钢的热处理钢的热处理工艺.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,钢的热处理,钢的热处理工艺,钢的回火,回火的定义：,把淬火钢件加热到低于,A,1,温度，保温一定时间后以适当方式冷却到室温的热处理工艺。,回火的目的：,减小淬火工件的内应力，降低脆性，提高塑性、韧性和组织稳定性，以获得强度与韧性良好配合的最佳使用性能。对某些含氢量比较高的钢，回火还能起到除氢、减少氢脆的作用。,一、回火过程中钢的组织状态变化,马氏体的分解与碳化物的形成,碳原子在稳定较低时在位错处偏聚，降低能量。大多数低碳钢（,0.2%C,）在淬火时就发生碳原子的偏聚。,大于,0.2%C,的碳素钢，一部分碳原子偏聚在位错处，剩余原子占据间隙位置，马氏体显示出正方性。,马氏体分解和,碳化物的形成,大于,0.2%C,的钢在,20,150,回火，从马氏体中析出,碳化物。,碳化物：密排六方晶体结构，比,Fe,3,C,碳含量高，与,相保持共格关系，,(011),M,(0001),，,101,M,1011,。,回火马氏体：马氏体在,250,以下温度回火时，分解为低碳马氏体和,碳化物的混合物，称为回火马氏体。,回火马氏体马氏体及其中析出的,碳化物,渗碳体的析出、球化与聚集长大,约在,250,以上，,碳化物向渗碳体转变，结果,碳化物消失，渗碳体形成。,碳化物颗粒逐渐溶入到,相中消失，渗碳体形成，有放热现象。,有人认为,碳化物的溶解和渗碳体的析出在同一地点形成（渗碳体就地形核）。,碳化物形成元素推迟,碳化物向渗碳体的转化，使,碳化物存在于更高的温度。,在,450,以上温度回火时，含,Ti,、,Nb,、,V,、,Mo,、,Cr,的钢在马氏体的基体上形成碳化物，起弥散强化作用，有时引起二次硬化。,相的回复与再结晶,回复：,400,渗碳体开始球化，铁素体胞状结构的边界和亚晶粒内部的位错密度急剧降低，点阵畸变开始消失，亚晶粒逐渐长大变成多边晶粒。,再结晶：,600,以上温度，铁素体由细小的晶粒长成为较大的等轴晶粒。碳化物也聚集长大。,二、钢中残余奥氏体的转变,对碳素钢来说，在通常回火条件下，残余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体。,残余奥氏体回火时，转变的产物随回火温度的不同而异。在珠光体形成温度范围内，从残余奥氏体中可以析出先共析相，随后分解为珠光体。在贝氏体的形成温度内，残余奥氏体转变为贝氏体。,回火脆性的概念：,有些钢在某些温度范围内回火时，其冲击韧性比在较低温度回火时反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆性。,回火脆性可分为低温回火脆性和高温回火脆性。,三、钢的回火脆性及其本质,低温回火脆性,碳钢和低合金钢在,250400,回火时出现的脆性称为低温回火脆性，或第一类回火脆性。,几乎所用淬火后形成马氏体组织的碳钢及合金钢，在,300,左右温度回火时都会或多或少地发生这种脆性。,特点：,在此温度范围内回火，无论采用何种回火方法或回火后采用何种冷却速度，都不可避免地使韧性降低。如果将这种已经产生脆性的工件在更高一些温度回火后，其脆性将消失。在置于,300,左右温度重新回火时，脆性不再重复出现。,不同含碳量钢的冲击韧性随回火温度变化关系,低温回火脆性产生的原因,回火脆性的机理目前不十分清楚。,以往大多认为，低温回火脆性是韧性较高的残余奥氏体转变为脆性较大的马氏体造成的。,另一种观点认为，在低碳和中碳钢内，由于原奥氏体晶界在高温加热时溶有氮、碳和氧，低温回火时这些元素以化合物的形式析出，使脆性增大。,目前大多认为，低温回火脆性可能与马氏体分解初期析出的渗碳体具有特殊的形态有关。,影响低温回火脆性的因素及消除方法,钢的碳含量越高，脆化的程度越严重。,合金元素一般都不能抑制第一类回火脆性，但可改变脆性产生的温度范围。,目前无有效方法消除低温回火脆性。,（）尽量避免在这一温度范围内回火是最好方法；,（）用快速加热回火的方法可以减小脆性；,（）用等温淬火的方法代替淬火；,（）,Ti,、,Al,、,B,等元素对低温回火脆性有一定的抑制作用。,高温回火脆性（第二类回火脆性）,概念：钢在,450550,或更高温度（,650,左右）回火时出现的脆性，称为高温回火脆性或第二类回火脆性。,特点：在上述温度范围内回火，如果快速冷却（水冷或油冷），韧性并不降低；反之，慢冷（空冷或炉冷）则韧性显著下降，冷却越慢，韧性降低的越显著。一般都是沿晶断裂。,高温回火脆性产生的原因,迄今无一致看法。,（）,相中的,氮、碳和氧，低温回火时这些元素以化合物的形式沿晶界析出，使脆性增大。,（）碳化物从,相中析出导致体积变化，从而在原来的奥氏体晶界产生应力集中引起。,（）晶界富集和偏析理论。合金元素或微量的的杂质元素（,P,、,Sb,、,Sn,、,As,）偏聚到原来的奥氏体晶界上，减弱了原奥氏体晶界上原子间的结合力，使钢变脆。,防止和消除高温回火脆性的方法,（）两次淬火法，第一次在正常的,Ac,3,点以上温度淬火，第二次是在,Ac,1,Ac,3,之间不完全淬火；（）变形热处理，高温锻、轧后立即进行热处理；（）细化奥氏体晶粒；（）快速加热回火；（）缩短产生回火脆性温度下的保温时间。,最常用的方法：回火后快冷或向钢中加入,0.30.5%,的钼。,钢的退火与正火,退火：,将钢加热到低于或高于,Ac,1,点温度，保持一定时间后随炉缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织。,正火：,将钢加热到,Ac,3,点以上,3050,或更高温度的奥氏体区域，保持一定时间后在空气中进行冷却，以获得珠光体类的组织。,一、退火与正火的目的与用途,退火的目的及其分类,目的：,（）降低钢的硬度，便于切削加工；,（）消除内应力或冷作硬化，提高塑性以利于继续冷加工；,（）改善或消除毛坯在铸、锻、焊时所造成的成分或组织不均（偏析、带状组织和魏氏组织），以提高其工艺性能和组使用性能；,（）细化晶粒，改善高碳钢中碳化物的分布和形态，为最终热处理作好准备。,退火的类别：,（）低温退火,加热温度低于,Ac,1,点，退火过程中没有相变发生，其目的在于消除内应力，降低硬度，恢复塑性和消除冷作硬化；,（）不完全退火,加热到,Ac,1,点以上,2030,，使珠光体转变成奥氏体，对亚共析钢的先共析铁素体和过共析钢的先共析渗碳体均无改变。对锻、轧后的亚共析钢，不完全退火可消除内应力，降低硬度。对过共析钢不完全退火使片状珠光体球化，降低硬度，改善切削性能。因此，有时也把这种退火称为球化退火。,（）完全退火,加热到,Ac,3,点以上,3050,，目的在于消除组织缺陷，细化晶粒。主要适用于亚共析钢，消除铸造、锻、轧工艺产生的组织缺陷。过共析钢一般使用正火工艺消除组织缺陷。,（）扩散退火,加热到,Ac,3,点以上,150250,，长时间保温，使钢的成分和组织在高温下通过扩散均匀化。,正火的目的和用途,目的：,（）对大型锻件和较大界面的钢材，可使组织均匀化，细化晶粒，为淬火作好组织上的准备；,（）改善一些钢种的板材、管材、带材和型钢的机械性能，正火往往是最终热处理工艺；,（）改善低碳钢和低碳合金钢的显微组织和性能，提高切削加工性能；,（）改善和细化铸钢件的铸态组织；,（）对大型工件，淬火容易产生变形，用正火工艺代替淬火工艺。,退火与正火工艺的应用,（）冷加工钢材，一般使用再结晶退火工艺消除加工硬化。包括有色金属、软钢、硅钢片、精密合金、各种冷加工的板、管、丝、带、型钢等金属材料。,（）结构钢热轧后，为了消除内应力，通常采用低温（低于,Ac,1,点，约,650700,),退火，均匀热透后出炉空冷或随炉冷却。,（）为了消除中碳结构钢铸、锻、轧后组织中的魏氏组织、晶粒粗大、带状组织，常采用完全退火或正火工艺进行热处理。,（）低碳结构钢（小于,0.25%C,）和低合金钢，如果采用退火工艺处理，反而使少量的珠光体球化，钢变的更软。为了提高硬度和切削加工性能，大多采用正火处理，以获得细片状的珠光体。,（）工具钢常使用球化退火（不完全退火，加热到加热到,Ac,1,点以上,2030,）。碳素工具钢、一部分合金工具钢和轴承钢，在轧（锻）后的堆冷或空冷时，组织中会出现片状珠光体（甚至网状渗碳体），淬火过程中工件容易开裂。,钢的淬火工艺,淬火的定义：淬火就是把钢加热到临界温度（,Ac,1,或,Ac,3,）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，从而获得马氏体组织的热处理方法。,按淬火加热温度不同可分为完全淬火和不完全淬火。,一、淬火温度的选择,选择的依据：,）钢的化学成分；,）工件尺寸、形状与技术要求；,）奥氏体晶粒的长大倾向；,）采用的淬火介质与淬火方法。,钢的化学成分与淬火温度,亚共析钢一般选择在,Ac,3,以上,3050,淬火加热。原因是，如果低于,Ac,3,，组织中会保留一部分先共析铁素体，淬火后出现软点，钢的硬度达不到要求。,过共析钢淬火加热温度选为,Ac,1,3050,。因为过共析刚淬火以前，一般都要经过球化处理，加热温度在,Ac,1,以上时，钢的组织是奥氏体和一部分未溶解的粒状碳化物（渗碳体），淬火后，奥氏体转变为马氏体，未溶解碳化物保留下来，提高钢的耐磨性。,二、保温时间的确定,（）钢的化学成分；,（）工件的形状与尺寸；,（）加热介质；,（）装炉情况（,Kt,）；,（）炉温。,盐浴炉：,t=0.20.4D,（,D,-,有效直径，,mm,）,空气电阻炉：,t=1.01.2D,（碳钢）,t=1.21.5D,（合金钢）,三、加热介质的选择,空气、可控气氛、燃料气体、各种盐浴。,液体介质,主要是盐浴。优点：炉温容易控制、工件受热均匀、加热速度快、工件不易氧化脱碳、变形小。,常用盐浴成分及其使用温度,盐浴的配比,熔化温度（,）,正常使用温度（,）,100%BaCl,2,960,11001350,100%Na,2,Ba,4,O,7,700,8001350,2030%NaCl+BaCl,2,650,7001000,2030%NaCl+KCl,660670,7001000,2030%NaCl+KCl+BaCl,2,560,580880,50%Na,2,CO,3,+50%KCl,550,590810,四、淬火介质,工件在淬火介质中的冷却过程,（）蒸汽膜阶段,(AB),（）沸腾冷却阶段,(BC),（）对流冷却阶段,(CD),常用淬火介质,（）水,优点：易得、廉价、冷却能力强。,缺点：,在马氏体转变区间冷速太大；,冷却能力对水温敏感；,不溶杂质会显著降低其冷却能力。,（）盐水与碱水,优点：,蒸汽膜因盐的加入提早破裂，高温（,650,550,）区间的冷却能力约为水的,10,倍；冷却能力受温度的影响较水为小。,缺点：在低温区间（,200,300,）的冷速过大；对工件有一定的腐蚀作用。,（）油,优点：,对流阶段开始温度比水高，,在,M,s,点附近已经进入对流阶段，低温区间的冷速远小于水，可减小工件的开裂与变形。,缺点：,高温区间的冷却能力小，不能用于淬透性低的碳素钢；易老化；易着火；工件淬火后需要清洗。,五、钢的淬透性,工件断面不同冷速与未淬透区示意图,淬硬层深度：从工件表面向里深入到半马氏体区的深度。,淬透性：指钢被淬透的能力，或者说钢在淬火时所能得到的淬硬层的深度。,临界淬透直径：指钢在某种淬火介质中，其断面中心被淬透（淬成,50%,马氏体）的最大直径。,淬透性的测量方法：,GB225-63,、,GB227-63,。,末端淬火法,末端淬火法示意图，（）淬火装置，（）淬透性曲线,钢的化学热处理,化学热处理与其它热处理方式比较，其特点是除了组织发生变化外，钢材表面的化学成分也发生变化。,化学热处理的主要作用：,（）强化表面，提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度和多次疲劳抗力；,（）提高零件表面耐高温及抗腐蚀的能力。,一、钢的渗碳,