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2019年5月22日,第3章 钢的热处理,汽车材料与金属加工,Automotive materials and metal processing,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,第3章 钢的热处理,3.1 钢在加热和冷却时的组织转变 3.2 钢的普通热处理 3.3 钢的表面热处理,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,3.1 钢在加热和冷却时的组织转变,3.1.1 钢在加热时的组织转变 3.1.2 钢在冷却时的组织转变,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,钢的热处理概述,定义: 目的及重要性: 提高和改善钢的性能;充分发挥钢的性能潜力;提高寿命;减低成本 分类:,普通热处理(四把火:退火、正火、淬火、回火) 表面热处理(表面淬火、化学热处理),加热,T(),蘸火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,转变温度,Fe-Fe3C相图上: PSK、 GS、 ES 平衡 临 界 点 为: A1、 A3、 Acm 加热时临界点为: Ac1、 Ac3、 Accm 冷却时临界点为: Ar1、 Ar3、 Arcm,3.1钢在加热和冷却时的组织转变,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,钢热处理时首先要加热,其 目的是获得均匀而细小的奥 氏体组织。,经过A化以后的钢,再以不 同的方式冷却,即可得到不 同的组织,从而获得所需要 的性能。,热处理工艺曲线,3.1钢在加热和冷却时的组织转变,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,3.1.1 钢在加热时的组织转变(以共析钢为例):,共析钢在A1以下全部为P。 P是F和Fe3C组成的机械混合物。 当把共析钢加热到Ac1以上温度时,PA,这种转变可用下式表示。,P( F + Fe3C ) A 0.0218% 6.69% 0.77% bcc 复杂斜方 fcc,珠光体,3.1钢在加热和冷却时的组织转变,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,共析钢奥氏体形成过程可归纳为 奥氏体晶核的形成:a) 奥氏体晶核的长大: b) 残余渗碳体的溶解: c) 奥氏体成分均匀化: d),加热时,为了获得均匀而细小的奥氏体晶粒,必须选取合适的加热温度,并严格控制保温时间。,亚共析钢:F+P F+A A 过共析钢:P+Fe3C A+Fe3C A,3.1.1钢在加热时的组织转变,奥氏体形成过程,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,钢加热获得均匀而细小的A晶粒,是为随后的冷却做组织准备,冷却过程是热处理的关键工序,冷却方式不同,冷却后的组织和性能也不同。,热处理生产中的冷却方式,等温冷却,连续冷却,3.1.2钢在冷却时的组织转变,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,1.过冷A等温转变曲线,过冷奥氏体:把在Ar1温度以下暂时存在的、不稳定的奥 氏体称为过冷奥氏体。,3.1.2钢在冷却时的组织转变,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,A1PSK MsM转变开始线 MfM转变终了线 aa等温转变开始线 bb等温转变终了线,五线,A1 线以上:A稳定存在区 MsMf: M转变区 aa以左: 过冷A区 bb以右: 转变产物区 aabb:过冷A与转变产物共存区,五区,a,a ,b,b,曲线分析,3.1.2钢在冷却时的组织转变,过冷A等温转变曲线,C 曲线,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能:,1)珠光体转变 Ar1550 A过P,2)贝氏体转变 550Ms A过B,3)马氏体转变 MsMf连续冷却 A过M,3.1.2钢在冷却时的组织转变,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,1)珠光体转变,珠光体(P) 3800,托氏体(T) 8000,问题:P、S、T有何异同 ?,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,2)贝氏体转变,温度:550Ms,产物:贝氏体含过饱和碳的铁素体和碳化物 组成的机械混合物,用“B”表示。,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,3)马氏体转变,温度:MsMf,产 物:马氏体碳在-Fe中的过饱和固溶体, 用“M”表示,混合M,隐晶M,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,Ps AP 开始线 Pf AP 终止线 KK P转变终止线 k 上临界冷却速度 k 下临界冷却速度 MS A M 开始温度 Mf A M 终止温度,3.1.2钢在冷却时的组织转变,过冷A连续转变曲线,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,M+A,炉冷 P ( ) 空冷 S ( k) 油冷 T+M+A(k k) 水冷 M+A ( k ),连续冷却 转变产物和冷却速度的关系,3.1.2钢在冷却时的组织转变,过冷A连续转变曲线,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,3.2 钢的普通热处理(四把火),2019年5月22日,第3章 钢的热处理,退火:把钢加热到适当温度,保温一定时 间,然后缓慢冷却的热处理工艺。,P,600,钢的退火,缓慢冷却:随炉冷却、埋砂冷却或灰冷,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,退火分类:,完全退火(等温退火) 等温退火 球化退火 扩散退火(均匀化退火) 去应力退火,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,适用范围:亚共析钢(WC=0.30.6%) (铸、锻、焊件) 加热温度:,AC3+30 50 ,AC3+30 50 ,完全退火,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,退火后组织:P+F,中碳钢:珠光体+铁素体,完全退火,目的: 降低硬度,改善切削加工性能 细化晶粒 消除应力 均匀成份、组织 提高塑性,AC3+30 50 ,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,适用范围:合金钢 加热温度:,AC3+30 50 ,AC3(Ac1)+30 50 , 等温退火,等温退火工艺曲线,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,等温退火,完全退火的特例,优点:退火时间短,组织均匀,缩短生产周期,高速钢的退火工艺曲线,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,适用范围:共析钢 、过共析钢 加热温度: 目的:使片状 Fe3C 球化,AC1+20 30 , 球化退火,AC1+30 50 ,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,球状珠光体,退火后组织:球状P软, 球化退火,片状珠光体,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,加热温度: 目的:消除工件残余应力,稳定工件的尺寸;,扩散退火,去应力退火,T加热AC1,T加热=AC3150 250 , 去应力退火, 均匀化退火(扩散退火),加热温度: 目的:消除偏析,均匀成份、组织。,3.2.1 钢的退火和正火,钢的退火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,S,正火:将钢加热到Ac3(或Accm)以上 3050,保温一定时间,然后 出炉在空气中冷却的热处理工艺。,钢的正火,空冷,3.2.1 钢的退火和正火,钢的正火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,S,消除应力、细化晶粒、改善组织,提高钢的综合性能 对于中低碳钢,可适当提高硬度,改善其切削加工性能; 对于过共析钢,可消除网状Fe3C,为球化退火做准备; 作为普通结构件的最终热处理。,正火后组织:,目的:,3.2.1 钢的退火和正火,钢的正火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,加热温度 组织和性能 对切削加工的影响 正火细化、硬化 退火软化,生产周期在满足使用性能要求的情况下,优选正火。,3.2.1 钢的退火和正火,退火与正火比较,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,表3-4 退火和正火的工艺特点及适用范围,3.2.1 钢的退火和正火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,3.2.1 钢的退火和正火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,淬火:将钢加热到Ac3(或Ac1)以上 3050,保温一定时间,然后 以大于k的速度快速冷却,以获 得马氏体或下贝氏体组织的热处 理工艺。 目的:提高钢的硬度和耐磨性。 是强化钢材最重要的工艺方法。,M+A,钢的淬火,钢的退火,钢的正火,冷却速度快,热应力和组织转变应力大,工件易变形和开裂; 淬火(+回火)一般是最终热处理,是决定产品质量的关键工序。,3.2.2 钢的淬火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,(1)淬火加热温度,亚共析钢: Ac3 + 3050 (过)共析钢 :Ac1 + 3050 ,合金钢比相同含碳量的碳钢高,碳钢以铁碳相图为依据,3.2.2 钢的淬火,淬火工艺,(2)淬火保温时间:,用经验公式=KD估算,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,常用冷却介质:水、油、盐或碱的水溶液,冷却速度: 盐水 水 盐浴 油,理想的冷却介质: 在保证淬后获得M的前提下,又不造成开裂,且变形最小 。,3.2.2 钢的淬火,淬火工艺,(3)淬火冷却介质,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,单介质淬火:碳钢水;合金钢油,优点:操作简单、成本低; 缺点:淬火件质量较低、热应力大,双介质淬火:水油;水空气,优点:能保证淬火件的质量要求 缺点:操作难度大、热应力大,分级淬火:转变产物 M;,优点:热应力小,工件不易变形; 缺点:操作难度大,等温淬火:转变产物 B下;,优点:综合性能及尺寸精度高、不需回火; 缺点:工艺复杂、成本高,3.2.2 钢的淬火,常用淬火方法,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,淬透性:是指钢淬火时获得淬硬层深度的能力。 通常以在规定条件下获得淬硬层深度来衡量。 淬硬(透)层越深,表明淬透性越好。 决定于K,K越小,A越稳定,淬透性越好。,淬硬性:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。 决定于马氏体的含碳量。 含碳量越高,淬硬性越好。,淬透性淬硬性,3.2.2 钢的淬火,钢的淬透性,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,淬透性值的表示:,半M区到水冷端距离,半M区硬度,如:,淬透性曲线的测定末端淬火法(端淬试验),3.2.2 钢的淬火,钢的淬透性,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,定义:,目的:,减少或消除淬火应力,防止工件变形与开裂 稳定工件组织及尺寸; 获得所需的力学性能。,马氏体的分解 残余奥氏体的分解 碳化物的析出和变化 相(F)的回复和再结晶,回火时的组织转变及性能变化,3.2.3 钢的回火,2019年5月22日,第3章 钢的热处理,回火时的组织转变及性能变化,Fe3C,Ar B下或M回,马氏体分解,H 不变或略 、ak 略,含C过饱和 (针)+ (点) M回,马氏体分解 残余奥氏体分解,(略),、H (略) 脆性,M回,1,马氏体分解 碳化物聚集长大,相(F)的 回复和再结晶,消失,H 、ak M回 、H 较高 弹性 最佳 s 最佳,针状 F +颗粒
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