第 4 章 钢的热处理
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第 4 章 钢的热处理. 4.1 铁碳合金相图的分析及应用 4.2 钢在加热时的组织转变 4.3 钢在冷却时的组织转变 4.4 钢的整体热处理工艺 4.5 钢的表面热处理和化学热处理. 目录. 4.1.1 纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象. 1. 纯金属的结晶过程 (1) 纯金属的冷却曲线及过冷度 (2) 纯金属的结晶过程 (3) 晶粒大小对金属力学性能的影响 2. 铁的同素异构现象. (1) 纯金属的冷却曲线及过冷度. 图 4-1 热分析装置示意图. 图 4-2 纯金属的冷却曲线. 图 4-3 纯金属结晶时的冷却曲线.
第 4 章 钢的热处理

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第4章 钢的热处理

4.1铁碳合金相图的分析及应用

4.2钢在加热时的组织转变

4.3钢在冷却时的组织转变

4.4钢的整体热处理工艺

4.5钢的表面热处理和化学热处理

目录

Slide 2

4.1.1 纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象

1.纯金属的结晶过程

(1)纯金属的冷却曲线及过冷度

(2)纯金属的结晶过程

(3)晶粒大小对金属力学性能的影响

2.铁的同素异构现象

Slide 3

(1)纯金属的冷却曲线及过冷度

图4-1 热分析装置示意图

Slide 4

图4-2 纯金属的冷却曲线

图4-3 纯金属结晶时的冷却曲线

Slide 5

综上所述,纯金属的结晶有两个特点:

一是结晶总是在一定的过冷度条件下进行;

二是结晶的整个过程是在一恒温(T1)情况下由开始到结束的。

前者也是合金结晶以及其他固态下组织转变的共同特点。

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(2)纯金属的结晶过程

图4-4 纯金属结晶过程示意图

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(3)晶粒大小对金属力学性能的影响

常用的细化晶粒方法有:

①增加过冷度

②变质处理

③振动处理

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2.铁的同素异构现象

1394℃ 912℃

δ-Fe γ-Fe α-Fe (4-1)

图4-5 纯铁的冷却曲线

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图4-6 铁的同素异构转变示意图

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4.1.2 铁碳合金相图的分析

1.铁碳合金的基本组织

(1)铁素体

(2)奥氏体

(3)渗碳体

(4)珠光体

(5)莱氏体

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4.1.2 铁碳合金相图的分析

Fe-Fe3C相图

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①Fe-Fe3C相图中的特性点:

1148℃

LwC4.30% Ld wC4.30%(AwC2.11%+Fe3C) (4-2)

共晶转变

1148℃

或 LwC4.30% LdwC4.30%(4-3)

共晶转变

727℃

AwC0.77% PwC0.77%(FwC0.021 8% +Fe3C) (4-4)

共析转变

727℃

或 AwC0.77% PwC0.77%(4-5)

共析转变

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②Fe-Fe3C相图中的特性线:二元相图中的线条都是一些具有共同特征的点的连线。

综上所述,渗碳体可以有三个来源,从液态合金中直接结晶出来、从奥氏体中析出和从铁素体中析出。

③Fe-Fe3C相图中的相区:

简化后的Fe-Fe3C相图共有12个相区

(5个单相区;5个两相区;2个三相区)。

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(2)铁碳合金的分类

根据Fe-Fe3C相图中铁碳合金的碳质量分数wC、组织转变的特点及室温组织,我们可将铁碳合金分为以下几类:

①工业纯铁: wC ≤0.021 8%的铁碳合金称为工业纯铁。

②钢:0.021 8%< wC <2.11%的铁碳合金称为钢。

根据其室温组织和碳质量分数wC的不同,又可分为

亚共析钢——0.021 8%< wC <0.77%;

共析钢——wC=0.77%;

过共析钢——0.77%< wC <2.11%。

③白口铸铁:2.11%≤ wC <6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。

根据其室温组织和碳质量分数wC的不同,又可分为

亚共晶白口铸铁———2.11%≤ wC <4.3%;

共晶白口铸铁———wC=4.3%;

过共晶白口铸铁———4.3%< wC <6.69%。

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(3)Fe-Fe3C相图的应用

①根据Fe-Fe3C相图判断铁碳合金的力学性能:

图4-8 铁碳合金室温平衡组织与碳质量分数wC的关系

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②作为选用钢铁材料的依据: ③制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据:

图4-10 Fe-Fe3C相图与铸、锻等工艺的关系

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在热处理工艺上的应用

图4-11 Fe-Fe3C相图与热处理温度的关系

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4.2 钢在加热时的组织转变

热处理是由加热、保温和冷却三个基本环节组成的。

在大多数热处理工艺中,钢加热的主要目的是获得奥氏体组织。

图4-12 加热(冷却)时临界点的位置

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4.2.1 奥氏体的形成机理

1.奥氏体形成的热力学条件

图4-13 珠光体和奥氏体自由能随温度的变化曲线

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2.奥氏体的形成过程

(1)奥氏体晶核形成

(2)奥氏体晶核长大

(3)残余渗碳体溶解

(4)奥氏体成分均匀化

图4-14 珠光体向奥氏体转变示意图

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4.2.3 奥氏体的晶粒长大及其控制

  • 1.奥氏体晶粒度的概念

图4-15 钢的标准晶粒度等级示意图

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2.奥氏体晶粒长大及其影响因素

(1)加热温度

(2)保温时间

(3)加热速度

(4)化学成分

钢中的碳含量和合金元素都会对奥氏体晶粒长大产生显著影响。

①碳含量:

②合金元素:

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3.控制奥氏体长大的措施

(1)合理选择加热温度和保温时间

(2)合理选择钢的原始组织

(3)加入一定量的合金元素

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4.3 钢在冷却时的组织转变

4.3.1 过冷奥氏体的等温转变

钢在冷却时,主要的冷却方式有两种:

一种是等温冷却,另一种是连续冷却,如图4-16所示。

图4-16 不同冷却方式示意图

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1.过冷奥氏体等温转变曲线

图4-17 共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线

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2.影响奥氏体等温转变曲线的因素

影响C曲线形状、位置的因素很多,主要有下面几个方面:

(1)碳含量

(2)合金元素

(3)加热温度和保温时间

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4.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析

图4-18 共析钢C曲线与CCT曲线关系

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4.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析

图4-19 连续冷却的等温转变图

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4.3.3 过冷奥氏体的组织转变类型

1.珠光体型转变

(1)珠光体的组织形态及力学性能

(2)珠光体的形成机理

珠光体的形成过程,包含两个同时进行的过程:

一个是碳的扩散,生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体;另一个是晶体的点阵重构,由面心立方的奥氏体转变成体心立方的铁素体和 复杂斜方的渗碳体。

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(2)珠光体的形成机理

图4-20 片状珠光体形成过程示意图

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2.贝氏体型转变

(1)贝氏体的组织形态和力学性能

(2)贝氏体的形成机理

上贝氏体和下贝氏体的转变机理见图4-21。

图4-21 贝氏体形成机理示意图

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3.马氏体型转变

(1)马氏体的组织形态及力学性能

(2)马氏体的形成条件

(3)马氏体型转变的特点

钢中马氏体型转变有着许多不同于珠光体型转变的特点:

①转变的非扩散性:

②转变的非等温性:

③转变的非彻底性:

④比容增大:

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4.4 钢的整体热处理工艺

4.4.1 退火

所谓退火,就是将金属或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。退火的实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体型转变。退火后的组织,对亚共析钢是铁素体加片状珠光体;对共析或过共析钢则是粒状珠光体。总之,退火组织是接近平衡状态的组织。

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1.退火的目的

①降低钢的硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷变形加工。

②细化晶粒,消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷,均匀钢的组织及成分,改善钢的性能或为以后的热处理做准备。

③消除钢中的内应力,以防止变形和开裂。

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2.常用的退火工艺及应用

(1)完全退火

(2)球化退火

(3)去应力退火

(4)再结晶退火

(5)扩散退火

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4.4.2 正火

将钢加热到Ac3(或Accm)以上30~50℃,保温适当时间后,在静止的空气中冷却的热 处理工艺称为正火。由于正火将钢加热到完全奥氏体化状态,使钢中原始组织的缺陷基本消除,然后再控制以适当的冷却速度,所以正火得到以索氏体为主的组织。

正火与退火两者的目的基本相同,但正火的冷却速度比退火稍快,故正火钢组织比较细,它的强度、硬度比退火钢高。

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1.正火工艺的应用

(1)低碳钢

(2)中碳结构钢

(3)过共析钢

2.退火与正火的选择

(1)切削加工性

(2)使用性能

(3)经济性

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4.4.3 淬火

1.钢的淬火工艺及种类

钢的淬火就是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度,保持一定时间,然后以适当速度冷却获得马氏体和(或)下贝氏体组织的热处理工艺。

淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体(或下贝氏体)型转变,得到马氏体或下贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,获得所需的力学性能。

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(1)淬火加热温度

在具体选择钢的淬火加热温度时,除了遵循一般原则外,还应考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响,对加热温度予以适当调整。

图4-22 碳钢的淬火加热温度范围

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(2)淬火介质

生产中实际使用的淬火介质可分为两大类:

一类是工件在冷却过程中会发生物态变化的介质;

另一类是不发生物态变化的介质。

其冷却特性的不同,直接影响了工件的冷却速度。

图4-23 钢在理想淬火介质中冷却速度示意图

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●蒸气膜阶段(图4-24中 AB段) ●沸腾阶段 (图4-24中BC段) ●对流阶段 (图4-24中 CD段)

图4-24 冷却过程的三个阶段

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常用的淬火介质

常用的淬火介质有水、盐水和碱水、油、熔盐和熔碱等。

●水

●盐水和碱水:

●油:

●熔盐和熔碱:

●新型淬火介质:主要有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

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(3)淬火冷却方法

①单液淬火:

②双介质淬火:

③马氏体分级淬火:

④下贝氏体等温淬火:

⑤延迟淬火冷却:

⑥局部淬火:

⑦深冷处理:

图4-25 常用淬火方法冷却曲线示意图

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2.钢的淬硬性和淬透性

淬硬性和淬透性是表示钢接受淬火能力的两项性能指标。它们是选材、用材的重要依据,也是热处理技师必须了解的材料的重要性能。

①淬硬性

②淬透性

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4.4.4 回火

1.淬火钢在回火时的组织和性能转变

回火就是钢淬硬后,再加热到低于Ac1以下的某一温度,保温一定的时间,然后冷却到室温的热处理工艺。

回火的目的是:合理调整力学性能,使工件满足使用要求;稳定组织,使工件在使用过程中不发生组织转变,从而保证工件的形状、尺寸不变;降低或消除内应力,以减少工件的变形并防止开裂。

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(1)回火时的组织转变

淬火钢回火时的组织转变大致包括以下几个过程:

①碳原子的偏聚和聚集:

②马氏体的分解:

③残余奥氏体的转变:

④碳化物的析出、转化和长大:

⑤铁素体的回复与再结晶:

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总之,淬火钢的回火转变是由以上五个过程综合作用的结果,难以用明确的温度范围将 它们截然分开,它们有时互相交错,有时同时进行。

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(2)回火后的力学性能

淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是:随着回火温度的上升,硬度、强度降低,塑性、 韧性升高。

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①回火对淬火钢硬度的影响

图4-26 不同碳含量的碳钢回火温度与硬度的关系

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②回火对钢的强度、塑性和韧性的影响

图4-27 碳钢的力学性能与回火温度的关系

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(1)回火的分类

①低温回火:

②中温回火:

③高温回火:

(2)回火工艺的制定

制定回火工艺的主要参数有:

回火温度、回火时间、回火后的冷却速度。

2.回火的分类及回火工艺的制定

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4.5.1 钢的表面热处理

1.感应加热表面淬火

(1)基本原理

4.5 钢的表面热处理和化学热处理

图4-28 感应加热示意图

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①感应加热能够在一定范围内控制加热层深度。

②加热速度快,生产效率高。

③工件的热处理质量高而稳定。

④热效率高。

⑤易实现局部加热和连续加热。

⑥便于实现机械化和自动化。

(2)特点及其在热处理中的应用

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(4)感应加热表面淬火后的组织及性能

①感应加热表面淬火后的组织:

②感应加热表面淬火后的力学性能:

●硬度:

●疲劳强度:

●耐磨性:

图4-29 淬火钢感应加热表面淬火后的组织、硬度与加热温度之间关系

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(5)工艺

感应加热表面淬火的工艺参数分为热参数和电参数两种。

①感应加热表面淬火方法:●同时加热淬火法;●连续加热

淬火法。

②淬火温度和加热速度的选择

③感应加热设备的选择:应根据工件的淬硬层深度要求选择

电流频率。

④感应加热后的冷却:●喷射冷却;●浸液冷却;●埋油冷

却。

⑤感应加热表面淬火后的回火

通常回火方法有三种: ●炉中回火;●自回火;●感应加热

回火。

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2.火焰加热表面淬火

(1)基本原理和特点

(2)方法

①固定法;②旋转法;③前进法;④联合法。

图4-30 火焰表面淬火方法示意图

1—火焰喷嘴;2—喷水装置;3—加热层;4—淬硬层

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4.5.2 钢的化学热处理

1.化学热处理的基本原理

(1)化学热处理的概念

(2)化学热处理的基本过程

2.渗碳

(1)渗碳概述

(2)气体渗碳

(3)渗碳后的热处理及其性能

①渗碳后的热处理:

②渗碳淬火后的组织:

一类是从表面到心部组织依次为马氏体+残余奥氏体→马

氏体→心部组织;

另一类是马氏体+残余奥氏体+碳化物→马氏体+残余奥氏

体→马氏体→心部组织。

Slide 58

气体渗碳工艺过程通常可划分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)、降温冷却三个阶段,如图4-31所示。

图4-31 井式炉滴注式气体渗碳工艺过程

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3.渗氮(1)渗氮概述 (2)气体渗氮原理 (3)渗氮前的热处理 (4)气体渗氮工艺 气体渗氮的工艺曲线见图4-32。 4.碳氮共渗及氮碳共渗(1)碳氮共渗 (2)氮碳共渗 5.其他化学热处理简介(1)渗硼 (2)其他多元共渗 (3)渗铝

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3.渗氮

(1)渗氮概述

(2)气体渗氮原理

(3)渗氮前的热处理

(4)气体渗氮工艺 气体渗氮的工艺曲线见图4-32。

4.碳氮共渗及氮碳共渗

(1)碳氮共渗

(2)氮碳共渗

5.其他化学热处理简介

(1)渗硼

(2)其他多元共渗

(3)渗铝

图4-32 气体渗氮工艺曲线

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思考题

4-1 铁碳合金的基本组织有哪几种?分别说明它们的性能特征。

4-2 Fe-Fe3C相图中各特性点、特性线有何意义?

4-3 试述e-Fe3C相图的运用。

4-4 什么叫热处理?热处理的目的是什么?

4-5 通常热处理工艺分为哪几个阶段?

4-6 何为奥氏体化?其经历了哪几个阶段?

4-7 奥氏体晶粒大小对钢热处理后的性能有什么影响?如何才能获得细小、均匀的奥氏体晶粒?

4-8 过冷奥氏体在不同温度下等温时其最终产物分别是什么?它们的组织形态和性能如何?

4-9 过冷奥氏体等温转变与连续转变有何区别?

4-10 简述马氏体型转变的特点。

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