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1、2011 年1月6日,热处理工艺培训,第一章：金属材料及金属学基础,一、金属材料分类1、黑色金属 以铁、锰、铬为代表形成的具有金属特性的物质。2、有色属：铜、铝、镁、钛及其合金。二、金属材料性能1、金属材料的使用性能：强度、塑性、硬度（HB、HRC、HV)、韧性、疲劳强度。2、金属材料工艺性能：铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能。,二、Fe-Fe3C相图,(一).铁碳合金的组元,1.Fe 过渡族元素,熔点为1538,相对密度是7.87g/cm3.纯铁从液态结晶为固态后,继续冷却到1394及912时,先后发生两次同素异构转变.工业纯铁的机械性能 b 180 230 MPa
2、 0.2 100 170 MPa 30%50%70%80%ak 1.6106 2106J/m2 硬度 50 80 HB,2.Fe3C Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,通常称为渗碳体,用Cm表示。渗碳体的机械性能,Fe3C,渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态,对铁碳合金的机械性能有很大影响.,(二).铁碳相图中的单相区,1.液相(L)区 液相L是铁与碳的液溶体.2.相区 相为高温铁素体,是碳在-Fe中的间隙固溶体,呈体心立方晶格,在1394以上存在,在1495时溶碳量最大,为0.09%.3.相区 相也称铁素体,用符号 F或 表示,是碳在-Fe 中的间隙固溶体,
3、呈体心立方晶格.铁素体中碳的固溶度极小,室温时约为0.0008%,在727 时溶碳量最大,为0.0218%.4.相区 相常称奥氏体,用符号 A或 表示,是碳在-Fe 中的间隙固溶体,呈面心立方晶格.奥氏体中碳的固溶度较大,在1148 时溶碳量最大达2.11%.5.Fe3C相区 Fe3C相是一个化合物相.,(三).Fe-Fe3C相图中的三相区,1.水平线HJB(包晶反应线),J为包晶点.0.09%w(C)0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应:L0.53+0.09=0.17(1495).2.水平线ECF(共晶反应线),C点为共晶点.2.11%w(C)6.69%之间的铁碳合金,在平衡结
4、晶过程中均发生共晶反应:L4.3=Le(2.11+Fe3C)(1148).共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物,称莱氏体,以符号 Le表示.3.水平线PSK(共析反应线),S点为共析点.0.0218%w(C)6.69%的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共析反应:0.77=P(+Fe3C)(727).共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物,称珠光体,以符号P表示.,(四).特性曲线,GS线 又称A3线,是在冷却过程中,由A析出F的开始线.ES线 是碳在A中的固溶线,通常叫做Acm线。由于在1148 时A中溶碳量最大可达2.11%,而在727 时仅为0.77%,因此碳质量分数大于0.77
5、%的铁碳合金自1148冷至727 的过程中,将从A中析出Fe3CII。Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。PQ线 是碳在F中固溶线。在727 时F中溶碳量最大可达0.0218%,室温时仅为0.0008%,因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727 冷至室温的过程中,将从F中析出Fe3CIII。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少,往往予以忽略。,(1)工业纯铁 w(C)0.0218%(2)钢 0.0218%w(C)2.11%亚共析钢 0.0218%w(C)0.77%共析钢 w(C)=0.77%过共析钢 0.77%w(C)2.11%(
6、3)白口铸铁 2.11%w(C)6.69%亚共晶白口铸铁 2.11%w(C)4.3%共晶白口铸铁 w(C)=4.3%过共晶白口铸铁 4.3%w(C)6.69%,(五).Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类,二.铁碳合金的平衡结晶过程和组织,1.工业纯铁的结晶过程,珠光体是F与Cm的共析混合物.Cm以细片状分散分布在F基体上,起强化作用.b:770MPa:20-35%硬度:180HBak:3105-4105J/m2,2.共析钢的结晶过程,3.亚共析钢的结晶过程,4.过共析钢的结晶过程,(f)4.3%C 低温莱氏体130,(e)3%C珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体130,(g)5%C初晶渗碳体+低温
7、莱氏体130,标注组织的Fe-Fe3C相图,A3,Acm,A1,三.成分 组织与性能的对应关系,1.强度 随碳含量的增加,亚共析钢中P增多而F减少,P的强度较F高.同时P的组织越细密,其强度值越高.所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大.当碳含量超过共析点之后,强度很低的Fe3CII沿晶界出现,合金强度的增高变慢,到约0.9%C时,Fe3CII沿晶界形成完整的网,强度开始迅速降低,到2.11%C合金中将出现Le时,强度已降至很低的值.再增加碳含量时,合金基体都为脆性很高的Fe3C,强度变化不大且值很低,趋于Fe3C的强度(约30 MPa).,0.9,2.硬度 随含碳量增加,合金硬度呈直线关系增
8、大3.塑性 铁碳合金中Fe3C是极脆的相,没有塑性.合金的塑性变形全部由F提供.所以随碳含量的增大,F量不断减少时,合金的塑性连续下降.到合金成为白口铸铁时,塑性就降到近于零值了.亚共析钢的硬度、强度和延伸率的估算：硬度80w(F)+180w(P)(HB)硬度80w(F)+800w(Fe3C)(HB)拉伸强度(b)230w(F)+770(P)(MPa)伸长率()50w(F)+20w(P)(%),作业一.术语解释10：铁素体、珠光体、奥氏体、莱氏体、渗碳体、初晶渗碳体、共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体、三次渗碳体二.填空 是非判断 选择题：P9-2(14)(15)(16)(17).P10-3(
9、16)(17).P12-4(10)(11)(12)(13).三.综合分析题8：25.P14-5(7)26.P14-5(8)27.P14-5(9)28.P14-5(10)29.什么是Fe3C、Fe3C、Fe3C？它们是在什么条件下形成的？形态和分布特点是怎样？30.亚共析钢成分和共晶成分的白口铸铁哪一个铸造性能好？为什么？,31.试写出45钢和T10在平衡结晶条件下室温的相组成和组织组成及其质量分数，并画出它们在室温下的组织组成示意图。32.将A、B两块碳素钢试样加热至850 保温后缓冷，金相组织分别为：A试样的先共析铁素体面积为41.6%，珠光体面积为58.4%；B试样的二次渗碳体面积为7.3
10、%，珠光体面积为92.7%；设铁素体和渗碳体的密度相同,铁素体的含碳量为零，求A、B两种碳素钢的含碳量。,附加读物:Fe-3%C室温组织组成物相对量的计算:组织组成物：P、Fe3C、Le组织组成物相对量：Le%=L%=E2/EC=(3-2.11)/(4.3-2.11)=40.6%A%=(P+Fe3C)%=2C/EC=(4.3-3)/(4.3-2.11)=59.4%=13.4%Fe3C%=2C/EC(2.11-0.77)/(6.69-0.77)P%=A%-Fe3C%=(59.4-13.4)%=46%相组成物：F、Fe3C相组成物相对量：F%=(6.69-3)/6.69100%=55.2%Fe3C
11、%=3/6.69 100%=44.8%,F+Fe3C,第二章 钢在加热时的组织转变,1、奥氏体（A）的形成。2、钢的加热缺陷及防止措施。A：欠热、过热、过烧B：氧化、脱碳C:变形、开裂,第三章：钢在冷却时的组织转变,1、珠光体（P）转变，P硬度较低，小于25HRC在600-650度之间转变得到细片状P又称索氏体（S)，硬度较高达25-35HRC，在550-600度之间等温转变得到片层更细的P称为托氏体（T），硬度较高（35-40HRC)2、贝氏体（B）转变，有上贝氏体（350-550度），显微组织呈羽毛状，硬度40-45HRC塑性、韧性较差。下贝氏体（350度-MS），硬度45-55HRC，塑
12、性及韧性较好。3、马氏体（M）转变。,第四章钢的退火与正火,一、退火1、退火目的：较低硬度提高韧性，以便于切屑和冷变形加工。细化晶粒消除铸、锻、焊引起的组织缺陷；均匀钢的组织成分改善钢的性能。消除钢中的内应力，防止变形与开裂。2、退火的分类：完全退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火、均匀化退火。3、退火的常见缺陷：硬度过高、过热、氧化脱碳、网状组织。,第四章钢的退火与正火,二、正火将钢加热到奥氏体化温度，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。,第五章钢的淬火,钢的淬火就是将钢加热到AC3或AC1以上某一温度，保持一定时间然后以适当的冷却速度获得M或B组织的热处理工艺。一、淬火加热温
13、度：亚共析钢（AC3+30+50度）、共析钢和过共析钢（AC1+30-50度）二、加热时间：=KD(min)K=装炉修正系数=加热系数（min/mm)D=零件有效厚度（mm)三、淬火介质四、钢的淬火缺陷。1淬火的内应力（热应力、相变应力又称组织应力）2、淬火的变形3、淬火裂纹,第六章钢的回火,回火定义：钢件淬硬后，在加热到低于Ac1点以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,第一节 淬火钢在回火时的组织和性能转变,一、回火时的组织转变钢经淬火后其正常组织为：马氏体+残余奥氏体（亚共析钢和共析钢）马氏体+碳化物（碳素钢中就是渗碳体）+残余奥氏体（过共析钢）,淬火钢回火时的组织
14、变化大致包括以下几个过程：1.碳原子的偏聚2.马氏体的分解3.残余奥氏体的转变4.碳化物的析出、转化和长大5.铁素体的回复与再结晶,二、回火后的力学性能,淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是：随着回火温度的上升，硬度、强度降低，塑性、韧性升高,1.回火对淬火钢硬度的影响2.回火对钢的强度、塑性和韧性韧性的影响,第二节 二次硬化、回火脆性及回火稳定性,一、二次硬化铁碳合金在一次或多次回火后提高了硬度的现象称为二次硬化,产生二次硬化的原因有以下两个方面1.马氏体转变过程中的弥散强化作用2.残余奥氏体转变成回火马氏体或下贝氏体,二、回火脆性淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓冷通过该温度区间的脆化现
15、象叫回火脆性1.第一类回火脆性钢淬火后在300C左右回火时所产生的回火脆性称第一类回火脆性2.第二类回火脆性含有Cr、Mn、Cr-Ni等元素的合金钢淬火后，在脆化温度（450-550C）区回火，或经更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区间所产生的脆性称第二类,第三节 回火的分类及回火工艺的制定,一、回火的分类按加热温度的不同，回火分为低温、中温和高温回火三类,1.低温回火回火温度在250C以下，回火后的组织是回火马氏体，其硬度一般为55-64HRC（低碳钢除外）2.中温回火回火温度在300500C，回火后组织为回火托氏体，其硬度一般为40-50HRC3.高温回火回火温度在500600C，回火后组
16、织为回火索氏体，其硬度一般为25-35HRC,二、回火工艺的制定,制定回火工艺的主要参数有：回火温度、回火时间、回火后的冷却速度1.回火温度工件的力学性能要求（如硬度、强度、韧性、塑性等）是选择回火温度的依据2.回火时间回火需要保温一定的时间，目的是使工件心部与表面温度均匀一致，保证组织转变的充分进行，以及淬火应力得到充分消除,第一节 感应加热表面淬火,第七章 钢的表面淬火,一、基本原理利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并快速冷却的淬火工艺二、感应加热的特点1.感应加热能够在一定范围内控制加热深度2.加热速度快，生产效率高3.工件热处理质量高且稳定4.热效率高5.容
17、易实现局部加热和连续加热6.便于实现机械化和自动化,三、感应加热的设备1.电子管式高频设备2.发电机式中频设备,四、感应加热表面淬火的组织和性能1.感应加热表面淬火的组织2.感应加热表面淬火后的力学性能（1)硬度（2)疲劳强度（1)耐磨性,五、感应加热淬火工艺1.感应加热淬火方法（1)同时加热淬火方法（2)连续加热淬火方法2.淬火温度和加热速度地选择根据钢的化学成分、原始组织、及加热速度等因素有关3.淬硬深度的确定淬火深度为零件厚度的10%-20%左右时，可以得到良好的综合力学性能4.感应加热后的冷却（1）喷射冷却（2）浸液冷却（3）埋油冷却,5.表面淬火电流频率的选择为保证工件表面淬火层的质
18、量，应使电流热透入深度热大于所需求的淬硬层深度，同时经验表明淬硬层深度应不小于电流热透入深度热的1/4，而以电流热透入深度热的1/2为最佳。对于一般碳素钢，热500/f1/2 热-电流热透入深度(mm)f 25104/热2 f 电流频率（Hz）6.感应加热淬火后的回火感应加热淬火的工件要及时回火，以减少内应力，防止变形开裂，并稳定组织达到所需的力学性能(1)炉中回火（2）自回火（3）感应加热回火,第二节 火焰加热表面淬火,一、火焰加热表面淬火的基本原理及特点应用氧-乙炔（或其他燃气）火焰对零件表面进行预热，随之淬火冷却的工艺。特点是设备简单，成本低，使用方便，缺点是加热是容易过热，淬火质量不易
19、控制，影响因素较多二、火焰加热的方法根据喷嘴对零件的相对运动情况分：固定法、旋转法、前进法、联合法,第一节 概述,第八章 结构钢的热处理,零件在工作时主要承受拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击载荷以及疲劳、摩擦的作用，而且受到温度、大气、润滑油及腐蚀介质的影响，其损坏方式和性质也各不相同，所以对结构钢的基本性能提出以下要求：（1）具有足够高的屈服强度和抗拉强度（2）具有较高的疲劳强度（3）具有足够的韧性（4)具有良好的机械性能，便于加工制作,结构钢的合金化：结构钢以碳素钢为基础，加入一些合金元素，发展成为合金结构钢，通常加入结构钢的元素有铬、镍、硅、钨、钼、钒、钛、硼等,第二节 调质钢的热处理,一、
20、调质钢基本性能要求调质钢通常是指在淬火、高温回火后使用的钢，一般为中碳优质钢或合金结构钢1.良好的综合力学性能2.足够的淬透性,二、调质钢中合金元素的作用1.提高淬透性2.提高回火稳定性3.细化奥氏体晶粒4.抑制第二类回火脆性三、热处理特点1.淬火 钢件在Ac3以上（30-50度）范围内加热，温度过高，会导致奥氏体晶粒粗大，冷却时加大变形和开裂的倾向。温度过低，奥氏体化不充分，钢的淬透性降低，淬火组织中出现游离铁素体，无法达到强度要求。实际淬火加热温度的选择，视具体情况而定。主要取决于化学成分、工件尺寸以及淬火介质等。2.回火 调质钢一般回火温度为500-600C之间，具体温度视调质钢的性能确
21、定,四、常用调质钢1、碳素调质钢一般用优质碳素结构钢中的中碳钢作为调质钢，例如30-50钢或40Mn等，其中45钢应用最为广泛2、合金调质钢合金元素加入，大大提高了这类钢的淬透性及力学性能。按钢的淬透性分：（1)低淬透性调质钢 这类钢的油淬火临界直径为20-40mm，钢中合金元 素种类少，含量不超过2.5%；这类钢有铬钢、锰钢、铬硅钢、硅锰钢、锰钒钢和含硼钢等，（2)中淬透性调质钢 这类钢的油淬火临界直径为40-60mm，钢中合金元素种类两种以上；这类钢调质后强度高，可作截面较大、承载较重载荷的调质件，常用牌号有35CrMo、38CrMoAlA、40CrNi等（3)高淬透性调质钢 这类钢的油淬火临界直径为60-100mm，钢中合金元素总含量比上述钢多；铬镍钼钢、硅锰钼硼钢等，这类钢调质后强度大，韧性好，可用于制作大截面重负荷的重要零件。,结 束 谢谢！,
