第六章钢热处理.docx
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1、第六章钢热处理淮安信息职业技术学院教案首页一、章节:第六章钢的热处理第一节钢在加热时的组织转变第三节钢的退火与正火二、教学目的:使学生了解钢在加热时的组织转变,驾驭钢的退火与正火的热处理工艺。 三、教学方法: 讲授法。 四、教学重点: 钢的退火与正火的热处理工艺。 五、教学难点: 钢的退火与正火的热处理工艺。六、运用教具:挂图。 七、课后作业:P91:1、2、18。八、课后小结:第六章钢的热处理 热处理是指采纳适当方式对金属材料或工件进行加热、保温柔冷却,以获得预期组织结构与性能的工艺方法。 热处理是提高金属运用性能和改善工艺性能的重要加工工艺方法。因此,在机械制造中绝大多数的零件都要进行热处
2、理。例如,机床工业中 6070的零件要进行热处理,汽车、拖拉机工业中 7080的零件要进行热处理,各种量具、刃具、模具和滚动轴承几乎 100要进行热处理。可见,热处理在机械制造工业中占有非常重要的地位。 热处理按目的、加热条件和特点不同,分为以下三类: (1)整体热处理特点是对工件整体进行穿透加热。常用的方法有:退火、正火、淬火、回火。 (2)表面热处理特点是对工件表层进行热处理,以变更表层组织和性能。常用的方法有:感应淬火、火焰淬火。 (3)化学热处理特点是变更工件表层化学成分、组织和性能。常用的方法有:渗碳、渗氮、碳氮共渗等。第一节钢在加热时的 组 织转变由 PeFe 3 C 相图可知,A
3、1、A3、A cm 线是碳钢在极其缓慢加热和冷却时的相变温度线,因此这些线上的点都是平衡条件下的相变点。但实际生产中,加热和冷却并不是极其缓慢的,因此实际发生组织转变的温度与 A1、A3、Aon 有肯定偏离。实际加热时各相变点用 A cl 、A c3 、A ccm 表示;冷却时各相变点用 A rl 、A r3 、Ar cm 表示。 一、奥氏体的形成及其影响因素将钢件加热到 A c3 或 A cl 温度以上,以获得全部或部分奥氏体组织的操作,称为奥氏体化。 1 1 ,奥氏体的 形成以共析钢为例,共析钢在 Al 点以下为珠光体组织,珠光体组织中铁素体具有体心立方晶格,在 A 1 点时ω
4、 c =00218;渗碳体具有困难晶格,其ω c =6.69。当加热到 A cl 点以上时,珠光体转变为具有面心立方晶格,其ω c =077的奥氏体。因此,珠光体向奥氏体的转变必需进行晶格改组和铁、碳原子的扩散,其转变过程遵循形核和核长大的基本规律。奥氏体形成过程可归纳为三个阶段: (1)奥氏体晶核的形成和长大 奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体相界面上形成。这是由于相界面处原子排列比较紊乱,处于能量较高状态。而且奥氏体含碳量介于铁素,曝和渗碳体之间,故在两相的相界面处为奥氏体形核供应了条件。 奥氏体晶核形成后,便通过铁、碳原子的扩散,使其相邻铁素体的体心立方晶格改组为奥氏
5、体的面心立方晶格,同时与其相邻的渗碳体不断溶人奥氏体中,使奥氏体晶核渐渐长大,与此同时又有新的奥氏体晶核形成,并长大。此阶段始终进行到铁素体全部转变为奥氏体为止。 (2)残余渗碳体的溶解 由于渗碳体的晶体结构和含碳量与奥氏体有很大差异,所以当铁素体全部消逝后,仍有部分渗碳体尚未溶解,这部分渗碳体随着保温时间的延长,将渐渐溶人奥氏体中,直至完全消逝为止。 (3)奥氏体成分的匀称化残余渗碳体完全溶解后,奥氏体中碳浓度是不匀称的。在原渗碳体处碳浓度较高,而原铁素体处碳浓度较低,只有接着延长保温时间,通过碳原子的扩散,才能得到成分匀称的奥氏体。 由上可知,热处理的保温,不仅是为了将工件热透,而且也是为
6、了获得成分匀称的奥氏体组织。以便冷却后能得到良好的组织和性能。 2 2 影响向奥氏体转变的因素1)加热温度加热温度越高,铁、碳原子扩散速度越快,且铁的晶格改组也越快,因而加速速奥氏体的形成。 2)加热速度 加热速度越快,转变起先温度越高 ,转变终了 温度也越高是,完成转变所需的时间越短,即奥氏体转变速度越快。(3)钢的原始组织若钢的成分相同,其原始组织越细、相界面越多,奥氏体的形成速度就越快。例如,相同成分的钢,由于细片状珠光体比粗片状珠光体的相界面积大,故细片状珠光体的奥氏体形成速度快。 二、奥氏体晶粒长大及其影响因素钢在加热时,奥氏体晶粒大小将干脆影响冷却后钢的组织和性能。1 1 奥氏体晶
7、粒度( ( 奥氏体晶粒大小) )奥氏体晶粒度是指将钢加热到相变点(亚共析钢为 Ac3,过共析钢为 Acl 或 Ac 点)以上某一温度,并保温给定时间所得到的奥氏体晶粒大小。 实践证明,不同成分的钢,在加热时奥氏体晶粒长大倾向是不相同的。有些钢随着加热温度的上升,奥氏体晶粒会快速长大,称这类钢为本质粗晶粒钢,而有些钢的奥氏体晶粒不易长大,只有当温度超过肯定值时,奥氏体晶粒才会突然长大,称这类钢为本质细晶粒钢。生产中,须经热处理的工件,一般都采纳本质细晶粒钢制造。 工业生产中,用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢。其缘由是铝与钢中的氧、氮化合,形成极细的化合物,分布在奥氏体晶界上,能阻挡奥氏体晶粒长大,但加
8、热温度超过肯定值时,这些极细的化合物会溶人奥氏体晶粒内,使奥氏体晶粒突然长大。用锰铁、硅铁脱氧的钢为本质粗晶粒钢,如沸腾钢。 2 2 影响奥氏体晶粒长大的因素(1)加热温度和保温时间加热温度越高,保温时间越长,奥氏体晶粒长得越大。通常加热温度对奥氏体晶粒长大的影响比保温时间更显著。(2)加热速度当加热温度确定后,加热速度越快,奥氏体晶粒越细小。因此,快速高温加热和短时间保温,是生产中常用的一种细化晶粒方法。(3)钢中加入肯定量合金元素大多数合金元素均能不同程度的阻碍奥氏体晶粒长大,尤其是与碳结合力’较强的合金元素(如铬、钼、钨、钒等),由于它们在钢中形成难溶于奥氏体的碳化物,并弥散
9、分布在奥氏体晶界上,能阻碍奥氏体晶粒长大,而锰、磷则促使奥氏体晶粒长大。其次节钢在冷却时的组织转变残分相同的钢,奥氏体化后采纳不同的方式冷却,可得到不同的组织和性能,见表 61。这是由于热处理生产中,冷却速度比较快,因此奥氏体组织转变不符合 FeFe3C 相图所示的改变规律:相图未考虑冷却条件对相变的影响)。由于冷却速度较快,奥氏体被过冷到共析温度以下才臵生转变,在共析温度以下暂存的、不稳定的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的冷却方式有两种:一种是等温冷却转变,另一种是连续冷却转变。 一、过冷奥氏体等温转变1 1 过冷奥氏体等温转变图的建立现以共析钢为例来说明过冷奥氏体等温转变曲线图的建立。首
10、先将共析钢制成若干小圆形薄片试样,加热至奥氏体化后,分别迅速放人 A1,点以下不同温度的恒温盐浴槽中进行等温转变;分别测出各温度下,过冷奥氏体转变起先时间、终止时间以及转变产物量;将其画在温度时间坐标图上。并把各转变起先点和终止点分别用光滑曲线连起来,便得到共析钢过冷奥氏体等温转变图。2 2 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 (1)珠光体转变转变温度为 A l 550。过冷奥氏体向珠光体转变是扩散型相变,要发生铁、碳原子扩散和晶格改组,其转变过程也是通过形核和核长大完成的。当奥氏体被过冷到 A 1 点以下时,首先在奥氏体晶界处形成渗碳体晶核,其晶核靠四周奥氏体不断供应碳原子而长大成为渗碳体片
11、。与此同时,渗碳体四周的奥氏体含碳量不断降低,从而促使这部分奥氏体转变为铁素体片。铁素体溶碳实力很低,在它长大过程中必定要将多余的碳转移到相邻的奥氏体中,使其含碳量上升,这又促使新的渗碳体片形成。上述过程连续进行,最终形成了铁索体与渗碳体片层相间的珠光体组织。珠光体中的铁素体和渗碳体片层间距与过冷度大小有关。在A 1 650范围内,由于过冷度较小,故得到片层间距较大的珠光体,在 500 倍的光学显微镜下就能辨别出片层形态。在 650600范围内,因过冷度增大,转变速度加快,故得到片层间距较小的细珠光体,称为 索氏体,用符号S表示,只有在8001000 倍光学显微镜下才能辨别出片层形态, 在 6
12、00550范围内,因过冷度更大,转变速度更快,故得到片层间距更小的极细珠光体,称为 托氏体,用符号 T表示,只有在电子显微镜下才能辨别清片层形态。珠光体片层间距越小,相界面越多,塑性变形抗力越大,故强度、硬度越高。另外,由于片层间距越小,渗碳体越薄,越简单随铁素体一起变形而不脆断,因而塑性、韧性也有所提高。3 马氏体的转变 第三节钢的退火与正火一、钢的退火钢的退火是将钢件加热到适当温度,保温肯定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。<) 1) 完全退火完全退火不将钢件完全奥氏体化后,随之缓慢冷却,获得接近平衡组织的退火工艺。生产中为提高生产率,一般随炉冷至 600左右,将工件出炉空冷。完全退火
13、或降低钢的硬度,以利切削加工;削除残留应力,稳定工件尺寸,以防变形或开裂;细化晶粒,改善组织。以提高力学性能和改善工艺性能,为最终热处理(淬火、回水)作好打算。完全退火的主要缺点是时间长,特是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢,退火一般须要几十个小时。 完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊件等。(2) 球化退火 球化退火是指将共析钢或过共析钢加热到Acl点以上2030,保温定时间后,随炉绶缓冷至室温,或快冷到略低于 Ar1 温度,保温后出炉空冷,使钢中碳化物球状化的退火工艺。(3 3 )匀称化退火( ( 扩散退火) ) 匀称化退火是将铸锭、铸件或锻坯加热到高温(钢熔点以下100-20
14、0),并在此温度长时间保温(10 一 15 h),然后缓慢冷却,以达到化学成分和组织匀称化的退火工艺。匀称化退火后,钢的晶粒过分粗大,因此还要进行完全退火或正火;匀称化退火的时间长,耗费能量大,成本高。主要用于要求质量高的合金钢铸锭和铸件。(4 4 )去应力退火 为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的应力,以及铸件内存在的残留应力而进行的退火,称为去应力退火。去应力退火工艺是将钢件加热至 500600,保温后,随炉缓冷至 300 一 200 出炉空冷。由于加热温度低干至于 Al 点,因此在退火过程中不发生相变。主要用于削除工件中的残留应力,一般可消退50一80应力,对形态困难及壁厚不匀称
15、的零件尤为重要。二、钢的正火正火是指将钢件加热到奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。正火与退火的主要区分是正火冷却速度稍快,得到的组织较细小,强度和硬度有所提高,操作简便,生产周期短,成本较低。对于低碳钢和低碳的合金钢经正火后,可提高硬度,改善切削加工性能(170230HBS 范围内金属切削加工性较好);对于中碳结构钢制作的较重要件,可作为预先热处理,为最终热处理作好组织打算;对于过共析钢,可消退二次渗碳体网为球化退火作好组织打算;对于运用性能要求不高的零件,以及某些大型或形态困难的零件,当淬火有开裂危急时,可采纳正火作为最终热处理。教 案 首 页一、章节:第四节 钢的淬火第五节钢的正火第六节
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