金属热处理及表面处理技术.docx

1、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 “

2、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(6.6

3、9) 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

4、（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

5、长大加热时常见的缺陷过热(excessive heating)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

6、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，AP的驱动力F提高2：TDD（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。T6000C，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。THB，强度贝氏体转变-半扩散型相变（550230 （MS） A过冷B，

7、碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。550350上贝氏体半扩散型，Fe不扩散羽毛状碳化物在F间，韧性差350MS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MSMf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-Fe中的过饱和固溶体。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，无扩散性 瞬时性 存在Ms,Mf 不完全性 体积膨胀影响过冷奥氏体等温转变的因

8、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,

9、 Ti, 改变C曲线形状除Co,Al 外，均使Ms,Mf 下降，残余AA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：AP开始线Pf：AP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 AP转变温度低一些，t长一些（2）CCT无AB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

10、速。（3）可以指导连续冷却操作V1:炉冷（退火） PV2: 空冷，S，TV3：空冷，S，TV4：油冷，T+M+AV5 ：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：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

11、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：使Cem球化HRC，韧性切削性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

12、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CemHRC，耐磨性过共析

13、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Tt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

14、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（80300）析出碳化物（亚稳定）回火组织为：过饱和固溶体十亚稳定碳化物（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 （200300）AMc. 碳化物的聚集长大280 碳化物Fe3C片细粒状Fe3Cd.铁素体的回复与再结晶