热处理四把火基础与总结.ppt

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1、2023/10/3,1,钢的热处理,第三章 钢的热处理(Heat Treatment of Steel),本章教学目的及要求 1 了解钢的热处理原理及工艺 2 针对性能不同的机件会制定相应的热处理工艺,金属固态相变的主要类型 1 平衡转变（已在前面的章节中叙述过）1）纯金属的同素异构转变 2）多形性转变（类似匀晶转变）3）共析转变 4）平衡脱溶沉淀（二次相的析出）2 不平衡转变 1）铁碳合金中的不平衡转变（1）伪共析转变（2）贝氏体转变（3）马氏体转变 2）不平衡脱溶沉淀（AL合金的淬火时效）,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,2,第一节 概述,一、热

2、处理的定义,保温,钢的热处理,加热,冷却,热处理工艺曲线,组 织,性 能,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,3,二、热处理的应用范围,三、热处理的分类,热处理,普通热处理,表面热处理,淬火 回火,表面淬火,化学热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,渗碳 渗氮碳氮共渗等,钢的热处理,退火 正火,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,4,Ac3,A3,钢的热处理,为了使钢件在热处理后获得所需的性能，对于大多数热处理工艺，都要将钢件加热到高于临界点的温度，以获得全部（或部分）奥氏体组织并使之均匀化，这个过程称为“奥氏体化”

3、。,第二节 钢在加热时的转变,一、转变温度(transformation temperature),Acm,Arcm,Accm,A1,Ar1,Ac1,Ar3,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,5,晶界相界形核理论,钢的热处理,二、奥氏体的形成,显然，奥氏体的形成必须进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散。其基本过程是通过以下四个阶段来完成的。,1 基本过程(共析碳钢),A晶核形成,A晶粒长大,残余Fe3C溶解,A成分均匀化,Fe3C,F,A,问题？,1)扩散型的转变2)是通过形核和长大过程来实现的,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,20

4、23/10/3,6,钢的热处理,2 影响奥氏体形成的因素,形核（处所）、长大（D）两个点,1）加热温度 TDA的形成速度,2）加热速度 V加热 A形成时间 A的形成速度,3）原始组织 钢中的原始组织细相界面A形成速度,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,7,钢的热处理,三、奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,1 奥氏体晶粒度,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,8,钢的热处理,钢的本质晶粒度示意图,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,9,钢的热处理,2 奥氏体晶粒大小钢的性能影响

5、,1）奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高,2）粗大的奥氏体晶粒（过热）在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂,热处理的前提条件,细小的A,性能提高,严格控制 T、,细小的产物,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,10,钢的热处理,一、钢在热处理时的冷却方式,保温,时间,温度,临界温度,连续冷却,等温冷却,第三节 钢在冷却时的转变,加热,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,11,钢的热处理,二、过冷奥氏体的等温冷却转变,1 过冷奥氏体等温冷却转变曲线(TTT)的建立,A1,共析钢,的C 曲线,A,绪 论

6、,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,12,转变产物区,2 共析钢的C曲线分析,1）图形分析,Ms,Mf,230,550,-50,转变开始线,转变终了线,过冷奥氏体区,转变进行区,（2）过冷A体的孕育期（稳定性）,（3）等温温度不同，转变产物也不同,（1）点、线、区,高温转变区扩散型转变 P 转变,中温转变区半扩散型转变贝氏体(B)转变,低温转变区非扩散型转变马氏体(M)转变,2023/10/3,13,2）过冷奥氏体转变产物及性能,珠光体型转变（F+Fe3C),珠光体 P 5-25HRC 500X,索氏体 S 25-35HRC 1000X,屈氏体 T 35-40

7、HRC 电镜,贝氏体型转变（非平衡C%的F+碳化物）,马氏体型转变（C在-Fe中的过饱和固溶体),上贝氏体 B上 35-45HRC,下贝氏体 B下 50-60HRC,2023/10/3,14,钢的热处理,（1）M体的转变特点,在一个温度范围内连续冷却完成,转变速度极快,即瞬间形核与长大,非扩散转变，M与原A的成分相同，比容最大,（4）M体的性能,A中C%,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,（2）M体的晶体结构,2023/10/3,15,P型+F,P型+F,AF,AFe3C,P型+Fe3C,先共析线,与共析钢C曲线的区别,2023/10/3,16,3、影响C曲线的因素,1）

8、A体中的化学成分,（2）A体中Me%,（1）A体中C%,2）A体的状态,（2）第二相利于过冷A体转变稳定性C曲线左移,钢的热处理,（1）T、A体成份均匀性，晶粒晶界面积,不利于过冷A体转变稳定性C曲线右移,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,17,钢的热处理,三、过冷奥氏体的连续冷却转变（CCT曲线）,过冷A体的连续转变曲线一般很难建立（因为时间，温度 总在变化，转变点不易测出来，所以通常用等温转变曲线（C曲线）来定性说明连续冷却转变的情况。,无贝氏体转变！,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,18,P型,M+A,

9、M+A+P,钢的热处理,四、过冷奥氏体等温冷却转变曲线的应用,Vk,V1=5.5/s 炉冷 P,1 可估计临界冷却速度VK的大小（获得M体的最小冷速）,2 冷速产物性能，（转变产物由冷却曲线与C曲线相 交的位置决定）。,3 为制定HT工艺提供了依据,退火,V2=20/s 空冷 S 正火,V3=33/s 油淬 T+M+A,V4 138/s 水淬 M+A,V1,V2,V3,V4,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,19,钢的热处理,第四节 钢的热处理工艺,HT工艺是以原理为基础，具体的制定：（1）加热温度（2）保温时间（3）冷却方式（介质选定）等参数HT工艺

10、作为机械加工过程中的一个环节，其作用 不外乎两点。改善材料的加工工艺性 提高机件的耐用度（性能）,零件要获得所需的性能,相应的组织,加 热冷 却,热处理工艺,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,20,钢的热处理,一、普通热处理,预备热处理:退火 正火,最终热处理:淬火 回火,一般零件的加工工艺路线:,预备热处理的目的：（1）获设细小均匀的组织、消除内应力（2）调整硬度，便于机加工（HB170-250）（3）为最终HT做好组织准备,预备热处理,机械粗加工,最终热处理,机械精加工,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,2

11、1,钢的热处理,根据钢的成份和退火目的不同，其工艺可分为：,1）完全退火（完全奥氏体化）,2）球化退火（不完全奥氏体化）,3）去应力退火（A1以下 组织不变）,适用：消除铸、锻、焊件及机加工后的内应力,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,22,钢的热处理,（1）消除热加工造成的过热缺陷，细化组织使之正常化（2）作为低碳钢的预备HT，HB便于机加工（3）代替调质成本（4）为消除较大完整的Fe3C网状，可用正火。（5）对普通结构件，可作最终HT。,1）正火是退火的特例,将钢加热到Ac3或Accm以（30 50C）完全A体化，然后在空气中冷却的一种工艺（常化）

12、,2）组织,正火的T组织中的P%且细（索氏体）HB,3）适用范围：碳钢及低中合金钢,4）目的及应用：,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,23,扩散退火,去应力退火,钢的热处理,各种退火（正火）的加热温度范围,完全退火,球化退火,正火,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,24,钢的热处理,三个判据,1 实际生产中退火与正火的选择,2 正火组织判断,3 组织中是否有残余奥氏体,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,25,把零件加温到临界温度以上30 50，保温一段时间，然后快速冷

13、却（水、油冷）的一种工艺。,钢的热处理,实质：过冷A体M体,1）工艺参数,（1）淬火加热温度,（2）保温时间、冷却方式,D 工件有效厚度mm,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,26,钢的热处理,2）淬火冷却组织,3）淬火缺陷,（1）变形开裂,解决的途径,（2）硬度不足、软点,淬透性,淬火方法,冷却介质,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,27,钢的热处理,4）两个概念,（1）钢的淬硬性(Hardening of steel),是指钢在淬火后所能达到的最高硬度的能力,主要取决于马氏体的含碳量,（2）钢的淬透性(Ha

14、rdenability of steel),是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(M50%+非M50%的组织处)厚度的能力,淬透性淬硬层厚度,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,28,钢的热处理,淬透性分析,假定：钢种、尺寸、冷却介质一定，在某种HT加热条件下,温度,A1,时间,Vk,V表,V心,Ms,Vk,M体区,非M体区,变动：改变加热条件，过冷A体稳定性C曲线右移Vk,Vk,全淬透,未淬透,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,29,钢的热处理,影响淬透性的因素,HT生产中 一般碳钢用水淬，合金钢用油淬,主要取决于V

15、K 的大小,过冷A稳定性孕育期 C曲线右移 VK淬透性,TA体均匀晶粒C曲线右移Vk淬透性,化学成分,合金钢比碳钢的淬透性好,大多MeA稳定性C曲线右移Vk淬透性,加热温度、保温时间,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,30,全淬透,钢的热处理,淬透性对钢的力学性能的影响,例如：做两个材料不同，尺寸形状相同，HT条件相同的试验,45钢 调质,40Cr钢 调质,表面,中心,表面,表面,中心,表面,HB,HB,提高淬透性的意义,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,31,钢的热处理,4 钢的回火(Tempering of

16、 steel),1）回火的目的（1）脆性、内应力（2）稳定零件尺寸（3）获得所需要组织和性能,淬火后紧接着（0.5Hr）一个工序回火,1 3Hr,加热,保温,空（油）冷,变形开裂,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,32,M回,Fe3C细粒,Fe3C粗细粒,Fe3C细片,+,2）回火时的组织和性能变化,A,M（过饱和C的）,A,Fe2.4C(）,M（C%）,F（稍过饱和C%）,F等轴（平衡C%）,F长大,软化,淬火钢,200 M体分解,T回,S回,P回,+,+,+,2023/10/3,33,钢的热处理,3）回火的分类及应用,淬火+高温回火=调质处理,绪

17、论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,34,亚 0.25C%,钢种,组织,正火,F+S,低回,表 M回+A+Fe3C,中心 M回+F,2023/10/3,35,钢的热处理,二、表面热处理,以上谈到的是普通热处理的“四把火”，它们在生产实践应用十分广泛，也有局限性。对于零件的表面及心部性能要求不相同的情况下，如：（1）表硬里韧（2）表面要求具有良好的物理化与性能就只能采用：,1 表面淬火(Surface Hardening),绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,36,感应加热表面淬火,钢的热处理,淬火机床,感应器,绪 论,

18、第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,37,钢的热处理,1）感应加热的基本原理:,淬火层深度()与电流频率(f)的关系,2）加热频率 f,（1）高频加热f=（100-500）kHz f=（200-300）kHz=（1-2）mm,（2）中频加热f=（0.5-10）kHz,（3）工频加热,f=（2.5-8）kHz=（3-5）mm,f=50Hz=（10-15）mm,（mm）,加热感应器,工件,淬火喷水套,工件运动方向,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,38,钢的热处理,3）高频感应加热淬火的特点,举例：机床齿轮45,（1）V加、

19、不易氧化脱碳，变形小,（2）表层为M细针（隐晶M），中心为原始组织 具有“表硬里韧”的性能。同一种材料，比普通淬火提高HRC（23）,（3）可实现自动化、生产率高、成本降低,（4）用钢：中C钢或中C合金钢（0.4-0.5%C）,下料锻造正火加工齿形高频淬火低温回火磨齿装配,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,39,钢的热处理,分解吸收一扩散,2 化学热处理(Chemical Heat Treatment),将钢置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表面，从而改变表面成份的一种热处理方法。,工艺：渗C、N化、CN共渗、渗金属等,（1）工件有吸

20、收这些元素的能力,化学H.T应具备的条件,化学热处理的一般过程,即：有溶解度或能形成化分物,（2）渗入元素应具备活性,即：能产生活性原子,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,40,钢的热处理,1）钢的渗碳(Carburize of steel),煤油,风扇电机,废气火焰,炉盖,电阻丝,耐热罐,工件,炉体,分为：固体、液体、,气体渗碳,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,41,钢的热处理,（1）渗碳用钢,低碳钢，低碳合金钢,（2）工艺及组织,92010保温39hr0.5-2mmC佳0.851.05%C,20 20Cr

21、 20CrMnTi 20MnVB,P+Fe3C,F+P少,零 件,表面,中心,P,P+F,渗C缓冷后的组织,C%,0.2,1.0,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,42,低回,850,预冷,钢的热处理,Acm,A3,A,渗碳,加热,时间,组织,淬火,组织,AFe3CHRC 耐磨性A中C%A%HRC,以20钢为例：,组织,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2023/10/3,43,钢的热处理,高速传动的精密齿轮，高精度机床主轴等,2）氮化(Nitridation of steel),向钢的表上渗入N原子，形成含N硬化层的过程,生产中用的多的是气体N化,（2）特点,（1）氮化用钢,38CrMoAl 35CrMo等,N化后不需淬火处理,N化前需要调质“S回”保证心部,N化温度A1（500600）(2050)Hr,（3）应用,绪 论,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,