材料工程基礎(chǔ)：5-1 金屬材料的常規(guī)熱處理

1、第三篇 材料的改性與表面加工 為了使材料充分發(fā)揮性能潛力，保證材料具有良好的繼續(xù)加工工藝性和使用性能，材料在合成、制取加工成材后，往往要通過熱處理和表面處理進(jìn)行改性。 常規(guī)熱處理是指對材料加熱、保溫、冷卻改變材料整體性能。 表面改性包括： 改變材料表面組織結(jié)構(gòu)表面淬火既改變表面組織結(jié)構(gòu)，又改變表面成分表面化學(xué)熱處理第5章 金屬材料的常規(guī)熱處理 金屬材料的常規(guī)熱處理是指在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，通過改變金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，使其獲得所需性能的工藝。 根據(jù)加熱和冷卻方式不同，常規(guī)熱處理為： 鋼 鐵有色金屬 熱處理的基本工藝過程，用時間溫度坐標(biāo)表示，稱為熱處理工藝曲線。 預(yù)備熱處理，最終熱處理。

2、（1）等溫加熱轉(zhuǎn)變圖 恒定T下，保溫時所發(fā)生的狀態(tài)變化。見圖93 原始狀態(tài)和合金化元素影響A的速度。 主要的應(yīng)用：短時間熱處理。如感應(yīng)加熱，激光加熱。 3. 加熱轉(zhuǎn)變圖 加熱轉(zhuǎn)變過程用加熱轉(zhuǎn)變圖來表達(dá)，是一定溫度下的形成量和時間的關(guān)系，反映加熱過程的動力學(xué)問題。 51 常規(guī)熱處理的基本原理52 常規(guī)熱處理工藝51 常規(guī)熱處理的基本原理 511 加熱 1. 加熱方式 能量轉(zhuǎn)換 熱處理工藝 2. 加熱轉(zhuǎn)變 先考察FeC相圖 圖中有A1、A3、ACM臨介溫度線，相圖上的溫度是平衡轉(zhuǎn)變溫度；但當(dāng)進(jìn)行加熱和冷卻時，轉(zhuǎn)變要“滯后”，即加熱時相變溫度偏向高溫，冷卻時偏向低溫。這時用AC和Ar分別表示實(shí)際加熱

3、和冷卻時的臨界溫度。A1Ac1，Ar1 ； A3Ac3，Ar3 ； AcmAccm. Arcm加熱分兩種情況： 在臨界點(diǎn)下加熱 在臨界溫度以上加熱 （2）連續(xù)加熱轉(zhuǎn)變圖（CHT圖 ）表示不同加熱速度下奧氏體的形成數(shù)量Tt關(guān)系。 轉(zhuǎn)變過程出現(xiàn)：4. 零件加熱工藝制定 加熱基本工藝參數(shù): （1）加熱溫度 確定依據(jù)：金屬及合金相變點(diǎn)、再結(jié)晶溫度等。 （2）加熱時間 升溫時間：工件表面達(dá)到設(shè)定溫度時間，取決于加熱設(shè)備功率、介質(zhì)、爐量。 透熱時間：工件心部與表面溫度趨于一致所需時間。 保溫時間：達(dá)到熱處理工藝要求而恒溫保持的一致時間。 加熱時間：升溫 + 透熱；可用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算。 以幾何因素為基礎(chǔ)的計(jì)算 表

4、征工件的幾何因素，與零件形狀的關(guān)系見表9-2 K-與加熱條件有關(guān)的總的物理因素加熱時間的計(jì)算：2）按工件有效厚度計(jì)算 5. 加熱腐蝕 氧化與脫碳 （1）氧化： 570時，結(jié)構(gòu)松散FeO,繼續(xù)向內(nèi)氧化。 （2）脫碳：工件表層C與脫C性氣體相互作用的燒損現(xiàn)象。 在700 850時容易發(fā)生。 512 冷 卻 冷卻是熱處理的重要工序，通過控制冷卻，控制組織，獲得一定的性能。 TTT表明等溫冷卻過程的組織結(jié)構(gòu)變化CCT表明連續(xù)冷卻過程的組織結(jié)構(gòu)變化 1. 等溫冷卻轉(zhuǎn)變圖（TTT圖） （1）什么是等溫冷卻轉(zhuǎn)變圖 表明等溫冷卻過程中鋼的組織結(jié)構(gòu)隨溫度、時間變化關(guān)系的狀態(tài)圖（2）TTT圖的測定 金相法膨脹儀法

5、A化迅速淬入設(shè)定溫度的等溫鹽浴，冷卻不同時間后取出淬入冰鹽水,使未轉(zhuǎn)變的A體轉(zhuǎn)變?yōu)镸進(jìn)行金相組織測定,測定不同等溫下的轉(zhuǎn)變量,然后給出該溫下轉(zhuǎn)變量f t關(guān)系的轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線.將不同溫度下轉(zhuǎn)變點(diǎn)畫在Tt圖上,將相同性質(zhì)的點(diǎn)連續(xù)起來. （3）TTT圖呈C成型,也稱C曲線. 左方:過冷A 高溫區(qū):珠光體轉(zhuǎn)變 低溫區(qū):奧氏體轉(zhuǎn)變 更低溫區(qū):馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)MS, MS與鋼的成分有關(guān). 見式(9-3)(P298) Ms = 512 - 453W（C）- 16.9W(Ni) + 15W(Cr) - 9.5W(Mo) + 217W2(C) - 71.5W(C)W(Mo) - 67.6W(C)W(Cr）（4）影響

6、C曲線的因素 合金元素,如Cr、Mo,出現(xiàn)兩個C曲線，P、B轉(zhuǎn)變分開.A化過程影響形狀和位置共析鋼等溫冷卻轉(zhuǎn)變演示A化溫度對C曲線的影響：實(shí)線：950，6s; 虛線：860，10min2 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（CCT圖） 實(shí)際熱處理生產(chǎn)中，主要采用連續(xù)冷卻，采用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖來指導(dǎo)生產(chǎn)。 （1）什么是CCT圖： 連續(xù)冷卻過程中組織變化與冷卻速率的關(guān)系圖。 （2）CCT圖測定方法： 基本方法與TTT圖相近。 A化以設(shè)定的系列恒定的速度冷卻，得到相應(yīng)冷卻下的轉(zhuǎn)變量與時間的關(guān)系（包括開始、終了及特殊）上述結(jié)果畫在Tt（對數(shù)）坐標(biāo)中共析鋼連續(xù)冷卻演示Diamond Pyramid Hardness 金剛石棱

7、錐硬度 （3）近于生產(chǎn)實(shí)際的非恒定冷速下的CCT圖表達(dá) 不同冷卻介質(zhì)中不同直徑試棒中心的冷卻速度對比52 常規(guī)熱處理工藝 521 退火 1. 退火的定義 將金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻以獲得近平衡狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)的熱處理工藝方法。 2. 退火的目的 使金屬材料軟化，使其易于冷成形和切削加工改變金材的其它性能和改變金材的組織 改善偏折、組織不均勻性、減少有害氣體等。產(chǎn)生球化組織（過共析鋼）改善電性能，改善尺寸穩(wěn)定性3. 工藝方法 （1）亞臨介退火:（低于臨介溫度A1）（2）不完全退火:（在A1A3（ACM）之間的退火（3）完全退火: A3（Acm）以上的退火 4 典型退火工藝

8、 （1）完全退火 加熱到A3（ACM）以上，緩冷的退火工藝目的：細(xì)化晶粒，降低鋼的硬度，改善切削加工性，消除加工過程內(nèi)應(yīng)力。適用范圍：中碳鋼鍛件。（2）球化退火 獲得F基體上分布的球狀滲C體組織. Ac1以下長時間保溫Ac1和Ar1間交替加熱/冷卻Ac1以上慢冷,或Ar1略下等溫滲碳體未全溶的溫度以適當(dāng)冷速冷卻,防止網(wǎng)狀滲C體形成,然后再加熱,按前a)、b)進(jìn)行適用范圍: 1）0.6% C以上的碳鋼、模具鋼、軸承鋼.2）中、低碳鋼,改善冷變形的加工性能（3）中間退火(再結(jié)晶退火) Ac1(11-22)溫度下保溫適當(dāng)時間空冷.目的: 消除加工硬化,恢復(fù)韌性. （4）去應(yīng)力退火 消除制造過程中的殘

9、留應(yīng)力的工藝。相變溫度以下保溫后均勻冷卻退火示意圖5.2.2 正火 Ac3(Accm)以上30-50, 保溫, 空冷, 獲得含均勻珠光體組織的熱處理工藝。 冷卻速率以保證獲得珠光體為依據(jù). 目的: 改善力學(xué)性能，細(xì)化晶粒,均勻化成分和組織. 如鑄鐵: 使枝晶組織斷開和細(xì)化,從而使成分均勻化鍛件: 去除熱軋產(chǎn)生的帶狀組織,細(xì)化鍛造產(chǎn)生的粗大晶粒,去除鍛造產(chǎn)生的混晶.5.2.3 淬火 1 淬火的一般性概念 （1）定義: A化后，通過淬入水、油、聚合物溶液、熔鹽等介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)快冷, 獲得 M 體組織的工藝方法. （2）目的: 獲得M體組織,硬化淬火后的處理. 淬火 + 低溫回火 （高硬度和耐磨性） 淬

10、火 + 中溫回火 （獲得高彈性極限） 淬火 + 高溫回火 （獲得良好強(qiáng)韌性配合） （3）淬火A化溫度確定 亞共折鋼 Ac3以上30-50 過共折鋼 Ac1以上 合金鋼 比碳鋼略高溫度 高合金鋼（工具鋼） 很高淬火加熱溫度。 （4）冷卻 存在一臨介冷卻速度Vc，見CCT圖當(dāng) Vc時，全M當(dāng) Vc時，M + 非M 獲得M的能力叫淬透性用規(guī)定條件下獲得的淬硬層深度來表示。常用端淬曲線或園棒淬硬層深度評價。淬硬層深度的計(jì)算依據(jù)：50%M淬透性是鋼的一種屬性，決定因素是臨界冷速。（5）淬透性 2. 淬火機(jī)理 經(jīng)奧氏體化的鋼，淬入淬火液后冷卻過程的冷卻曲線如圖示。經(jīng)歷三個階段。 蒸汽膜形成沸騰形核階段液體

11、冷卻影響淬火冷速的因素 （1）介質(zhì)種類（2）攪拌（3）淬火液溫度 直徑為38mm不銹鋼經(jīng)845 固溶處理淬水3. 淬火介質(zhì) 淬火介質(zhì)淬火工藝中采用的冷卻介質(zhì)蒸汽階段與沸騰階段冷速快，液體冷卻（對流）階段慢。 常用的淬火介質(zhì)（劑）： 水、鹽水、堿水、油、聚合物溶液、融鹽、金屬熔液、氣體、流態(tài)床、霧、噴霧等。 要求：單液淬火雙液淬火（水淬、油冷法）分級淬火（martempering）: 淬入堿、鹽浴，均溫后空冷。適用于小件（工具、量具等）等溫淬火（austempering） 在Ms稍高溫度等溫，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。見圖918工藝曲線圖局部淬火（圖919）4. 常用的淬火方法 5. 有色合金的固溶處理和

12、淬火 固溶處理：獲得均勻的固溶體淬火目的： 避免固溶元素的析出，獲得過飽和固溶體。 524 回火與時效 1. 回 火 回火是指鋼淬火后再加熱到相變點(diǎn)以下保溫后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s的一種熱處理工藝。 目的：提高鋼的韌性和塑性 （1） 回火工藝的控制參數(shù) 回火溫度回火時間冷卻速度（2）回火工藝 低溫回火：得到回火馬氏體為主。主要適用于，中、高C鋼制造的工模具、零件等。中溫回火（350-500），得到回火屈化體，主要適用彈簧熱處理。 高溫回火（500-650）調(diào)質(zhì)處理。得到回火索氏體，具良好綜合性能。適用于連桿、螺栓、齒輪等要求強(qiáng)韌性的。 M中C的偏聚M分解殘留A轉(zhuǎn)變碳化物的轉(zhuǎn)變回火過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變：2. 時效 固溶淬火的有色合金必須進(jìn)行時效處理才能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，主要是通過溶質(zhì)原子自發(fā)析出形成彌散的析出相