《金屬材料與熱處理（第八版）》- 課件 第5、6章 鋼的熱處理、低合金鋼與合金鋼

第五章鋼的熱處理§5-1熱處理的原理與分類熱處理是對固態(tài)的金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理工藝過程可用以溫度—時間為坐標(biāo)的曲線圖表示。熱處理工藝曲線熱處理的分類§5-2鋼在加熱與冷卻時的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變1.鋼在加熱和冷卻時的相變溫度鋼在加熱和冷卻時的臨界點2.奧氏體的形成共析鋼中奧氏體形成過程示意圖a)形核b)長大c)殘余Fe3C溶解d)均勻化如果在形成奧氏體后繼續(xù)升溫或延長保溫時間，會使奧氏體晶粒逐漸長大。晶粒的長大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進行的。晶粒的吞并與長大二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變在實際生產(chǎn)中，鋼的熱處理工藝有兩種。兩種熱處理工藝曲線1.奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖(1)珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)———高溫等溫轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點續(xù)表(2)貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)———中溫等溫轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點(3)馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)———低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變馬氏體型轉(zhuǎn)變的組織及性能特點2.奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變用等溫轉(zhuǎn)變曲線分析奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變§5-3熱處理的基本方法一、退火與正火1.退火退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻(一般隨爐冷卻)的熱處理工藝。常用退火方法續(xù)表2.正火正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30~50℃，保溫適當(dāng)?shù)臅r間后，在空氣中冷卻的工藝方法。45鋼正火與退火狀態(tài)的力學(xué)性能對比退火和正火的加熱溫度范圍及熱處理工藝曲線a)加熱溫度范圍b)熱處理工藝曲線1—完全退火2—球化退火3—去應(yīng)力退火4—正火二、淬火與回火1.淬火將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上的適當(dāng)溫度，經(jīng)保溫后快速冷卻(冷卻速度大于v臨)，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。鋼的淬火溫度范圍(1)淬火加熱溫度的選擇淬火加熱溫度的選擇及原因(2)淬火介質(zhì)的選擇常用淬火介質(zhì)的冷卻特點及應(yīng)用場合(3)常用的淬火方法常用的淬火操作方法、特點、應(yīng)用場合及熱處理工藝曲線續(xù)表(4)鋼的淬透性與淬硬性淬透性是在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時獲得馬氏體組織深度的能力。淬硬性指鋼在理想的淬火條件下，獲得馬氏體后所能達到的最高硬度。(5)鋼的淬火缺陷鋼的淬火缺陷2.回火回火是將淬火后的鋼重新加熱到Ac1點以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。(1)回火時的組織轉(zhuǎn)變回火后的組織轉(zhuǎn)變鋼(45鋼)的回火組織a)回火馬氏體b)回火屈氏體c)回火索氏體40鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系(2)回火的分類及應(yīng)用回火的分類及應(yīng)用場合§5-4鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理強化零件表面常用的熱處理方法有表面熱處理和化學(xué)熱處理兩種。一、表面熱處理鋼的表面熱處理是指僅對鋼件表面進行熱處理，以改變表面層組織，滿足使用性能要求的熱處理工藝。表面淬火是表面熱處理中最常用的方法，是強化材料表面的重要手段。目前，表面淬火的方法很多，如火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火等。生產(chǎn)中最常用的方法主要是火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火。1.火焰加熱表面淬火應(yīng)用氧—乙炔(或其他可燃?xì)怏w)火焰對零件表面進行快速加熱并隨后快速冷卻的工藝稱為火焰加熱表面淬火。火焰加熱表面淬火示意圖2.感應(yīng)加熱表面淬火利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)使工件表面受到局部加熱，并進行快速冷卻的淬火工藝稱為感應(yīng)加熱表面淬火。感應(yīng)加熱表面淬火原理示意圖二、化學(xué)熱處理將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝稱為化學(xué)熱處理。1.化學(xué)熱處理的過程(1)分解(2)吸收(3)擴散化學(xué)熱處理的過程示意圖2.鋼的滲碳鋼的滲碳是將鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。根據(jù)滲碳介質(zhì)的工作狀態(tài)，滲碳方法可分為固體滲碳、鹽浴滲碳和氣體滲碳三種，應(yīng)用最廣泛的是氣體滲碳。氣體滲碳是將工件置于氣體滲碳劑中進行滲碳的工藝。氣體滲碳示意圖一般零件滲碳后，其表面含碳量控制在0.85%~1.05%，含碳量從表面到心部逐漸減少，心部仍保持原來的含碳量。圖示為低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層顯微組織，圖中滲碳層的組織由表面向中心依次為過共析組織、共析組織、亞共析組織(過渡層)，中心仍為原來的亞共析組織。低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層顯微組織3.鋼的滲氮在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮。(1)滲氮的特點1)滲氮層具有很高的硬度和耐磨性，鋼件滲氮后表層中形成穩(wěn)定的金屬氮化物，具有極高的硬度，所以滲氮后不用淬火就可達到高硬度，而且具有較高的紅硬性。2)滲氮層具有滲碳層所沒有的耐腐蝕性，可防止水、蒸氣、堿性溶液的腐蝕。3)滲氮比滲碳溫度低(一般約570℃)，所以工件變形小。(2)滲氮的方法1)氣體滲氮工件在氣體介質(zhì)中進行滲氮稱為氣體滲氮。它是將工件放入密閉的爐內(nèi)，加熱到500~600℃，通入氨氣(NH3)，利用氨氣分解出活性氮原子進行滲氮的方法。滲氮層的顯微組織a)滲氮層及維氏硬度測試壓痕b)滲氮層中致密的針狀氮化物(白色)2)離子滲氮在低于一個大氣壓的滲氮氣氛中，利用工件(陰極)和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進行滲氮的工藝稱為離子滲氮。離子滲氮裝置示意圖4.碳氮共滲在一定溫度下，將碳、氮原子同時滲入工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。碳氮共滲與滲碳相比，具有很多優(yōu)點。它不僅加熱溫度低，零件變形小，生產(chǎn)周期短，而且滲層具有較高的硬度、耐磨性和疲勞強度?！?-5零件的熱處理分析一、熱處理的技術(shù)條件工件熱處理后的組織、應(yīng)當(dāng)達到的力學(xué)性能、精度和工藝性能等要求，統(tǒng)稱為熱處理的技術(shù)條件。熱處理的技術(shù)條件是根據(jù)零件工作特性提出的。一般零件均以硬度作為熱處理的技術(shù)條件，對滲碳零件應(yīng)標(biāo)注滲碳層深度，對某些性能要求較高的零件還需標(biāo)注力學(xué)性能指標(biāo)或金相組織要求。二、熱處理的工序位置1.預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理包括退火、正火、調(diào)質(zhì)處理等。退火、正火的工序位置通常安排在毛坯生產(chǎn)之后、切削加工之前，以消除毛坯的內(nèi)應(yīng)力，均勻組織，改善切削加工性能，并為以后的熱處理做好組織準(zhǔn)備。對于精密零件，為了消除切削加工的殘余應(yīng)力，在半精加工以后還要安排去應(yīng)力退火。調(diào)質(zhì)處理工序一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前，目的是獲得良好的綜合力學(xué)性能，為以后的熱處理做好組織準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)處理一般不安排在粗加工之前，以免表面調(diào)質(zhì)層在粗加工時大部分被切削，失去調(diào)質(zhì)處理的作用，這一點對于淬透性差的碳素鋼零件尤為重要。2.最終熱處理最終熱處理包括淬火、回火及表面熱處理等。零件經(jīng)這類熱處理后，獲得所需的使用性能，因其硬度較高，除磨削外，不宜再進行其他形式的切削加工，故其工序位置一般安排在半精加工之后。有些零件性能要求不高，對其毛坯進行退火、正火或調(diào)質(zhì)處理即可滿足使用要求，這時退火、正火或調(diào)質(zhì)處理也可作為最終熱處理。三、典型零件或工具的熱處理分析1.銼刀銼刀的加工工藝路線為:備料→鍛造→正火、球化退火→機械粗加工→銼身局部淬火、回火→機械精加工銼刀加工中熱處理工序的作用2.汽車變速齒輪加工工藝路線為:備料→鍛造→正火→機械加工→滲碳→淬火、低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→磨齒汽車變速齒輪加工中熱處理工序的作用分析3.汽車傳動齒輪軸加工工藝路線為:備料→鍛造→正火→機械粗加工→調(diào)質(zhì)處理→機械半精加工→花鍵齒廓和齒輪齒廓部分表面淬火、回火→精磨汽車傳動齒輪軸加工中熱處理工序的作用分析第六章低合金鋼與合金鋼§6-1合金元素在鋼中的作用一、強化鐵素體大多數(shù)合金元素(除鉛外)都能溶于鐵素體，形成合金鐵素體。由于合金元素與鐵的晶格類型和原子半徑的差異會引起鐵素體的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強化作用，因而會使合金鋼中鐵素體的強度和硬度提高，塑性和韌性下降。有些合金元素對鐵素體韌性的影響與它們的含量有關(guān)，如Si<1.00%，Mn<1.50%時，鐵素體的韌性沒有下降，當(dāng)含量超過此值時，則韌性有下降的趨勢;而鉻和鎳在適當(dāng)范圍內(nèi)(Cr≤2.0%，Ni≤5.0%)，在明顯強化鐵素體的同時，還可使鐵素體的韌性提高，從而提高合金鋼的強度和韌性。二、形成合金碳化物合金滲碳體錳、鉻、鉬、鎢等弱、中強碳化物形成元素傾向于形成合金滲碳體。合金滲碳體較滲碳體略穩(wěn)定，硬度也略高，但明顯提高低合金鋼的強度。2.特殊碳化物釩、鈮、鈦等強碳化物形成元素能與碳形成特殊碳化物。特殊碳化物比合金滲碳體具有更高的熔點、硬度和耐磨性，而且更穩(wěn)定，不易分解。當(dāng)鋼中的特殊碳化物呈彌散分布時，將顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性，而不降低其韌性。三、細(xì)化晶粒幾乎所有的合金元素都有抑制鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的作用，達到細(xì)化晶粒的目的。強碳化物形成元素鈮、釩、鈦等形成的碳化物，以及鋁(Al)在鋼中形成的AlN和Al2O3，均能強烈地阻礙奧氏體晶粒的長大，使合金鋼在熱處理后獲得比碳素鋼更細(xì)的晶粒。四、提高鋼的淬透性除鈷外，所有的合金元素溶解于奧氏體后，均可增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲其向珠光體的轉(zhuǎn)變，使C形曲線右移，從而減小鋼的淬火臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。常用的提高淬透性的合金元素主要有鉬、錳、鉻、鎳和硼等，如微量的硼(0.0005%~0.003%)能明顯提高鋼的淬透性。五、提高鋼的回火穩(wěn)定性淬火鋼在回火時抵抗軟化的能力稱為鋼的回火穩(wěn)定性。合金鋼在回火過程中，由于合金元素的阻礙作用，使馬氏體不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易聚集長大，從而保持較大的彌散度，所以鋼在回火過程中硬度下降較慢。與碳素鋼相比，在相同的回火溫度下，合金鋼比相同含碳量的碳素鋼具有更高的硬度和強度。在強度要求相同的條件下，合金鋼可在更高的溫度下回火，以充分消除內(nèi)應(yīng)力，使其韌性更好。高的回火穩(wěn)定性使鋼在較高溫度下仍能保持高硬度和高耐磨性。金屬材料在高溫下保持高硬度的能力稱為紅硬性，這種性能對一些工具鋼具有重要意義?！?-2低合金鋼與合金鋼的分類和牌號一、低合金鋼與合金鋼的劃分低合金鋼與合金鋼是按所含合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來劃分的。低合金鋼與合金鋼合金元素規(guī)定含量界限值（摘自GB/T13304.1—2008）二、低合金鋼的分類(GB/T13304.2—2008)1.按質(zhì)量等級分類(1)普通質(zhì)量低合金鋼(2)特殊質(zhì)量低合金鋼(3)優(yōu)質(zhì)低合金鋼2.按主要性能及使用特性分類

低合金鋼按主要性能及使用特性分類，可分為可焊接的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、低合金耐候鋼、低合金鋼筋鋼、鐵道用低合金鋼、礦用低合金鋼和其他低合金鋼。三、合金鋼的分類(GB/T13304.2—2008)1.按質(zhì)量等級分類(1)優(yōu)質(zhì)合金鋼(2)特殊質(zhì)量合金鋼2.按主要性能及使用特性分類(1)工程結(jié)構(gòu)用合金鋼(2)機械結(jié)構(gòu)用合金鋼(3)不銹、耐腐蝕和耐熱鋼(4)工具鋼(5)軸承鋼(6)特殊物理性能鋼(7)其他如焊接用合金鋼等。四、低合金鋼與合金鋼的牌號低合金鋼與合金鋼的牌號表示方法（摘自GB/T221—2008）專用結(jié)構(gòu)鋼的用途、特性和工藝方法表示符號見下表：專用結(jié)構(gòu)鋼的用途、特性和工藝方法表示符號（摘自GB/T221—2008）五、鋼鐵及合金牌號統(tǒng)一數(shù)字代號體系(GB/T17616—2013)鋼鐵及合金牌號統(tǒng)一數(shù)字代號體系，簡稱“ISC”，它規(guī)定了鋼鐵及合金產(chǎn)品統(tǒng)一數(shù)字代號的編制原則、結(jié)構(gòu)、分類、管理及體系表等內(nèi)容。統(tǒng)一數(shù)字代號的組成§6-3低合金鋼低合金鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入了少量(一般總合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過3%)的合金元素而得到的。由于合金元素的強化作用，低合金鋼比碳素結(jié)構(gòu)鋼(含碳量相同)的強度要高得多，并且具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性和焊接性能。低合金鋼廣泛用于制造工程構(gòu)件。低合金鋼的應(yīng)用一、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的主要力學(xué)性能及應(yīng)用（摘自GB/T1591—2018）續(xù)表二、低合金耐候鋼低合金耐候鋼是在低碳非合金鋼的基礎(chǔ)上加入少量銅、鉻、鎳等合金元素，使鋼表面形成一層保護膜的鋼。為了進一步改善耐候鋼的性能，還可再添加微量的鈮、釩、鈦、鉬、鋯等其他能增強耐大氣腐蝕性能的合金元素。低合金耐候鋼的牌號及應(yīng)用三、低合金專用鋼1.汽車用低合金鋼它是在低碳鋼中，通過單一或復(fù)合添加鈮、鈦、釩等微合金元素，形成碳氮化合物粒子進行強化，同時通過微合金元素的細(xì)化晶粒作用，獲得較高的強度。2.鍋爐、壓力容器用低合金鋼壓力容器絕大多數(shù)由鋼板拼焊而成，在制造過程中壓力容器鋼板要經(jīng)受冷、熱加工，所以要求壓力容器鋼板具有良好的工藝性能，并且具有一定強度和足夠的韌性，以保證在正常工作條件下承受外載荷而不發(fā)生脆性破壞。3.鐵道用低合金鋼鐵道用低合金鋼主要用于制造鐵路鋼軌、鐵路用輾鋼整體車輪等。4.礦用低合金鋼礦用低合金鋼主要用于制造煤機、礦用結(jié)構(gòu)件等。§6-4合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼主要指機械結(jié)構(gòu)用合金鋼，它主要用于制造機械零件，如軸、連桿、齒輪、彈簧、軸承等。一、合金滲碳鋼合金滲碳鋼經(jīng)滲碳+淬火+低溫回火的典型熱處理后，便具有“外硬內(nèi)韌”的性能，用于制造既具有優(yōu)良的耐磨性和耐疲勞性，又能承受沖擊載荷的零件。合金滲碳鋼的應(yīng)用常用合金滲碳鋼的牌號、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途續(xù)表二、合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼用于制造一些受力較復(fù)雜的，要求具有良好的綜合力學(xué)性能的重要結(jié)構(gòu)件。受力較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件常用合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途續(xù)表三、合金彈簧鋼合金彈簧鋼的含碳量一般為0.45%~0.70%。若含碳量過高，則塑性和韌性降低，疲勞極限也會下降。合金彈簧鋼中可加入的合金元素有錳、硅、鉻、釩和鎢等。加入硅、錳主要是提高鋼的淬透性，同時提高鋼的彈性極限，其中硅的作用最為突出。但硅元素含量過高易使鋼在加熱時脫碳，錳元素含量過高則易使鋼產(chǎn)生過熱。因此，重要用途的彈簧鋼必須加入鉻、釩、鎢等，它們不僅使鋼材具有更高的淬透性，不易過熱，而且可在高溫下保持足夠的強度和韌性。常用合金彈簧鋼的牌號、熱處理工藝、力學(xué)性能及用途（摘自GB/T1222—2016）四、滾動軸承鋼滾動軸承鋼主要用于制造各種滾動軸承的內(nèi)、外圈及滾動體。滾動軸承及構(gòu)件常用滾動軸承鋼的牌號、熱處理工藝及用途（摘自GB/T18254—2016）§6-5合金工具鋼合金工具鋼按用途可分為合金刃具鋼、合金模具鋼和合金量具鋼。一、合金刃具鋼合金刃具鋼主要用于制造車刀、銑刀、鉆頭等各種金屬切削刀具。合金刃具鋼要求具有高硬度、高耐磨性、高熱硬性及足夠的強度和韌性等。合金刃具鋼的應(yīng)用1.低合金刃具鋼常用低合金刃具鋼的牌號、主要化學(xué)成分、熱處理工藝及用途（摘自GB/T1299—2014）2.高速鋼高速鋼是一種具有高紅硬性、高耐磨性和足夠強度的合金工具鋼。鋼中含有較多的碳(0.7%~1.5%)和大量的鎢、鉻、釩、鉬等強碳化物形成元素。高速鋼常用于制造切削速度較高的刀具(如車刀、銑刀、鉆頭等)和形狀復(fù)雜、載荷較大的成形刀具(如齒輪銑刀、拉刀等)。高速鋼成形刀具常用高速鋼的牌號、主要化學(xué)成分、熱處理工藝及用途（摘自GB/T9943—2008）續(xù)表二、合金模具鋼1.冷作模具鋼冷作模具鋼用于制造使金屬在冷狀態(tài)下變形的模具，如沖裁模、拉絲模、彎曲模、拉深模等。沖裁模2.熱作模具鋼熱作模具鋼用于制造使金屬在高溫下成形的