钢的热处理和表面改性.ppt
3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料钢的热处理钢的热处理和表面改性和表面改性3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3.1 3.1 钢在热处理时的组织转变钢在热处理时的组织转变 热处理：将固态金属以一定的热处理：将固态金属以一定的升温速度升温速度加热加热到既定的温度，到既定的温度，保温保温一定时间，再以一定的一定时间，再以一定的降温降温速度速度冷却的工艺方法冷却的工艺方法 目的：通过改变钢的组织结构来目的：通过改变钢的组织结构来改善金属零改善金属零件的使用性能和工艺性能件的使用性能和工艺性能 工况：工况：过程装备中的许多构件和零部件要进过程装备中的许多构件和零部件要进行热处理行热处理，提高制品质量，延长使用寿命，改善，提高制品质量，延长使用寿命，改善加工性能加工性能3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3.1.1钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 相图只是平衡状态的情况相图只是平衡状态的情况，就是在及其缓慢的冷，就是在及其缓慢的冷却或者加热过程中才能达到的状态，在实际的钢铁却或者加热过程中才能达到的状态，在实际的钢铁生产和热冷加工过程中，温度变化较快生产和热冷加工过程中，温度变化较快 实实际加热温度都偏高、冷却温度都偏低际加热温度都偏高、冷却温度都偏低，加热和，加热和冷却速度越大，这种差别越大，这使得钢在热处理冷却速度越大，这种差别越大，这使得钢在热处理时的临界点偏离了相图中的临界点时的临界点偏离了相图中的临界点 一一.相图和实际转变温度相图和实际转变温度3image加热时相变温度加热时相变温度.SWF实际转变温度与相图有所区别实际转变温度与相图有所区别3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料二二.奥氏体的形成奥氏体的形成1.1.形核与长大形核与长大：晶核优先：晶核优先形成在铁素体与渗碳体的界面形成在铁素体与渗碳体的界面处，处，因为界面处成分较不均匀，原子排列最不规则，因为界面处成分较不均匀，原子排列最不规则，为产生为产生A A准备了准备了浓度起伏、结构起伏浓度起伏、结构起伏的有利条件的有利条件2.2.剩余渗碳体溶解剩余渗碳体溶解：部分没有溶解的渗碳体在继续保温：部分没有溶解的渗碳体在继续保温过程中过程中逐渐溶入奥氏体逐渐溶入奥氏体A A而消失而消失3.3.奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的均匀化：渗碳体完全溶解时，奥氏体：渗碳体完全溶解时，奥氏体A A中碳的浓度很不均匀，要进一步中碳的浓度很不均匀，要进一步延长保温时间延长保温时间，使，使碳充分扩散从而达到奥氏体碳充分扩散从而达到奥氏体A A的成分均匀化的成分均匀化从宏观上看从宏观上看A的转变：的转变：晶格发生变化晶格发生变化；晶体含碳量变化晶体含碳量变化3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料奥氏体形核与奥氏体形核与长大长大残余渗碳体溶残余渗碳体溶解解奥氏体成分均奥氏体成分均匀化匀化(a)(b)(c)(d)以以共析钢共析钢为例为例：加热到加热到727oC（A1)以上，珠以上，珠光体转变成奥氏体。（三个阶段）光体转变成奥氏体。（三个阶段）相图上组织和相的转变是可逆的相图上组织和相的转变是可逆的3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料三三.影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素1.1.加热温度与加热速度加热温度与加热速度 同一个奥氏体化状态，较低温度较长时间的加热得到；同一个奥氏体化状态，较低温度较长时间的加热得到；较高温度较短时间的加热得到较高温度较短时间的加热得到温度温度升高升高，加热速度增大加热速度增大奥氏体化越快奥氏体化越快 2.2.含碳量和合金元素含碳量和合金元素 含碳量增加含碳量增加奥氏体转变速度增加奥氏体转变速度增加 合金元素不影响奥氏体转变的基本过程，但合金元素不影响奥氏体转变的基本过程，但影响影响转变速度转变速度：加快、减慢、基本不影响加快、减慢、基本不影响3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料四四.影响奥氏体晶粒度的因素影响奥氏体晶粒度的因素1.1.加热温度与速度和保温时间加热温度与速度和保温时间加热温度加热温度升高，升高，A晶粒急剧长大晶粒急剧长大；有利于有利于A的形成和均匀化；的形成和均匀化；加热速度越快，晶粒越细加热速度越快，晶粒越细；保温时间延长，保温时间延长，A晶粒粗大晶粒粗大；只需使材料均匀化的最短时间；只需使材料均匀化的最短时间适宜保温时间适宜保温时间3.3.合金元素合金元素本质细晶粒钢本质细晶粒钢：添加：添加Al,Ti,W,Mo,V,Zr,Nb,Ta等元素，等元素，晶粒长大倾向小晶粒长大倾向小；本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢：添加：添加Si,Mn等元素，等元素，晶粒长大倾向大晶粒长大倾向大；2.2.含碳量含碳量：在一定范围内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大在一定范围内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大，但是当含碳量超过某一限度，晶粒变细小的倾向增大，但是当含碳量超过某一限度，晶粒变细小3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3.1.2钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 冷却方式冷却方式 等温冷却等温冷却:钢由加热温度迅速冷却到临界点钢由加热温度迅速冷却到临界点Ac1以下的既定温以下的既定温度，保温一段时间，进行度，保温一段时间，进行恒温转变恒温转变，然后再冷却至室温，然后再冷却至室温 连续冷却连续冷却：钢由加热温度钢由加热温度连续冷却连续冷却到室到室温，在临界点温，在临界点Ac1以以下进行连续转变下进行连续转变 过冷奥氏体过冷奥氏体：在在A1（727C）温度下尚未发生转变的温度下尚未发生转变的奥氏体。奥氏体。等温转变曲线（等温转变曲线（C C曲线或曲线或TTT图图）：钢在不同温钢在不同温度下的度下的等温转变动力学曲线，通过实验绘制等温转变动力学曲线，通过实验绘制。共析钢的过冷奥。共析钢的过冷奥氏体在不同温度下发生等温转变时，按氏体在不同温度下发生等温转变时，按转变温度的高低可以得转变温度的高低可以得到珠光体、索氏体、屈氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体到珠光体、索氏体、屈氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体等等TTT：Time-Temperature-Transformation3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料P贝氏体贝氏体马氏体马氏体共共析析钢钢过过冷冷A的的等等温温转转变变曲曲线线图图3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料一一.高温转变区（高温转变区（P转变区转变区）(A1550)(a)珠光体珠光体3800(b)索氏体索氏体8000(c)屈氏体屈氏体8000A1650：珠光体珠光体(P)650600：索氏体：索氏体(S)600550：屈氏体：屈氏体(T)片层逐渐变细片层逐渐变细硬度、强度、塑性上升硬度、强度、塑性上升 渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越转变温度越低，层间距越小低，层间距越小 奥氏体向珠光体的转变为奥氏体向珠光体的转变为扩散型的形核、长大过程扩散型的形核、长大过程,是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的来实现的3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料二二.中温转变区中温转变区(550Ms230oC，贝氏体转变区)贝氏体贝氏体(B)B)是细小碳化物分布在碳过饱和的铁是细小碳化物分布在碳过饱和的铁素体基体上的混合物素体基体上的混合物 奥氏体向贝氏体的转变属于奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力350550区间形成的称为区间形成的称为上贝氏体（羽毛状贝氏体）上贝氏体（羽毛状贝氏体）组织特点组织特点：渗碳体分布于条状铁素体之间，显微镜下的整体渗碳体分布于条状铁素体之间，显微镜下的整体形貌呈羽毛状形貌呈羽毛状350Ms区间内形成的称为区间内形成的称为下贝氏体（针状贝氏体）下贝氏体（针状贝氏体）组织特点组织特点：渗碳体以细小颗粒分布于针状铁素体的内部，显渗碳体以细小颗粒分布于针状铁素体的内部，显微镜下的整体形貌呈针状组织微镜下的整体形貌呈针状组织3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料三三.低温转变区低温转变区(Ms230Mf-50oC)(马氏体转变区马氏体转变区)马氏体马氏体(M)：碳在碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体中的过饱和间隙固溶体。过。过饱和碳使饱和碳使-Fe的晶格发生很大畸变的晶格发生很大畸变,产生很强的固溶产生很强的固溶强化；强化；铁和碳原子都不能进行扩散，仅发生晶格改变，铁和碳原子都不能进行扩散，仅发生晶格改变，非非扩散型转变扩散型转变。铁原子沿奥氏体一定晶面铁原子沿奥氏体一定晶面,集体地集体地(不改变相互位置不改变相互位置关系关系)作一定距离的移动作一定距离的移动(不超过一个原子间距不超过一个原子间距),使面使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中，过饱和地留在新组成的晶胞中，增大了其正方度增大了其正方度c/a；3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料1)非扩散型转变非扩散型转变：仅仅是点阵的改组，没有化：仅仅是点阵的改组，没有化学成分的改变与扩散，无孕育期，晶粒度取决学成分的改变与扩散，无孕育期，晶粒度取决于于A的晶粒度的晶粒度2)变温转变变温转变：在：在MsMf范围内完成，只有在不范围内完成，只有在不断降温条件下才能使断降温条件下才能使M转变继续进行转变继续进行3)转变不完全性转变不完全性：通常情况下，即使降到：通常情况下，即使降到Mf下，也不能得到下，也不能得到100M，留有未转变的残余留有未转变的残余A，塑性、韧性塑性、韧性增加，硬度下降增加，硬度下降；但不稳定，可；但不稳定，可能引起尺寸的变化能引起尺寸的变化1.1.马氏体转变特点马氏体转变特点3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料根据根据钢中的含碳量钢中的含碳量不同，马氏体可分为不同，马氏体可分为高碳马氏高碳马氏体体和和低碳马氏体低碳马氏体 高碳马氏体高碳马氏体：主要是在高碳钢和高碳合金钢中，：主要是在高碳钢和高碳合金钢中，显微形貌呈针状（或者竹叶状），故又称显微形貌呈针状（或者竹叶状），故又称针状马针状马氏体氏体；性能：高碳马氏体的性能：高碳马氏体的硬度高、塑性和韧性很差硬度高、塑性和韧性很差 低碳马氏体低碳马氏体：主要是在低碳钢和低碳合金钢中，：主要是在低碳钢和低碳合金钢中，显微形貌呈板条状，故又称显微形貌呈板条状，故又称板条马氏体板条马氏体。性能：低碳马氏体的性能：低碳马氏体的强度高、硬度不高、塑性和强度高、硬度不高、塑性和韧性较好韧性较好，应用广泛，应用广泛2.2.马氏体的形态马氏体的形态3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料1.1.意义意义 过冷度对奥氏体完成转变所需时间的影响过冷度对奥氏体完成转变所需时间的影响 过冷度对奥氏体转变准备时间（过冷度对奥氏体转变准备时间（孕育期孕育期）的影响）的影响 不同温度下，奥氏体转变产物也有极大的区别不同温度下，奥氏体转变产物也有极大的区别2.2.应用应用 计算全部奥氏体转变为马氏体所必需的计算全部奥氏体转变为马氏体所必需的最小冷却最小冷却速度速度 可以推断可以推断连续转变的产物组成连续转变的产物组成 各种不同的钢种，各种不同的钢种，C C曲线不同曲线不同 可以按工件所需要性能，决定不同的可以按工件所需要性能，决定不同的等温处理及等温处理及保温时间保温时间过冷奥氏体过冷奥氏体等温转变曲线等温转变曲线的意义和应用的意义和应用3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3.2.1 3.2.1 钢的退火和正火钢的退火和正火退火退火：将钢加热到临界点将钢加热到临界点Ac1以上或者在临界点以以上或者在临界点以下某一既定温度下某一既定温度保温一定时间保温一定时间，然后，然后缓慢冷却缓慢冷却（一般一般是随炉冷却是随炉冷却）的一种热处理工艺）的一种热处理工艺依据依据不同的热处理目的和要求不同的热处理目的和要求，有，有:完全退火完全退火 等温退火等温退火 球化退火球化退火 扩散退火扩散退火去应力退火（低温退火）去应力退火（低温退火）正火正火:将钢加热到将钢加热到Ac3以上以上3050（亚共析钢）（亚共析钢）或者或者Accm以上以上3050（过共析钢），（过共析钢），保温一定时间保温一定时间后在空气中冷却后在空气中冷却，得到，得到索氏体组织索氏体组织 3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料 退火的目的退火的目的:消除内应力消除内应力 细化晶粒细化晶粒 降低硬度，提高塑性降低硬度，提高塑性 消除偏析消除偏析 正火的目的正火的目的:作为最终热处理作为最终热处理 作为预先热处理作为预先热处理改善切削加工性能改善切削加工性能退火与正火区别退火与正火区别正火冷却速度快，生产周期短，操作简便，正火冷却速度快，生产周期短，操作简便，强度和硬度稍有提高强度和硬度稍有提高3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3.2.2 3.2.2 钢的淬火钢的淬火淬火淬火:将钢加热到到将钢加热到到Ac3以上以上30305050（亚共析钢）（亚共析钢）或者或者Ac1以上以上30305050（共析钢、过共析钢），（共析钢、过共析钢），保温一定保温一定时间，然后快速冷却时间，然后快速冷却（油冷或水冷油冷或水冷），使），使奥氏体转变为马奥氏体转变为马氏体氏体的热处理工艺。的热处理工艺。淬火的目的淬火的目的：获得获得马氏体组织马氏体组织,以提高钢的强度和硬度以提高钢的强度和硬度 亚共析钢：亚共析钢：细小奥氏体细小奥氏体细小马氏体细小马氏体 过过/共析钢：共析钢：细小奥氏体细小奥氏体+渗碳体渗碳体 细小马氏体细小马氏体+渗碳体渗碳体1)1)淬火时的组织转变淬火时的组织转变3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料2)2)淬火工艺及影响因素淬火工艺及影响因素 淬火温度淬火温度:亚共析钢，过共析钢亚共析钢，过共析钢 淬火温度过高，马氏体组织粗大，淬火应力和淬火温度过高，马氏体组织粗大，淬火应力和变形与开裂倾向增大，力学性能下降变形与开裂倾向增大，力学性能下降 保温时间保温时间钢的成分、工件大小和形状、钢的成分、工件大小和形状、加热炉类型和加热介质加热炉类型和加热介质冷却介质冷却介质不同的温度区域有不同的冷不同的温度区域有不同的冷却速率却速率常用介质：油、水、盐水常用介质：油、水、盐水获得细小均匀的奥氏体获得细小均匀的奥氏体既能获得马氏体，又不既能获得马氏体，又不使刚件有太大的内应力使刚件有太大的内应力3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3)3)淬透性及影响因素淬透性及影响因素淬透性淬透性：指在淬火时获得指在淬火时获得淬硬层淬硬层的能力的能力 淬硬性淬硬性：钢淬火能够达到的最高硬度，主要：钢淬火能够达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量取决于马氏体的含碳量影响因素：影响因素：“鼻尖鼻尖”离纵坐标越远，淬透性越好离纵坐标越远，淬透性越好 合金元素合金元素：除钴以外的大多数合金元素除钴以外的大多数合金元素都使都使C C曲线右移，因曲线右移，因此可以降低临界冷却速度，此可以降低临界冷却速度，提高淬透性提高淬透性 含碳量含碳量：亚共析钢的淬透性随含碳量增加而增大；过共析钢亚共析钢的淬透性随含碳量增加而增大；过共析钢淬透性随含碳量增加而下降淬透性随含碳量增加而下降 加热温度加热温度：奥氏体化温度升高奥氏体化温度升高，奥氏体晶粒粗大、成分均匀，奥氏体晶粒粗大、成分均匀，因此减少了珠光体的形核率，可以降低钢的临界冷却速度，因此减少了珠光体的形核率，可以降低钢的临界冷却速度，增加增加淬透性淬透性淬硬层通常是指钢件表面到半马氏体层之间的区域淬硬层通常是指钢件表面到半马氏体层之间的区域3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3.2.3 3.2.3 钢的回火钢的回火回火回火：钢件淬火后钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的为了消除内应力并获得所要求的组织和性能组织和性能,将其加热到将其加热到A Ac1c1以下某一温度以下某一温度,保温一定时保温一定时间间,然后冷却到室温然后冷却到室温的热处理工艺叫做的热处理工艺叫做回火回火 低温回火（低温回火（150150250250）：回火马氏体）：回火马氏体 中温回火（中温回火（350350500500）：回火屈氏体）：回火屈氏体 高温回火（高温回火（500500650650）：回火索氏体）：回火索氏体习惯上把习惯上把淬火加高温回火淬火加高温回火的热处理称为的热处理称为调质处理调质处理 钢在钢在250250350350之间回火处理时，出现低温之间回火处理时，出现低温/不可逆回火不可逆回火脆性，不适宜作回火处理脆性，不适宜作回火处理3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3.3 3.3 钢的表面化处理强化钢的表面化处理强化 （P39表表3-2，3-3）各小项下面又有细分各小项下面又有细分表面合金化表面合金化表面热处理、堆焊、激光熔覆、热渗镀表面热处理、堆焊、激光熔覆、热渗镀表面覆层表面覆层热喷涂、电镀、转化膜、气相沉积、热浸渍、衬里、涂装热喷涂、电镀、转化膜、气相沉积、热浸渍、衬里、涂装表面组织转化表面组织转化高能束处理、形变强化、表面热处理高能束处理、形变强化、表面热处理3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图表面热处理表面热处理3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料气体渗碳炉气体渗碳炉气体渗碳装置示意图气体渗碳装置示意图3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料镀镍车间电电镀镀3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料镀镍车间3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料镀镍产品3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料谢谢 谢！谢！3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料 高温转变区高温转变区 中温转变区中温转变区 低温转变区低温转变区共共析析钢钢过过冷冷A的的等等温温转转变变曲曲线线图图3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料上贝氏体上贝氏体(a)光学显微照片光学显微照片1300(b)电子显微照片电子显微照片5000上贝氏体形态上贝氏体形态组织特点组织特点：渗碳体分布于条状铁素体之间，显微镜下的整：渗碳体分布于条状铁素体之间，显微镜下的整体形貌呈羽毛状，所以又称体形貌呈羽毛状，所以又称羽毛状贝氏体羽毛状贝氏体上贝氏体的上贝氏体的强度和韧性等机械性能都较差强度和韧性等机械性能都较差 中温转变区中温转变区3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料下贝氏体下贝氏体 组织特点组织特点：渗碳体以细小颗粒分布于针状铁素体的内部，：渗碳体以细小颗粒分布于针状铁素体的内部，显微镜下的整体形貌呈显微镜下的整体形貌呈针状组织针状组织 铁素体针状细小，没有方向性，位错密度大，碳化物分布均铁素体针状细小，没有方向性，位错密度大，碳化物分布均匀匀 具有较好的具有较好的综合机械性能综合机械性能，热处理中常常用，热处理中常常用等温淬火等温淬火方法得方法得到下贝氏体到下贝氏体a)光学显微照片光学显微照片500(b)电子显微照片电子显微照片12000下贝氏体形态下贝氏体形态中温转变区中温转变区3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.6%1%低碳马氏体的组织形态高碳马氏体的组织形态针状马氏体板条马氏体板条马氏体+针状马氏体马氏体的形态3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料淬透性及影响因素淬透性及影响因素时间时间温温度度(a)完全淬透完全淬透;(b)淬透较大厚度淬透较大厚度;(c)淬透较小厚度淬透较小厚度淬透性不同的钢调质后机械性能的比较淬透性不同的钢调质后机械性能的比较3 3 钢的热处理和表面改性钢的热处理和表面改性 工程材料工程材料回火对性能的影响回火对性能的影响淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、内应力淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、内应力及碳化物粒子大小与回火温度的关系及碳化物粒子大小与回火温度的关系
