第章金屬熱處理及表面改性

3.1鋼的熱處理原理1、熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝.為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度—時間坐標(biāo)繪出熱處理工藝曲線。

當(dāng)前1頁，總共40頁。在機床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。在汽車、拖拉機制造業(yè)中需熱處理的零件達70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝.

模具、滾動軸承100%需經(jīng)過熱處理?？傊匾慵夹柽m當(dāng)熱處理后才能使用。

當(dāng)前2頁，總共40頁。2、熱處理特點:熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。

鑄造軋制3、熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強化。

當(dāng)前3頁，總共40頁。4、熱處理分類

熱處理原理：描述熱處理時鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律。熱處理工藝：根據(jù)熱處理原理制定的溫度、時間、介質(zhì)等參數(shù)。(a)940淬火+220回火（板條M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板條M+條狀F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板條M回+條狀F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板條M回+塊狀F）

20CrMnTi鋼不同熱處理工藝的顯微組織當(dāng)前4頁，總共40頁。根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點不同，將熱處理工藝分類如下：其他熱處理普通熱處理表面熱處理熱處理退火正火淬火回火真空熱處理形變熱處理激光熱處理控制氣氛熱處理表面淬火—感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱等化學(xué)熱處理—滲碳、氮化、碳氮共滲、滲其他元素等當(dāng)前5頁，總共40頁。5、預(yù)備熱處理與最終熱處理預(yù)備熱處理—為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進一步熱處理作準(zhǔn)備的熱處理。最終熱處理—賦予工件所要求的使用性能的熱處理.預(yù)備熱處理最終熱處理W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線時間溫度/℃當(dāng)前6頁，總共40頁。

鋼加熱時實際轉(zhuǎn)變溫度：Ac1、Ac3、Accm;冷卻時實際轉(zhuǎn)變溫度Ar1、Ar3、Arcm。6、臨界溫度與實際轉(zhuǎn)變溫度PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示.實際加熱或冷卻時存在著過冷或過熱現(xiàn)象。25班當(dāng)前7頁，總共40頁。3.1.1鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

加熱分兩種：一種是在A1以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是在臨界點以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱奧氏體化。鋼坯加熱一、奧氏體的形成過程奧氏體化也是形核和長大的過程，分為四步?，F(xiàn)以共析鋼為例說明：當(dāng)前8頁，總共40頁。第一步奧氏體晶核形成：首先在與Fe3C相界形核。第二步奧氏體晶核長大：晶核通過碳原子的擴散向

和Fe3C方向長大。第三步殘余Fe3C溶解:鐵素體的成分、結(jié)構(gòu)更接近于奧氏體，因而先消失。殘余的Fe3C隨保溫時間延長繼續(xù)溶解直至消失。當(dāng)前9頁，總共40頁。第四步奧氏體成分均勻化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過長時間保溫使奧氏體成分趨于均勻。當(dāng)前10頁，總共40頁。共析鋼奧氏體化過程當(dāng)前11頁，總共40頁。亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼基本相同。但要獲得全部奧氏體組織，必須相應(yīng)加熱到Ac3或Accm以上.當(dāng)前12頁，總共40頁。1、影響奧氏體晶粒長大的因素⑴加熱溫度和保溫時間:加熱溫度高、保溫時間長,晶粒粗大.⑵加熱速度:加熱速度越快,過熱度越大,形核率越高,晶粒越細.⑶合金元素：阻礙奧氏體晶粒長大的元素:Ti、V、Nb、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。二、奧氏體晶粒大小及其影響⑷原始組織:平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細晶粒。當(dāng)前13頁，總共40頁。奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，降低鋼的常溫力學(xué)性能，尤其是塑性。因此加熱得到細而均勻的奧氏體晶粒是熱處理的關(guān)鍵問題之一。箱式可控氣氛多用爐真空熱處理爐2、奧氏體晶粒粗大的影響當(dāng)前14頁，總共40頁。3.1.2鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變冷卻是熱處理更重要的工序。處于臨界點A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩(wěn)定組織，遲早要發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨過冷度不同，共析鋼過冷奧氏體將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變當(dāng)前15頁，總共40頁。共析鋼當(dāng)前16頁，總共40頁。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變方式有等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變兩種。1—等溫冷卻2—連續(xù)冷卻等溫冷卻:奧氏體化后的鋼件迅速冷卻到臨界點以下某個溫度并保溫，完成組織轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻：以某種速度一直冷卻到室溫，在連續(xù)冷卻中完成組織轉(zhuǎn)變。當(dāng)前17頁，總共40頁。過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖是表示奧氏體急速冷卻到臨界點A1以下，然后在各不同溫度下的保溫過程中轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時間的關(guān)系曲線.又稱C曲線、S曲線或TTT曲線。一、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變當(dāng)前18頁，總共40頁。1、C曲線的建立以共析鋼為例：⑴取一批小試樣并進行奧氏體化.⑵將試樣分組淬入低于A1點的不同溫度（恒溫）的鹽浴中。當(dāng)前19頁，總共40頁。⑶測定各溫度下試樣開始轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變終了的時間。⑷將各溫度下試樣轉(zhuǎn)變開始時間及終了時間標(biāo)在溫度—時間坐標(biāo)中，并分別連線。轉(zhuǎn)變開始點的連線稱轉(zhuǎn)變開始線。轉(zhuǎn)變終了點的連線稱轉(zhuǎn)變終了線。當(dāng)前20頁，總共40頁。A1-Ms間及轉(zhuǎn)變開始線以左的區(qū)域為過冷奧氏體區(qū)。轉(zhuǎn)變終了線以右及Mf以下為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。兩線之間及Ms與Mf之間為轉(zhuǎn)變區(qū)。時間溫度A1MSMfA過冷PBMA→MA→BA→P轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線奧氏體當(dāng)前21頁，總共40頁。2、C曲線的分析⑴轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩(wěn)定性越小.孕育期最小處稱C曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550℃。當(dāng)前22頁，總共40頁。在鼻尖以上,溫度較高，相變驅(qū)動力小.在鼻尖以下，溫度較低，擴散困難。均使奧氏體穩(wěn)定性增加。⑵C曲線明確表示了過冷奧氏體在不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。當(dāng)前23頁，總共40頁。二、過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物727~550中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物550~230低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物230~當(dāng)前24頁，總共40頁。1、珠光體型（高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）過冷奧氏體在A1到550℃間將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，它是鐵素體與滲碳體片層相間的機械混合物珠光體索氏體托氏體根據(jù)片層厚薄不同,又細分為珠光體、索氏體和托氏體.當(dāng)前25頁，總共40頁。⑴珠光體：形成溫度為A1-650℃，片層較厚，500倍光鏡下可辨，用符號P表示.光鏡下形貌電鏡下形貌三維珠光體如同放在水中的包心菜當(dāng)前26頁，總共40頁。⑵索氏體形成溫度為650-600℃,片層較薄，800-1000倍光鏡下可辨，用符號S表示。電鏡形貌光鏡形貌當(dāng)前27頁，總共40頁。⑶托氏體形成溫度為600-550℃，片層極薄，電鏡下可辨，用符號T表示。電鏡形貌光鏡形貌當(dāng)前28頁，總共40頁。珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細之分，因此其界限也是相對的。過冷度越大，片間距越小，鋼的強度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。當(dāng)前29頁，總共40頁。珠光體轉(zhuǎn)變當(dāng)前30頁，總共40頁。2、貝氏體型（中溫轉(zhuǎn)變）過冷奧氏體在550℃-230℃(Ms)間將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織，用符號B表示。根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下).上貝氏體下貝氏體當(dāng)前31頁，總共40頁。⑴上貝氏體形成溫度為550-350℃。在光鏡下呈羽毛狀.貝氏體一般具有比珠光體高的強度和硬度，但B上韌性低，生產(chǎn)中少用。光鏡下電鏡下當(dāng)前32頁，總共40頁。⑵下貝氏體形成溫度為350℃-Ms。在光鏡下呈竹葉狀。光鏡下碳化物細小、分布均勻（竹葉狀），具有良好的塑性和韌性。當(dāng)前33頁，總共40頁。下貝氏體除了強度、硬度較高外，塑性、韌性也較好，即具有良好的綜合力學(xué)性能，是生產(chǎn)上常用的強化組織之一。上貝氏體貝氏體組織的透射電鏡形貌下貝氏體當(dāng)前34頁，總共40頁。3、馬氏體型（低溫）碳在-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體，用M表示。馬氏體轉(zhuǎn)變是強化鋼的重要途徑之一。馬氏體組織-Fe晶格嚴重畸變，所以馬氏體具有高硬度和強度。當(dāng)前35頁，總共40頁。⑴板條馬氏體C含量小于0.2%在光鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。強度、硬度高，塑性、韌性好。光鏡下當(dāng)前36頁，總共40頁。⑵針狀馬氏體C含量大于1%立體形態(tài)為凸透鏡形的片狀、顯微鏡下組織為針狀。硬度高但塑性、韌性差。光鏡下（3）含碳量0.2—1%：得到兩類馬氏體的混合組織。當(dāng)前37頁，總共40頁。三、過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖又稱CCT曲線，是通過測定不同冷速下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量獲得的。共析鋼CCT曲線：水、油、空氣中，都是連續(xù)冷卻。一個鋼件先后通過各轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，先后發(fā)生幾種轉(zhuǎn)變，得到幾種產(chǎn)物復(fù)合的不均勻組織。冷速不同，產(chǎn)物各異。當(dāng)前38頁，總共40頁。1、共析鋼的CCT曲線CCT曲線沒有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)之下多了一條轉(zhuǎn)變中止線。當(dāng)連續(xù)冷卻曲線碰到轉(zhuǎn)變中止線時，珠光體轉(zhuǎn)變中止，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。Vk’Vk時間/s溫度/℃共析鋼的CCT圖共析溫度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線完全退火正火等溫轉(zhuǎn)變曲線油淬水淬M+A’