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變,第二節(jié) 鋼在冷卻時的組織轉變,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變以及鋼在冷卻時的組織轉變； 3、掌握主要的熱處理方法的工藝過程及在生產中的應用。,1、鋼的熱處理的工藝過程； 2、鋼在加熱或冷卻時的組織轉變； 3、主要的熱處理方法。,鋼在加熱或冷卻時的組織轉變。,教學目標：,把固態(tài)金屬材料在一定介質中的加熱、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構與性能的工藝。,,右圖為 熱處理的基本工藝過程的溫度-時間關系曲線。,熱處理用于消除上一工藝過程所產生的金屬材料內部組織結構上的某些缺陷，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：淬火冷卻時所用的介質。 鋼的種類不同，淬火介質不同，常用介質：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變,影響A轉變速度的因素,加熱溫度和速度↑→ 轉變快 C%↑或 Fe3 C片間距↓ → 界面多，形核多 → 轉變快 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變,第二節(jié)　鋼在冷卻時的組織轉變,1．過冷A的等溫轉變 2．過冷A的連續(xù)冷卻轉變,連續(xù)和等溫冷卻曲線,,1. 過冷A的等溫轉變,過冷A :T < A1時，A不穩(wěn)定。,高溫轉變，A1 ~ 550℃ 過冷A → P 型組織 中溫轉變，550℃ ~ MS 過冷A →貝氏體 ( B ) 低溫轉變，MS ~ Mf 過冷A →馬氏體 ( M ),§2－2 鋼在冷卻時的組織轉變,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變,高溫轉變過程 —— 晶格改變和Fe，C原子擴散。,中溫轉變（550℃ ~ MS） —— C原子擴散， Fe原子不擴散,§2－2 鋼在冷卻時的組織轉變,連續(xù)冷卻 轉變方法,爐冷→ P 空冷→ S 油冷→ T+M+A' 水冷→ M+A',連續(xù)冷卻 轉變產物,§2－2 鋼在冷卻時的組織轉變,共析鋼過冷奧氏體轉變溫度與轉變產物的組織和性能,§2－2 鋼在冷卻時的組織轉變,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、為調質做準備,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 3、淬透性和淬硬性,淬 火 過 程,§2－4 淬 火,冷卻介質,冷卻速度： 鹽水 ＞ 水 ＞ 鹽浴 ＞ 油,淬火方法 單介質淬火：水、油冷 雙介質淬火：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。調質處理 —— 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、調質,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,重要結構件,§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|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) 熱處理新技術簡介,電弧噴涂,離子噴涂,§2－7 熱處理新技術簡介,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,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構與性能的工藝。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。回火是指工件淬硬后，加熱到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?；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應力，穩(wěn)定組織，調整性能，以獲得強度和韌性之間較好的配合。 3、在生產中有些零件，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。,