，工件在爐中四面都可被加熱時(shí)修正系數(shù)最小（等于1）。而當(dāng)堆積時(shí)修正系數(shù)最大（等于4）。修正系數(shù)越大則工件所需的加熱時(shí)間越長(zhǎng)。第23頁(yè)，共44頁(yè)。3）工件本身的影響工件的幾何形狀、表面積與體積之比、物理性質(zhì)等直接影響工件內(nèi)部的熱量傳遞及溫度場(chǎng)。第24頁(yè)，共44頁(yè)。不同形狀和尺寸的同種材料制成的工件，當(dāng)其特征尺寸S與形狀系數(shù)k乘積相等時(shí)，以同種方式加熱則加熱時(shí)間相等。第25頁(yè)，共44頁(yè)。1-2金屬及合金在不同介質(zhì)中加熱時(shí)常見(jiàn)的物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)選擇 工件在不同介質(zhì)中加熱時(shí)，必定要和周圍介質(zhì)發(fā)

9、生作用，即化學(xué)反應(yīng)，最典型是氧化，脫碳。 一、金屬在加熱時(shí)的氧化反應(yīng)及氧化過(guò)程 1、氧化: 材料中金屬元素與氧化性氣氛形成氧化物層。其危害是不僅使工件表面變色，失去光澤，而且使機(jī)械性能變壞（如疲勞性能）。 2、根據(jù)加熱溫度不同，常見(jiàn)的氧化反應(yīng)有：加熱溫度570時(shí): 3Fe+2O2Fe3O43Fe+4H2OFe3O4+4H23Fe+4CO2Fe3O4+4CO2Fe+O2 2FeOFe+H2OFeO+H2Fe+CO2FeO+CO第26頁(yè)，共44頁(yè)。根據(jù)質(zhì)量作用定律，不同溫度化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向取決于該溫度下的平衡常數(shù)Kp及參與反應(yīng)物質(zhì)的濃度。相當(dāng)于空氣介質(zhì)中加熱的情況。其平衡常數(shù)Kp為：若取純態(tài)為標(biāo)

10、準(zhǔn)態(tài)，取其活度為1，則:Po2為上述反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)氧的分壓,稱為氧化物的分解壓。當(dāng)鐵在高于570 的溫度加熱時(shí),若氣氛中氧的分壓大于此分解壓,則鐵被氧化,反之分解。平衡常數(shù)Kp可用熱力學(xué)的等壓方程求的。第27頁(yè)，共44頁(yè)。金屬氧化物的分解壓力隨著溫度的升高而增大。Si、Mn等合金元素比鐵更容易氧化，鋼在加熱時(shí)鐵沒(méi)有被氧化，但處在氧氣擴(kuò)散通道上的Si、Mn等合金元素確被氧化，稱為內(nèi)氧化。第28頁(yè)，共44頁(yè)。當(dāng)鐵在H2O和H2或CO 2和CO介質(zhì)中加熱時(shí)，反應(yīng)3Fe+4H2OFe3O4+4H2 的平衡常數(shù)為：反應(yīng)3Fe+4CO2Fe3O4+4CO的平衡常數(shù)為：反應(yīng)Fe+H2OFeO+H2的平衡常數(shù)

11、為：反應(yīng)Fe+CO2FeO+CO的平衡常數(shù)為：第29頁(yè)，共44頁(yè)。對(duì)于3Fe+4H2OFe3O4+4H2和Fe+H2OFeO+H2對(duì)于3Fe+4CO2Fe3O4+4CO和Fe+CO2FeO+CO只有當(dāng)PH2/PH2OKp1或Kp3時(shí)，鐵被氧化；只有當(dāng)Pco/Pco2 570 時(shí)鋼的氧化速度主要取決于氧和鐵原子通過(guò)氧化膜的擴(kuò)散速度；隨加熱溫度的升高，原子擴(kuò)散速度增大，氧化速度增大。溫度不同氧化產(chǎn)物也不同，對(duì)氧化速度有影響。第31頁(yè)，共44頁(yè)。二、鋼加熱時(shí)的脫碳及脫碳過(guò)程1、鋼加熱時(shí)的脫碳、增碳平衡 脫碳：鋼在加熱時(shí)，表層的碳與介質(zhì)中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)，降低了表層碳濃度稱為脫碳。

12、 常見(jiàn)的脫碳反應(yīng)有以下幾種：（均為可逆反應(yīng)）向右：脫碳，向左：增碳第32頁(yè)，共44頁(yè)。也可根據(jù)下式進(jìn)行判斷：發(fā)生脫碳反應(yīng)；反之則增碳。不脫碳也不增碳。c該溫度下碳在鋼的奧氏體中的活度。奧氏體中含碳量較高者， c較大。第33頁(yè)，共44頁(yè)。不同曲線不同含碳量鋼的奧氏體平衡曲線；SE線以左析出滲碳體；SG線以下析出鐵素體；SK線表示與固態(tài)碳（石墨）平衡的曲線；例如：0.4%C曲線，若加熱溫度與爐氣成分位于此線上，則既不脫碳也不增碳；位于曲線左上方，則表面增碳；位于曲線右下方，則表面將脫碳。第34頁(yè)，共44頁(yè)。碳勢(shì)純鐵在一定溫度下于加熱爐中加熱時(shí)達(dá)到既不增碳也不脫碳并與爐氣保持平衡時(shí)表面的含碳量。2、

13、爐氣中的碳勢(shì)及其測(cè)定碳勢(shì)表示爐氣對(duì)純鐵飽和碳的能力，爐氣碳勢(shì)愈高，飽和碳的能力愈強(qiáng)。第35頁(yè)，共44頁(yè)。碳勢(shì)儀表：基于熱處理爐的氣氛中水煤氣反應(yīng)、氣氛與零件的滲、脫碳反應(yīng)基本處于熱平衡狀態(tài)，所以可通過(guò)測(cè)定氣氛中的某一成分（如H2O、CO2、CO、CH4、O2等）來(lái)間接測(cè)定爐氣中碳勢(shì)。碳勢(shì)測(cè)量：第36頁(yè)，共44頁(yè)。3、脫碳層的組織結(jié)構(gòu)全脫碳層的組織結(jié)構(gòu) F + （F+P） + P純白，白塊+黑團(tuán)，純黑半脫碳層的組織結(jié)構(gòu)（F+P） + P第37頁(yè)，共44頁(yè)。三、加熱缺陷及其控制1、氧化：加熱時(shí)，鋼表層中的鐵及合金元素與介質(zhì)中的氧、二氧化碳、水蒸氣發(fā)生反應(yīng)形成氧化膜的現(xiàn)象稱為氧化。高溫（大于570）

14、工件氧化后尺寸精度和表面光亮度惡化，具有氧化膜的淬透性差的鋼易出現(xiàn)淬火軟點(diǎn)。防止方法： 在真空中或者保護(hù)性氣氛、可控性氣氛中加熱； 粗加工時(shí)，應(yīng)留夠余量，把氧化層去掉。第38頁(yè)，共44頁(yè)。2 、脫碳：鋼在加熱時(shí)，表層的碳與介質(zhì)中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)，降低了表層碳濃度稱為脫碳。脫碳鋼淬火后，表面硬度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性降低，而且因表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力易形成網(wǎng)狀裂紋。防止方法： 在真空中或者保護(hù)性氣氛、可控性氣氛中加熱； 粗加工時(shí)，應(yīng)留夠余量，把脫碳層去掉； 可進(jìn)行復(fù)碳。第39頁(yè)，共44頁(yè)。3、過(guò)熱：加熱溫度過(guò)高或在高溫下保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起奧氏體晶粒粗化稱為過(guò)熱。粗大的奧氏體晶粒導(dǎo)致鋼的強(qiáng)韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變、溫度升高，增大淬火時(shí)的畸變開(kāi)裂傾向。防止方法：過(guò)熱組織經(jīng)退火、正火或多次高溫回火后，再在正常加熱條件重新奧氏體化，可使晶粒細(xì)化。第40頁(yè)，共44頁(yè)。4、過(guò)燒：加熱溫度過(guò)高，不僅引起奧氏體晶粒粗化，而且晶界