熱處理原理與工藝PPT課件

1、熱處理工藝 材料的組織和性能受成分、加工工藝的影響，改善鋼的性能主要有合金化、熱處理、塑性變形等途徑。 熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，改變材料的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的加工工藝。比較重要的部件一般都需要進(jìn)行熱處理，比如汽車、拖拉機(jī)工業(yè)中70 80%的零件、工具模具等都需要進(jìn)行熱處理。第1頁/共73頁考試大綱要求 掌握鋼的熱處理原理 掌握制定機(jī)械零件、工模具（含鋼、鑄鐵、有色金屬）熱處理工藝的知識(shí)與技能 能夠分析現(xiàn)場出現(xiàn)的一般工藝問題第2頁/共73頁1 鋼的熱處理原理 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 回火轉(zhuǎn)變第3頁/共73頁1.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 加熱是熱處

2、理的第一步，加熱溫度依據(jù)相圖和熱處理目的而定。 (鋼)加熱一般是為了獲得晶粒細(xì)小、適當(dāng)成分的奧氏體 加熱以后得到的組織接近平衡組織基本上可以根據(jù)相圖來確定。第4頁/共73頁 1.1.1 鋼的臨界溫度由PA的開始溫度線是常數(shù)嗎？是常數(shù)嗎？第5頁/共73頁奧氏體的形成 奧氏體的形成是形核長大過程。 共析鋼的原始組織為P，當(dāng)加熱到Acl以上溫度時(shí)，發(fā)生P轉(zhuǎn)變。 在轉(zhuǎn)變過程中要發(fā)生晶格改組和碳原子的重新分布。包括如下四個(gè)基本環(huán)節(jié)奧氏體形核奧氏體形核 奧氏體長大奧氏體長大 殘余滲碳體的溶解殘余滲碳體的溶解 奧氏體均勻化奧氏體均勻化第6頁/共73頁 對于非共析鋼，在繼續(xù)升溫時(shí)，先共析產(chǎn)物也會(huì)轉(zhuǎn)化為A； 加

3、熱溫度不同時(shí)，得到的組織、奧氏體的組成（含碳量）不同； 完全奧氏體化后，合金成分與奧氏體相同第7頁/共73頁影響奧氏體化速度的因素 加熱條件：溫度高，速度快；速度快? 合金成分 C含量高-相界面積大-A形核率高； 合金元素影響相圖、C等的擴(kuò)散、碳化物穩(wěn)定性等； 原始組織 細(xì)小，碳化物分散度大，A形成容易； 片比球界面積更大；第8頁/共73頁奧氏體的晶粒度 奧氏體的晶粒度表示奧氏體晶粒的大小。在100X時(shí)，1 in2內(nèi)晶粒個(gè)數(shù)n與晶粒度等級(jí)G之間符合n=2G-1. 冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，常用奧氏體晶粒度分為8級(jí)。1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)（可拓展）。 起始晶粒度：奧氏體化剛完成時(shí) 實(shí)際晶粒度：實(shí)際加熱條件下

4、本質(zhì)晶粒度：規(guī)定加熱條件下第9頁/共73頁本質(zhì)晶粒度的測定方法：93010保溫38小時(shí)(100示意圖)本質(zhì)粗本質(zhì)細(xì)第10頁/共73頁 實(shí)際晶粒度與本質(zhì)晶粒度、加熱條件有關(guān)。 本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，加熱溫度超過950可能得到粗大晶粒； 本質(zhì)粗晶粒鋼，加熱溫度較低時(shí)，可能得到很細(xì)的晶粒。 實(shí)際用途？第11頁/共73頁影響奧氏體晶粒大小的因素 加熱條件 加熱溫度越高和保溫時(shí)間越長，A晶粒越粗。其中加熱溫度是主要因素 加熱速度大，過熱度大，獲得細(xì)小的初始晶粒 化學(xué)成分 隨著奧氏體含碳量的增加，F(xiàn)eFe、C C原子的擴(kuò)散速度增大，奧氏體晶粒長大的傾向增加。 強(qiáng)碳化物元素Nb、Ti等元素碳化物不易溶解、阻止C擴(kuò)散

5、等原因強(qiáng)烈阻止A晶粒粗化，可細(xì)化晶粒 Mn，P，O等促進(jìn)晶粒長大（界面能）第12頁/共73頁1.2 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變在較大過冷度下進(jìn)行，不能用相圖來分析。 轉(zhuǎn)變的方式通常有兩種連續(xù)冷卻時(shí) 間保 溫 時(shí) 間保 溫溫度等溫冷卻臨界點(diǎn)加熱第13頁/共73頁過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼的TTT曲線（C，S曲線） 轉(zhuǎn)變溫度不同，產(chǎn)物不同，性能不同1101001000100001000001000000-1000100200300400500600700800AB下貝 氏體 5060 HRC上貝 氏體 4045 HRC細(xì)珠光體 3040 HRC 溫度/ oC時(shí) 間 /

6、sA1Mf奧 氏體粗珠光體 520 HRC馬氏體+殘余奧 氏體 6065 HRCMs過冷A區(qū)AP第14頁/共73頁高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物珠光體類型 珠光體2500 索氏體5000 屈氏體5000 組織名稱符號(hào)形成溫度/片層間距/m硬度能分辨片層的放大倍數(shù)珠光體PA16500.4170230 HBS1000屈氏體T6005002000第15頁/共73頁珠光體類型組織的性能 珠光體的片層間距=F和Fe3C片的厚度之和； 珠光體的片層間距取決于冷卻速度； 珠光體的片層間距越小，P的力學(xué)性能越好。 與片狀珠光體相比，粒狀P的強(qiáng)度硬度較低，但是塑性韌性較好。第16頁/共73頁低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物馬氏體 馬氏體是碳在-Fe

7、中的過飽和固溶體。馬氏體的成分與過冷奧氏體完全相同。 很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，同時(shí)M內(nèi)又存在大量晶體缺陷，具有很高的強(qiáng)度和硬度。第17頁/共73頁馬氏體的性能 M的強(qiáng)度、硬度較高。強(qiáng)化機(jī)制：固溶強(qiáng)化、相變（亞結(jié)構(gòu)）強(qiáng)化及時(shí)效強(qiáng)化。 M的硬度主要取決于它的含碳量，碳含量越高，強(qiáng)度和硬度越高，而塑性、韌性也越低。 M的塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)。 位錯(cuò)馬氏體：高強(qiáng)度、良好的韌性，脆性轉(zhuǎn)變溫度低，缺口敏感性??； 孿晶馬氏體：硬而脆(本質(zhì)、速率，方向)。第18頁/共73頁中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物貝氏體 兩相混合物(過飽和F,粒狀碳化物) 與M相比，上貝氏體強(qiáng)度低，不用。下貝氏體強(qiáng)度硬度較高、塑性韌性好。第19頁/共

8、73頁粒狀貝氏體 形成時(shí)：由塊狀的鐵素體和高碳島狀?yuàn)W氏體組成； 島狀?yuàn)W氏體在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變成黑色的珠光體、馬氏體或以殘余奧氏體的形式存在。第20頁/共73頁亞共析鋼和過共析鋼的C曲線 亞共析鋼和過共析鋼的TTT曲線和共析鋼相比多了一條先共析F和Fe3C的析出線 漸近線第21頁/共73頁魏氏組織 魏氏組織是沿原奧氏體特定晶面形成的具有幾何學(xué)特征的冷卻轉(zhuǎn)變組織，德國魏德曼施泰登(AJWidmannstatten)首先在隕鐵中發(fā)現(xiàn)的，故名，亦稱魏氏體。此類組織在鋼和鋁青銅中都有發(fā)現(xiàn)。它是一種先共析轉(zhuǎn)變組織。 鐵素體魏氏組織呈針（片）狀，魏氏組織與母相之間保持嚴(yán)格的晶體學(xué)關(guān)系，并在試樣磨面上呈現(xiàn)

9、浮凸（切變特征）。 第22頁/共73頁 先共析組織量大，奧氏體晶粒粗大，冷速或溫度適當(dāng)時(shí)容易出現(xiàn)魏氏組織 鑄、鍛、焊低中碳鋼零件和低碳鋼滲碳零件經(jīng)空冷或一定速度冷卻后，都可能出現(xiàn)魏氏組織 對一般低、中碳鋼來說，不論奧氏體晶粒粗細(xì)，只要冷卻速度或者等溫溫度適宜應(yīng)該都會(huì)有魏氏組織出現(xiàn)的可能。當(dāng)然，奧氏體晶粒粗大時(shí)，出現(xiàn)這種組織所對應(yīng)的鋼的碳含量范圍要寬些，而且在較慢的冷速下就能形成。第23頁/共73頁 在GB/T13299鋼的顯微組織評定方法中,根據(jù)針狀鐵素體數(shù)量、形狀以及由鐵素體網(wǎng)確定的奧氏體晶粒的大小，魏氏組織分為6級(jí) 對于碳含量在0.15-0.30%之間的鋼種，其各個(gè)級(jí)別的魏氏組織的特征描述

10、如下： 0級(jí)：均勻的鐵素體和珠光體組織，無魏氏組織特征； 1級(jí)：鐵素體組織中有呈現(xiàn)不規(guī)則的塊狀鐵素體出現(xiàn)； 2級(jí)：呈現(xiàn)個(gè)別針狀組織區(qū)； 3級(jí)：由鐵素體網(wǎng)向晶內(nèi)生長，分布于晶粒內(nèi)部的細(xì)針狀魏氏組織； 4級(jí)：明顯的魏氏組織； 5級(jí)：粗大針狀及厚網(wǎng)狀的非常明顯的魏氏組織。 第24頁/共73頁 魏氏組織由于粗大的魏氏組織對珠光體基體的割裂作用，一般都伴隨著原奧氏體晶粒粗大, 從而會(huì)引起鋼的強(qiáng)度、韌性和塑性的降低。 消除魏氏組織常用的辦法一般采用退火或正火；程度嚴(yán)重的工件可采用二次正火（較高溫度+較低溫度）。 淬火+回火也能消除魏氏組織。 控制鍛造終軋溫度、鍛后冷卻，可以防止出現(xiàn)魏氏組織第25頁/共73

11、頁過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 CCT曲線在TTT的右下方； （碳素鋼中）共析鋼和過共析鋼的連續(xù)冷卻無貝氏體轉(zhuǎn)變； 上、下臨界冷卻速度，工藝應(yīng)用第26頁/共73頁CCT曲線舉例45鋼的CCT曲線T10鋼的CCT曲線第27頁/共73頁思考題分別以v1、v2、v3、v4的冷速進(jìn)行冷卻，各獲得何種組織？ 第28頁/共73頁影響C曲線的因素 奧氏體的化學(xué)成分和均勻性、晶粒大小，有無第二相C曲線。和以下因素有關(guān)： 鋼的化學(xué)成分 正常加熱條件下，共析鋼的C曲線最右； 除Co以外，常用元素均使其右移； 一些碳化物形成元素還改變C曲線形狀 加熱溫度與時(shí)間 原始組織：細(xì)，A均勻，C曲線右移，Ms第29頁/共73頁1

12、.3 淬火鋼在回火時(shí)的變化 淬火后鋼處于不穩(wěn)定狀態(tài)，加熱時(shí)由于原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，發(fā)生如下轉(zhuǎn)變（溫度對應(yīng)于碳鋼，典型時(shí)間） (1)碳原子的偏聚（T100）:碳原子由間隙位置逸出到位錯(cuò)線附近; (2)馬氏體分解: 在此溫度間馬氏體中的碳濃度不斷降低并發(fā)生M的分解，即從碳的過飽和固溶體中析出碳化物。M 100250析出 -Fe2.4C ； 250400之間， -Fe2.4C溶解并重新析出Fe3C。第30頁/共73頁 (3)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變:按 C曲線進(jìn)行 例如高碳鋼在200300回火加熱、保溫或降溫過程中，AM或B組織 (4)F的回復(fù)與再結(jié)晶及碳化物的聚集長大 當(dāng)T 400時(shí)，M中的碳原子全部脫溶，

13、變成F，但是保持M外形和缺陷。T 當(dāng)T 600時(shí)，F(xiàn)發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，F(xiàn)e3C集聚長大并粗化。S 溫度碳鋼，幾小時(shí)第31頁/共73頁淬火鋼在回火時(shí)性能的變化 一般來說，淬火鋼在回火時(shí)隨著回火溫度升高或時(shí)間延長，鋼的硬度不斷下降，塑性韌性、不斷升高第32頁/共73頁45鋼的回火溫度與力學(xué)性能第33頁/共73頁 鋼的回火脆性回火脆性：淬火鋼在某一回火溫度范圍內(nèi)，隨著回火的升高，使鋼的沖擊韌性下降（脆性增大）的現(xiàn)象稱為回火脆性。第34頁/共73頁 第類回火脆性（低溫回火脆性） ：250400 原因是由于沿馬氏體條間析出Fe3C所致。 避免在此溫度區(qū)間回火。重新淬火 第類回火脆性（高溫回火脆性） ：含

14、有Ni、Cr、Mn等元素的合金鋼在450650回火后緩慢冷卻時(shí)表現(xiàn)韌性降低。脆性為可逆性。 回火后快冷可防止或予以消除。合金元素Mo可減輕第類回火脆性。第35頁/共73頁2 整體熱處理工藝 正火與退火 淬火 回火第36頁/共73頁2.1 鋼的退火和正火 毛胚生產(chǎn)：鑄、鍛、焊，冷變形等 缺陷：晶粒粗大、應(yīng)力、成分不均、硬度偏高等 退火和正火是應(yīng)用非常廣泛的熱處理，在機(jī)器零件或工模具等工件的加工制造過程中，經(jīng)常作為預(yù)先熱處理工序，安排在鑄造或鍛造之后、切削(粗)加工之前，用以消除前一工序所帶來的某些缺陷，為隨后的工序作準(zhǔn)備。 對于一些普通鑄件、焊接件以及不重要的工件，退火和正火也可以作為最終熱處理

15、工序。 第37頁/共73頁退火和正火的目的 改變性能、組織為目標(biāo)，如 調(diào)整硬度（經(jīng)常是軟化）以便進(jìn)行后續(xù)加工； 經(jīng)過適當(dāng)退火或正火處理可使鋼件的硬度達(dá)到170- 250HBS，而且比較均勻，從而改善鋼件的切削加工性能，如球化退火、完全退火等。 冷拉之間再結(jié)晶退火消除加工硬化 消除殘余應(yīng)力，以防變形、開裂； 細(xì)化晶粒，改善組織以提高力學(xué)性能； 為最終熱處理(淬火回火)作好組織上的準(zhǔn)備，如球化退火。 第38頁/共73頁鋼的退火操作及應(yīng)用 退火是通過將金屬加熱、保溫，使金屬向（）平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化的工藝過程。 分類方法亂，交叉 按用途:、球化退火、擴(kuò)散退火和去應(yīng)力退火等;按加熱溫度：完全退火、不完全退火，

16、按介質(zhì)：普通空氣、真空；按轉(zhuǎn)變條件：連續(xù)冷卻、等溫、循環(huán)退火等；按材料：鋼、有色合金等第39頁/共73頁（1）完全退火 加熱溫度：TAC3+(3050) 冷卻方式：緩冷（爐冷、灰冷、坑冷）至550C后空冷。 組織：接近平衡組織（F+P） 應(yīng)用：適用于亞共析鋼鑄、鍛、焊件。如ZG35鑄造齒輪。 第40頁/共73頁（2）不完全退火 加熱至Ac1Ac3(Accm)之間，然后緩慢冷卻的退火方法； 目的：軟化、消除應(yīng)力、改善加工性能 主要用于過共析鋼，消除鍛軋應(yīng)力、降低硬度、提高韌性，但是不能消除網(wǎng)狀！ 用于亞共析鋼消除鍛軋應(yīng)力、降低硬度可以降低成本 球化？第41頁/共73頁（3）球化退火 加熱溫度：T

17、AC1+(2030) 冷卻方式：緩冷、等溫或循環(huán) 組織：球狀P球狀P的強(qiáng)度、硬度稍低，塑性韌性好第42頁/共73頁球化退火工藝球化退火工藝路線第43頁/共73頁球化退火的應(yīng)用 任何鋼種都可以采用； 球化退火主要用于降低高碳鋼的硬度，以利于切削加工； 為淬火作組織準(zhǔn)備，減小淬火時(shí)的變形和開裂傾向 如果一次球化難以達(dá)到目的，可采用循環(huán)退火進(jìn)行球化（111）第44頁/共73頁（4）擴(kuò)散退火 加熱至固相線以下較高溫度，長時(shí)間保溫，消除枝晶偏析。 適用于鋼鐵、有色合金等，如亞共析鋼：TAc3 + （150300)過共析鋼：TAccm+（150300)保溫1015h后空冷第45頁/共73頁（5）再結(jié)晶退火

18、與去應(yīng)力退火 較低溫度加熱（Ac1)，消除加工硬化或宏觀應(yīng)力，如 500650保溫緩冷至200后空冷，消除鑄、焊件內(nèi)應(yīng)力 200 300 保溫緩冷彈簧去應(yīng)力退火 再結(jié)晶溫度相變溫度，軟化加工硬化的金屬 適用于所有金屬與合金第46頁/共73頁幾種退火的加熱溫度范圍第47頁/共73頁鋼的正火操作及應(yīng)用 將鋼加熱到臨界溫度以上（AC3或Accm）保溫一定時(shí)間后空冷、獲得近平衡組織的工藝（0.4%C，不宜用正火代替調(diào)質(zhì)。 3) T12鋼中存在連續(xù)的網(wǎng)狀Fe3C，為提高切削加工性能，先正火消除網(wǎng)Fe3C，再球化退火得到粒狀的P，HB。 4）一些鋼的最終熱處理（115）第49頁/共73頁等溫正火工藝舉例（

19、116） 合金滲碳鋼要求組織與硬度的良好配合 粗F+細(xì)片狀P 160180HBS 20CrMnTi得到以上組織性能的連續(xù)冷卻工藝3338/min（難） 常用等溫正火工藝：裝料厚度150mm，加熱920960，150min；風(fēng)冷至620630，25min，出爐。第50頁/共73頁2.2 鋼的淬火 將鋼加熱到臨界點(diǎn)（Ac3或Ac1）以上，保溫后快速冷卻得到馬氏體或貝氏體組織的工藝過程。 淬火的目的：提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性第51頁/共73頁加熱參數(shù)的選擇 B和M均為A的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，為了獲得這些組織，首先要加熱獲得A。 加熱的目的：獲得適當(dāng)成分、晶粒細(xì)小的奧氏體 加熱溫度（淬火溫度）、保溫時(shí)間都是以以上

20、目的為依據(jù)的，同時(shí)考慮 能源及設(shè)備消耗、 零件氧化脫碳，變形，晶粒長大第52頁/共73頁淬火溫度的選擇 亞共析鋼: Ac3 （3050） 共、過共析鋼:Ac1（3050） 組織？ 合金鋼可適當(dāng)提高 原因第53頁/共73頁保溫時(shí)間的選擇 保溫是加熱的繼續(xù)，目的相同 因?yàn)樘间搳W氏體轉(zhuǎn)變所需的時(shí)間較短，熱導(dǎo)率較大，保溫至整個(gè)零件達(dá)到淬火溫度(經(jīng)常目測)即可； 合金元素?cái)U(kuò)散較慢，而且可能影響碳化物的溶解和C的擴(kuò)散，合金鋼可以適當(dāng)延長保溫時(shí)間。 按裝爐量、工件尺寸、材料種類估算第54頁/共73頁加熱時(shí)間的估算（117-118） =KD K=11.3 裝爐修正系數(shù)； 加熱系數(shù)，與加熱溫度、介質(zhì)有關(guān)； D工

21、件有效厚度 工件的有效厚度 圓棒的直徑；階梯軸按大端尺寸計(jì)算； 扁平工件的厚度 實(shí)心圓椎：離大端1/3高度處的直徑； 其余見118頁。第55頁/共73頁鋼的淬透性與淬硬性 一定尺寸的工件，淬火時(shí)工件表面冷卻較快，心部冷卻較慢 。不同位置轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不同 鋼的淬透性是指鋼在淬火后獲得馬氏體或淬硬層深度（又稱為淬透層深度）的能力。第56頁/共73頁淬透性通常用規(guī)定條件(試樣形狀、尺寸、冷卻條件等）下的淬硬層深度表示，淬硬層深度越深，表明其淬透性越好。臨界直徑端淬實(shí)驗(yàn),Jonomy曲線第57頁/共73頁鋼的淬透性取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性C曲線靠右的鋼（上臨界冷卻速度較小），淬透性較好淬透性與鋼材成分、原

22、始狀態(tài)及加熱條件有關(guān)，而與工件尺寸、淬火介質(zhì)無關(guān) 在尺寸、形狀、冷卻條件均相同時(shí)，淬透性大的鋼，淬透層深度越深。 第58頁/共73頁淬透性是選材制定工藝的依據(jù) 淬透性是選材和制定熱處理工藝的重要依據(jù)。如 截面尺寸大、形狀復(fù)雜、承受復(fù)雜應(yīng)力、對心部性能要求高較高淬透性材料 對于承受彎扭的軸類、齒輪類零件，可選用淬透性低、淬硬層淺（如為半徑的1/31/2）的鋼。 為了防止焊件變形和裂紋、強(qiáng)力沖擊脆斷，材料的淬透性不能太好。 第59頁/共73頁 不同尺寸的工件淬硬層深度不同大直徑零件淬硬層較薄； 根據(jù)工件的淬透性優(yōu)化熱處理工藝。 如正火代替調(diào)質(zhì)量 安排工藝路線考慮淬透性；第60頁/共73頁淬硬性 鋼

23、在理想條件下淬火所能達(dá)到的最高硬度稱為鋼的淬硬性。 鋼的淬硬性主要取決于馬氏體中的碳含量，也就是淬火前奧氏體中碳含量，碳含量越高，淬硬性越好。 第61頁/共73頁常用淬火冷卻介質(zhì)與淬火方法 淬火介質(zhì)與方法的選擇要考慮兩方面的因素 避免奧氏體分解，滿足性能要求 降低淬火應(yīng)力，減小變形、防止開裂 理想介質(zhì)的冷卻特性如圖 理想冷卻速度第62頁/共73頁常用淬火介質(zhì) 水，（5-15%）鹽水，堿水 冷卻速度快 10-20號(hào)機(jī)油 冷卻速度較慢 硝鹽?。?0%KNO3,50%NaNO2）等溫淬火，分級(jí)淬火第63頁/共73頁常用淬火方法（118） 單液淬火：一種介質(zhì)冷卻到底。如碳鋼在水中、合金鋼在油中，高速鋼在空氣。 為了減小淬火應(yīng)力，可以采用 雙液淬火：如水淬油冷、油淬空冷 分級(jí)淬火：在Ms以上等溫均溫后冷卻 等溫淬火：得到B 冷處理：淬火的繼續(xù)第64頁/共73頁冷卻操作方法（119） 復(fù)雜零件，預(yù)冷可減小變形； 淬火方向 軸類，套筒垂直入水； 長板，橫向側(cè)面入水； 凹面，槽口向上； 截面相差較大時(shí)，大頭先入水等 不擺動(dòng)或只沿著淬入方向直線運(yùn)動(dòng)，可減小變形；第65頁/共73頁淬火應(yīng)用實(shí)例（120） 臨界直徑的零件容易開裂，如5-11的4