43金屬材料熱處理工藝

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1、按一下以編輯母片標(biāo)題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,4.3,金屬材料熱處理工藝,Heat Treatment Metallic Materials,4.3.1,退火與正火,（,Annealing and normalizing,）,4.3.2,淬火與回火,（,Quenching and tempering,）,4.3.3,鋼的淬透性,（,The hardenability of steel,）,1,本節(jié)授課的,重,點(diǎn),：,1.,各種普通熱處理工藝（,即退火、正火、淬火及回火,）的類別，主要目的，適用材料及相應(yīng)的組織狀態(tài)（以自學(xué)為主）；,2.,淬透性的有關(guān)概念（學(xué)

2、習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)）,（,1,）有關(guān)淬透性的概念；,（,2,）淬透性對(duì)鋼力學(xué)性能的影響；,（,3,）影響淬透性的主要因素；,（,4,）淬透性的表示方法；,（,5,）淬透性的實(shí)際意義。,2,4.3,金屬材料熱處理工藝,Heat treatment process of metallic materials,強(qiáng)化,3,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing),1.,定義、目的,把工件加熱至臨界點(diǎn),Ac1(,或,Accm),以上或以下，保溫一定時(shí)間后，使其緩慢冷卻,(,生產(chǎn)中隨爐冷卻,),以獲得接近平衡狀態(tài)的組織，這種熱處理工藝稱為,退火,。,而,正火,(,?；?)

3、,是將鋼件加熱至,Ac3(,亞共析鋼,),或,Accm(,過共析鋼,),以上,30,50,，經(jīng)保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。,正火與退火的主要區(qū)別,在于冷卻速度不同，正火冷卻速度較快，得到的組織較細(xì)，硬度、強(qiáng)度、韌性等也較高。,當(dāng)碳鋼中,W(C),0.6%,時(shí)，正火后的組織為,F+S;,當(dāng),W,（,C,）,=0,6%,1,4%,時(shí)，正火后組織為,S(,偽共析組織,),。,4,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing),1.定義、目的,退火和正火的目的大致可歸納為如下幾點(diǎn):,（1）調(diào)整硬度以便進(jìn)行切削加工。因?yàn)楣ぜ?jīng)鑄造或鍛造等熱加工后，硬度常偏高或偏低而

4、且不均勻，嚴(yán)重影響切削加工。而經(jīng)適當(dāng)退火或正火后可使鋼件的硬度調(diào)整至170250HBW范圍且比較均勻，從而改善了切削加工性。,（2）消除剩余內(nèi)應(yīng)力，以防鋼件在淬火時(shí)產(chǎn)生變形或開裂。,（3）細(xì)化晶粒、改善組織以提高鋼的力學(xué)性能。,（4）為最終熱處理(淬火、回火)作好組織上的準(zhǔn)備。,5,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing),2.,退火與正火的種類、工藝特點(diǎn)及適用范圍,6,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing),2.,退火與正火的種類、工藝特點(diǎn)及適用范圍,圖,4.35,（,a,）各種退火與正火工藝的加熱溫度,7,4

5、.3.2.,淬火與回火,(Quenching and tempering),淬火工藝是將鋼加熱至臨界點(diǎn)(Ac3或Ac1)以上，保溫后以大于VKC的速度冷卻，使A轉(zhuǎn)變?yōu)镸(或B下)的熱處理工藝;而回火則系指將淬火后的鋼加熱至A1以下的某一溫度后進(jìn)行冷卻的熱處理工藝。,一般淬火工件必經(jīng)過回火前方能使用。淬火與回火總是經(jīng)常配合使用的兩種應(yīng)用最廣且最重要熱處理工藝。,淬火的目的就是為了獲得M(或B下)，以提高鋼的力學(xué)性能。淬火鋼件回火的目的在于:,(1)降低脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，防止變形開裂;,(2)調(diào)整淬火鋼的組織與性能，用不同的回火溫度配合，獲得工件使用要求的性能;,(3)穩(wěn)定工件尺寸，以保證工

6、件在使用過程中不發(fā)生尺寸和形狀變化。,(4)對(duì)某些高淬透性合金鋼，空冷便可淬成M，如采用退火軟化，則周期很長。此時(shí)可用高溫回火，使K聚集長大，降低硬度，以利切削加工，同時(shí)可縮短軟化周期。,對(duì)有色金屬、A不銹鋼等，固溶處理習(xí)慣稱淬火。,圖,4.21,共析碳鋼的,CCT,曲線,8,1.,淬火工藝特點(diǎn),（）淬火加熱溫度的選擇,其主要原則是獲得均勻細(xì)小的,A,組織。一般規(guī)定淬火加熱溫度在臨界點(diǎn)以上,30,50,。,對(duì)于亞共析碳鋼，淬火加熱溫度為,Ac,3,+30,50,，淬火組織為,M,。當(dāng),Wc,0.5%,時(shí)淬火組織中還有少量,Ar;,對(duì)于共析鋼和過共析碳鋼，淬火加熱溫度為,Ac,1,+30,50,

7、，,淬火后的組織為,M+Fe,3,C+Ar,，分散分布的未溶顆粒狀滲碳體對(duì)鋼的硬度和耐磨性有利。,圖,4.,碳鋼的淬火加熱溫度范圍,圖,4.,奧氏體的碳含量對(duì),M,轉(zhuǎn)變溫度（,a,）及,AR,量（,b,）的影響,9,1.,淬火工藝特點(diǎn),（2）淬火冷卻介質(zhì) 合理選擇淬火冷卻介質(zhì)是淬火工藝的重要問題。為保證得到M組織，淬火冷卻速度必須大于VKC，但快冷不可防止地會(huì)造成很大內(nèi)應(yīng)力，往往會(huì)引起工件變形和開裂。要想既得到M又防止變形開裂，理想的淬火冷卻曲線如右圖4-36所示。即在C曲線拐點(diǎn)附近其V冷VKC。而在拐點(diǎn)以下，MS點(diǎn)附近，則應(yīng)盡量慢冷，以減少M(fèi)轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。工業(yè)上常用的淬火冷卻介質(zhì)是水、

8、鹽水、油等。,圖,4.36,淬火時(shí)的理想冷卻曲線示意圖,表,4.,常用淬火介質(zhì)及其冷卻特性,10,1.,淬火工藝特點(diǎn),（,3,）淬火方法,目前還沒有理想的淬火介質(zhì)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)淬火件的具體情況采用不同的淬火方法，以盡量取得好的淬火效果。常用淬火方法的冷卻方式與特點(diǎn)等,如圖,4-37,及表,4-6,所示,。,表,4-6,常用淬火方法的種類、冷卻特點(diǎn)和應(yīng)用,圖,4.37,各種淬火冷卻曲線示意圖,11,2.,回火的種類及適用范圍,回火溫度對(duì),50,鋼力學(xué)性能的影響圖,（,a,）,wC,0.82,的鋼 （,b,）,wC,0.2,的鋼,鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系圖,12,2.,回火的種類及適用范

9、圍,圖,4.30,鋼的沖擊韌度與回火溫度關(guān)系,13,2.,回火的種類及適用范圍,表,4.7,回火種類、溫度范圍、組織形態(tài)、性能特點(diǎn)及應(yīng)用,14,例題,4-1,共析碳鋼在例題圖,.,所示方法冷至室溫后的轉(zhuǎn)變組織為何？,i.分析 此題旨在檢查是否正確掌握利用C曲線來近似分析不同熱處理工藝（冷卻）條件下獲得轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（組織）的方法。,冷卻速度條件下，由于冷速緩慢，當(dāng)緩冷至點(diǎn)i時(shí)，A 開始轉(zhuǎn)變?yōu)锳+P組織，繼續(xù)緩冷至點(diǎn)ii以下時(shí)，會(huì)得到全部P組織。,冷卻速度，外表觀察該冷卻速度曲線似乎已切割了C曲線。但仔細(xì)分析，在臨界點(diǎn)以上的那一段緩慢冷卻實(shí)屬保溫時(shí)間，此時(shí)該合金的組織仍為穩(wěn)定A，它如同仍在左上角O點(diǎn)一

10、樣，此時(shí)A并不會(huì)發(fā)生分解。只有繼續(xù)快速冷卻，當(dāng)其實(shí)際VVKC時(shí)，就一定會(huì)獲得M組織?，F(xiàn)可從O點(diǎn)作V2的平行線V4，并判斷其V4是否大于VKC。很顯然此處V4VKC，故V2下最終的組織為M+AR。,在冷卻速度曲線的中下方有一水平臺(tái)階，它相當(dāng)于等溫冷卻，此冷卻線與A等溫冷卻轉(zhuǎn)變開始線的下半局部相交，說明會(huì)產(chǎn)生局部B下轉(zhuǎn)變，當(dāng)又繼續(xù)快速冷卻時(shí)，剩余的A將轉(zhuǎn)變?yōu)镸+AR。,在冷卻速度條件下，由于其冷速大于VKC，故所獲得組織應(yīng)為M+AR。,例題圖,4.1 C,曲線的應(yīng)用,15,例題,4-1,共析碳鋼在例題圖,.,所示方法冷至室溫后的轉(zhuǎn)變組織為何？,ii.解答 獲得組織：P；M+AR；B下+M+AR;M

11、+AR。,iii.歸納 初學(xué)者易產(chǎn)生的錯(cuò)誤可概括為：只獲得B下；下，獲得P或P+M。這說明僅從形式上認(rèn)識(shí)冷卻速度曲線與C曲線關(guān)系是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。對(duì)于，開始的近乎水平似的冷卻可看成是保溫，因而就如同從O點(diǎn)開始一樣，如再做一條平行線平行于，就很容易看出只能會(huì)得到M+AR組織。對(duì)于，當(dāng)A在等溫冷卻階段僅有局部轉(zhuǎn)變?yōu)锽下，繼續(xù)快速冷卻時(shí)尚未轉(zhuǎn)變的A隨即又轉(zhuǎn)變?yōu)镸+AR，這里關(guān)鍵是應(yīng)明確鋼的冷卻轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是A的轉(zhuǎn)變，當(dāng)A遇到第一條C字時(shí)即開始發(fā)生B下轉(zhuǎn)變，但還未與第二條C字相遇，這說明仍有局部A，因而在快速冷卻時(shí)會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)變。,該題所反映出來的問題是大多數(shù)初學(xué)者都會(huì)遇到的普遍性問題，它說明對(duì)于C、CCT曲線的

12、含義還未真正搞清。另外，冷卻速度曲線與不同熱處理工藝相對(duì)應(yīng)，掌握它更具實(shí)際應(yīng)用意義。這亦需要引起學(xué)習(xí)者足夠重視。,iv.請(qǐng)思考：若要獲得T+M+AR組織，請(qǐng)?jiān)趫D中繪出所選擇的相應(yīng)冷卻速度曲線？,例題圖,4.1 C,曲線的應(yīng)用,16,例題,4-2,在分析共析鋼正火作用時(shí)，應(yīng)根據(jù)曲線、曲線還是,e,e3,相圖？,i.分析 此題旨在檢查正火的定義是否真正理解。所謂正火，即把鋼件加熱至Ac3或Accm以上，經(jīng)一定時(shí)間保溫后取出空冷，以期獲得索氏體組織的一種熱處理工藝操作。從定義的敘述中，可體會(huì)到正火包含加熱過程，保溫，冷卻過程。,加熱，就需要確定具體的加熱溫度范圍，這就需要借助于變化了的e e3相圖；

13、,冷卻過程是在空氣中進(jìn)行的，那就需要根據(jù)CCT曲線來分析了，但由于C曲線和CCT曲線存有共同的理論基礎(chǔ)，如果手頭沒有CCT曲線（因其測(cè)定較困難），因而可根據(jù)C曲線近似地估計(jì)正火連續(xù)冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。,17,例題,4-2,在分析共析鋼正火作用時(shí)，應(yīng)根據(jù)曲線、曲線還是,e,e,3,相圖？,ii.,解答,在分析共析鋼的正火作用時(shí)，確定正火的加熱溫度范圍時(shí)應(yīng)依據(jù)變化了的,Fe-Fe3C,相圖；當(dāng)判斷正火的冷卻組織時(shí)則應(yīng)依據(jù),CCT,曲線來分析。,若查不到有關(guān),CCT,曲線的資料時(shí)，則可利用,C,曲線近似地估計(jì)正火冷卻時(shí)的組織。,iii.,歸納,正火的定義可能人人都會(huì)背，但深入理解正火的作用并非易事，決

14、不能只知其一就算了事。既要考慮加熱溫度范圍，又要分析冷卻過程中的變化，還要與該鋼的,C,、,CCT,曲線結(jié)合起來綜合考慮。對(duì)于其它的熱處理工藝亦是一樣。,iv.,請(qǐng)思考：,若,45,鋼，,T12,鋼正火處理后，分別將獲得何種類型的組織呢？,18,請(qǐng)帶著以下問題學(xué)習(xí)“鋼的淬透性：,1.,有關(guān)淬透性的概念,（,1,）何謂淬透性？（,2,）淬透性大小是如何確定的？,（,3,）確定淬硬層深度的組織標(biāo)準(zhǔn)是什么？,（,4,）淬透性與淬硬性、淬硬層深度的區(qū)別又是什么？,2.,淬透性對(duì)鋼力學(xué)性能產(chǎn)生如何影響？,（,1,）強(qiáng)度（,b,、,s,）、硬度（,HBS,）與塑、韌性（,K,）等,（,2,）疲勞強(qiáng)度（,-

15、1,）與屈強(qiáng)比（,s,/,b,）,3.,影響淬透性的決定性因素與主要因素分別是什么？,（,1,）決定性因素,V,KC,（,2,）鋼的化學(xué)成分,碳含量與合金元素含量,（,3,）鋼的奧氏體化條件,4.,淬透性的表示方法是什么？,（,1,）末端淬火法（,J,）；（,2,）臨界直徑法（,D,C,）,5.,淬透性的實(shí)際意義又在何處？,19,4.3.3,鋼的淬透性,（,The hardenability of steel,）,網(wǎng)帶式淬火爐,淬透性,是鋼的主要熱處理工藝性能，,它,對(duì)合理選材及正確制訂熱處理工藝，具有十分重要的意義。,20,4.3.3,鋼的淬透性,（,The hardenability of

16、 steel,）,現(xiàn)有一60mm的45鋼坯棒料，加熱到奧氏體化溫度水淬，擊斷后觀察其斷口，可看到沿外外表一圈呈脆性的細(xì)瓷狀和心部呈韌性的纖維狀的雙層結(jié)構(gòu)；若將斷口磨平依次測(cè)量硬度，可以發(fā)現(xiàn)試棒外表硬度高（壓痕小而淺）而心部硬度低（壓痕大而深），如左以下圖所示。,觀察其斷口金相組織，發(fā)現(xiàn)試棒外表是M組織，靠內(nèi)是T組織，從外表至心部其M數(shù)量是逐漸減少的，如右以下圖所示。,45,鋼未淬透斷口及沿?cái)嗝嬗捕葔汉鄞笮?斷面上,M,的分布情況（金相組織及分布曲線）,21,4.3.3,鋼的淬透性,（,The hardenability of steel,）,由于工件截面中心的冷卻速度鋼的VKC，工件就會(huì)淬透。而工件淬火時(shí)外表冷速最大，心部冷速最小，由外表至心部冷速逐漸降低（見右圖所示）。只有冷速VKC的工件外層局部才能得到M（右圖中陰影局部），這就是工件的淬透層。而冷速VKC的心部只能獲得非M組織，這就是工件的未淬透區(qū)。,圖,4.,工件截面不同冷速（,a,）與未淬透區(qū)（,b,）示意圖,22,1.,有關(guān)淬透性的概念,圖,4.,M,量和硬度隨深度的變化,所謂,淬透性,系指鋼在淬火時(shí)獲得淬透層深度的能力，是