第二章 金属材料热处理

第二章 金属材料热处理,第一节 钢在加热时的组织转变,第二节 钢在冷却时的组织转变,第三节 退火与正火,第四节 淬 火,第五节 回 火,第六节 钢的表面热处理及化学热处理,第七节 热处理新技术简介,第八节 热处理工艺应用,教学重点：,教学难点：,1、掌握钢的热处理的工艺过程； 2、掌握钢在加热时的组织转变以及钢在冷却时的组织转变； 3、掌握主要的热处理方法的工艺过程及在生产中的应用。,1、钢的热处理的工艺过程； 2、钢在加热或冷却时的组织转变； 3、主要的热处理方法。,钢在加热或冷却时的组织转变。,教学目标：,把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。,钢 的 热 处 理,第三章 金属热处理,§1 概述 金属热处理是将固态金属或合金采用适当的方法进行加热、保温和冷却，获得所需要的组织结构与性能的工艺。,右图为 热处理的基本工艺过程的温度-时间关系曲线。,热处理用于消除上一工艺过程所产生的金属材料内部组织结构上的某些缺陷，改善切削性能，还可进一步提高金属材料的性能，充分发挥材料性能的潜力。因此，大部分机器零件都要进行热处理。,金属热处理可分为,整体处理、表面热处理和化学热处理。 整体处理包括： 退火、正火、淬火和回火等；,表面热处理和化学热处理,主要有表面淬火、渗碳和渗氮等工艺。,钢加热和冷却时的温度变化曲线见图3-2。,由图可见，要想使共析钢转变为奥氏体，必须将钢加热到Ac1以上；对于亚共析钢必须加热到Ac3以上。否则，难以达到应有的热处理效果。,§2 退火和正火,一、退火,退火是将金属和合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。,按金属成分和性能要求的不同，退火可分为:,1.完全退火 将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。完全退火的目的是通过完全重结晶细化晶粒，降低硬度，改善切削性能。完全退火主要用于亚共析钢的铸、锻件。,2.球化退火 使钢件中碳化物球状化而进行的退火工艺。球化退火主要用于过共析钢，目的是使网状渗碳体球状化，降低硬度、提高韧性，改善切削性能，为淬火作组织准备。,3.去应力退火 为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。主要用于消除铸件、锻件、焊接件和切削件的残余应力。,二、正火,正火是将钢材或钢件加热到或Accm以上3050，保温适当的时间后，在静止空气中冷却的热处理工艺。 把钢件加热到以上100150的正火则称为高温正火。,与退火类似，但冷却速度比退火快。钢件在正火后的强度和硬度比退火稍高，但消除残余应力不彻底。又因操作简便、生产率高，所以，正火常优先采用。低碳钢件可代替退火。,一、 淬火是将钢件加热到 或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。 目的；提高钢件的硬度和耐磨性，淬火不同回火，获得各种需要的性能，是强化钢的主要方法。,§3 淬火和正火,淬火介质：淬火冷却时所用的介质。 钢的种类不同，淬火介质不同，常用介质：水、油。水便宜，冷却能力较强，碳素钢件用的多。油冷却能力较水低、成本高，但，可防止工件产生裂纹等缺陷，合金钢多用。,二 、回火,回火是钢件淬硬后，再加热至Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 其目的是稳定组织，减少内应力，降低脆性，获得所需性能。 下表为常见的回火方法及其应用。,§4 表面热处理和化学热处理,一、表面淬火 表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺。 目的：为了获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，提高工件的硬度和耐磨性。 表面淬火加热的方法很多，如感应加热、火焰加热、电接触加热、激光加热等。,二、化学热处理 化学热处理是将金属和合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属元素等。,第一节钢在加热时的组织转变,临界温度 平衡时：A1、 A3、Acm 加热时：Ac1、 Ac3、Accm冷却时：Ar1、Ar3、Arcm,钢加热（冷却）时FeFe3C状态图,1奥氏体的形成 Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。,共析钢加热到Ac1 以上时， P A 共析钢A化过程 形核 、长大、 Fe3 C 完全溶解、C 的均匀化。,亚（过）析钢的A化 P A 后，先共析 F 或 Fe3C 溶解。,§21 钢在加热时的组织转变,影响A转变速度的因素,加热温度和速度 转变快 C%或 Fe3 C片间距 界面多，形核多 转变快 合金元素 A化速度或,A 晶粒度 加热温度，保温时间 晶粒尺寸 合金碳化物，C% 晶粒尺寸,§21 钢在加热时的组织转变,第二节钢在冷却时的组织转变,1过冷A的等温转变 2过冷A的连续冷却转变,连续和等温冷却曲线,1. 过冷A的等温转变,过冷A :T < A1时，A不稳定。,高温转变，A1 550 过冷A P 型组织 中温转变，550 MS 过冷A 贝氏体 ( B ) 低温转变，MS Mf 过冷A 马氏体 ( M ),§22 钢在冷却时的组织转变,P 型组织 F + 层片状 Fe3C,珠光体 P索氏体 S屈氏体 T,层片间距：P > S > T,§22 钢在冷却时的组织转变,高温转变过程 晶格改变和Fe，C原子扩散。,中温转变（550 MS） C原子扩散， Fe原子不扩散,§22 钢在冷却时的组织转变,连续冷却 转变方法,炉冷 P 空冷 S 油冷 T+M+A'水冷 M+A',连续冷却 转变产物,§22 钢在冷却时的组织转变,共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能,§22 钢在冷却时的组织转变,第三节 退火与正火,预备热处理工艺,处理工件毛坯，为以后切削加工和最终热处理做组织准备,一、钢的退火,钢的退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。,目的是消除钢的内应力、降低硬度、提高塑性、细化组织、均匀化学成分，以利于后续加工，并为最终热处理做好组织准备。,分类,§23 退火与正火,退 火 温 度 范 围,§23 退火与正火,二、钢的正火,正火是指将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热 处理工艺。,目的是细化晶粒，消除网状渗碳体，并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。,消除过热组织、细化晶粒、改善切削性,消除组织缺陷、保持硬度、为调质做准备,消除网状二次渗碳体、为球化退火和淬火做准备,淬火作用（空淬）,§23 退火与正火,正 火 温 度 范 围,正火问题： 1、正火加热温度及冷却方式 2、正火主要目的 3、正火与退火主要差别,§23 退火与正火,第四节 淬 火,淬火是指将工件加热奥氏体化后，以适当方式冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。,目的主要是使钢件得到马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度和强度 。,淬火温度范围,§24 淬 火,淬火问题：1、淬火加热温度及冷却方式 2、常用冷却介质 3、淬透性和淬硬性,淬 火 过 程,§24 淬 火,冷却介质,冷却速度： 盐水 水 盐浴 油,淬火方法 单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷 + 油冷 分级淬火： Ms盐浴中均温空冷 等温淬火（ 在盐、碱浴中） 下B,淬火缺陷 过热与过烧 氧化与脱碳 硬度不足和软点 变形和开裂,§24 淬 火,第五节 回 火,淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。 目的：消除淬火应力，调整性能。,低温回火（150250） 回火M ( 过饱和F +薄片状Fe2.4C ) + A 。淬火应力 ，韧性 ，保持淬火后的高硬度。 用于高C工具钢等。 中温回火（350500） 回火T (F +细粒状Cm ) 。弹性极限和屈服强度，韧性和硬度中等。 用于弹簧等。 高温回火（500650） 回火S (等轴状F +粒状Cm ) 。综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都较好。 用于重要零件。调质处理 淬火 + 高温回火,回火问题：1、回火主要目的 2、回火种类 3、回火脆性 4、调质,低温回火,中温回火,高温回火,150-200°C,350-500°C,500-650°C,HRC60,HRC35-50,HRC20,刃具、模具,弹簧,重要结构件,§25 回 火,整 体 热 处 理 工 艺 曲 线,整体工艺曲线,§25 回 火,§25 回 火,第六节 钢的表面热处理与化学热处理,表面具有高硬度和耐磨性，心部具有一定的强度和足够的韧性。,一、钢的表面热处理,表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。,表面淬火是最常用的表面热处理。,主要方法有：,1、感应加热表面热处理,2、火焰加热表面热处理,感应加热表面淬火,§26 钢的表面热处理与化学热处理,火焰加热表面淬火,§26 钢的表面热处理与化学热处理,激光加热表面淬火,§26 钢的表面热处理与化学热处理,二、钢的化学热处理,钢的化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。,最常用的方法有：,1、渗碳,渗碳介质中加热保温,2、渗氮,表面硬而心部韧,氮原子渗入工件表层,疲劳强度高、变形小,3、碳氮共渗,§26 钢的表面热处理与化学热处理,渗 氮,§26 钢的表面热处理与化学热处理,渗 氮,§26 钢的表面热处理与化学热处理,第七节 热处理新技术简介,电弧喷涂,离子喷涂,§27 热处理新技术简介,第八节 热处理工艺应用,劳动版钢的热处理录像,钢的热处理录 像,本 章 小 结,1、为了提高钢的某些机械性能指标，保证机器零件和工具的工作可靠性及其使用寿命，通常要对钢进行热处理。热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。它可改善工件的组织和性能，充分发挥材料潜力，从而提高工件使用寿命。2、钢的退火与正火主要用来处理工件毛坯，为以后切削加工和最终热处理做组织准备，对一般铸件、焊接件以及性能要求不高的工件，退火、正火都可作为最终热处理。淬火的目的主要是使钢件得到马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度和强度，与适当的回火相配合，可以更好地发挥钢材的性能潜力。回火是指工件淬硬后，加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火是紧接淬火之后进行的，通常也都是零件进行热处理的最后一道工序。其目的是消除和减小内应力，稳定组织，调整性能，以获得强度和韧性之间较好的配合。3、在生产中有些零件，如齿轮、花键轴、活塞销等，要求表面具有高硬度和耐磨性，心部具有一定的强度和足够的韧性。这时就需要对零件进行表面热处理或化学热处理，以满足上述要求。,