金属热处理及表面处理技术.docx

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金属热处理及表面处理技术

第5章金属热处理及表面处理技术

1.了解本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素；钢在加热和冷却过程中产生的缺陷；

2.熟悉钢在加热和冷却时组织转变的机理；

3.掌握各种热处理的具体工艺过程；

本章学习重点

钢在加热时组织转变的过程中及影响因素；

共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。

C曲线中种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。

非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C典线的因素；

奥低体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响；

各种热处理的定义、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。

学习方法指导

演绎法

“铁碳碳相图、C曲线”→“钢在加热和冷却时组织转变的机理和产物”→“各种热处理方法”。

联想展开法

围绕“钢的成份-组织-性能”间的关系，理解“退火、正火、淬火、回火及表面热处理的目的、工艺及应用”。

金属热处理基本概念

钢的热处理，就是通过加热、保温和冷却，使钢材内部的组织结构发生变化，从而获得所需性能的一种艺方法。

并不是所有的金属材料都能进行热处理，在固态下能够发生组织转变，这是热处理的一个必要条件。

金属热处理类型

退火、正火、淬火、回火及表面热处理

第1节钢加热时的组织转变

奥氏体的形成（晶格改组和Fe，C原子的扩散过程）

共析钢奥氏体化温度

Ac1温度：

F（bcc,0.0218）+Fe3C（6.69）A（Fcc,0.77）

共析钢奥氏体化过程（遵循形核、长大规律）

（1）奥氏体形核奥氏体晶核首先在铁素体相界面处形成。

（2）奥氏体长大形成的奥氏体晶核依靠铁、碳原子的扩散，同时向铁素体和渗碳体两个方向长大，直至铁素体消失。

（3）残余渗碳体溶解残余的渗碳体随着加热和保温时间的延长，不断溶入奥氏体，直到全部消失。

（4）奥氏体成分的均匀化,通过碳原子的扩散，形成成分较为均匀的奥氏体.

碳及合金元素对加热转变的影响

1．除Mn、Ni等以外，升高钢的临界点，所以合金钢的加热温度高于碳钢。

2．除了Co等外，减慢碳在奥氏体中的扩散速度，保温的时间长。

3.除了Mn、P等以外，阻碍奥氏体晶粒的长大，细化晶粒（尤其是与碳结合力较强的所谓形成碳化物一类的元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Nb等）。

.

奥氏体晶粒的长大及影响因素

晶粒度:

表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。

起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度

珠光体刚转变为奥氏体时，一般情况下其晶粒是细小的，这时的晶粒大小称之为起始晶粒度。

本质晶粒度：

钢奥氏体晶粒长大的倾向。

奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大→本质粗晶钢

奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质细晶钢　

奥氏体晶粒度的控制

加热工艺

  加热温度，保温时间

钢的成分——合金化

A中C%↑→晶粒长大↑

MxC%↑→粒长大↓（碳化物形成元素细化晶粒

  Al→本质细晶钢

  Mn、P促进长大

加热时常见的缺陷

过热（excessiveheating）

钢在加热时，由于加热温度过高或加热时间过长，引起奥氏体晶粒粗大的现象。

过烧（burnt）

钢在加热时，由于加热温度过高，造成晶界氧化或局部熔化的现象。

氧化

由于铁和空气中的氧等化合形成氧化皮，从而使工件表面粗糙不平，影响零件的精度。

脱碳

钢件表面的碳被烧掉，因而使其含碳量降低，这不仅影响热处理后钢件表面的硬度，并将显著降低零件的疲劳强度，因而切削工具和一些重要的零件是不允许热处理时发生严重脱碳的.

第2节钢在冷却时的转变

过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）的建立

通过热分析、膨胀分析、磁性分析和金相分析等方法，测出在不同温度下过冷奥氏体发生相变的开始时刻和终了时刻，并标在温度-时间坐标上，将所有转变开始点和转变终了点分别连接起来，便得到了该钢种的过冷奥氏体等温转变曲线。

由于曲线的形状很象英文字母“C”，故称C曲线。

A1以上：

A稳定

A1以下：

A不稳定，过冷

C曲线有一最小孕育期：

1：

T↓，A——P的驱动力F提高

2：

T↓——D↓

D（扩散）

过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

珠光体转变一种扩散型相变

A1——鼻子温度（5500C）

A过冷——P（S，T）索氏体，屈氏体。

P的形成取决于生核，长大速率。

T↓，生核，长大↑。

T↓→6000C，D↓，长大慢→层间距薄，短扩散型相变，综合性能好，HB较低，韧性好。

T↓——HB↑，强度↑

贝氏体转变----半扩散型相变（550℃～230℃（MS））

A过冷→B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。

550℃~350℃

上贝氏体

半扩散型，Fe不扩散

羽毛状

碳化物在F间，韧性差

350℃~MS

下贝氏体

C原子有一定的扩散能力

针状

碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好

　工业生产中，常采用等温淬火来获得下贝氏体，以防止产生上贝氏体。

马氏体转变----非扩散型转变

MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的。

a.A过冷→M+A'残余

b.转变产物：

马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

C%<0.23%，板条状M，强度高，塑性，韧性好

C%>1.0%，针状M，硬而脆，塑、韧性差

c.实质：

T低——C无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和C的铁素体。

d.M转变的特征，①无扩散性②瞬时性③存在Ms,Mf④不完全性⑤体积膨胀

影响过冷奥氏体等温转变的因素

C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性（与奥氏体的化学成分和加热时的状态）。

C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。

A成分

含碳量（含碳量的变化对C曲线形状无影响）

A中C%↑→C曲线右移。

对亚共析钢：

钢中C%↑，A中C%↑→C曲线右移

对过共析钢：

一般在AC1以上A化，钢中C%↑，未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移

共析钢：

C曲线最靠右边，稳定性最高。

合金元素（除Co%↑→左移外）

除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性——C曲线右移

非碳化物形成元素，Si,Ni,Cu,不改变C曲线形状

强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V,Nb,Ti,改变C曲线形状

除Co,Al外，均使Ms,Mf下降，残余A↑

A化条件的影响

加热温度和时间

A化温度↑，时间↑→A稳定性↑，C曲线右移

（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）

过冷奥氏体的连续冷却转变

过冷奥氏体的连续冷却转变图

PS：

A→P开始线

Pf：

A→P终止线

K：

珠光体型转变终止线

Vk：

上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）→M最小冷速

Vk’：

下临界冷速→完全P最大冷速

连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较

（1）CCT位于TTT曲线右下方A→P转变温度低一些，t长一些

（2）CCT无A→B转变

CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析

C曲线的应用

（1）根据工件要求，确定热处理工艺。

（2）确定工件淬火时的临界冷速。

（3）可以指导连续冷却操作

V1:

炉冷（退火）P

V2:

空冷，S，T

V3：

空冷，S，T

V4：

油冷，T+M+A'

V5：

M+A'

（4）选择钢材的依据

（5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。

第3节钢的退火与正火工艺

退火和正火都是获得珠光体型组织（亚共析钢为F+P，共析钢为P，过共析钢为Fe3C+P），但由于正火冷速稍快，获得的组织细密，珠光体层片也较薄，因此硬度也比退火稍高。

（观看视频）

退火（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。

）

完全退火

加热温度：

Ac3以上20-30度

组织：

P+F

目的：

①细化，均匀化粗大、不均匀组织

②接近平衡组织——调整硬度→切削性↑

③消除内应力

应用范围：

亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。

球化退火（不完全退火）

加热温度：

Ac1以上20-40度

应用范围：

过共析钢，共析钢

组织：

球状P（F+球状Cem）

目的：

①使Cem球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑

②为淬火作准备

扩散退火（均匀化退火）

1050-1150℃，10-20h,P+F或P+Fe3CII

目的：

消除偏析

后果：

粗大晶粒（应用完全退火消除）

再结晶退火（无相变）

加热温度：

Ac1以下50-150度，或T再+30-50度

目的：

消除加工硬化

去应力退火

500-650℃（无相变）

正火（空冷）

加热温度：

AC3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.减了亚共析钢中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

退火、正火的选择

正火：

冷速快，材料组织细化，机械性能好

切削加工

低、中碳钢→正火

中高碳刚，合金工具钢→完全退火，球化退火

作为最终热处理→正火

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

第4节钢的淬火

加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却→M+A’（观看视频）

淬火温度的决定

淬火温度过高→A粗大→M粗大→力学性能↓，淬火应力↑→变形，开裂↑

保留一定的Cem→HRC↑，耐磨性↑

过共析钢A中C%↓→M中C%↓→M脆性↓

A中C%↓→M过饱和度↓→残余A↓

加热时间

升温、保温

淬火介质

6500C以上，慢，减小热应力

650-4000C，快，避免淬不透

4000C以下，慢，减轻相变应力

钢的淬透性

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）

淬硬性

钢在淬火后获得硬度的能力，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%↑→淬硬性↑，过共析钢C%↑→淬硬性↓

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

淬透性的应用

根据工作条件，确定对钢淬透性的要求——选材的依据

热处理工艺制定的依据

尺寸效应

第5节钢的回火

回火目的

提高钢的韧性，消除或减小钢的残余内应力。

钢件淬火后，在硬度、强度提高的同时，其韧性却大为降低，并且还存在很大的内应力（残余应力），使用中很容易破损。

稳定组织。

进而稳定零件尺寸。

淬火组织（M,A’）处于亚稳定（即不够稳定）状态，它有向较稳定组织进行转变的自发趋势，这将影响零件的尺寸精度及性能稳定。

获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。

回火工艺是热处理的最后工序，但它决定着钢的使用性能。

它是一个很重要的热处理工序。

钢在回火时的组织转变

a.马氏体分解（80℃～300℃）

析出ε碳化物（亚稳定）

回火组织为：

过饱和α固溶体十亚稳定ε碳化物（极细的）→回火M（M’）晶格畸变降低，淬火应力有所下降。

b.残余A分解（200℃～300℃）

A→M

c.碳化物的聚集长大>280℃

ε碳化物→Fe3C片→细粒状Fe3C

d.铁素体的回复与再结晶