鋼的熱處理(材料第五章).ppt

1、第五章 鋼的熱處理,改善鋼的性能，主要有兩條途徑： 一是合金化，這是下幾章研究的內(nèi)容； 二是熱處理，這是本章要研究的內(nèi)容。,概述,1、熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝.,為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度時(shí)間坐標(biāo)繪出熱處理工藝曲線。,在機(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。 在汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。,熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用.,模具、滾動軸承100%需經(jīng)過熱處理。 總之，重要零件都需適當(dāng)熱處理后才能使用。,2、熱處理特點(diǎn): 熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通

2、過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。,3、熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強(qiáng)化。 4、熱處理分類 熱處理原理：描述熱處理時(shí)鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律稱熱處理原理。 熱處理工藝：根據(jù)熱處理原理制定的溫度、時(shí)間、介質(zhì)等參數(shù)稱熱處理工藝。,根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點(diǎn)不同，將熱處理工藝分類如下：,5、預(yù)備(或叫預(yù)先)熱處理與最終熱處理 預(yù)備熱處理為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進(jìn)一步熱處理作準(zhǔn)備的熱處理。 最終熱處理賦予工件所要求的使用性能的熱處理.,鋼加熱時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm表示;冷卻時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ar1、

3、Ar3、Arcm表示。 由于加熱冷卻速度直接影響轉(zhuǎn)變溫度，因此一般手冊中的數(shù)據(jù)是以30-50/h 的速度加熱或冷卻時(shí)測得的.,6、臨界溫度與實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度 鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示. 實(shí)際加熱或冷卻時(shí)存在著過冷或過熱現(xiàn)象，因此將,第一節(jié) 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變,加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種：一種是在A1以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是在臨界點(diǎn)以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱奧氏體化。,一、奧氏體的形成過程 奧氏體化也是形核和長大的過程，分為四步?，F(xiàn)以共析鋼為例說明： 第一步 奧氏體晶核形成：首先在與Fe3C相界形核。 第二步 奧氏體晶核長大： 晶核通過碳

4、、鐵原子的擴(kuò)散向 和Fe3C方向長大。,第三步 殘余Fe3C溶解: 鐵素體的成分、結(jié)構(gòu)更接近于奧氏體，因而先消失。殘余的Fe3C隨保溫時(shí)間延長繼續(xù)溶解直至消失。 第四步 奧氏體成分均勻化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過長時(shí)間保溫使奧氏體成分趨于均勻。,亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼基本相同。但由于先共析 或二次Fe3C的存在，要獲得全部奧氏體組織，必須相應(yīng)加熱到Ac3或Accm以上.,二、奧氏體晶粒長大及其影響因素,1、奧氏體晶粒長大 奧氏體化剛結(jié)束時(shí)的晶粒度稱起始晶粒度,此時(shí)晶粒細(xì)小均勻。 隨加熱溫度升高或保溫時(shí)間延長，奧氏體,晶粒將進(jìn)一步長大，這也是一個(gè)自發(fā)的過程。

5、奧氏體晶粒長大過程與再結(jié)晶晶粒長大過程相同。,溫來判斷。 晶粒度為1-4 級的是本質(zhì)粗晶粒鋼, 5-8 級的是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。前者晶粒長大傾向大，后者晶粒長大傾向小。,在給定溫度下奧氏體的晶粒度稱實(shí)際晶粒度。 加熱時(shí)奧氏體晶粒的長大傾向稱本質(zhì)晶粒度。 通常將鋼加熱到940 10奧氏體化后，設(shè)法把奧氏體晶粒保留到室,2、影響奧氏體晶粒長大的因素 加熱溫度和保溫時(shí)間: 加熱溫度高、保溫時(shí)間長, 晶粒粗大. 加熱速度: 加熱速度越快,過熱度越大, 形核率越高, 晶粒越細(xì).,合金元素： 阻礙奧氏體晶粒長大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。,促進(jìn)奧氏體晶粒

6、長大的元素：Mn、P、C、N。 原始組織: 平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細(xì)晶粒。 奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問題之一。,第二節(jié) 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)與性能,冷卻是熱處理更重要的工序。 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變過程: 處于臨界點(diǎn)A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)N類型轉(zhuǎn)變。 現(xiàn)以共析鋼為例說明：,一、珠光體轉(zhuǎn)變 1、珠光體的組織形態(tài)與性能 過冷奧氏體在 A1到 550間將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織，它是鐵素

7、體與滲碳體片層相間的機(jī)械混合,物，根據(jù)片層厚薄不同,又細(xì)分為珠光體、索氏體和屈氏體(或托氏體)., 珠光體： 形成溫度為A1-650，片層較厚，500倍光鏡下可辨，用符號P表示., 索氏體,形成溫度為650-600,片層較薄，800-1000倍光鏡下可辨，用符號S 表示。, 屈氏體 形成溫度為600-550，片層極薄，電鏡下可辨，用符號T 表示。,珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細(xì)之分，因此其界限也是相對的。,片間距越小，鋼的強(qiáng)度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。,2、珠光體轉(zhuǎn)變過程 珠光體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程。滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成，在長大過程中，其兩側(cè)

8、奧,長大，形成一個(gè)珠光體團(tuán)。 珠光體轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變(鐵、碳原子均擴(kuò)散）。,氏體的含碳量下降，促進(jìn)了鐵素體形核，兩者相間形核并,珠光體轉(zhuǎn)變,珠光體轉(zhuǎn)變過程,二、 貝氏體轉(zhuǎn)變 1、貝氏體的組織形態(tài)及性能 過冷奧氏體在550- 230 (Ms)間將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號B表示。 根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下)., 上貝氏體 形成溫度為550-350。 在光鏡下呈羽毛狀. 在電鏡下為不連續(xù)棒狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長的鐵素體條之間。,下貝氏體 形成溫度為350-Ms。 在光鏡下呈竹葉狀。,在電鏡下為細(xì)片狀碳化物分布于鐵素體針內(nèi)，并與鐵素

9、體針長軸方向呈55-60角。,上貝氏體強(qiáng)度與塑性都較低，無實(shí)用價(jià)值。 下貝氏體除了強(qiáng)度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學(xué)性能，是生產(chǎn)上常用的強(qiáng)化組織之一。 貝氏體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程，貝氏體轉(zhuǎn)變屬半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變（碳原子擴(kuò)散，鐵原子不擴(kuò)散）。,2、貝氏體轉(zhuǎn)變過程 貝氏體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程。 發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí),首先在奧氏體中的貧碳區(qū)形成鐵素體晶核，其含碳量介于奧氏體與平衡鐵素體之間，為過飽和鐵素體。 當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較高（550-350) 時(shí)，條片狀鐵素體從奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長，隨鐵素體條伸長和變寬，其碳原子向條間奧氏體富集，最后在鐵素體條間析出Fe3C短棒，奧氏體消失，形

10、成B上 。,上貝氏體轉(zhuǎn)變過程,貝氏體轉(zhuǎn)變屬半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，即只有碳原子擴(kuò)散而鐵原子不擴(kuò)散，晶格類型改變是通過切變實(shí)現(xiàn)的。,當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較低（350- 230) 時(shí)，鐵素體在晶界或晶內(nèi)某些晶面上長成針狀，由于碳原子擴(kuò)散能力低,其遷移不能逾越鐵素體片的范圍，碳在鐵素體的一定晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出。,下貝氏體轉(zhuǎn)變,三、 馬氏體轉(zhuǎn)變 當(dāng)奧氏體過冷到Ms以下將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體類型組織。 馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化鋼的重要途徑之一。 1、馬氏體的晶體結(jié)構(gòu) 碳在-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體，用M表示。,馬氏體組織,馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中.,馬氏體具有體心正方晶格（a=bc） 軸比c/a 稱馬

11、氏體的正方度。 C% 越高，正方度越大，正方畸變越嚴(yán)重。 當(dāng)0.25%C時(shí)，c/a=1，此時(shí)馬氏體為體心立方晶格.,2、馬氏體的形態(tài) 馬氏體的形態(tài)分板條和針狀兩類。 板條馬氏體/位錯(cuò)馬氏體 立體形態(tài)為細(xì)長的扁棒狀 在光鏡下板條馬氏體為一束束的細(xì)條組織。,每束內(nèi)條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列，一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個(gè)取向不同的馬氏體束。 在電鏡下，板條內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯(cuò)，=1012/cm2,又稱位錯(cuò)馬氏體。, 針狀馬氏體/孿晶馬氏體 立體形態(tài)為雙凸透鏡形的片狀。顯微組織為針狀。 在電鏡下，亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，又稱孿晶馬氏體。, 馬氏體的形態(tài)主要取決于其含碳量 C%小于0.2%時(shí)，組

12、織幾乎全部是板條馬氏體。 C%大于1.0%C時(shí)幾乎全部是針狀馬氏體. C%在0.21.0%之間為板條與針狀的混合組織。,45鋼正常淬火組織,先形成的馬氏體片橫貫整個(gè)奧氏體晶粒，但不能穿過晶界和孿晶界。后形成的馬氏體片不能穿過先形成的馬氏體片，所以越是后形成的馬氏體片越細(xì)小.,原始奧氏體晶粒細(xì)，轉(zhuǎn)變后的馬氏體片也細(xì)。 當(dāng)最大馬氏體片細(xì)到光鏡下無法分辨時(shí)，該馬氏體稱隱晶馬氏體.,3、馬氏體的性能 高硬度是馬氏體性能的主要特點(diǎn)。 馬氏體的硬度主要取決于其含碳量。 含碳量增加，其硬度增加。,當(dāng)含碳量大于0.6%時(shí)，其硬度趨于平緩。 合金元素對馬氏體硬度的影響不大。,馬氏體強(qiáng)化的主要原因是過飽和碳引起的

13、固溶強(qiáng)化。此外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細(xì)化也有強(qiáng)化作用。 馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)的形式。針狀馬氏體脆性大，板條馬氏體具有較好的塑性和韌性.,4、馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn) 馬氏體轉(zhuǎn)變也是形核和長大的過程。其主要特點(diǎn)是： 無擴(kuò)散性,鐵和碳原子都不擴(kuò)散，因而馬氏體的含碳量與奧氏體的含碳量相同。, 共格切變性 由于無擴(kuò)散，晶格轉(zhuǎn)變是以切變機(jī)制進(jìn)行的。使切變部分的形狀和體積發(fā)生變化，引起相鄰?qiáng)W氏體隨之變形，在預(yù)先拋光的表面上產(chǎn)生浮凸現(xiàn)象。,（2） 降溫形成 馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度稱上馬氏體點(diǎn)，用Ms 表示.,馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度稱下馬氏體點(diǎn)，用Mz表示. 只要溫度達(dá)到Ms以下即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。 在Ms以

14、下，隨溫度下降,轉(zhuǎn)變量增加，冷卻中斷,轉(zhuǎn)變停止。,（3）高速長大 馬氏體形成速度極快，瞬間形核，瞬間長大。 當(dāng)一片馬氏體形成時(shí)，可能因撞擊作用使已形成的馬氏體產(chǎn)生裂紋。 （4） 轉(zhuǎn)變不完全,即使冷卻到Mz點(diǎn)，也不可能獲得100%的馬氏體，總有部分奧氏體未能轉(zhuǎn)變,而殘留下來，稱殘余奧氏體，用A 或 表示。,Ms、Mz與冷速無關(guān)，主要取決于奧氏體中的碳與合金元素含量。 馬氏體轉(zhuǎn)變后，A 量隨含碳量的增加而增加，當(dāng)含碳量達(dá)0.5%后，A量才顯著。,Mz,過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析鋼）,第三節(jié) 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線圖,過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變方式有等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變兩種。,兩種冷卻方式示意圖 1等溫冷卻 2連

15、續(xù)冷卻,過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖是表示奧氏體急速冷卻到臨界點(diǎn)A1 以下在各不同溫度下的保溫過程中轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系曲線.又稱C 曲線、S 曲線或TTT曲線。,一、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖,(Time-Temperature-Transformation diagram),1、C曲線的建立 以共析鋼為例： 取一批小試樣并進(jìn)行奧氏體化. 將試樣分組淬入低于A1 點(diǎn)的不同溫度的鹽浴中,隔一定時(shí)間取一試樣淬入水中。,測定每個(gè)試樣的轉(zhuǎn)變量，確定各溫度下轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系。 將各溫度下轉(zhuǎn)變開始時(shí)間及終了時(shí)間標(biāo)在溫度時(shí)間坐標(biāo)中，并分別連線。 轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)的連線稱轉(zhuǎn)變開始線。轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)的連線稱轉(zhuǎn)變終了線

16、。,A1-Ms 間及轉(zhuǎn)變開始線以左的區(qū)域?yàn)檫^冷奧氏體區(qū)。 轉(zhuǎn)變終了線以右及Mz以下為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。 兩線之間及Ms與Mz之間為轉(zhuǎn)變區(qū)。,2、C 曲線的分析 轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)之間的距離為孕育期。 孕育期越小，過冷奧氏體穩(wěn)定性越小. 孕育期最小處稱C 曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550。,在鼻尖以上, 溫度較高，相變驅(qū)動力小. 在鼻尖以下，溫度較低，擴(kuò)散困難。從而使奧氏體穩(wěn)定性增加。 C曲線明確表示了過冷奧氏體在不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。,Mz,3、影響C 曲線的因素 成分的影響 含碳量的影響：亞共析鋼隨著碳，C曲線右移，過共析鋼隨著碳， C曲線左移，共析鋼的過冷奧氏體最穩(wěn)定，C曲線最靠右。

17、Ms 與Mz點(diǎn)隨含碳量增加而下降。 與共析鋼相比，亞共析鋼和過共析鋼C曲線的上部各多一條先共析相的析出線。,Cr對C曲線的影響, 合金元素的影響 除Co 外, 凡溶入奧氏體的合金元素都使C 曲線右移。,除Co和Al 外,所有合金元素都使Ms 與Mz點(diǎn)下降。,推桿式電阻爐,(2) 奧氏體化條件的影響 奧氏體化溫度提高和保溫時(shí)間延長，使奧氏體成分均勻、晶粒粗大、未溶碳化物減少，增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C 曲線右移。 使用C 曲線時(shí)應(yīng)注意奧氏體化條件及晶粒度的影響., 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖又稱CCT(Continuous-Cooling-Transformation

18、 diagram)曲線，是通過測定不同冷速下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量獲得的。,1、共析鋼的CCT曲線 共析鋼的CCT曲線沒有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)之下多了一條轉(zhuǎn)變中止線。 當(dāng)連續(xù)冷卻曲線碰到轉(zhuǎn)變中止線時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變中止，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。,圖中的Vk 為CCT曲線的臨界冷卻速度，即獲得全部馬氏體組織時(shí)的最小冷卻速度. Vk 為TTT曲線的臨界冷卻速度. Vk 1.5 Vk 。,CCT曲線位于TTT曲線右下方。CCT曲線獲得困難，TTT曲線容易測得。 可用TTT曲線定性說明連續(xù)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變情況。方法是將連續(xù)冷卻曲線繪在C 曲線上，依其與C 曲線交點(diǎn)的位置來說明最終轉(zhuǎn)

19、變產(chǎn)物.,P,均勻A,細(xì)A,P,退火,(爐冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,M+A,淬火,(水冷),45鋼850油冷組織,2、過共析鋼CCT曲線也無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū), 但比共析鋼CCT曲線多一條AFe3C轉(zhuǎn)變開始線。由于Fe3C的析出, 奧氏體中含碳量下降, 因而Ms 線右端升高. 3、亞共析鋼CCT 曲線有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，還多AF開始線, F析出使A含碳量升高, 因而Ms 線右端下降.,第四節(jié) 鋼的退火和正火,機(jī)械零件的一般加工工藝為：毛坯（鑄、鍛）預(yù),備熱處理機(jī)加工最終熱處理。 退火與正火主要用于預(yù)備熱處理，只有當(dāng)工件性能要求不高時(shí)才作為最終熱處理。,一、退火,將鋼加熱至適當(dāng)

20、溫度保溫，然后緩慢冷卻 (爐冷) 的熱處理工藝叫做退火。 1、退火目的,調(diào)整硬度，便于切削加工。適合切削加工的硬度為170-250HB。 消除內(nèi)應(yīng)力，防止加工中變形。 細(xì)化晶粒，為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。,真空退火爐,2、退火工藝 退火的種類很多，常用的有完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火。 完全退火,將工件加熱到Ac3+3050保溫后緩冷的退火工藝，主要用于亞共析鋼 ., 等溫退火 亞共析鋼加熱到Ac3+3050, 共析、過共析鋼加熱到Ac1+3050，保溫后快冷到Ar1以下的某一溫度下停留，待相變完成后出爐空冷。等溫退火可縮短工件在爐內(nèi)停留時(shí)間，更適合于孕育期長的

21、合金鋼.,高速鋼等溫退火與普通退火的比較, 球化退火 球化退火是將鋼中滲碳體球狀化的退火工藝。,它是將工件加熱到Ac1+ 30-50 保溫后緩冷，或者加熱后冷卻到略低于 Ar1 的溫度下保溫，使珠光體中的滲碳體球化后出爐空冷。主要用于共析、過共析鋼。,球化退火的組織為鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織，稱球狀珠光體, 用P球表示。,球狀珠光體,對于有網(wǎng)狀二次滲碳體的過共析鋼，球化退火前應(yīng)先進(jìn)行正火，以消除網(wǎng)狀.,二、正火 正火是將亞共析鋼加熱到Ac3+30 50，共析鋼加熱到Ac1+3050，過共析鋼 加熱到Accm+30 50保溫 后空冷的工藝。 正火比退火冷卻速度大。 1、正火后的組織：

22、 0.6%C時(shí)，組織為F+S； 0.6%C時(shí)，組織為S 。,正火溫度,2、正火的目的 對于低、中碳鋼(0.6C%)，目的與退火的相同。 對于過共析鋼，用于消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備。, 普通件最終熱處理。 要改善切削性能，低碳鋼用正火，中碳鋼用退火或正火,高碳鋼用球化退火.,第五節(jié) 鋼的淬火,淬火是將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫后以大于Vk速,度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝. 淬火是應(yīng)用最廣的熱處理工藝之一。 淬火目的是為獲得馬氏體組織，提高鋼的性能.,真空淬火爐,一、淬火溫度,1、碳鋼 亞共析鋼,淬火溫度為Ac3+30-50。 預(yù)備熱處理組織為退火或正火組織。,亞共析鋼淬

23、火組織： 0.5%C時(shí)為M 0.5%C時(shí)為M+A。,在Ac1 Ac3之間的加熱淬火稱亞溫淬火。,亞溫淬火組織為F+M，強(qiáng)硬度低，但塑韌性好., 共析鋼 淬火溫度為Ac1+30-50；淬火組織為M+A。, 過共析鋼 淬火溫度: Ac1+30-50. 溫度高于Accm，則奧氏體晶粒粗大、含碳量高,淬火后馬氏體晶粒粗大、A量增多。使鋼硬度、耐磨性下降，脆性、變形開裂傾向增加。 淬火組織: M+Fe3C顆粒+A。(預(yù)備組織為P球),T12鋼（含1.2%C）正常淬火組織,2、合金鋼 由于多數(shù)合金元素(Mn、P除外)對奧氏體晶粒長大有阻礙作用，因而合金鋼淬火溫度比碳鋼高。 亞共析鋼淬火溫度為Ac3+ 50

24、100。 共析鋼、過共析鋼淬火溫度為Ac1+50100。,二、淬火介質(zhì),理想的冷卻曲線應(yīng)只在C曲線鼻尖處快冷，而在Ms附近盡量緩冷，以達(dá)到既獲得馬氏體組織，又減小,內(nèi)應(yīng)力的目的。但目前還沒有找到理想的淬火介質(zhì)。 常用淬火介質(zhì)是水和油. 水的冷卻能力強(qiáng)，但低溫卻能力太大，只使用于形狀簡單的碳鋼件。,油在低溫區(qū)冷卻能力較理想，但高溫區(qū)冷卻能力太小，適用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件。 熔鹽作為淬火介質(zhì)稱鹽浴，冷卻能力在水和油之間,用于形狀復(fù)雜件的分級淬火和等溫淬火。 聚乙烯醇、硝鹽水溶液等也是工業(yè)常用的淬火介質(zhì).,三、淬火方法,采用不同的淬火方法可彌補(bǔ)介質(zhì)的不足。 1、單液淬火法 加熱工件在一種介質(zhì)中連

25、續(xù)冷卻到室溫的淬火方法。 操作簡單，易實(shí)現(xiàn)自動化。,2、雙液淬火法 工件先在一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，躲過鼻尖后，再在另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的方法。如水淬油冷，油淬空冷. 優(yōu)點(diǎn)是冷卻理想，缺點(diǎn)是不易掌握。用于形狀,復(fù)雜的碳鋼件及大型合金鋼件。,3、分級淬火法 在Ms附近的鹽浴或堿浴中淬火，待內(nèi)外溫度均勻后再取出緩冷。,可減少內(nèi)應(yīng)力，用于小尺寸工件。,鹽浴爐,4、等溫淬火法 將工件在稍高于 Ms 的鹽浴或堿浴中保溫足夠長時(shí)間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。 經(jīng)等溫淬火零件具有良好的綜合力學(xué)性能，淬火應(yīng)力小. 適用于形狀復(fù)雜及要求較高的小型件。,*第六節(jié) 鋼的淬透性,網(wǎng)帶式淬

26、火爐,淬透性是鋼的主要熱處理性能。 是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。,一、淬透性的概念,M量和硬度隨深度的變化,淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力。其大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示。,淬硬層深度是指由工件表面到半馬氏體區(qū)(50%M + 50%P)的深度。 淬硬性是指鋼淬火后所能達(dá)到的最高硬度，即硬化能力.,二、淬透性與淬硬層深度的關(guān)系,同一材料的淬硬層深度與工件尺寸、冷卻介質(zhì)有關(guān)。工件尺寸小、介質(zhì)冷卻能力強(qiáng)，淬硬層深。 淬透性與工件尺寸、冷卻介質(zhì)無關(guān)。它只用于不同材料之間的比較，是通過尺寸、冷卻介質(zhì)相同時(shí)的淬硬層深度來確定的。,三、影響淬透性的因素,鋼的淬透性取決于臨界冷卻速度

27、Vk， Vk越小，淬透性越高。 Vk取決于C曲線的位置，C 曲線越靠右，Vk越小。,因而凡是影響C曲線的因素都是影響淬透性的因素.即除Co 外，凡溶入奧氏體的合金元素都使鋼的淬透性提高；奧氏體化溫度高、保溫時(shí)間長也使鋼的淬透性提高。,四、淬透性的測定及其表示方法,1、淬透性的測定常用末端淬火法,示，J 表示末端淬透性，d 表示半馬氏體區(qū)到水冷端的距離，HRC 為半馬氏體區(qū)的硬度。,2、淬透性的表示方法 用淬透性曲線表示,即用 表, 用臨界淬透直徑表示 臨界淬透直徑是指圓形鋼棒在介質(zhì)中冷卻，中心被淬成半馬氏體的最大直徑，用D0表示。 D0與介質(zhì)有關(guān)，如45鋼D0水=16mm，D0油=8mm。 只

28、有冷卻條件相同時(shí)，才能進(jìn)行不同材料淬透性比較，如45鋼D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。,五、淬透性的應(yīng)用,1、利用淬透性曲線及圓棒冷速與端淬距離的關(guān)系曲線可以預(yù)測零件淬火后的硬度分布。下圖為預(yù)測50mm直徑40MnB鋼軸淬火后斷面的硬度分布.,2、利用淬透性曲線進(jìn)行選材。如要求厚60mm汽車轉(zhuǎn)向節(jié)淬火后表面硬度超過HRC50，1/4半徑處為HRC45。可按下圖箭頭所示程序進(jìn)行選材分析.,3、利用淬透性可控制淬硬層深度。 對于截面承載均勻的重要件,要全部淬透。如螺栓、連桿、模具等。對于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)的零件可不必淬透(淬硬層深度一般為半徑的1/21/3)，如軸類、齒輪等。 淬硬層深度與

29、工件尺寸有關(guān),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意尺寸效應(yīng)。,不同冷卻條件下的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,等溫退火,P,退火,(爐冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等溫淬火,B下,M+A,分級淬火,M+A,淬火,(水冷),淬火,P,P,均勻A,細(xì)A,？,？,？,第七節(jié) 鋼的回火,回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。 一、回火的目的 1、減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力, 防止變形或開裂.,2、獲得所需要的力學(xué)性能。淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。,螺桿表面的淬火裂紋,3、穩(wěn)定尺寸。淬火M和A都是非平衡組織，有自發(fā)向平衡組織轉(zhuǎn)變的傾向。回火可使M與A轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饣蚪咏胶獾慕M織，防止使用時(shí)變形。 4、

30、對于某些高淬透性的鋼，空冷即可淬火，如采用,回火軟化既能降低硬度，又能縮短軟化周期。 未經(jīng)淬火的鋼回火無意義，而淬火鋼不回火在放置使用過程中易變形或開裂。鋼經(jīng)淬火后應(yīng)立即進(jìn)行回火。,二、鋼在回火時(shí)的轉(zhuǎn)變,淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在加熱階段。隨加熱溫度升高，淬火鋼的組織發(fā)生四個(gè)階段變化。,網(wǎng)帶式回火電爐, 回火時(shí)組織轉(zhuǎn)變 1、馬氏體的分解 100回火時(shí)，鋼的組織無變化。 100-200加熱時(shí)，馬氏體將發(fā)生分解,從馬氏體中析出-,碳化物(- FeXC)，使馬氏體過飽和度降低。析出的碳化物以細(xì)片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱回火馬氏體，用M回表示。,透射電鏡下的回火馬氏體形貌,回火馬氏體,在

31、光鏡下M回為黑色，A為白色。 0.2%C 時(shí)，不析出碳化物。只發(fā)生碳在位錯(cuò)附近的偏聚。 2、殘余奧氏體分解,200-300時(shí), 由于馬氏體分解，奧氏體所受的壓力下降, Ms 上升，A 分解,為- 碳化物和過飽和鐵素體，即M回。,衡成分, 內(nèi)應(yīng)力大量消除，M回轉(zhuǎn)變?yōu)樵诒３竹R氏體形態(tài)的鐵素體基體上分布著細(xì)粒狀Fe3C組織，稱回火屈氏體，用T回表示。,發(fā)生于250-400，此時(shí)，-碳化物溶解于F中，并從鐵素體中析出Fe3C。 到350, 馬氏體含碳量降到鐵素體平,回火屈氏體,3、-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C,回火索氏體,4、Fe3C聚集長大和鐵素體多邊形化,400以上, Fe3C開始聚集長大。 450 以

32、上鐵素體發(fā)生多邊形化，由針片狀變?yōu)槎噙呅? 這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆,粒狀Fe3C的組織稱回火索氏體，用S回表示。, 回火時(shí)的性能變化 回火時(shí)力學(xué)性能變化總的趨勢是隨回火溫度提高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高。,200以下，由于馬氏體中碳化物的彌散析出，鋼的硬度并不下降，高碳鋼硬度甚至略有提高。,200-300，由于高碳鋼中A轉(zhuǎn)變?yōu)镸回, 硬度再次升高。 大于300,由于Fe3C粗化，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體,硬度直線下降。,三、回火脆性,淬火鋼的韌性并不總是隨溫度升高而提高。 在某些溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，會出現(xiàn)沖擊韌性下降的現(xiàn)象，稱回火脆性。,1、第一類回火脆性 又稱不可逆回火脆性。是指

33、淬火鋼在250-350回火時(shí)出現(xiàn)的脆性。,這種回火脆性是不可逆的，只要在此溫度范圍內(nèi)回火就會出現(xiàn)脆性，目前尚無有效消除辦法。 回火時(shí)應(yīng)避開這一溫度范圍。,2、第二類回火脆性 又稱可逆回火脆性。是指淬火鋼在500-650范圍內(nèi)回火后緩冷時(shí)出現(xiàn)的脆性. 回火后快冷不出現(xiàn)，是可逆的。 防止辦法： 回火后快冷。, 加入合金元素W (約1%)、 Mo(約0.5%)。該法更適用于大截面的零部件。,四、回火種類,根據(jù)鋼的回火溫度范圍，可將回火分為三類。, 淬火加高溫回火的熱處理稱作調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì).,第八節(jié) 鋼的表面淬火,表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬

34、火以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。,表面淬火目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限; 心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。 適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。,1、表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳鋼。 含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降。 含碳量過高，心部韌性下降； 鑄鐵 提高其表面耐磨性。,2、預(yù)備熱處理 工藝： 對于結(jié)構(gòu)鋼為調(diào)質(zhì)或正火。 前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。 目的: 為表面淬火作組織準(zhǔn)備； 獲得最終心部組織。,3、表面淬火后的回火 采用低溫回火，溫度不高于200。 回火目的為降低內(nèi)應(yīng)力，保留淬火高硬度、

35、耐磨性。 4、表面淬火+低溫回火后的組織 表層組織為M回；心部組織為S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)。,感應(yīng)加熱表面淬火示意圖,5、表面淬火常用加熱方法 感應(yīng)加熱: 利用交變電流在工件表面感應(yīng)巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。,感應(yīng)加熱分為： 高頻感應(yīng)加熱 頻率為250-300KHz，淬硬層深度0.5-2mm, 中頻感應(yīng)加熱 頻率為2500-8000Hz，淬硬層深度2-10mm。, 工頻感應(yīng)加熱頻率為50Hz,淬硬層深度10-15 mm, 火焰加熱: 利用乙炔火焰直接加熱工件表面的方法。成本低，但質(zhì)量不易控制。 激光熱處理: 利用高能量密度的激光對工件表面進(jìn)行加熱的方法。效率高，質(zhì)量好。,激光表

36、面熱處理,第九節(jié) 鋼的化學(xué)熱處理,化學(xué)熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，使,介質(zhì)中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學(xué)成分和組織,進(jìn)而改變其性能的熱處理工藝。,與表面淬火相比，化學(xué)熱處理不僅改變鋼的表層組織，還改變其化學(xué)成分。 化學(xué)熱處理也是獲得表硬里韌性能的方法之一。 根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等。,一、化學(xué)熱處理的基本過程,1、介質(zhì)(滲劑)的分解: 分解的同時(shí)釋放出活性原子。 如：滲碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N 2、工件表面的吸收: 活性原子向固溶體溶解或與鋼中某些元素形成化合物。 3、原子向內(nèi)部擴(kuò)散。,氮化擴(kuò)散層,二、

37、鋼的滲碳是指向鋼的表面滲入碳原子的過程。,1、滲碳目的 提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，同時(shí)保持心部良好的韌性。 2、滲碳用鋼,為含0.1-0.25%C的低碳鋼。碳高則心部韌性降低。,經(jīng)滲碳的機(jī)車從動齒輪,氣體滲碳法示意圖,3、滲碳方法 氣體滲碳法 將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳?xì)夥罩袧B碳。 滲劑為氣體 (煤氣、液化氣等)或有機(jī)液體(煤油、甲醇等)。 優(yōu)點(diǎn): 質(zhì)量好, 效率高；,缺點(diǎn): 滲層成分與深度不易控制。, 固體滲碳法 將工件埋入滲劑中，裝箱密封后在高溫下加熱滲碳。 滲劑為木炭。 優(yōu)點(diǎn)：操作簡單； 缺點(diǎn)：滲速慢，勞動條件差。, 真空滲碳法 將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳?xì)怏w

38、加熱滲碳。 優(yōu)點(diǎn): 表面質(zhì)量好, 滲碳速度快。,真空滲碳爐,4、滲碳溫度：為900-950。 滲碳層厚度（由表面到過度層一半處的厚度）： 一般為0.5-2mm。,低碳鋼滲碳緩冷后的組織,滲碳層表面含碳量：以0.85-1. 05為最好。 滲碳緩冷后組織：表層為P+網(wǎng)狀Fe3C; 心部為F+P; 中間為過渡區(qū)。,5、滲碳后的熱處理 淬火+低溫回火, 回火溫度為160-180。淬火方法有： 預(yù)冷淬火法 滲碳后預(yù)冷到略高于Ar1溫度直接淬火。,滲碳后的熱處理示意圖,一次淬火法：即滲碳緩冷后重新加熱淬火。 二次淬火法： 即滲碳緩冷后第一次加熱為心部Ac3+30-50，細(xì)化心部；第二次加熱為Ac1+30-

39、50，細(xì)化表層。,滲碳后的熱處理示意圖,常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30-50淬火+低溫回火。此時(shí)組織為： 表層：M回+顆粒狀碳化物+A(少量) 心部：M回+F（淬透時(shí)）,三、鋼的氮化,氮化是指向鋼的表面滲入氮原子的過程。 1、氮化用鋼,井式氣體氮化爐,為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼。 常用鋼號為38CrMoAl。 2、氮化溫度為500-570 氮化層厚度不超過0.6-0.7mm。,3、常用氮化方法 氣體氮化法與離子氮化法。 氣體氮化法與氣體滲碳法類似，滲劑為氨。 離子氮化法是在電場作用下，使電離的氮離子高速沖擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時(shí)間短，氮化層脆性小。,離

40、子氮化爐,4、氮化的特點(diǎn)及應(yīng)用 氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。 疲勞強(qiáng)度高。由于表面存在壓應(yīng)力。,工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進(jìn)行熱處理。 耐蝕性好。因?yàn)楸韺有纬傻牡锘瘜W(xué)穩(wěn)定性高。 氮化的缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。 用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等。,第十節(jié) 表面處理新技術(shù),近年來，金屬材料表面處理新技術(shù)得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出許多新的工藝方法，這里只介紹主要的幾種。,全方位離子注入與沉積設(shè)備,一、熱噴涂技術(shù),將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱

41、為熱噴涂。,利用熱噴涂技術(shù)可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。 廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有領(lǐng)域。,等離子熱噴涂,1、涂層的結(jié)構(gòu) 熱噴涂層是由無數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)呈波浪式堆疊在一起的層狀結(jié)構(gòu)，粒子之間存在著孔隙和氧化物夾雜缺陷。 噴涂層與基體之間以及噴涂層中顆粒之間主要,熱噴涂層組織,是通過鑲嵌、咬合、填塞等機(jī)械形式連接的，其次是微區(qū)冶金結(jié)合及化學(xué)鍵結(jié)合。,2、熱噴涂方法 常用的熱噴涂方法有： 火焰噴涂: 多用氧 -乙炔火焰作為熱源。 電弧噴涂: 絲狀噴涂材料作為自耗電極、電弧作為熱源的噴涂方法 等離子噴涂: 是一種利用等離子弧作為熱源進(jìn)行噴涂的方法。,

42、3、熱噴涂的特點(diǎn)及應(yīng)用 工藝靈活：熱噴涂的對象小到10mm的內(nèi)孔, 大到鐵塔、橋梁,可整體噴涂，也可局部噴涂 基體及噴涂材料廣泛：基體可以是金屬和非金屬，涂層材料可以是金屬、合金及塑料、陶瓷等,涂層可控: 從幾十m到幾mm 生產(chǎn)效率高 工件變形小：基體材料溫度不超過250(冷工藝),渦輪葉片的熱障涂層(熱噴涂層),由于涂層材料的種類很多，所獲得的涂層性能差異很大，可應(yīng)用于各種材料的表面保護(hù)、強(qiáng)化及修復(fù)并滿足特殊功能的需要。,熱噴涂,二、氣相沉積技術(shù),氣相沉積技術(shù)是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過物理或化學(xué)的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術(shù)。,根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術(shù)可分

43、為物理氣相沉積(PVD) 和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩大類。,物理氣相沉積TiAl靶,1、物理氣相沉積（PVD） 物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，,使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術(shù)。 物理沉積技術(shù)主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍?nèi)N基本方法。,磁控濺射鍍膜設(shè)備,真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。,濺射鍍是在真空下通過輝光放電來電離氬氣，氬離子在電場作用下加速轟擊陰極，濺射下來的粒子沉積到工件表面成膜的方法。,離子鍍是在真空下利用氣體放電技術(shù)，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時(shí)產(chǎn)生的大量高能中性粒,多弧離子

44、鍍膜機(jī),子一起沉積到工件表面成膜的方法。,物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強(qiáng)、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點(diǎn)。 廣泛用于機(jī)械、航空航天、電子、光學(xué)和輕工業(yè)等,離子鍍產(chǎn)品,領(lǐng)域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、光學(xué)、磁性、壓電、滑潤、超導(dǎo)等薄膜。,2、化學(xué)氣相沉積(CVD) 化學(xué)氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體,CVD設(shè)備,表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。 例如，氣態(tài)的TiCl4與N2和H2在受熱鋼的表面反應(yīng)生成TiN，并沉積在鋼的表面形成耐磨抗蝕的沉積層。,化學(xué)氣相沉積,由于化學(xué)氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學(xué)、光學(xué)等特殊性能，已被廣泛用于機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域。,三、三束表面改性技術(shù),三束表面改性技術(shù)是指將激光束、電子束和離子束(合稱“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，以獲得特殊表面性能的技術(shù)。,進(jìn)行快速加熱和快速冷卻，使表層的結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生大幅度改變（如形成微晶、納米晶、非晶、亞穩(wěn)成分固溶體和化合物等），從而獲得所需要的特殊性能。 束流技術(shù)還具有能量利用率高、工件變形小、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。,由于這些束