工程资料教案-6钢的热处理[整理版

工程资料教案-6钢的热处理[整理版内容摘要：

体心正方晶格。 c/a 称为马氏体的正方度，其值大于 1，马氏体中含碳量愈高， c/a 的数值就越大。 大量碳原子的过饱和造成晶格的畸变，使塑性变形的抗力增加；另外，由于马氏体的比容比奥氏体大，当奥氏体转变成马氏体时发生体积膨胀，产生较大的内应力，引起 塑性变形和加工硬化。 因此，马氏体具有高的强度和硬度。 奥氏体转变后，所产生的 M 的形态取决于奥氏体中的含碳量，低碳马氏体呈板条状；高碳马氏体呈针叶状。 可见，含碳量＜ %的为板条马氏体；含碳量在 — %之间为板条和针状混合的马氏体；含碳量大于 %的为针状马氏体。 这两种不同形态的马氏体具有不同机械性能，随着马氏体含碳量的增加，形态从板条状过渡到针叶状，硬度和强度也随之升高，而塑性和韧性随之降低。 可见，低碳马氏体强而韧，而高碳马氏体硬而脆。 这是因为低碳马氏体中含碳量较低，过饱和度较小，晶格畸变也 较小，故具有良好的综合机械性能。 随含碳量增加，马氏体的过饱和度增加，使塑性变形阻力增加，因而引起硬化和强化。 当含碳量很高时，尽管马氏体的硬度和强度很高，但由于过饱和度太大，引起严重的晶格畸变和较大的内应力，致使高碳马氏体针叶内产生许多微裂纹，因而塑性和韧性显著降低。 针叶状和板条状马氏体的形态见图 611。 a) 板条状马氏体 b)针叶状马氏体 图 611 马氏体的形态 （ 2）马氏体的转变过 程 马氏体转变是在 Ms～ Mf温度范围内进行的。 当奥氏体过冷到 Ms 点时，便有第一批马氏体针叶沿奥氏体晶界形核并迅速向晶内长大，由于长大速度极快，它们很快横贯整个奥氏体晶粒或很快彼此相碰而立即停止长大，必须降低温度，才能有新的马氏体针叶形成。 如此不断连续冷却便有一批又一批的马氏体针叶不断形成。 随温度降低，马氏体的数量不断增多，直至马氏体转变终了温度 Mf点，转变结束。 （但此时并不可能获得 100%马氏体，总有部分奥氏体被保留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体，用γ 39。 或 A39。 表示，可见残余奥氏体就是 M 转变后剩余的奥氏体 ，室温下不再发生相变；而过冷奥氏体则是未发生相变，随时间的延长会发生相变的奥氏体。 ） 对于 Ms和 Mf点的温度，实验表明： Ms和 Mf与冷却速度无关，而奥氏体的成分对其有显著影响，含碳量增加， Ms及 Mf点降低， 如 图 612所示。 可见，奥氏体中含碳量超过 %时， Mf点便下降到室温以下，而一般的淬火操作均是冷却到室温，高于 Mf点，必然保留一定量的残余奥氏体。 此外，奥氏体中的合金元素，也会明显降低其 Ms和 Mf点，从而增加了淬火后的残余 A 量。 图 612 含碳量对 Ms、 Mf的影响 冷处理：对高碳钢或高碳合金钢 ，为了减少其淬火后残余奥氏体的量，常对其进行“冷处理”。 所谓的冷处理即淬火至室温后，立即将钢件放入干冰酒精等深冷剂中继续冷却到零下温度，使残余奥氏体继续转变为马氏体。 四、 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 在实际生产中，奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行，故有必要对过冷奥氏体的连续冷却转变曲线有所了解。 它也是由实验方法测定的，它与等温转变曲线的区别在于连续冷却转变曲线位于曲线的右下侧，且没有 C 曲线的下部分，即共析钢在连续冷却转变时，得不到贝氏体组织。 这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长，当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到 Ms 点而发生马氏体转变，所以不出现贝氏体转变。 连续冷却转变曲线又称 CCT 图（ Continuous Cooling Transformation Curve），如图 613 所示 ： 图中 Ps和 Pf表示 A→ P 的开始线和终了线， K 线表示 A→ P 的终止线，若冷却曲线碰到 K线，这时 A→ P转变停止，继续冷却时 A 一直保持到 Ms点温度以下转变为马氏体。 3001001 10200Ms 610 510 310时间（s） 210 410700温度℃500400600A1A→ A1 V K 39。 V KM+A39。 P+M+A39。 TTTPCCTKP SP f 图 613 连续冷却转变曲线 Vk称为临界冷却速度，它是获得全部 马氏体组织的最小冷却速度。 Vk愈小，钢在淬火时越容易获得马氏体组织，即钢接受淬火的能力愈大。 Vk’是 TTT 图上的临界冷却速度，可见 Vk’＞ Vk，用 Vk’去研究钢在连续冷却时接受淬火能力的大小是不合适的。 在实际生产中，由于连续冷却曲线的测定比较困难，且 CCT 图少，对于某种钢若找不到它的 CCT 图，可用 TTT 图定性地分析其应得到的组织。 但定量上不够精确。 【 作业题 】 1. 解释下列名词： 1）奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度； 2）珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体； 3）奥氏体、过冷奥氏体、残 余奥氏体； 2. 何谓本质细晶粒钢。 本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定比本质粗晶粒钢的细。 第四节 钢的退火与正火 普通热处理是将工件整体进行加热、保温和冷却，以使其获得均匀的组织和性能的一种操作。 它包括退火、正火、淬火和回火。 实际生产中，各种工件在制造过程中有不同的工艺路线，如：铸造（或锻造）→退火（正火）→切削加工→成品；或铸造（或锻造）→退火（正火）→粗加工→淬火→回火→精加工→成品。 可见，退火与正火是应用非常广泛的热处理。 为什么将其安排在铸造成锻造之后，切削加工之前呢。 原因如下： ① 在铸造或锻 造之后，钢件中不但残留有铸造或锻造应力，而且还往往存在着成分和组织上的不均匀性，因而机械性能较低，还会导致以后淬火时的变形和开裂。 经过退火和正火后，便可得到细而均匀的组织，并消除应力，改善钢件的机械性能并为随后的淬火作了准备。 ② 铸造或锻造后，钢件硬度经常偏高或偏低，严重影响切削加工。 经过退火与正火后，钢的组织接近于平衡组织，其硬度适中，有利于下一步的切削加工。 ③ 如果工件的性能要求不高时，如铸件、锻件或焊接件等，退火或正火常作为最终热处理。 一、 钢的退火 退火是将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一 温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作。 根据钢的成分、组织状态和退火目的不同，退火工艺可分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火等。 用于亚共析钢成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材。 有时也用于焊接结构。 目的： 细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。 完全退火工艺： 将工件加热到 Ac3 以上 30～ 50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到 500℃以下，然后在空气中冷却。 这种工艺过程比较费时间。 为克服这一缺点，产生了等温退火工艺。 等温退火工 艺： 先以较快的冷速，将工件加热到 Ac3 以上 30～ 50℃，保温一定时间后，先以较快的冷速冷到珠光体的形成温度等温，待等温转变结束再快冷。 这样就可大大缩短退火的时间。 高速钢的等温退火与完全退火的比较。 主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢。 目的： 在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火做准备。 实质： 通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，球化退火后的组织是由铁素体和球状渗碳体组成的球状珠光体。 球化退火工艺： 将钢件加热到 Ac1 以上 30～ 50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至 600℃后出炉空冷。 同样为缩短退火时间，生产上常采用等温球化退火，它的加热工艺与普通球化退火相同，只是冷却方法不同。 等温的温度和时间要根据硬度要求，利用 C 曲线确定。 可见球化退火（等温）可缩短退火时间。 （低温退火） 主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件（或冷拔件）及机加工的残余内应力。 这些应力若不消除会导致随后的切削加工或使用中的变形开裂。 降低机器的精度，甚至会发生事故。 去应力退火工艺： 将工件随炉缓慢加热（ 100～ 150℃ /h）至 500～ 650℃（＜A1点 ＝），保温一段时间后随炉缓慢冷却（ 50～ 100℃ /h），至 200℃出炉空冷。 在去应力退火中不发生组织转变。 在保温过程中（ 500～ 650℃）部分弹性变形转变为塑性变形，使内应力下降。 退火温度愈高，内应力消除越充分，退火所需的时间越短。 二、 钢的正火： 正火： 将工件加热到 Ac3或 Accm以上 30～ 50℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。 与退火的区别 是冷速快，组织细，强度和硬度有所提高。 当钢件尺寸较小时，正火后组织： S，而退火后组织： P。 钢的退火与正火工艺参数见图 614所示。 正火的应用： （ 1）用于普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒提高 机械性能。 （ 2）用于低、中碳钢作为预先热处理，得合适的硬度便于切削加工。 （ 3）用于过共析钢，消除网状 Fe3CⅡ ，有利于球化退火的进行。 三、 退火和正火的选择 从前面的学习中知，退火与正火在某种程度上有相似之处，在实际生产中又可替代，那么，在设计时根据什么原则进行选择呢。 从以下三方面予以考虑： （ 1）从切削加工性上考虑 切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。 一般金属的硬度在 HB170～ 230范围内，切削性能较好。 高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨 损，加工后的零件表面粗糙度很大。 对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。 至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。 （ 2）从使用性能上考虑 如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。 （ 3）从经济上考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。 图 614 钢的退火与正火工艺参数 第五节 钢的淬火 淬火就是将钢件加热到 Ac3或 Ac1以上 30～ 50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。 一、 淬火工艺 淬火的目的就是获得马氏体。 但淬火必须和回火相配合，否则淬火后得到了高硬度，高强度，但韧性，塑性低，不能得到优良的综合机械性能。 淬火是一种复杂的热处理工艺，又是决定产品质量的关键工序之一，（淬火后要得到细小的马氏体组织又不致于产生严重的变形和开裂）就必须根据钢的成分、零件的大小，形状等，结合 C曲 线合理地确定淬火加热和冷却方法。 马氏体针叶大小取决于奥氏体晶粒大小。 为了使淬火后得到细而均匀的马氏体，首先要在淬火加热时得到细而均匀的奥氏体。 因此，加热温度不宜太高。 只能在临界点以上 30～ 50℃。 淬火工艺参数见图 615 所示。 对于亚共析钢： Ac3+（ 30～ 50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体。 对于过共析钢： Ac1+（ 30～ 50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织。 如果加热温度过高，渗碳体溶解过多，奥氏体晶粒粗大，会使淬火组织中马氏体针 变粗，渗碳体量减少，残余奥氏体量增多，从而降低钢的硬度和耐磨性。 图 615淬火工艺参数的选择 淬火冷却是决定淬火质量的关键，为了使工件获得马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度 V 临 ，而快冷会产生很大的内应力，容易引起工件的变形和开裂。 所以既不能冷速过大又不能冷速过小，理想的冷却速 度应是如图 616所示的速度，但到目前为止还没有找到十分理想的冷却介质能符合这一理想的冷却速度的要求。 最常用的冷却介质是水和油，水在 650～ 550℃范围内具 有很大的冷却速度（＞ 600℃ /s），可防止珠光体的转变，但在 300～ 200℃时冷却速度仍然很快（约为 270℃ /s）， 图 616 淬火理想的冷却速度 这时正发生马氏体转变具有如此高 的冷速， 必然会引起淬火钢的变形和开裂。 若在水中加入 10%的盐（ NaCl）或碱（ NaOH），可将 650～ 550℃范围内的冷却速度提高到 1100℃ /s，但在 300～ 200℃范围内冷却速度基本不变，因此水及盐水或碱水常被用作碳钢的淬火冷却介质，但都易引起材料变形和开裂。 而油在 300～ 200℃范围内的冷却速度较慢（ 约为 20℃/s），可减少钢在淬火时的变形和开裂倾向，但在 650～ 550℃范围内的冷却速度不够大（约为 150℃ /s），不易使碳钢淬火成马氏体，只能用于合金钢。 常用淬火油为 10， 20机油。 此外，还有硝盐浴（ 55%KNO3+45%NaNO2另加 3～ 5%H2O）、碱浴（ 85%KOH+15%NaNO2，另加 3～ 6%H2O）及聚乙烯醇水溶液（浓度为 ～ %）和三硝水溶液（ 25%NaNO3+20%KNO3+20%NaNO2+35%H2O）等作为淬火冷却介质，它们的冷却能力介于水与油之间，适用于油淬不硬，而水 淬开裂的碳钢零件。 为了使工件淬火成马氏体并防止变形和开裂，单纯依靠选择淬火介质是不行。