工程材料及成形工藝 課件 第3章 金屬熱處理及工藝

工程材料及成形工藝第1章金屬結(jié)構(gòu)及性能第2章金屬結(jié)晶及相圖第3章金屬熱處理及工藝第4章鋼鐵材料及性能第5章非鐵金屬與非金屬材料第6章金屬鑄造成形第7章金屬鍛壓成形第8章金屬焊接成形第9章機(jī)械零件材料及工藝選擇第3章金屬熱處理及工藝3.1.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變3.1.1.1加熱時(shí)的臨界溫度線3.1熱處理基本原理3.1.1.2共析鋼奧氏體化形成原理3.1熱處理基本原理（1）奧氏體開始形核由于鐵素體的含碳量很低，而滲碳體的含碳量卻很高，造成二者的碳濃度差很大，使界面處原子的位錯(cuò)和空位密度及能量較高，晶核形成所需功較少、易形核，所以奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體交界面上形成。（2）奧氏體晶核長(zhǎng)大奧氏體晶核長(zhǎng)大是依靠珠光體中相鄰鐵素體合并，鐵素體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變，滲碳體中鐵原子與碳原子繼續(xù)擴(kuò)散并不斷溶入奧氏體等過程逐漸實(shí)現(xiàn)，其中鐵素體晶格改變比滲碳體溶解速度快。（3）殘余滲碳體溶解當(dāng)鐵素體消失后，因組織中仍有部分殘余滲碳體存在，并隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余滲碳體不斷溶入奧氏體中，奧氏體晶粒逐漸增多，直到滲碳體全部溶解完畢。（4）奧氏體成分均勻化殘余滲碳體完全溶解后，奧氏體中碳的濃度仍不均勻，原滲碳體處碳濃度高，原鐵素體處碳濃度低，此必須繼續(xù)保溫一段時(shí)間，通過碳原子的充分?jǐn)U散，才能形成成分均勻的奧氏體。3.1熱處理基本原理3.1.1.3亞共析鋼或過共析鋼奧氏體形成3.1熱處理基本原理3.1.1.4奧氏體晶粒度及其影響（1）晶粒度等級(jí)及分類晶粒度是表示奧氏體晶粒大小的尺度，奧氏體標(biāo)準(zhǔn)品粒度可分為00,0,1，2，?，10等12個(gè)等級(jí)，常用的1~4級(jí)粗晶粒，5~8級(jí)為細(xì)晶粒，如圖3-3所示。3.1熱處理基本原理（2）晶粒度對(duì)性能的影響奧氏體晶粒大小直接影響到冷卻后的組織和性能，如果加熱時(shí)獲得的奧氏體品粒細(xì)小，則冷卻后轉(zhuǎn)變組織的晶粒也細(xì)?。ㄒ妶D34b），其強(qiáng)度、塑性和韌性也較好。3.1熱處理基本原理（3）影響品粒度的因素鋼的室溫組織晶粒度主要取決于鋼的加熱溫度、保溫時(shí)間、成分及奧氏體晶粒大小等。3.1.2鋼在冷卻時(shí)的過冷組織3.1.2.1過冷組織及形成特點(diǎn)3.1.2.2過冷奧氏體轉(zhuǎn)變方式3.1熱處理基本原理3.1.3過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變3.1.3.1等溫轉(zhuǎn)變曲線及圖解（1）等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立（undercooledisothermaltransformationcurve）以共析碳素鋼為例，先將若干個(gè)共析碳素鋼試樣經(jīng)加熱奧氏體化處理，然后再分別迅速投入到A1以下不同溫度的等溫槽中進(jìn)行等溫冷卻。3.1熱處理基本原理（2）等溫轉(zhuǎn)變圖分析過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫過程中，轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量的關(guān)系曲線，稱為等溫轉(zhuǎn)變圖（undercooledisothermaltransformationdiagram），形狀頗似字母“C”，簡(jiǎn)稱為C曲線或TTT曲線，如圖3-7所示。3.1熱處理基本原理3.1.3.2等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能（1）珠光體型組織轉(zhuǎn)變珠光體型組織轉(zhuǎn)變亦稱為高溫轉(zhuǎn)變，在A1~550°C范圍內(nèi)等溫，原子擴(kuò)散能力較強(qiáng)，容易在奧氏體晶界上產(chǎn)生高碳滲碳體晶核和低碳鐵素體晶核，易實(shí)現(xiàn)晶格重構(gòu)，屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物鐵素體與滲碳體層片相間并具有大體相同位向的珠光體型組織，如圖3-8所示。3.1熱處理基本原理（2）貝氏體型組織轉(zhuǎn)變貝氏體型組織轉(zhuǎn)變亦稱為中溫轉(zhuǎn)變，在500°C~Ms范圍內(nèi)等溫，過冷度較大，鐵原子難以擴(kuò)散，僅有碳原子擴(kuò)散，屬于半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。3.1熱處理基本原理（3）馬氏體型組織轉(zhuǎn)變?cè)贛s線以下范圍內(nèi)，鐵碳原子均已失去擴(kuò)散能力，但過冷度很大且足以改變過冷奧氏體的晶格結(jié)構(gòu)，并將碳全部過飽和固溶于??-Fe晶格內(nèi)，這種轉(zhuǎn)變屬于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，也稱作低溫轉(zhuǎn)變。3.1熱處理基本原理3.1熱處理基本原理3.1.3.3影響等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素（1）含碳量的影響亞共析鋼和過共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖中C曲線形狀與共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖中C曲線形狀大體相似，只是高溫下的單相奧氏體在A3或Acm以下等溫冷卻時(shí)，將會(huì)先析出先共析鐵素體或二次滲碳體，因此，在等溫轉(zhuǎn)變圖的C曲線上方會(huì)多出一條先共析相析出線，如圖3-12所示。3.1熱處理基本原理（2）合金元素的影響除Co以外，所有合金元素均使等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線右移，如圖3-13所示為Ni和Cr含量增加時(shí)，等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線位置和形狀改變的示意圖，其中Ni含量增加時(shí)，等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線只是位置改變并逐漸將向右移動(dòng)，如圖3-13a所示。3.1熱處理基本原理3.1.4過冷奧氏體的連續(xù)轉(zhuǎn)變3.1.4.1連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線及組織（1）共析鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線實(shí)際生產(chǎn)中，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行，并且是在不同的冷卻速度條件下連續(xù)冷卻，其轉(zhuǎn)變開始時(shí)間及轉(zhuǎn)變終止時(shí)間與溫度之間的關(guān)系稱連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖或CCT曲線（continuouscoolingtransformationdiagram）形似半個(gè)C曲線，如圖3-14a所示。（2）非共析鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線過共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線基本同上，僅多出一條先共析滲碳體析出線，而亞共析鋼與共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線相比大不相同，不僅多出一條先共析鐵素體析出線，還出現(xiàn)了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。3.1熱處理基本原理3.1熱處理基本原理3.1.4.2連續(xù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能3.1熱處理基本原理3.2.1鋼的普通熱處理3.2.1.1鋼的退火處理（1）完全退火（fullannealing）完全退火是將鋼加熱到Ac3線以上30~50°C（見圖3-15a），保溫一定時(shí)間而獲得完全的奧氏體組織，然后隨爐冷卻到500°C以下，再出爐在空氣中冷卻，最終獲得平衡組織鐵素體＋珠光體。3.2熱處理工藝方法（2）等溫退火（isothermalannealing）等溫退火是將鋼件加熱到Ac3線以上（對(duì)亞共析鋼）或Ac1線以上（對(duì)共析鋼和過共析鋼），保溫后較快冷卻到稍低于Ac1線溫度，即珠光體型轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，一直等溫保持到奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織為止，然后出爐置空氣中冷卻。（3）球化退火（spheroidizingannealing）球化退火是將鋼件加熱到Ac1線以上20~30°C，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，然后以極其緩慢的速度冷卻到600°C以下，再出爐空冷的熱處理工藝。3.2熱處理工藝方法（4）再結(jié)晶退火（recrystallizationannealing）再結(jié)晶退火是將鋼件加熱到再結(jié)晶溫度以上150~250°C，即650~750°C范圍內(nèi)，保溫一定時(shí)間后隨爐冷卻，通過再結(jié)晶使鋼材的塑性恢復(fù)到冷變形以前的狀況。（5）去應(yīng)力退火（stressrelieving）去應(yīng)力退火是將鋼件隨爐緩慢加熱（100~150°C/h）至500~650°C，保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻（50~100°C/h）至300~200°C以下再出爐空冷，稱去應(yīng)力退火，如圖3-15a所示。3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法3.2.1.2鋼的正火處理3.2熱處理工藝方法（1）正火的主要應(yīng)用范圍對(duì)于普通碳素鋼、低合金鋼和力學(xué)性能要求不高的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，可選用正火處理細(xì)化晶粒，使金屬件具有適當(dāng)?shù)慕M織，從而提高其力學(xué)性能和形變加工性能，以便替代調(diào)質(zhì)處理作為最終熱處理。（2）正火與退火工藝比較確定正火工藝時(shí)，常采用熱爐裝料，一般正火件采用快速升溫，而大型正火件則應(yīng)控制裝料時(shí)的爐溫，保溫時(shí)間與退火時(shí)相同。3.2熱處理工藝方法（3）正火與退火作用比較正火與完全退火作用相似，均可獲得珠光體型組織，但二者的最高加熱溫度略差、冷卻速度不同，如圖3-18a所示。3.2熱處理工藝方法3.2.1.3鋼的淬火處理（1）淬火加熱溫度碳素鋼的淬火加熱溫度范圍，可利用Fe-Fe3C相圖上的淬火溫度范圍（見圖3-19a影線處）選擇。3.2熱處理工藝方法（2）淬火冷卻介質(zhì)鋼件進(jìn)行淬火冷卻時(shí)所使用的介質(zhì)稱為淬火冷卻介質(zhì)。（3）淬火工藝方法常用淬火工藝方法有單介質(zhì)淬火法、雙介質(zhì)淬火法、分級(jí)淬火法、等溫淬火法、深冷處理法以及局部淬火法等。3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法（4）淬透性及其應(yīng)用淬透性是指鋼在規(guī)定條件下淬火時(shí)獲得馬氏體淬硬層深度的能力，如圖3-23a所示，同一工件表面和心部冷卻速度不同，表面冷卻速度最大，靠近心部冷卻速度最小。3.2熱處理工藝方法（5）淬硬性及其應(yīng)用淬硬性是指鋼件在淬火時(shí)的硬化能力，常用淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度表示，它主要取決于馬氏體中的含碳量，含碳量越高則相應(yīng)的馬氏體越硬，完全淬火狀態(tài)的鋼件硬度則越高。3.2熱處理工藝方法3.2.1.4鋼的回火處理（1）淬火鋼件回火轉(zhuǎn)變過程隨著回火加熱溫度的升高，淬火鋼的組織將發(fā)生以下四個(gè)階段的變化。3.2熱處理工藝方法（2）回火鋼件組織和性能將淬火鋼件在不同的回火溫度下進(jìn)行回火后，可獲得以下三類不同的回火組織及性能。3.2熱處理工藝方法（3）回火工藝種類及應(yīng)用低溫回火（lowtemperaturetempering,150~250°C）可獲得回火馬氏體組織，既可降低淬火鋼中部分殘余應(yīng)力和脆性，又可保持淬火鋼的高硬度和耐磨性，通常硬度高達(dá)58~64HRC，主要用于高碳鋼或高合金鋼工模具、滾動(dòng)軸承、滲碳齒輪和軸、銷等表面淬火件的處理。（4）回火脆性及危害淬火鋼件在某些溫度區(qū)間回火或從回火溫度緩慢冷卻時(shí)，通過該區(qū)間過程中可能產(chǎn)生的沖擊韌度顯著降低的現(xiàn)象稱回火脆性（temperembrittlement），如圖3-25c所示。（5）回火與淬火方法選擇凡承受重載及交變載荷的中碳結(jié)構(gòu)鋼軸類等零件，可選用淬火加高溫回火工藝方法，可使材料具有較高的綜合力學(xué)性能。3.2.2鋼的表面淬火處理3.2.2.1感應(yīng)加熱淬火（inductionhardening）（1）感應(yīng)加熱淬火原理感應(yīng)加熱是將工件放入空心銅管（管內(nèi)通入冷卻水）繞成的感應(yīng)器內(nèi)，將3.2熱處理工藝方法感應(yīng)器通入頻率為50~300000Hz的電流，使工件中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)和同頻率的感應(yīng)電流，如圖3-26a所示。3.2熱處理工藝方法（2）感應(yīng)加熱淬火方法按感應(yīng)加熱方法不同，可分為同時(shí)加熱淬火和連續(xù)加熱淬火。（3）感應(yīng)加熱淬火類型按感應(yīng)電流頻率不同又可分為高頻感應(yīng)淬火、中頻感應(yīng)淬火和工頻感應(yīng)淬火。（4）感應(yīng)淬火應(yīng)用范圍感應(yīng)淬火最適用于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%~0.5%的中碳結(jié)構(gòu)鋼或中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼件的表面強(qiáng)化處理。3.2.2.2火焰加熱淬火（flamehardening）（1）火焰淬火工藝方法火焰加熱淬火是利用氧乙烘焰或煤氣-氧等可燃?xì)怏w火焰，將工件表面局部加熱到相變溫度以上，隨之立即噴水冷卻的表面淬火方法，如圖3-27a所示，其淬硬層深度一般為2~8mm。3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法（2）火焰淬火工藝參數(shù)由于控制火焰還原區(qū)與工件相對(duì)位置及相對(duì)速度，可控制工件表面溫度、加熱層深度及加熱速度，從而控制淬硬層深度。（3）火焰淬火特點(diǎn)及應(yīng)用火焰淬火使用設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、靈活性大，但火焰溫度不易控制，工件表面容易過熱，淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定，因此限制了它在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。3.2.2.3激光束加熱淬火3.2熱處理工藝方法3.2.3鋼的表面擴(kuò)滲處理3.2.3.1擴(kuò)滲熱處理原理（1）產(chǎn)生活性原子產(chǎn)生活性原子是進(jìn)行擴(kuò)滲強(qiáng)化的首要階段，必須首先使化學(xué)介質(zhì)在一定溫度下受熱分解，從而產(chǎn)生活性原子【C］、［N］等。（2）吸收活性原子吸收活性原子是指必須便活性原子吸附溶解并滲入工件表面，且完全溶于鐵的晶格中而形成固溶體或化合物。（3）擴(kuò)散活性原子鋼件表面吸收活性原子后，使表面滲入元素濃度增大，與內(nèi)部形成較大的濃度差，導(dǎo)致滲入元素由表面向中心進(jìn)行擴(kuò)散，以實(shí)現(xiàn)滲入原子的遷移和分布，從而形成一定厚度的擴(kuò)散層。3.2.3.2鋼的表面滲碳處理（1）滲碳工藝方法滲碳處理按使用滲劑不同，可分為氣體滲碳（gascarburizing）、固體滲碳3.2熱處理工藝方法（packcarburizing）、液體滲碳等工藝，氣體或液體滲碳是將工件置于密閉爐膛中加熱到900~950°C時(shí)，向爐內(nèi)通入煤氣、液化石油氣等氣體滲碳劑，或滴入易分解的煤油、甲醇、丙酮等液體有機(jī)物，如圖3-29a所示。3.2熱處理工藝方法（2）滲碳層厚度及組織在滲碳過程中，一般規(guī)定從滲碳表面到過渡區(qū)一半組織處作為滲碳層厚度，并隨滲碳過程保溫時(shí)間越長(zhǎng)，滲碳層厚度越大，一般厚度0.5~2.0mm，否則太薄易疲勞剝落，太厚不耐沖擊。3.2熱處理工藝方法（3）滲碳層熱處理工藝對(duì)于性能要求不高的鋼件，滲碳后可采用直接淬火法，將其預(yù)冷至略高于心部800~860℃溫度，立即放入水或油中淬火，然后再進(jìn)行低溫回火處理，如圖3-30b所示。（4）滲碳工藝及規(guī)范若以20CrMnTi齒輪在井式爐中持續(xù)6h滲碳為例，爐氣碳勢(shì)將決定于甲醇和煤油液滴的組成、分解溫度及滴入爐內(nèi)的量，圖3-31所示曲線已給出了各階段的爐壓和時(shí)間，滲碳層深度3.2~1.6mm。3.2熱處理工藝方法3.2.3.3鋼的表面滲氮處理（1）氣體滲氮（gasnitriding）氣體滲氮是將氨氣通入井式爐中加熱，使氨氣分解出活性氮原子滲入工件表層，其化學(xué)反應(yīng)為：3.2熱處理工藝方法3.2熱處理工藝方法（2）離子滲氮（plasmanitriding）離子滲氮是在真空室內(nèi)進(jìn)行的，工件接高壓直流電源的負(fù)極，真空鐘罩接正極。3.2熱處理工藝方法3.2.3.4鋼的表面碳氮共滲（carbonitriding）（1）中溫氣體碳氮共滲中溫氣體碳氮共滲是以滲碳為主，使用煤油和氨氣為介質(zhì)，或使用三乙醇胺、甲酰胺和甲醇＋尿素等作滲劑并采用滴注式進(jìn)行碳氮共滲，如圖3-33a所示。3.2熱處理工藝方法（2）低溫氣體碳氮共滲低溫氣體氮碳共滲是以滲氮為主，使用尿素或甲酰胺等作滲劑進(jìn)行共滲。3.2熱處理工藝方法3.2.3.5鋼的表面滲其他元素（1）鋼的表面滲金屬滲金屬是將鋼件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟群螅逛X、鉻、釩、鋅等金屬元素?cái)U(kuò)散滲入工件表層，獲得特殊性能的強(qiáng)化層。3.2熱處理工藝方法（2）鋼的表面滲硼滲硼是將鋼件置于滲硼介質(zhì)中加熱800~1000°C，保溫1~6h，在高溫下使活性硼原子［B］滲入鋼件表面，獲得高硬度（1400~2000HV）及耐磨性、高耐熱性及耐蝕性硼化物層處理工藝，被處理件壽命可提高7~10倍。（3）鋼的表面硫氮共滲滲硫是向鋼的表層滲入硫而形成Fes和Fe2S混合強(qiáng)化層的工藝過程，而硫氮共滲是將滲硫與滲氮結(jié)合的共滲工藝過程，分為氣體硫氮共滲和液體硫氮共滲兩種方法。3.2熱處理工藝方法3.3.1