第三章--鋼的熱處理.ppt

2020 3 31 1 第三章鋼的熱處理 2020 3 31 2 通過加熱 保溫和冷卻來改變鋼的組織 從而改變鋼機(jī)械性能的工藝 稱為熱處理 熱處理的這三個(gè)階段 可以用工藝過程曲線來表示 如圖3 1所示 2020 3 31 3 第一節(jié)鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 熱處理的第一道工序就是加熱 鐵碳合金相圖是確定加熱溫度的理論基礎(chǔ) 共析鋼在A1臨界溫度下是珠光體組織 當(dāng)加熱溫度超過臨界點(diǎn)后珠光體就轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 亞共析鋼在A1臨界點(diǎn)溫度下是鐵素體和珠光體 當(dāng)溫度超過A1后 珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 如果繼續(xù)加熱 當(dāng)溫度A3臨界點(diǎn)鐵素體也可轉(zhuǎn)化為奧氏體 過共析鋼在A1臨界點(diǎn)溫度下是滲碳體和珠光體 當(dāng)加熱溫度超過A1后 珠光體轉(zhuǎn)變 如果繼續(xù)加熱至Acm以上 滲碳體將全部溶入奧氏體 鋼的加熱程度就是奧氏體的形成過程 這種組織轉(zhuǎn)變可以稱為奧氏體化 一 加熱溫度的確定 2020 3 31 4 注意 加熱時(shí) 鋼的組織實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度往往是高于相圖中的理論相變溫度 冷卻時(shí) 也往往低于相圖中的理論相變溫度 在熱處理工藝中 不加熱時(shí)的臨界點(diǎn)分別用AC1 AC3 ACCm表示 而冷卻是的臨界點(diǎn)分別用Ar1 Ar3 Arcm表示 二 奧氏體化過程珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體是一個(gè)從新結(jié)晶的過程 由于珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物 鐵素體與滲碳體的晶包類型不同 含碳量差別很大 轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體必須進(jìn)行晶包的改組和鐵碳原子的擴(kuò)散 奧氏體化大致可分為四個(gè)過程 如圖3 2所示 2020 3 31 5 1 奧氏體形核奧氏體的晶核上首先在鐵素體和滲碳體的相界面上形成的 由于界面上的碳濃度處于中間值 原子排列也不規(guī)則 原子由于偏離平衡位置處于畸變狀態(tài)而具有較高的能量 同時(shí)位錯(cuò)和空間密度較高鐵素體和滲碳體的交接處在濃度結(jié)構(gòu)和能量上為奧氏體形核提供了有利條件 2 奧氏體長(zhǎng)大奧氏體一旦形成 便通過原子擴(kuò)散不斷張大在于鐵素體接觸的方向上 鐵素體逐漸通過改組晶胞向奧氏提轉(zhuǎn)化 在與滲碳體接觸的方向上 滲碳體不斷溶入奧氏體 3 殘余滲碳體溶解由于鐵素體的晶格類型和含碳量的差別都不大 因而鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變總是先完成 當(dāng)珠光體中的鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后 仍有少量的滲碳體尚未溶解 隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng) 這部分滲碳體不斷溶入奧氏體 直至完全消失 4 奧氏體均勻化剛形成的奧氏體晶粒中 碳濃度是不均勻的 原先滲碳體的位置 碳濃度較高 原先屬于鐵素體的位置 碳濃度較低 因此 必須保溫一段時(shí)間 通過碳原子的擴(kuò)散獲得成分均勻的奧氏體 這就是熱處理應(yīng)該有一個(gè)保溫階段的原因 2020 3 31 6 對(duì)于亞共析鋼與過共析鋼 若加熱溫度沒有超過AC3或ACCm 而在稍高于AC1停留 只能使原始組織中的珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 而共析鐵素體或二次滲碳體仍將保留 只有進(jìn)一步加熱至AC3或Accm以上并保溫足夠時(shí)間 才能得到單相的奧氏體 如果加熱溫度過高 或者保溫時(shí)間過長(zhǎng) 將會(huì)促使奧氏體晶粒粗化 奧氏體晶粒粗化后 熱處理后鋼的晶粒就粗大 會(huì)降低鋼的力學(xué)性能 2020 3 31 7 三 晶粒度的評(píng)定 晶粒的大小 或叫晶粒的粗細(xì) 是用晶粒度來表示的 1 起始晶粒度 指鋼加熱至奧氏體的過程中 當(dāng)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完了是所形成的晶粒度 既當(dāng)奧氏體成核長(zhǎng)大時(shí) 奧氏體晶粒的邊界剛剛相碰時(shí)的晶粒的大小 2 實(shí)際晶粒度 是指某一具體的熱處理后或熱加工條件下 所得到的奧氏體晶粒度 在加熱溫度升高和保溫時(shí)間延長(zhǎng)的情況下 會(huì)使奧氏體最初形成的晶粒長(zhǎng)大 這是因?yàn)樵趭W氏體晶粒的邊界處 原子排列是不規(guī)則的 因而活動(dòng)的能力強(qiáng) 較大的晶粒吞并小的晶粒 使晶界遷移 晶粒就不斷長(zhǎng)大 在實(shí)際生產(chǎn)中影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的主要原因是加熱溫度 加熱溫度越高 奧氏體的晶粒就越大 其次是保溫時(shí)間 保溫時(shí)間長(zhǎng) 奧氏體的晶粒也大 因此 熱處理時(shí)要特別注意控制好加熱溫度 并選擇好適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間 2020 3 31 8 3 本質(zhì)晶粒度 不同的銅奧氏體晶粒加熱時(shí)長(zhǎng)大的傾向不同 評(píng)定奧氏體晶粒在加熱時(shí)長(zhǎng)大傾向的標(biāo)準(zhǔn)叫本質(zhì)晶粒度 根據(jù)冶金部的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 加熱到93010保溫8h冷卻下來后鋼的晶粒大小 稱為本質(zhì)晶粒度 冶金部將鋼分為兩大類 一類叫本質(zhì)粗晶粒鋼 另一類叫本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 其與溫度的關(guān)系如圖3 3所示 2020 3 31 9 鋼的本質(zhì)晶粒度是由鋼的成分和冶煉條件決定的 含有鈦 釩 鎢等合金元素的鋼 大多屬于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 冶煉時(shí)采用鋁脫氧的鋼也為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 而只用硅 錳脫氧的鋼則為本質(zhì)粗晶粒鋼 工業(yè)生產(chǎn)采用奧氏體本質(zhì)晶粒度來評(píng)定鋼的長(zhǎng)大傾向 奧氏體晶粒度的標(biāo)準(zhǔn)共定為1 8級(jí) 1級(jí)最粗 8級(jí)最細(xì) 是在放大100倍的金相顯微鏡下觀察定的級(jí) 晶粒度為1 4級(jí)的定為本質(zhì)粗晶粒鋼 5 8級(jí)的定為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 這是因?yàn)殁?釩 鎢及鋁等合金元素在鋼中能形成金屬化合物 這些化合物微粒分布在奧氏體晶界上能機(jī)械地阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大 但是 當(dāng)溫度升得較高時(shí) 這些化合物微粒會(huì)發(fā)生聚集甚至溶入奧氏體 這樣也失去了機(jī)械阻礙的作用 晶粒便會(huì)迅速長(zhǎng)大 2020 3 31 10 第二節(jié)奧氏體鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 冷卻是鋼熱處理的三個(gè)工序中影響性能的最重要環(huán)節(jié) 所以冷卻轉(zhuǎn)變是熱處理的關(guān)鍵 熱處理冷卻方式通常有兩種 即等溫冷卻和連續(xù)冷卻 2020 3 31 11 一 奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 一 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線一般用金相硬度法測(cè)定 圖3 5是共析鋼C曲線測(cè)定方法示意圖 圖3 6是實(shí)測(cè)的共析鋼C曲線 圖3 6共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線 2020 3 31 12 二 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度的不同 C曲線分為高溫轉(zhuǎn)變 中溫轉(zhuǎn)變和低溫轉(zhuǎn)變?nèi)齻€(gè)區(qū)域 根據(jù)轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的不同 鋼在冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變可分為珠光體型轉(zhuǎn)變 貝氏體型轉(zhuǎn)變及馬氏體型轉(zhuǎn)變?nèi)N 高溫轉(zhuǎn)變的溫度范圍為A1至550 區(qū)間 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是珠光體組織 故稱珠光體轉(zhuǎn)變 中溫轉(zhuǎn)變的溫度范圍為550 至Ms線區(qū)間 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是貝氏體組織 故稱貝氏體轉(zhuǎn)變 低溫轉(zhuǎn)變的溫度范圍為Ms線至Mf線區(qū)間 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是馬氏體組織 故稱馬氏體轉(zhuǎn)變 2020 3 31 13 1 高溫轉(zhuǎn)變 珠光體轉(zhuǎn)變 珠光體轉(zhuǎn)變是奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體的過程 通過碳原子和鐵原子的擴(kuò)散形成鐵素體和滲碳體的層片狀機(jī)械混合物 轉(zhuǎn)變溫度為A1 550 珠光體轉(zhuǎn)變是一種擴(kuò)散性相變 珠光體的轉(zhuǎn)變機(jī)理如圖3 7所示 微觀組織如圖3 8所示 2020 3 31 14 圖3 8珠光體的顯微組織 a 光學(xué)顯微組織 硝酸酒精侵蝕 500 b 電子顯微組織 硝酸酒精侵蝕 3800 2020 3 31 15 1 中溫轉(zhuǎn)變 貝氏體轉(zhuǎn)變 轉(zhuǎn)變溫度為550 Ms線 由于轉(zhuǎn)變溫度較低 原子的擴(kuò)散能力較弱 奧氏體在轉(zhuǎn)變過程中 碳原子只能作短距離的擴(kuò)散 而鐵原子幾乎不能擴(kuò)散 僅從面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的過程與轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的不同 轉(zhuǎn)變時(shí) 先析出含碳過飽和的鐵素體 隨后在鐵素體中陸續(xù)析出細(xì)的滲碳體 這種過飽和鐵素體和細(xì)小顆粒狀滲碳體的機(jī)械混合物 稱為貝氏體 用符號(hào)B表示 在中溫轉(zhuǎn)變區(qū) 550 350 范圍內(nèi) 等溫轉(zhuǎn)變成的組織稱為上貝氏體 350 Ms范圍 等溫轉(zhuǎn)變成的組織稱為下貝氏體 圖3 9上貝氏體的顯微組織 圖3 10下貝氏體的顯微組織 2020 3 31 16 3 粒狀貝氏體粒狀貝氏體也是在中溫轉(zhuǎn)變區(qū) 由奧氏體轉(zhuǎn)變成的組織 粒狀貝氏體是由鐵素體及由鐵素體基體所包圍著的小島狀組織所組成 這些小島狀組織形態(tài)很不規(guī)則 常呈粒狀或長(zhǎng)條狀 如圖3 15 圖3 16所示 粒狀貝氏體的形成與鋼的成分及轉(zhuǎn)變溫度有關(guān) 在電廠用鋼中 粒狀貝氏體常出現(xiàn)于低碳的Cr Mo鋼和Cr Mo V鋼等鋼種的原材料及焊接接頭中 2020 3 31 17 3 低溫轉(zhuǎn)變 馬氏體轉(zhuǎn)變 轉(zhuǎn)變溫度為Ms Mf 當(dāng)奧氏體以較快的速度冷卻到Ms以下時(shí) 由于溫度較低 鐵原子和碳原子都不能進(jìn)行擴(kuò)散 鐵原子只是作微小位移 使 Fe晶格轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe的晶格 而碳原子來不及擴(kuò)散全部固溶在 Fe中 碳在 Fe中的過飽和固溶體組織稱為馬氏體 用符號(hào)M表示 1 馬氏體的形態(tài)馬氏體的組織形態(tài)與含碳量有關(guān) 根據(jù)馬氏體組織的不同 把馬氏體分為低碳馬氏體 高碳馬氏體和混合型馬氏體 當(dāng)含碳量 0 25 形成低碳馬氏體 條狀馬氏體 低碳馬氏體組織中有許多尺寸大致相同的細(xì)長(zhǎng)薄條單元 薄條平行排列組成一束 束和束之間位向不同 低碳馬氏體過飽和程度低 內(nèi)應(yīng)力小 不僅強(qiáng)度高 而且塑性 韌性也較好 所以在生產(chǎn)中應(yīng)用較廣 圖3 17低碳馬氏體 2020 3 31 18 當(dāng)含碳量大于1 時(shí) 形成高碳馬氏體 針狀馬氏體 圖3 18為T10鋼經(jīng)1000 加熱 水冷淬火處理后得到的高碳馬氏體組織 針葉一般以60 120 相交 馬氏體的針葉一般在奧氏體晶粒內(nèi)形成 第一片馬氏體粗大 往往橫貫整個(gè)馬氏體的晶粒 稍后形成的馬氏體則較小 最后形成的馬氏體就更小 如圖3 19所示 針狀馬氏體可稱為高碳馬氏體 也稱為孿晶馬氏體 其組織結(jié)構(gòu)如圖3 20所示 圖3 18高碳馬氏體 2020 3 31 19 含碳量在0 25 1 之間的碳快速冷卻所得到的組織為低碳馬氏體和高碳馬氏體的混合結(jié)構(gòu) 2 馬氏體的性能 高碳度是馬氏體的主要特征 馬氏體的硬度與其含碳量有關(guān) 如圖3 21所示 含碳量愈多 硬度愈高 當(dāng)含碳量超過0 6 以后 馬氏體的硬度就增加不多 2020 3 31 20 馬氏體具有高硬度的主要原因是由于過飽和的碳原子所起的固溶強(qiáng)化作用和形成馬氏體時(shí)在馬氏體內(nèi)產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)或?qū)\晶引起了加工強(qiáng)化的結(jié)果 高碳馬氏體具有高的硬度 但韌性很低 脆性大 馬氏體針葉愈粗大 韌性愈低 脆性愈大 所以 淬火得到高碳馬氏體后 必須作消除脆性的回火處理才能應(yīng)用 低碳馬氏體具有較高的硬度和強(qiáng)度 而且韌性也比較好 這種強(qiáng)度和韌性的良好配合 使低碳馬氏體得到了廣泛應(yīng)用 3 馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)奧氏體是在Ms點(diǎn)溫度以下轉(zhuǎn)變成馬氏體的 由于轉(zhuǎn)變溫度很低 奧氏體中的鐵 碳原子都不能進(jìn)行擴(kuò)散 因而只有鐵元素的晶格改變 面心立方晶格 Fe轉(zhuǎn)化為體心立方晶格 Fe 由于碳原子無擴(kuò)散能力而過飽和固溶在 Fe中 當(dāng)含碳量大于0 25 時(shí) 將使晶格撐開 2020 3 31 21 馬氏體的形成速度極快 馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍 Ms Mf 內(nèi)進(jìn)行的 奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)連續(xù)冷卻的過程 鋼Ms和Mf點(diǎn)溫度的高低取決于奧氏體中含碳量 奧氏體中含碳量愈高 Ms和Mf溫度愈低 如圖3 22所示 當(dāng)含碳量大于0 6 后 Mf點(diǎn)已下降到0 以下的溫度 因此 高碳鋼淬火后常常含有一定數(shù)量的殘余奧氏體 2020 3 31 22 殘余奧氏體的存在會(huì)降低鋼的強(qiáng)度和硬度 影響鋼的耐磨能力 當(dāng)然如果鋼中有殘余奧氏體存在 可減少淬火時(shí)的變形并增加淬火鋼的韌性 殘余奧氏體還有阻止裂紋擴(kuò)散的作用 所以 一定量的殘余奧氏體存在于鋼中 并不是有害的 從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后體積要膨脹 體積的膨脹將引起很大的內(nèi)應(yīng)力 這種內(nèi)應(yīng)力又稱為組織應(yīng)力 而從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)需要快速冷卻 在短時(shí)間內(nèi)溫度變化很大 使鋼熱脹冷縮又會(huì)產(chǎn)生一種內(nèi)應(yīng)力 這種內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力 這兩種應(yīng)力的疊加 是造成鋼件淬火開裂和變形的重要原因 三 含碳量對(duì)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響亞共析鋼和過共析鋼從奧氏體轉(zhuǎn)變才為珠光體之前 均有先共析相析出的過程 因此 它們的等溫轉(zhuǎn)變曲線與共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線有所不同 如圖3 23 圖3 24所示 2020 3 31 23 從中可以看出 與共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線相比 亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線上半部多一條鐵素體共析轉(zhuǎn)變線 過共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線上半部多一條滲碳體共析轉(zhuǎn)變線 說明亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變過程中分別先析出鐵素體和滲碳體 然后再完成珠光體轉(zhuǎn)變過程 2020 3 31 24 二 奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 在連續(xù)冷卻過程中 過冷奧氏體同樣會(huì)轉(zhuǎn)變成珠光體或貝氏體或馬氏體 組織轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域與奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變時(shí)大致相同 連續(xù)冷卻是指按照一定的速度從較高的溫度冷卻 奧氏體的組織轉(zhuǎn)變發(fā)生在各個(gè)不同的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域 因此 就會(huì)得到各個(gè)不同區(qū)域的產(chǎn)物 連續(xù)冷卻時(shí)的速度不同 在各個(gè)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間也不同 所得到的各種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物相對(duì)數(shù)量也就不同 就會(huì)有不同的機(jī)械性能 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變比較復(fù)雜 轉(zhuǎn)變規(guī)律不如等溫轉(zhuǎn)交明顯 有時(shí)有幾種組織 這些組織也較難區(qū)分 奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中 如一般淬火 正火 退火等 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變均是在連續(xù)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變的 所以 研究奧氏體在連續(xù)冷卻過程中的轉(zhuǎn)變具有十分重要的意義 2020 3 31 25 奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變用連續(xù)冷卻曲線來進(jìn)行分析 連續(xù)冷卻曲線也是用試驗(yàn)方法測(cè)定繪制的 共析鋼的連續(xù)冷卻曲線如圖3 25所示 2020 3 31 26 奧氏體的連續(xù)沖卻曲線較難測(cè)定 工程上常參照等溫轉(zhuǎn)變曲線來近似地 定性地分析連續(xù)冷卻時(shí)奧氏體的轉(zhuǎn)變過程 為了預(yù)測(cè)某種鋼在某一冷卻速度下所得到的組織 可將此冷卻速度線畫在該鋼種的等溫轉(zhuǎn)變曲線上 根據(jù)冷卻速度線在等溫轉(zhuǎn)變曲線中的位置來估計(jì)所得到的組織 并以此來分析其力學(xué)性能 如圖3 26所示 2020 3 31 27 亞共析鋼或過共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線要比共析鋼復(fù)雜一些 45號(hào)鋼的連續(xù)冷卻曲線見圖3 27所示 連續(xù)冷卻曲線在生產(chǎn)實(shí)踐中具有效大的實(shí)用意義 可以用來制定正確的熱處理冷卻工藝 分析淬火 正火 退火后鋼件所得到的組織和力學(xué)性能 還可以用來分析焊接熱影響區(qū)的組織和力學(xué)性能 2020 3 31 28 第三節(jié)鋼的淬火和回火 一 淬火 淬火是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30 50 保溫一定時(shí)間 然后快速冷卻從而得到馬氏體或下貝氏體組織的工藝 淬火的主要目的是把材料的組織轉(zhuǎn)變成馬氏體或下貝氏體 鋼的淬火是熱處理中的一種重要工藝 電廠許多的重要零部件如葉片 緊固件等都是采用淬火和回火的熱處理工藝 以便獲得優(yōu)良的使用性能 一 加熱溫度的選擇碳鋼的淬火加熱溫度如圖3 28所示 從中可以看出 亞共析鋼的淬火溫度為Ac3以上30 50 加熱到此溫度范圍時(shí) 組織完全為奧氏體 淬火后的組織為均勻的馬氏體 如果加熱溫度小于Ac3 則淬火后的組織中會(huì)因出現(xiàn)鐵素體而降低鋼的硬度 2020 3 31 29 二 冷卻速度及冷卻介質(zhì)的選擇 淬火時(shí)的冷卻速度必須大于臨界冷卻速度 但過快的冷卻又會(huì)增加內(nèi)應(yīng)力 引起鋼件的變形和開裂 因此 選擇合理的冷卻介質(zhì)是淬火工藝的關(guān)鍍 鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線是選擇淬火時(shí)的冷卻速度和介質(zhì)的依據(jù) 理想的冷卻曲線如圖3 29所示 理想的冷卻曲線先應(yīng)稍慢冷卻 但在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)快速冷卻 不能碰及等溫轉(zhuǎn)變曲線 在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)也不應(yīng)該快冷 按這樣的速度冷卻 既能使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 又能適當(dāng)?shù)卣{(diào)整鋼件的溫差 減少淬火冷卻過程的內(nèi)應(yīng)力 避免變形和開裂 生產(chǎn)中常用的淬火冷卻介質(zhì)是水和油 2020 3 31 30 三 淬透性的概念 淬透性是指鋼件接受淬火提高硬度的能力 通常用淬硬層的深度來評(píng)定 淬硬層是淬火后馬氏體和半馬氏體組織的深度大小 半馬氏體是指組織中有50 的馬氏體 另外的50 是貝氏體或極細(xì)珠光體 鋼件淬火冷卻時(shí) 沿整個(gè)截面的冷卻速度是不相同的 因而鋼件的表層和中心的組織和機(jī)械性能就會(huì)有差異 如圖3 30所示 2020 3 31 31 鋼的淬透性主要取決于鋼的化學(xué)成分 因?yàn)殇撝械幕瘜W(xué)成分不同 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的位置就不同 淬火的臨界冷卻速度也不同 只有當(dāng)臨界冷卻速度小于實(shí)際冷卻速度 才能得到馬氏體 在生產(chǎn)實(shí)踐中 選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì) 提高實(shí)際冷卻速度 當(dāng)然也增加淬透性 電廠熱力設(shè)備中有許多大截面的鋼件 如汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的主軸 緊固件 主蒸汽閥門等 這些鋼件都要求有較大的淬透性 四 淬火的分類 常用的淬火方法可分為單液淬火 雙液淬火 分級(jí)淬火 等溫淬火及表面淬火等 除表面淬火外 其他淬火方法如圖所示 2020 3 31 32 1 單液淬火將奧氏體化后的鋼件 迅速置于一種介質(zhì)中冷卻至室溫 這種方法稱為單液淬火 是生產(chǎn)中應(yīng)用的最廣泛的淬火方法 一般碳鋼和低合金鋼用水來冷卻 簡(jiǎn)稱為水淬 大多數(shù)合金鋼用油作冷卻介質(zhì) 簡(jiǎn)稱為油淬 但水淬容易產(chǎn)生變形和開裂 油淬容易出現(xiàn)硬度不足等缺點(diǎn) 2 雙液淬火將奧氏體化后的鋼件 先置于一種冷卻速度較大的介質(zhì) 如水 中冷卻 冷卻到300 左右時(shí)再將鋼件移入另一種冷卻速度較小的介質(zhì) 如油 中冷卻至室溫 這種方法稱為雙液淬火 3 分級(jí)淬火法將奧氏體化后的鋼件 迅速置于溫度高于Ms的介質(zhì)中 并保留一段時(shí)間 使鋼件內(nèi)外溫度一致 然后迅速將鋼件移入另一種介質(zhì)中冷卻至室溫 4 等溫淬火法將奧氏體化后的鋼件 迅速放到溫度稍高于M的冷卻介質(zhì)中 并保留較長(zhǎng)的時(shí)間 使過冷的奧氏體在等溫條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w 然后在將鋼件置于空氣中冷卻至室溫 這種方法稱為等溫淬火 2020 3 31 33 5 表面淬火將鋼件的表面迅速地加熱到奧氏體化的溫度 再將鋼件迅速的冷卻到室溫 使表面的組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 而心部的組織為來的及變化 這種方法稱為表面淬火 如圖3 32所示 表面淬火的零件 一般是用中碳鋼制造的 表面淬火的加熱方法最常用的是火焰加熱和感應(yīng)電加熱兩種 火焰加熱表面淬火操作工藝如圖3 33所示 火焰加熱表面淬火的淬硬層深度一般為2 6mm 這種操作方法比較簡(jiǎn)便 但加熱溫度不易控制 鋼件表面質(zhì)量不夠穩(wěn)定 感應(yīng)電加熱表面淬火是利用感應(yīng)電流對(duì)鋼件表面進(jìn)行加熱 然后噴水冷卻 使鋼件表面淬硬的一種熱處理方法 感應(yīng)電加熱溫度容易控制 加熱速度極快 表面質(zhì)量比較穩(wěn)定 是目前應(yīng)用得較為廣泛的表面淬火方法 2020 3 31 34 二 回火 將淬火后的鋼件再加熱到臨界點(diǎn)AC1以下的某一溫度 經(jīng)過一定時(shí)間的保溫 然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s到室溫 這種方法成為回火 淬火后的鋼件一般是硬而脆 其組織不穩(wěn)定而且存著較大的內(nèi)應(yīng)力 如不及時(shí)回火 將會(huì)影響鋼的機(jī)械性能和尺寸的穩(wěn)定性 其至?xí)?dǎo)致變形和開裂 回火的目的是為了降低鋼的脆性 消除內(nèi)應(yīng)力 穩(wěn)定尺寸 控制回火的加熱溫度 還可得到所需要的組織和機(jī)械性能 一般情況下 回火是熱處理的最后一道工序 對(duì)鋼的機(jī)械性能有很大的影響 一 回火時(shí)組織和性能的變化 回火過程中 隨著加熱溫度的高低不同 淬火成馬氏體組織的鋼將發(fā)生四個(gè)階段的組織變化 2020 3 31 35 1 室溫 200 馬氏體分解為回火馬氏體在這一溫度回火時(shí) 馬氏體不斷地析出極細(xì)的 碳化物 Fe2 4C 馬氏體的過飽和程度稍有降低 但由于溫度較低 碳原子的擴(kuò)散能力很弱 族化物是彌散地分布在馬氏體的基本上與馬氏體保持著共格關(guān)系 這種組織稱為回火馬氏體 由于碳化物是均彌散得分部在馬氏體上的 所以回火馬氏體與淬火馬氏體的形態(tài)基本一樣 只是在相同腐蝕條件下 回火比淬火更易腐蝕 金相片中的組織成黑色 如圖3 34 圖3 34回火后的金相組織 2020 3 31 36 2 200 300 殘余奧氏體分解為回火馬氏體含碳量大于0 6 的鋼 淬火后往往有一部分殘余奧氏體組織 當(dāng)淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體后使體積縮小 從而減小了對(duì)殘余奧氏體的壓力 為其分解提供條件 它也分解為回火馬氏體 然后 鋼的硬度會(huì)有所提升 3 300 400 碳化物是不穩(wěn)定的 隨著溫度的升高 向滲碳體轉(zhuǎn)化 這要在溫度升高時(shí)才能轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化過程是以 相重新溶入 Fe Fe3C又從 Fe不斷析出這一方式進(jìn)行的 這要在溫度升高到250 以后 碳原子的活動(dòng)稍強(qiáng)了一些才有條件 在400 以下的溫度 所形成的滲碳體 Fe3C 是細(xì)粒狀的 這種細(xì)粒狀的滲碳體和鐵素體的機(jī)械混合物稱為屈氏體 用符號(hào)T表示 4 400 以上 馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w當(dāng)回火溫度高于400 時(shí) 由于原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng) 粒狀的滲碳體聚集張大 鐵素體中的過飽和度也減少和消失 鐵素體的過飽和度也過度到多邊晶粒 有顆粒裝的滲碳體和多邊晶粒組成的機(jī)械混合物稱為索氏體 用符號(hào)C表示 如圖3 36所示 2020 3 31 37 綜上 回火加熱的溫度不同 馬氏體的含碳量 殘余奧氏體 內(nèi)應(yīng)力及碳化物的尺寸大小也不同 如圖3 37所示 反映了鋼件在不同的回火溫度下回火內(nèi)應(yīng)力的變化情況 馬氏體的含碳量 殘余奧氏體和內(nèi)應(yīng)力均隨回火溫度的升高而降低 當(dāng)超過100 以后開始形成碳化物 其顆粒大小隨回火溫度的升高而逐漸增大 這些組織上的變化將導(dǎo)致機(jī)械性能的改變 如圖3 38所示 2020 3 31 38 2020 3 31 39 二 回火的分類 1 低溫回火 150 250 低溫回火后所得到的組織為回火馬氏體 回火后內(nèi)應(yīng)里和脆性降低 但保持了高硬度 HRC 58 64 鋼件具有高的耐磨性 主要用于工具 模具 滾動(dòng)軸承 易磨損件以及滲碳或表面淬火后的回火處理 2 中溫回火 350 450 中溫回火所得到的組織為屈氏體 回火后鋼的特點(diǎn)是有叫高的彈性極限和屈服極限 內(nèi)應(yīng)力基本消除 所以具有較好的韌性 主要用語處理各種彈簧件以及某些強(qiáng)度要求較高的軸類 刀桿和軸套等 3 高溫回火 500 650 高溫回火所得到的組織為索氏體 回火后鋼的機(jī)械性能既有交好的強(qiáng)度和硬度 又有交好的蘇醒和韌性 具有交好的綜合的機(jī)械性能 淬火后再驚醒高溫回火又常稱為調(diào)質(zhì) 調(diào)質(zhì)主要用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件 如軸 齒輪 葉輪 螺栓等 2020 3 31 40 第四節(jié)鋼的退火和正火 一 退火 將鋼件加熱 保溫在緩慢冷卻 通常是隨爐冷卻 至室溫的熱處理工藝 稱為退火 退火后所得到的組織基本上就是鐵碳相圖中所標(biāo)的碳鋼組織 如亞共析鋼為鐵素體和珠光體 退火的主要目的是降低鋼的硬度 消除內(nèi)應(yīng)力 提高塑性和韌性 提貨還可以西畫晶粒 改善鋼的組織和機(jī)械性能 根據(jù)鋼的化學(xué)成分和對(duì)機(jī)械性能的要求不同 退火一般分為完全退火 球化退火 擴(kuò)散退火和去應(yīng)力退火等 各種退火的加熱溫度如圖3 39所示 2020 3 31 41 2020 3 31 42 一 完全退火 完全退火是把鋼加熱至Ac3以上30 50 保溫 然后緩慢冷卻下來的工藝過程 完全退火適用于處理亞共析鋼和低 中合金鋼 目的是細(xì)化晶粒 均勻組織 降低硬度和消除應(yīng)力 過共析鋼不宜于進(jìn)行完全退火 因?yàn)榧訜岬紸ccm線以上再緩慢冷卻時(shí) 滲碳體將以網(wǎng)狀形式存在于鐵素體的晶界上 反而增加了鋼的脆性 二 球化退火 球化退火是將鋼件加熱至Ac1以上20 30 保溫一定時(shí)間 隨爐冷卻或在Ar1以下20 左右等溫一定時(shí)間 使?jié)B碳體球化 然后在600 以下出爐空冷的工藝 球化退火主要用于共析鋼或過共析鋼 三 去應(yīng)力退火 去應(yīng)力退火是將鋼件加熱至500 600 的范圍內(nèi) 適當(dāng)保溫 然后緩慢冷卻到室溫的工藝 又稱低溫退火 電廠中的焊接結(jié)構(gòu)件一般都比較大 大多不能入爐加熱 這時(shí)可以用火焰加熱或感應(yīng)電加熱等局部加熱方法 對(duì)焊縫及熱影響區(qū)施行去應(yīng)力退火 2020 3 31 43 四 擴(kuò)散退火 擴(kuò)散退火工藝是把鋼加熱至1050 1150 保溫十幾小時(shí)后再緩慢冷卻至室溫的工藝 目的是消除鋼鑄件因結(jié)晶時(shí)間先后不同而造成的元素濃度分布不均勻現(xiàn)象 二 正火 加熱到Ac3或Accm以上30 50攝 保溫一段時(shí)間 然后在空氣中冷卻到室溫 這種熱處理工藝稱為正火 正火與退火的主要區(qū)別是冷卻速度較快 因此 奧氏體轉(zhuǎn)變成的珠光體層就較薄 晶體較細(xì) 強(qiáng)度與硬度較高 正火的主要目的是細(xì)化晶體 清除鍛 軋和焊接件的組織缺陷 改善鋼的機(jī)械性能 正火主要用于以下幾個(gè)方面 1 作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理 2 用于改善低碳鋼的切削加工性能 3 作為較為重要的零件預(yù)備性熱處理 2020 3 31 44 第五節(jié)鋼的化學(xué)熱處理 概念 鋼件置于化學(xué)介質(zhì)中 加熱到一定的溫度保溫一定的時(shí)間 使介質(zhì)中的活性原子滲入鋼件的表面層 以改變表層的化學(xué)成方和組織 從而使鋼件的表面獲得某些特殊的性能 這種工藝稱為化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理的種類很多 根據(jù)滲入的元素不同 可分為滲碳 滲氮 氰化 滲金屬等 化學(xué)熱處理雖然很多 基本原理是一樣的 都包括以下三個(gè)處理過程 1 化學(xué)介質(zhì)的分解化學(xué)元素分解出活性原子 如滲碳時(shí)由介質(zhì)分解出活性碳原子 c 只有分解出了新生狀態(tài)的活性原子才能被零件表面吸收并滲入到鋼中 2 活性原子被金屬表面吸收活性原子是向鋼的固溶體中溶解 如滲碳時(shí) c 向奧氏體中溶解但在活性原子濃度很高的情況下 固溶體達(dá)到飽和濃度以后 活性原子將與鋼中某些元素形成化合物 3 介質(zhì)元素向內(nèi)部擴(kuò)散由于滲入元素在鋼的最表層濃度很高 與內(nèi)層形成了濃度差 從而使?jié)B入介質(zhì)的元素由表層向內(nèi)部擴(kuò)散 鋼件在化學(xué)介質(zhì)中經(jīng)過一定時(shí)間的加熱和保溫后 就能得到一定深度的擴(kuò)散層 2020 3 31 45 一 滲碳 滲碳是把鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱 使碳原子進(jìn)入材料表層的過程 主要目的是提高表面的硬度和耐磨性 滲碳適用于低碳鋼和低碳合金鋼 常用滲碳工藝有固體滲碳和氣體滲碳兩種方法 2020 3 31 46 一 固體滲碳 滲碳過程如下 將工件和固體滲碳劑裝入由鑄鐵或耐熱合金制成的滲碳箱中 保持工件之間及工件與箱壁間的一定距離 固體滲碳劑是木炭和l0 一20 碳酸鹽溫合物 碳酸鹽的成分以碳酸鋇為主 另加少量碳酸鈉 碳酸鈣 其中 木炭提供滲碳過程所需要的活性碳原子 碳酸鹽則起著催化作用 促進(jìn)產(chǎn)生更多的活性碳原于滲入工件表面 滲碳溫度和在該溫度下所停留的時(shí)間長(zhǎng)短 直接影響著滲碳層的厚度 這三者之間的關(guān)系如圖3 41所示 滲碳后的冷卻方式 需視情況而定 2020 3 31 47 二 氣體滲碳 工件在密封的爐膛中被加熱至900 950 向密封的爐膛內(nèi)通入滲碳?xì)怏w或滴入易受熱分解和氣化的液體 以供給活性碳原子并滲透擴(kuò)散至鋼的表面層 完成氣體形碳過程 通入的氣體主要為甲烷 乙烷 丁烷等飽和碳?xì)浠衔?也可直接通入城市煤氣或石油液化氣通入的液態(tài)介質(zhì)主要為苯 醇 煤油等易受熱分解的化合物 滲碳完畢 一般都是待零件緩冷后 再重新加熱淬火 氣體滲碳時(shí)零件與熱介質(zhì)直接接觸 并可調(diào)節(jié)介質(zhì)的濃度 滲碳層的厚度也易于控制 2020 3 31 48 三 滲碳后的熱處理 滲碳后必須經(jīng)過淬火和回火 常用的有一次淬火加回火或二次淬火加回火的熱處理工藝 零件滲碳后 表面層的碳濃度最高 約為0 91 1 2 的碳含量 由表面向中心 其含碳量逐漸降低 中心是原始碳濃度 因此 碳零件界面的金相組織也是不同的 表面過共析的F P 過渡為共析的P 中心為亞共析的F P 況且由于滲碳時(shí) 加熱溫度高 保溫時(shí)間又比較長(zhǎng) 晶粒就比較粗大 過共析中的滲碳體成網(wǎng)狀分布 一次淬火法是將滲碳后的零件 在加熱到A1 A3之間 進(jìn)行淬火 然后在160 180 回火 二次淬火法是將滲碳后的零件 先加熱到A3溫度以上進(jìn)行淬火 以期消除表面層的網(wǎng)狀滲碳體并細(xì)化晶粒 然后再進(jìn)行第二次淬火 淬火的加溫視技術(shù)要求而定 零件經(jīng)滲碳及隨后的淬火處理后 其表面層的組織為回火馬氏體及二次滲碳體 包括少量的殘余奧氏體 硬度為HRC58 62 中心部分 一般為鐵素體和珠光體 2020 3 31 49 二 滲氮 滲