热处理原理与工艺.pptx

热处理工艺材料的组织和性能受成分、加工工艺的影响，改善钢的性能主要有合金化、热处理、塑性变形等途径。热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，改变材料的组织结构，从而获得所需性能的加工工艺。比较重要的部件一般都需要进行热处理，比如汽车、拖拉机工业中70 80%的零件、工具模具等都需要进行热处理。第1页/共73页考试大纲要求掌握钢的热处理原理掌握制定机械零件、工模具（含钢、铸铁、有色金属）热处理工艺的知识与技能能够分析现场出现的一般工艺问题第2页/共73页1 钢的热处理原理钢在加热时的转变钢在冷却时的转变回火转变第3页/共73页1.1 钢在加热时的组织转变加热是热处理的第一步，加热温度依据相图和热处理目的而定。(钢)加热一般是为了获得晶粒细小、适当成分的奥氏体加热以后得到的组织接近平衡组织基本上可以根据相图来确定。第4页/共73页 1.1.1 钢的临界温度A A1 1、A A3 3、A Acmcm为相图上的平衡转变温度线。为相图上的平衡转变温度线。实际生产中温度变化较快，转变出现滞后。实际生产中温度变化较快，转变出现滞后。为了区分加热、冷却时的临界点，加热冠以为了区分加热、冷却时的临界点，加热冠以“c”c”，冷却冠以，冷却冠以“r”r”。如。如AAC1C1表示加热时表示加热时由PA的开始温度线AAC1C1是常数吗？AAC3C3是常数吗？第5页/共73页奥氏体的形成奥氏体的形成是形核长大过程。共析钢的原始组织为P，当加热到Acl以上温度时，发生P转变。在转变过程中要发生晶格改组和碳原子的重新分布。包括如下四个基本环节奥氏体形核奥氏体形核 奥氏体长大奥氏体长大 残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解 奥氏体均匀化奥氏体均匀化第6页/共73页对于非共析钢，在继续升温时，先共析产物也会转化为A；加热温度不同时，得到的组织、奥氏体的组成（含碳量）不同；完全奥氏体化后，合金成分与奥氏体相同第7页/共73页影响奥氏体化速度的因素加热条件：温度高，速度快；速度快?合金成分C含量高-相界面积大-A形核率高；合金元素影响相图、C等的扩散、碳化物稳定性等；原始组织细小，碳化物分散度大，A形成容易；片比球界面积更大；第8页/共73页奥氏体的晶粒度奥氏体的晶粒度表示奥氏体晶粒的大小。在100X时，1 in2内晶粒个数n与晶粒度等级G之间符合n=2G-1.冶金行业标准中，常用奥氏体晶粒度分为8级。1级最粗，8级最细（可拓展）。起始晶粒度：奥氏体化刚完成时实际晶粒度：实际加热条件下本质晶粒度：规定加热条件下第9页/共73页本质晶粒度的测定方法：93010保温38小时(100示意图)本质粗本质细第10页/共73页实际晶粒度与本质晶粒度、加热条件有关。本质细晶粒钢，加热温度超过950可能得到粗大晶粒；本质粗晶粒钢，加热温度较低时，可能得到很细的晶粒。实际用途？第11页/共73页影响奥氏体晶粒大小的因素加热条件加热温度越高和保温时间越长，A晶粒越粗。其中加热温度是主要因素加热速度大，过热度大，获得细小的初始晶粒化学成分随着奥氏体含碳量的增加，FeFe、C C原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。强碳化物元素Nb、Ti等元素碳化物不易溶解、阻止C扩散等原因强烈阻止A晶粒粗化，可细化晶粒Mn，P，O等促进晶粒长大（界面能）第12页/共73页1.2 钢在冷却时的组织转变实际生产当中冷却速度较快，转变在较大过冷度下进行，不能用相图来分析。转变的方式通常有两种第13页/共73页过冷奥氏体的等温转变共析钢的TTT曲线（C，S曲线）转变温度不同，产物不同，性能不同第14页/共73页高温转变产物珠光体类型珠光体2500 索氏体5000 屈氏体5000 组织名称符号形成温度/片层间距/m硬度能分辨片层的放大倍数珠光体PA16500.4170230 HBS1000屈氏体T6005002000第15页/共73页珠光体类型组织的性能珠光体的片层间距=F和Fe3C片的厚度之和；珠光体的片层间距取决于冷却速度；珠光体的片层间距越小，P的力学性能越好。与片状珠光体相比，粒状P的强度硬度较低，但是塑性韧性较好。第16页/共73页低温转变产物马氏体马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。马氏体的成分与过冷奥氏体完全相同。很强的固溶强化效应，同时M内又存在大量晶体缺陷，具有很高的强度和硬度。第17页/共73页马氏体的性能M的强度、硬度较高。强化机制：固溶强化、相变（亚结构）强化及时效强化。M的硬度主要取决于它的含碳量，碳含量越高，强度和硬度越高，而塑性、韧性也越低。M的塑性和韧性主要取决于其亚结构。位错马氏体：高强度、良好的韧性，脆性转变温度低，缺口敏感性小；孪晶马氏体：硬而脆(本质、速率，方向)。第18页/共73页中温转变产物贝氏体两相混合物(过饱和F,粒状碳化物)与M相比，上贝氏体强度低，不用。下贝氏体强度硬度较高、塑性韧性好。第19页/共73页粒状贝氏体形成时：由块状的铁素体和高碳岛状奥氏体组成；岛状奥氏体在随后的冷却过程中转变成黑色的珠光体、马氏体或以残余奥氏体的形式存在。第20页/共73页亚共析钢和过共析钢的C曲线亚共析钢和过共析钢的TTT曲线和共析钢相比多了一条先共析F和Fe3C的析出线渐近线第21页/共73页魏氏组织魏氏组织是沿原奥氏体特定晶面形成的具有几何学特征的冷却转变组织，德国魏德曼施泰登(AJWidmannstatten)首先在陨铁中发现的，故名，亦称魏氏体。此类组织在钢和铝青铜中都有发现。它是一种先共析转变组织。铁素体魏氏组织呈针（片）状，魏氏组织与母相之间保持严格的晶体学关系，并在试样磨面上呈现浮凸（切变特征）。第22页/共73页先共析组织量大，奥氏体晶粒粗大，冷速或温度适当时容易出现魏氏组织铸、锻、焊低中碳钢零件和低碳钢渗碳零件经空冷或一定速度冷却后，都可能出现魏氏组织对一般低、中碳钢来说，不论奥氏体晶粒粗细，只要冷却速度或者等温温度适宜应该都会有魏氏组织出现的可能。当然，奥氏体晶粒粗大时，出现这种组织所对应的钢的碳含量范围要宽些，而且在较慢的冷速下就能形成。第23页/共73页在GB/T13299钢的显微组织评定方法中,根据针状铁素体数量、形状以及由铁素体网确定的奥氏体晶粒的大小，魏氏组织分为6级对于碳含量在0.15-0.30%之间的钢种，其各个级别的魏氏组织的特征描述如下：0级：均匀的铁素体和珠光体组织，无魏氏组织特征；1级：铁素体组织中有呈现不规则的块状铁素体出现；2级：呈现个别针状组织区；3级：由铁素体网向晶内生长，分布于晶粒内部的细针状魏氏组织；4级：明显的魏氏组织；5级：粗大针状及厚网状的非常明显的魏氏组织。第24页/共73页魏氏组织由于粗大的魏氏组织对珠光体基体的割裂作用，一般都伴随着原奥氏体晶粒粗大,从而会引起钢的强度、韧性和塑性的降低。消除魏氏组织常用的办法一般采用退火或正火；程度严重的工件可采用二次正火（较高温度+较低温度）。淬火+回火也能消除魏氏组织。控制锻造终轧温度、锻后冷却，可以防止出现魏氏组织第25页/共73页过冷奥氏体的连续冷却转变CCT曲线在TTT的右下方；（碳素钢中）共析钢和过共析钢的连续冷却无贝氏体转变；上、下临界冷却速度，工艺应用第26页/共73页CCT曲线举例45钢的CCT曲线T10钢的CCT曲线第27页/共73页思考题分别以v1、v2、v3、v4的冷速进行冷却，各获得何种组织？第28页/共73页影响C曲线的因素奥氏体的化学成分和均匀性、晶粒大小，有无第二相C曲线。和以下因素有关：钢的化学成分正常加热条件下，共析钢的C曲线最右；除Co以外，常用元素均使其右移；一些碳化物形成元素还改变C曲线形状加热温度与时间原始组织：细，A均匀，C曲线右移，Ms第29页/共73页1.3 淬火钢在回火时的变化淬火后钢处于不稳定状态，加热时由于原子活动能力增强，发生如下转变（温度对应于碳钢，典型时间）(1)碳原子的偏聚（T100）:碳原子由间隙位置逸出到位错线附近;(2)马氏体分解:在此温度间马氏体中的碳浓度不断降低并发生M的分解，即从碳的过饱和固溶体中析出碳化物。M 100250析出 -Fe2.4C；250400之间，-Fe2.4C溶解并重新析出Fe3C。第30页/共73页(3)残余奥氏体的转变:按 C曲线进行例如高碳钢在200300回火加热、保温或降温过程中，AM或B组织(4)F的回复与再结晶及碳化物的聚集长大当T 400时，M中的碳原子全部脱溶，变成F，但是保持M外形和缺陷。T当T 600时，F发生回复和再结晶，Fe3C集聚长大并粗化。S温度碳钢，几小时第31页/共73页淬火钢在回火时性能的变化一般来说，淬火钢在回火时随着回火温度升高或时间延长，钢的硬度不断下降，塑性韧性、不断升高第32页/共73页45钢的回火温度与力学性能第33页/共73页 钢的回火脆性回火脆性：淬火钢在某一回火温度范围内，随着回火的升高，使钢的冲击韧性下降（脆性增大）的现象称为回火脆性。第34页/共73页第类回火脆性（低温回火脆性）：250400 原因是由于沿马氏体条间析出Fe3C所致。避免在此温度区间回火。重新淬火第类回火脆性（高温回火脆性）：含有Ni、Cr、Mn等元素的合金钢在450650回火后缓慢冷却时表现韧性降低。脆性为可逆性。回火后快冷可防止或予以消除。合金元素Mo可减轻第类回火脆性。第35页/共73页2 整体热处理工艺正火与退火淬火回火第36页/共73页2.1 钢的退火和正火毛胚生产：铸、锻、焊，冷变形等缺陷：晶粒粗大、应力、成分不均、硬度偏高等退火和正火是应用非常广泛的热处理，在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，经常作为预先热处理工序，安排在铸造或锻造之后、切削(粗)加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序作准备。对于一些普通铸件、焊接件以及不重要的工件，退火和正火也可以作为最终热处理工序。第37页/共73页退火和正火的目的改变性能、组织为目标，如调整硬度（经常是软化）以便进行后续加工；经过适当退火或正火处理可使钢件的硬度达到170-250HBS，而且比较均匀，从而改善钢件的切削加工性能，如球化退火、完全退火等。冷拉之间再结晶退火消除加工硬化消除残余应力，以防变形、开裂；细化晶粒，改善组织以提高力学性能；为最终热处理(淬火回火)作好组织上的准备，如球化退火。第38页/共73页钢的退火操作及应用退火是通过将金属加热、保温，使金属向（近近）平衡状态转化的工艺过程。分类方法乱，交叉按用途:、球化退火、扩散退火和去应力退火等;按加热温度：完全退火、不完全退火，按介质：普通空气、真空；按转变条件：连续冷却、等温、循环退火等；按材料：钢、有色合金等第39页/共73页（1）完全退火加热温度：TAC3+(3050)冷却方式：缓冷（炉冷、灰冷、坑冷）至550C后空冷。组织：接近平衡组织（F+P）应用：适用于亚共析钢铸、锻、焊件。如ZG35铸造齿轮。第40页/共73页（2）不完全退火加热至Ac1Ac3(Accm)之间，然后缓慢冷却的退火方法；目的：软化、消除应力、改善加工性能主要用于过共析钢，消除锻轧应力、降低硬度、提高韧性，但是不能消除网状！用于亚共析钢消除锻轧应力、降低硬度可以降低成本球化？第41页/共73页（3）球化退火加热温度：TAC1+(2030)冷却方式：缓冷、等温或循环组织：球状P球状P的强度、硬度稍低，塑性韧性好第42页/共73页球化退火工艺球化退火工艺路线第43页/共73页球化退火的应用任何钢种都可以采用；球化退火主要用于降低高碳钢的硬度，以利于切削加工；为淬火作组织准备，减小淬火时的变形和开裂倾向如果一次球化难以达到目的，可采用循环退火进行球化（111）第44页/共73页（4）扩散退火加热至固相线以下较高温度，长时间保温，消除枝晶偏析。适用于钢铁、有色合金等，如亚共析钢：TAc3 +（150300)过共析钢：TAccm+（150300)保温1015h后空冷第45页/共73页（5）再结晶退火与去应力退火较低温度加热（Ac1)，消除加工硬化或宏观应力，如500650保温缓冷至200后空冷，消除铸、焊件内应力200 300 保温缓冷弹簧去应力退火再结晶温度相变温度，软化加工硬化的金属适用于所有金属与合金第46页/共73页几种退火的加热温度范围第47页/共73页钢的正火操作及应用将钢加热到临界温度以上（AC3或Accm）保温一定时间后空冷、获得近平衡组织的工艺（0.4%C，不宜用正火代替调质。3)T12钢中存在连续的网状Fe3C，为提高切削加工性能，先正火消除网Fe3C，再球化退火得到粒状的P，HB。4）一些钢的最终热处理（115）第49页/共73页等温正火工艺举例（116）合金渗碳钢要求组织与硬度的良好配合粗F+细片状P160180HBS20CrMnTi得到以上组织性能的连续冷却工艺3338/min（难）常用等温正火工艺：装料厚度150mm，加热920960，150min；风冷至620630，25min，出炉。第50页/共73页2.2 钢的淬火将钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上，保温后快速冷却得到马氏体或贝氏体组织的工艺过程。淬火的目的：提高强度、硬度、耐磨性第51页/共73页加热参数的选择B和M均为A的转变产物，为了获得这些组织，首先要加热获得A。加热的目的：获得适当成分、晶粒细小的奥氏体加热温度（淬火温度）、保温时间都是以以上目的为依据的，同时考虑能源及设备消耗、零件氧化脱碳，变形，晶粒长大第52页/共73页淬火温度的选择亚共析钢:Ac3（3050）共、过共析钢:Ac1（3050）组织？合金钢可适当提高原因第53页/共73页保温时间的选择保温是加热的继续，目的相同因为碳钢奥氏体转变所需的时间较短，热导率较大，保温至整个零件达到淬火温度(经常目测)即可；合金元素扩散较慢，而且可能影响碳化物的溶解和C的扩散，合金钢可以适当延长保温时间。按装炉量、工件尺寸、材料种类估算第54页/共73页加热时间的估算（117-118）=KDK=11.3 装炉修正系数；加热系数，与加热温度、介质有关；D工件有效厚度工件的有效厚度圆棒的直径；阶梯轴按大端尺寸计算；扁平工件的厚度实心圆椎：离大端1/3高度处的直径；其余见118页。第55页/共73页钢的淬透性与淬硬性一定尺寸的工件，淬火时工件表面冷却较快，心部冷却较慢。不同位置转变产物不同钢的淬透性是指钢在淬火后获得马氏体或淬硬层深度（又称为淬透层深度）的能力。第56页/共73页淬透性通常用规定条件(试样形状、尺寸、冷却条件等）下的淬硬层深度表示，淬硬层深度越深，表明其淬透性越好。临界直径端淬实验,Jonomy曲线第57页/共73页钢的淬透性取决于过冷奥氏体的稳定性C曲线靠右的钢（上临界冷却速度较小），淬透性较好淬透性与钢材成分、原始状态及加热条件有关，而与工件尺寸、淬火介质无关 在尺寸、形状、冷却条件均相同时，淬透性大的钢，淬透层深度越深。第58页/共73页淬透性是选材制定工艺的依据淬透性是选材和制定热处理工艺的重要依据。如截面尺寸大、形状复杂、承受复杂应力、对心部性能要求高较高淬透性材料对于承受弯扭的轴类、齿轮类零件，可选用淬透性低、淬硬层浅（如为半径的1/31/2）的钢。为了防止焊件变形和裂纹、强力冲击脆断，材料的淬透性不能太好。第59页/共73页不同尺寸的工件淬硬层深度不同大直径零件淬硬层较薄；根据工件的淬透性优化热处理工艺。如正火代替调质量安排工艺路线考虑淬透性；第60页/共73页淬硬性钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度称为钢的淬硬性。钢的淬硬性主要取决于马氏体中的碳含量，也就是淬火前奥氏体中碳含量，碳含量越高，淬硬性越好。第61页/共73页常用淬火冷却介质与淬火方法淬火介质与方法的选择要考虑两方面的因素避免奥氏体分解，满足性能要求降低淬火应力，减小变形、防止开裂理想介质的冷却特性如图 理想冷却速度第62页/共73页常用淬火介质水，（5-15%）盐水，碱水冷却速度快10-20号机油冷却速度较慢硝盐浴（50%KNO3,50%NaNO2）等温淬火，分级淬火第63页/共73页常用淬火方法（118）单液淬火：一种介质冷却到底。如碳钢在水中、合金钢在油中，高速钢在空气。为了减小淬火应力，可以采用双液淬火：如水淬油冷、油淬空冷分级淬火：在Ms以上等温均温后冷却等温淬火：得到B冷处理：淬火的继续第64页/共73页冷却操作方法（119）复杂零件，预冷可减小变形；淬火方向轴类，套筒垂直入水；长板，横向侧面入水；凹面，槽口向上；截面相差较大时，大头先入水等不摆动或只沿着淬入方向直线运动，可减小变形；第65页/共73页淬火应用实例（120）临界直径的零件容易开裂，如5-11的45钢零件水淬。尤其是6-9最容易开裂。裂纹起源于最先入水的部位或缺陷处。避免危险尺寸；改进工艺改变淬火介质第66页/共73页2.3 钢的回火 回火的目的淬火钢内应力较大、组织不稳定、塑性和韧性较低，必须进行回火。回火是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，经保温适当时间后冷却到室温的热处理工艺。回火可以减小淬火内应力，稳定工件组织和形状尺寸，提高零件的塑性和韧性。第67页/共73页回火的分类和应用根据回火时发生的转变，回火分为三类低温回火：发生马氏体分解，产物为回火马氏体M；中温回火：碳化物没有过分聚集长大，F没有再结晶，产物为回火屈氏体T(F+点状Fe3C)；高温回火：产物为回火索氏体S(F+球状的Fe3C)第68页/共73页低温回火温度：（碳钢在150250C）组织：M+粒Fe3C性能：高硬度、较高强度，塑性及韧性较差，耐磨性好（如高碳钢达5864HRC）。应用：用于工模具，轴承、齿轮等。第69页/共73页中温回火温度：（碳钢350500）组织：回火屈氏体（T回），微细粒状碳化物弥散分布在F基体上 性能特点：高弹性极限及屈服极限，一定的韧性，硬度3545 HRC 应用：各种弹簧。如：60Si2Mn、65Mn、60、65、85钢。第70页/共73页高温回火温度 （碳钢500650）组织：回火索氏体（S），粒状碳化物分布在F基体上 性能特点：较高的强度和硬度（HB200350），良好的塑性和韧性。即具有良好的综合机械性能，参考点？应用：各种轴类、连杆、螺栓等。如：45、40Cr、40CrNiMo钢等。调质处理 淬火高温回火 第71页/共73页45钢（2040mm）调质和正火组织及机械性能比较由此表可以看出：45钢调质处理的性能比正火后性能综合机械性能好。第72页/共73页感谢您的观看！第73页/共73页