讲座5-1钢的热处理工艺_.ppt

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钢的热处理工艺钢的热处理工艺Practicesofheattreatments控制改善钢材机械性能的常见目标强化处理hardening软化处理softening调质处理modification45钢加热到840度不同冷却条件对机械性能的影响强度/屈服强度/延伸率/面缩率/硬度冷却方法MN/m2MN/m2%HRC随炉冷却53028032.549.31518空气冷却670720340151845501824油中冷却9006201820484560水中冷却11007207812145260TopicsCovered:

PhasesandStructures.Pearlite,Ferrite,andCementite.MartensiteandBainite.IsothermalandContinuousCoolingTransformationDiagrams.HeatTreatmentstoProduceFerriteandPearlite.HardnessandHardenability.AusteniteinSteels.TemperingofSteel.SpecialHeatTreatments.SurfaceHardening.SurfaceModification.RelatedTerminology重点掌握各种热处理的金属学基础、定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和适用的钢种，零件的范围。

复习：

p221“金属与合金的固态相变”：

金属的多形性转变（同素异形转变），一级转变（相变）、固态相变分类（扩散型、非扩散型、中间型转变等）、单相合金，复相合金；一次固溶体，二次固溶体；中间相（金属化合物）、惯习现象、共格与非共格成长、过渡相、非扩散转变（切变型）、过饱和固溶体的脱溶（固溶体的沉淀、脱溶相的生成）与GP区（溶质原子偏聚）概念、脱溶强化（时效强化及其机理）等。

热处理技术引言为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。

钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁可能具有复杂的显微组织，可以通过热处理予以控制，以获得所需要的机械性能。

钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。

另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

热处理加工的特点金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

热处理工艺种类金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。

根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。

同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。

钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。

热处理工艺种类工件整体热处理工艺热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。

这些过程互相衔接，不可间断。

其中也包括近年得到系统发展的、将热处理与变形加工结合起来的变形热处理工艺。

整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。

依据加热、保温、冷却制度的差异，对钢的组织结构与性能有不同影响。

钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺（四把火）。

钢热处理温度制度依据1）钢加热与冷却过程固态相变温度点2）钢过冷奥氏体的等温转变C曲线3）过冷奥氏体连续冷却CCT曲线4）等温冷却工艺与连续冷却工艺钢的退火与正火工艺一、退火退火/Anneling/Anneling（将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

多属于预备热处理工艺。

分两大类：

Ac1以下的软化退火、再结晶退火、去氢退火；和加热到Ac1、Ac3以上的完全退火、球化退火以及扩散退火等。

）不同目的的退火工艺1完全退火（一般无特指时退火的含义）加热温度：

Ac3以上20-30组织：

P+F目的：

细化，均匀化粗大、不均匀组织接近平衡组织调整硬度切削性消除内应力应用范围：

亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢（因其要加热到Acm以上，缓冷时渗碳体会沿A晶界析出，呈网状分布、导致钢材变脆）。

2球化退火/Spheroidization（不完全退火，指使碳化物球化，得到颗粒状碳化物分布在铁素体基体上的球状珠光体）加热温度：

Ac1以上20-40应用范围：

过共析钢，共析钢等高碳钢组织：

球状P（F+球状Cem）目的：

使Cem球化HRC，韧性切削性为淬火作准备3扩散退火（均匀化退火）1050-1150，10-20h,P+F或P+Fe3CII目的：

消除微观偏析后果：

粗大晶粒（应用完全退火消除）4再结晶退火加热温度：

Ac1以下50-150或T再+（30-50）目的：

消除加工硬化5去应力退火/StressReliefAnnealing500-650正火（空冷）/NormalisingAC3或Accm+（30-50）组织：

S+（F或Fe3C）应用：

（1）作最终热处理，普通结构钢零件目的：

a.细化A晶粒，组织均匀化b.减少亚共析钢中F%P%，细化强度，韧性，硬度

（2）预先热处理a.消除魏氏组织，带状组织；细化组织为淬火、调质作准备b.使过共析钢中Fe3CII使其不形成连续网状，为球化作准备（3）改善切削加工性能魏氏组织（W，Widmanstatten）特征：

先共析铁素体（亚共析钢）或渗碳体（过共析钢）以针状析出，由晶界插入晶体内部。

造成钢强度下降、脆性增大。

原因：

过热、奥氏体晶粒粗大，然后冷却速度又过快，在比较大过冷度下形成。

什么是魏氏体组织（金相），有何特征有何危害？

过共析钢加热到Acm温度以上，经保温获得均匀奥氏体后，再在Acm点以下GS延长线以上等温保持或缓慢冷却时，将从奥氏体中析出先共析渗碳体，先共析渗碳体的形态，可以是粒状、网状和针（片）状。

但是，过共析钢在奥氏体成分均匀、晶粒粗大的情况下，从过冷奥氏体中直接析出粒状渗碳体的可能性是很小的，一般是网状的或针（片）状的。

如果过共析钢具有网状或针（片）状渗碳体组织，将显著增大钢的脆性。

因此，过共析钢件毛坯的退火加热温度，必须在Acm以下。

对于具有网状或针（片）状渗碳体的钢料，为了消除网状或针（片）状渗碳体，必须加热到Acm以上，使渗碳体充分溶入奥氏体中。

然后快速冷却，使先共析渗碳体来不及析出，形成伪共析或其它组织，再进行球化退火。

工业上将工业上将具有先共析片状铁素体和针片状渗碳体加珠光体的组织，都具有先共析片状铁素体和针片状渗碳体加珠光体的组织，都称为魏氏体组织称为魏氏体组织。

前者称为。

前者称为-Fe魏氏组织，后者称为渗碳体魏氏体组魏氏组织，后者称为渗碳体魏氏体组织。

织。

-Fe魏氏组织魏氏组织带状组织（Band）特征：

钢中（多在轧材轧制方向）铁素体或珠光体或碳化物成宏观尺度带状分布，从而成分偏析或不均匀性严重，常规热处理难以消除，会严重降低钢的机械性能和各向同性。

可以用高温扩散退火减轻。

成因：

1）与铸态中形成的偏析密切相关；2）与轧制工艺不当，如终轧温度低于Ar3,铁素体沿金属流动方向从奥氏体中呈带状析出珠光体。

那些钢容易出现带状组织？

危害性及对策带状组织金相特征（为宏观各项异性、注意与晶粒尺度层片状珠光体的区别）呈带状分布的铁素体和珠光体组织网状组织（networkstructure）钢材内部缺陷之一。

表现为热加工的钢材冷却后延奥氏体晶界析出的过剩碳化物（过共析钢）或铁素体（亚共析钢）形成的网络组织。

其必须控制在标准允许的范围内。

碳素工具钢、合金工具钢、铬轴承钢等过共析钢，经热加工冷却过程中，由于碳在奥氏体中溶解度减少，沿晶界析出过剩碳化物，称作网状碳化物。

由于钢的化学成分、热加工终了温度和冷却速度不同，网络的粗细和连续程度也不同。

终加工温度越高、冷却速度越慢，碳化物有足够的条件和时间析出，集中于晶界越严重，网络越明显。

金相试样中呈白色鱼网状包围在晶粒周围。

碳化物硬且脆，连成网状的碳化物使钢材变脆，韧性变差，从而缩短工具或轴承的使用寿命。

控制加热温度、提高塑性加工压缩比、控制冷却速度或经过正火处理均可改善、减轻网状碳化物组织。

亚共析钢在过热后缓慢冷却时沿晶界析出网状铁素体，这种组织晶粒粗大，塑性、冲击韧性也很差。

不论是锻造还是退火（温度过高或保温），只要加热到奥氏体化。

（过共析钢二次渗碳体+奥氏体）在工件的冷却过程中，冷却速度比较慢，碳化物（过共析钢）、铁素体（亚共析钢）往晶界处析出，随着时间的增加，碳化物或铁素体，沿晶界的形状形成断续的线，逐渐在晶界连成网，随着时间的增长，网逐渐加厚。

冷却后保留到室温，叫网状组织。

如果是亚共析钢，铁素体形成的网就叫网状铁素体。

如果是过共析刚形成的网状，就叫网状碳化物。

正火加热温度高、可溶解网状组织、后续冷却比较快，先共析组织来不及在晶界形成。

高速工具钢网状碳化物轴承钢网状碳化物退火、正火的选择正火：

冷速快，材料组织细化（S+（F或Fe3C）），机械性能好.1改善切削加工需要时：

低、中碳钢正火中高碳钢，合金工具钢完全退火，球化退火2作为最终热处理时正火3为最终热处理提供良好的组织状态工具钢正火+球化退火结构钢正火返修件退火退火与正火组织比较钢退火、正火后硬度差异（阴影表示加工性能较好区域160230HB）钢的淬火与回火QuenchingandTempering一、淬火加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却M+A。

理想的淬火冷却曲线如图1淬火温度的决定亚共析钢Ac3+（30-50）共析钢Ac1+（30-50）过共析钢Acm+（30-50）保留一定的CemHRC，耐磨性A中C%M中C%M脆性A中C%M过饱和度残余A淬火温度过高A粗大M粗大力学性能，淬火温度过高A粗大M粗大淬火应力变形，开裂2加热时间升温、保温3冷却与淬火介质p354其中，650以上，慢冷，可减小热应力650-400，快冷，避开C曲线400以下，慢冷，减轻相变应力钢的淬透性（Hardenabilityp354）1淬透性；淬火条件下得到M组织的能力，取决于VK（上临界冷却速度）；用一定条件下淬火时钢的淬透层深度（表面到半马氏体区来表示）。

2淬硬性，钢在淬火后获得硬度Hardness的能力，也即能够获得的最高硬度。

取决于M中C%，C%淬硬性影响淬透性的因素VK，C曲线C%亚共析钢C%淬硬；过共析钢C%淬硬性（参右图）奥氏体化温度T、t淬透性合金元素除Co%以外，C曲线右移，淬透性未溶第二相淬透性3.淬透性测试方法：

顶端淬火法方法原理淬透性带的概念详见教材末端淬火法（又叫TheJominyendquenchtest，见讲义ppt6）4淬透性的应用

（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求选材的依据

（2）热处理工艺制定的依据（3）尺寸效应回火/TemperingofSteel回火是淬火后的后续必要工序。

是将淬火后的钢在A1温度以下加热，使之转变成稳定的回火组织的工艺过程。

回火目的a.消除淬火应力，降低脆性；b.稳定工件尺寸。

淬火组织M、残余A不稳定、塑性韧性差。

适当温度回火，可向铁素体和碳化物稳定状态转变，从而获得强度、硬度、塑性、韧性综合性能较好的性能。

不同回火温度钢中涉及的转变钢淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体，均为亚稳相。

一旦加热，原子扩散能力强，会自发向稳定的铁素体相和渗碳体转变。

随回火温度的升高，存在一系列复杂转变，大致分为五个阶段（p342金属学）：

a.马氏体中碳原子的偏聚；（100以下时）b.马氏体的分解；（100以上时）c.残余奥氏体的转变；（200-300）d.析出碳化物；（250-400）e.碳化物的聚集长大、铁素体的回复与再结晶。

（400以上时）回火转变的组织对应不同回火温度，随着回火温度的提高，回火组织将分别有：

回火马氏体（150-250）、回火屈氏体（350-500）、回火索氏