第二章 金屬材料熱處理

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第二章 金屬材料熱處理,第一節(jié) 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變,第二節(jié) 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,第三節(jié) 退火與正火,第四節(jié) 淬 火,第五節(jié) 回 火,第六節(jié) 鋼的表面熱處理及化學熱處理,第七節(jié) 熱處理新技術(shù)簡介,第八節(jié) 熱處理工藝應用,教學重點：,教學難點：,1、掌握鋼的熱處理的工藝過程； 2、掌握鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變以及鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變； 3、掌握主要的熱處理方法的工藝過程及在生產(chǎn)中的應用。,1、鋼的熱處理的工藝過程； 2、鋼在加熱或冷卻時的組織轉(zhuǎn)變； 3、主要的熱處理方法。,鋼在加熱或冷卻時的組織轉(zhuǎn)變。,教學目標：,把固態(tài)金屬材料在一定介質(zhì)中的加熱、保溫和冷卻，以改變其組織和性能的一種工藝。,鋼 的 熱 處 理,第三章 金屬熱處理,§1 概述 金屬熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當?shù)姆椒ㄟM行加熱、保溫和冷卻，獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。,,右圖為 熱處理的基本工藝過程的溫度-時間關(guān)系曲線。,熱處理用于消除上一工藝過程所產(chǎn)生的金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)上的某些缺陷，改善切削性能，還可進一步提高金屬材料的性能，充分發(fā)揮材料性能的潛力。因此，大部分機器零件都要進行熱處理。,金屬熱處理可分為,整體處理、表面熱處理和化學熱處理。 整體處理包括： 退火、正火、淬火和回火等；,表面熱處理和化學熱處理,主要有表面淬火、滲碳和滲氮等工藝。,鋼加熱和冷卻時的溫度變化曲線見圖3-2。,由圖可見，要想使共析鋼轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，必須將鋼加熱到Ac1以上；對于亞共析鋼必須加熱到Ac3以上。否則，難以達到應有的熱處理效果。,§2 退火和正火,一、退火,退火是將金屬和合金加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。,按金屬成分和性能要求的不同，退火可分為:,1.完全退火 將鐵碳合金完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻，獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝。完全退火的目的是通過完全重結(jié)晶細化晶粒，降低硬度，改善切削性能。完全退火主要用于亞共析鋼的鑄、鍛件。,2.球化退火 使鋼件中碳化物球狀化而進行的退火工藝。球化退火主要用于過共析鋼，目的是使網(wǎng)狀滲碳體球狀化，降低硬度、提高韌性，改善切削性能，為淬火作組織準備。,3.去應力退火 為了去除由于塑性變形加工、焊接等造成的以及鑄件內(nèi)存在的殘余應力而進行的退火。主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件和切削件的殘余應力。,二、正火,正火是將鋼材或鋼件加熱到或Accm以上30～50℃，保溫適當?shù)臅r間后，在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。 把鋼件加熱到以上100～150℃的正火則稱為高溫正火。,與退火類似，但冷卻速度比退火快。鋼件在正火后的強度和硬度比退火稍高，但消除殘余應力不徹底。又因操作簡便、生產(chǎn)率高，所以，正火常優(yōu)先采用。低碳鋼件可代替退火。,一、 淬火是將鋼件加熱到 或Ac1以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s獲得馬氏體和（或）貝氏體組織的熱處理工藝。 目的；提高鋼件的硬度和耐磨性，淬火＋不同回火，獲得各種需要的性能，是強化鋼的主要方法。,§3 淬火和正火,淬火介質(zhì)：淬火冷卻時所用的介質(zhì)。 鋼的種類不同，淬火介質(zhì)不同，常用介質(zhì)：水、油。水便宜，冷卻能力較強，碳素鋼件用的多。油冷卻能力較水低、成本高，但，可防止工件產(chǎn)生裂紋等缺陷，合金鋼多用。,二 、回火,回火是鋼件淬硬后，再加熱至Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 其目的是穩(wěn)定組織，減少內(nèi)應力，降低脆性，獲得所需性能。 下表為常見的回火方法及其應用。,§4 表面熱處理和化學熱處理,,一、表面淬火 表面淬火是僅對工件表層進行淬火的工藝。 目的：為了獲得高硬度的表面層和有利的殘余應力分布，提高工件的硬度和耐磨性。 表面淬火加熱的方法很多，如感應加熱、火焰加熱、電接觸加熱、激光加熱等。,二、化學熱處理 化學熱處理是將金屬和合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。 常用的有滲碳、滲氮、碳氮共滲和滲金屬元素等。,,,,第一節(jié)　鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變,臨界溫度 平衡時：A1、 A3、Acm 加熱時：Ac1、 Ac3、Accm 冷卻時：Ar1、Ar3、Arcm,鋼加熱（冷卻）時Fe－Fe3C狀態(tài)圖,1．奧氏體的形成 —— Fe，C原子擴散和晶格改變的過程。,共析鋼加熱到Ac1 以上時， P → A 共析鋼A化過程 —— 形核 、長大、 Fe3 C 完全溶解、C 的均勻化。,亞（過）析鋼的A化 —— P → A 后，先共析 F 或 Fe3CⅡ 溶解。,§2－1 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變,影響A轉(zhuǎn)變速度的因素,加熱溫度和速度↑→ 轉(zhuǎn)變快 C%↑或 Fe3 C片間距↓ → 界面多，形核多 → 轉(zhuǎn)變快 合金元素 → A化速度↑或↓,A 晶粒度 　　加熱溫度，保溫時間↑ → 晶粒尺寸↓ 　　合金碳化物↑，C% ↓ → 晶粒尺寸↓,§2－1 鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變,第二節(jié)　鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,1．過冷A的等溫轉(zhuǎn)變 2．過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,連續(xù)和等溫冷卻曲線,,1. 過冷A的等溫轉(zhuǎn)變,過冷A :T < A1時，A不穩(wěn)定。,高溫轉(zhuǎn)變，A1 ~ 550℃ 過冷A → P 型組織 中溫轉(zhuǎn)變，550℃ ~ MS 過冷A →貝氏體 ( B ) 低溫轉(zhuǎn)變，MS ~ Mf 過冷A →馬氏體 ( M ),§2－2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,P 型組織 —— F + 層片狀 Fe3C,珠光體 P索氏體 S屈氏體 T,層片間距：P > S > T,§2－2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,高溫轉(zhuǎn)變過程 —— 晶格改變和Fe，C原子擴散。,中溫轉(zhuǎn)變（550℃ ~ MS） —— C原子擴散， Fe原子不擴散,§2－2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變方法,爐冷→ P 空冷→ S 油冷→ T+M+A' 水冷→ M+A',連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,§2－2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,共析鋼過冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能,§2－2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,第三節(jié) 退火與正火,預備熱處理工藝,處理工件毛坯，為以后切削加工和最終熱處理做組織準備,一、鋼的退火,鋼的退火是將工件加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。,目的是消除鋼的內(nèi)應力、降低硬度、提高塑性、細化組織、均勻化學成分，以利于后續(xù)加工，并為最終熱處理做好組織準備。,,,分類,§2－3 退火與正火,退 火 溫 度 范 圍,§2－3 退火與正火,二、鋼的正火,正火是指將工件加熱奧氏體化后在空氣中冷卻的熱 處理工藝。,目的是細化晶粒，消除網(wǎng)狀滲碳體，并為淬火、切削加工等后續(xù)工序作組織準備。,消除過熱組織、細化晶粒、改善切削性,消除組織缺陷、保持硬度、為調(diào)質(zhì)做準備,消除網(wǎng)狀二次滲碳體、為球化退火和 淬火做準備,淬火作用（空淬）,§2－3 退火與正火,正 火 溫 度 范 圍,正火問題： 1、正火加熱溫度及冷卻方式 2、正火主要目的 3、正火與退火主要差別,§2－3 退火與正火,第四節(jié) 淬 火,淬火是指將工件加熱奧氏體化后，以適當方式冷卻獲得馬氏體或（和）貝氏體組織的熱處理工藝。,目的主要是使鋼件得到馬氏體（或貝氏體）組織，提高鋼的硬度和強度 。,淬火溫度范圍,§2－4 淬 火,淬火問題：1、淬火加熱溫度及冷卻方式 2、常用冷卻介質(zhì) 3、淬透性和淬硬性,淬 火 過 程,§2－4 淬 火,冷卻介質(zhì),冷卻速度： 鹽水 ＞ 水 ＞ 鹽浴 ＞ 油,淬火方法 單介質(zhì)淬火：水、油冷 雙介質(zhì)淬火：水冷 + 油冷 分級淬火： ＞Ms鹽浴中均溫＋空冷 等溫淬火（ 在鹽、堿浴中） → 下B,淬火缺陷 過熱與過燒 氧化與脫碳 硬度不足和軟點 變形和開裂,§2－4 淬 火,第五節(jié) 回 火,淬火后，加熱到Ac1以下，保溫，冷卻。 目的：消除淬火應力，調(diào)整性能。,低溫回火（150～250℃） → 回火M ( 過飽和F +薄片狀Fe2.4C ) + A‘ 。淬火應力↓ ，韌性↑ ，保持淬火后的高硬度。 　　用于高C工具鋼等。 中溫回火（350～500℃）→ 回火T (F +細粒狀Cm ) 。彈性極限和屈服強度↑，韌性和硬度中等。 　　用于彈簧等。 高溫回火（500～650℃）→ 回火S (等軸狀F +粒狀Cm ) 。綜合機械性能最好, 即強度、塑性和韌性都較好。 　　用于重要零件。調(diào)質(zhì)處理 —— 淬火 + 高溫回火,回火問題：1、回火主要目的 2、回火種類 3、回火脆性 4、調(diào)質(zhì),低溫回火,中溫回火,高溫回火,150-200°C,350-500°C,500-650°C,HRC60,HRC35-50,HRC20,刃具、模具,彈簧,重要結(jié)構(gòu)件,§2－5 回 火,整 體 熱 處 理 工 藝 曲 線,整體工藝曲線,§2－5 回 火,§2－5 回 火,第六節(jié) 鋼的表面熱處理與化學熱處理,表面具有高硬度和耐磨性，心部具有一定的強度和足夠的韌性。,一、鋼的表面熱處理,表面熱處理是為改變工件表面的組織和性能，僅對其表面進行熱處理的工藝。,表面淬火是最常用的表面熱處理。,主要方法有：,1、感應加熱表面熱處理,2、火焰加熱表面熱處理,感應加熱表面淬火,§2－6 鋼的表面熱處理與化學熱處理,火焰加熱表面淬火,§2－6 鋼的表面熱處理與化學熱處理,激光加熱表面淬火,§2－6 鋼的表面熱處理與化學熱處理,二、鋼的化學熱處理,鋼的化學熱處理是將工件置于適當?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入到它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。,最常用的方法有：,1、滲碳,滲碳介質(zhì)中加熱保溫,2、滲氮,表面硬而心部韌,氮原子滲入工件表層,疲勞強度高、變形小,3、碳氮共滲,§2－6 鋼的表面熱處理與化學熱處理,滲 氮,§2－6 鋼的表面熱處理與化學熱處理,滲 氮,§2－6 鋼的表面熱處理與化學熱處理,第七節(jié) 熱處理新技術(shù)簡介,電弧噴涂,離子噴涂,§2－7 熱處理新技術(shù)簡介,第八節(jié) 熱處理工藝應用,勞動版《鋼的熱處理》錄像,鋼的熱處理錄 像,本 章 小 結(jié),1、為了提高鋼的某些機械性能指標，保證機器零件和工具的工作可靠性及其使用壽命，通常要對鋼進行熱處理。熱處理是采用適當?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM行加熱、保溫和冷卻，以獲得預期的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。它可改善工件的組織和性能，充分發(fā)揮材料潛力，從而提高工件使用壽命。 2、鋼的退火與正火主要用來處理工件毛坯，為以后切削加工和最終熱處理做組織準備，對一般鑄件、焊接件以及性能要求不高的工件，退火、正火都可作為最終熱處理。淬火的目的主要是使鋼件得到馬氏體（或貝氏體）組織，提高鋼的硬度和強度，與適當?shù)幕鼗鹣嗯浜?，可以更好地發(fā)揮鋼材的性能潛力?；鼗鹗侵腹ぜ阌埠螅訜岬紸C1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鹗蔷o接淬火之后進行的，通常也都是零件進行熱處理的最后一道工序。其目的是消除和減小內(nèi)應力，穩(wěn)定組織，調(diào)整性能，以獲得強度和韌性之間較好的配合。 3、在生產(chǎn)中有些零件，如齒輪、花鍵軸、活塞銷等，要求表面具有高硬度和耐磨性，心部具有一定的強度和足夠的韌性。這時就需要對零件進行表面熱處理或化學熱處理，以滿足上述要求。,