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43金屬材料熱處理工藝

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1、按一下以編輯母片標(biāo)題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,4.3,金屬材料熱處理工藝,Heat Treatment Metallic Materials,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing,),4.3.2,淬火與回火,(,Quenching and tempering,),4.3.3,鋼的淬透性,(,The hardenability of steel,),1,本節(jié)授課的,重,點(diǎn),:,1.,各種普通熱處理工藝(,即退火、正火、淬火及回火,)的類別,主要目的,適用材料及相應(yīng)的組織狀態(tài)(以自學(xué)為主);,2.,淬透性的有關(guān)概念(學(xué)

2、習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)),(,1,)有關(guān)淬透性的概念;,(,2,)淬透性對(duì)鋼力學(xué)性能的影響;,(,3,)影響淬透性的主要因素;,(,4,)淬透性的表示方法;,(,5,)淬透性的實(shí)際意義。,2,4.3,金屬材料熱處理工藝,Heat treatment process of metallic materials,強(qiáng)化,3,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing),1.,定義、目的,把工件加熱至臨界點(diǎn),Ac1(,或,Accm),以上或以下,保溫一定時(shí)間后,使其緩慢冷卻,(,生產(chǎn)中隨爐冷卻,),以獲得接近平衡狀態(tài)的組織,這種熱處理工藝稱為,退火,。,而,正火,(,?;?)

3、,是將鋼件加熱至,Ac3(,亞共析鋼,),或,Accm(,過(guò)共析鋼,),以上,30,50,,經(jīng)保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。,正火與退火的主要區(qū)別,在于冷卻速度不同,正火冷卻速度較快,得到的組織較細(xì),硬度、強(qiáng)度、韌性等也較高。,當(dāng)碳鋼中,W(C),0.6%,時(shí),正火后的組織為,F+S;,當(dāng),W,(,C,),=0,6%,1,4%,時(shí),正火后組織為,S(,偽共析組織,),。,4,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing),1.定義、目的,退火和正火的目的大致可歸納為如下幾點(diǎn):,(1)調(diào)整硬度以便進(jìn)行切削加工。因?yàn)楣ぜ?jīng)鑄造或鍛造等熱加工后,硬度常偏高或偏低而

4、且不均勻,嚴(yán)重影響切削加工。而經(jīng)適當(dāng)退火或正火后可使鋼件的硬度調(diào)整至170250HBW范圍且比較均勻,從而改善了切削加工性。,(2)消除剩余內(nèi)應(yīng)力,以防鋼件在淬火時(shí)產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。,(3)細(xì)化晶粒、改善組織以提高鋼的力學(xué)性能。,(4)為最終熱處理(淬火、回火)作好組織上的準(zhǔn)備。,5,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing),2.,退火與正火的種類、工藝特點(diǎn)及適用范圍,6,4.3.1,退火與正火,(,Annealing and normalizing),2.,退火與正火的種類、工藝特點(diǎn)及適用范圍,圖,4.35,(,a,)各種退火與正火工藝的加熱溫度,7,4

5、.3.2.,淬火與回火,(Quenching and tempering),淬火工藝是將鋼加熱至臨界點(diǎn)(Ac3或Ac1)以上,保溫后以大于VKC的速度冷卻,使A轉(zhuǎn)變?yōu)镸(或B下)的熱處理工藝;而回火則系指將淬火后的鋼加熱至A1以下的某一溫度后進(jìn)行冷卻的熱處理工藝。,一般淬火工件必經(jīng)過(guò)回火前方能使用。淬火與回火總是經(jīng)常配合使用的兩種應(yīng)用最廣且最重要熱處理工藝。,淬火的目的就是為了獲得M(或B下),以提高鋼的力學(xué)性能。淬火鋼件回火的目的在于:,(1)降低脆性,減少或消除內(nèi)應(yīng)力,防止變形開(kāi)裂;,(2)調(diào)整淬火鋼的組織與性能,用不同的回火溫度配合,獲得工件使用要求的性能;,(3)穩(wěn)定工件尺寸,以保證工

6、件在使用過(guò)程中不發(fā)生尺寸和形狀變化。,(4)對(duì)某些高淬透性合金鋼,空冷便可淬成M,如采用退火軟化,則周期很長(zhǎng)。此時(shí)可用高溫回火,使K聚集長(zhǎng)大,降低硬度,以利切削加工,同時(shí)可縮短軟化周期。,對(duì)有色金屬、A不銹鋼等,固溶處理習(xí)慣稱淬火。,圖,4.21,共析碳鋼的,CCT,曲線,8,1.,淬火工藝特點(diǎn),()淬火加熱溫度的選擇,其主要原則是獲得均勻細(xì)小的,A,組織。一般規(guī)定淬火加熱溫度在臨界點(diǎn)以上,30,50,。,對(duì)于亞共析碳鋼,淬火加熱溫度為,Ac,3,+30,50,,淬火組織為,M,。當(dāng),Wc,0.5%,時(shí)淬火組織中還有少量,Ar;,對(duì)于共析鋼和過(guò)共析碳鋼,淬火加熱溫度為,Ac,1,+30,50,

7、,,淬火后的組織為,M+Fe,3,C+Ar,,分散分布的未溶顆粒狀滲碳體對(duì)鋼的硬度和耐磨性有利。,圖,4.,碳鋼的淬火加熱溫度范圍,圖,4.,奧氏體的碳含量對(duì),M,轉(zhuǎn)變溫度(,a,)及,AR,量(,b,)的影響,9,1.,淬火工藝特點(diǎn),(2)淬火冷卻介質(zhì) 合理選擇淬火冷卻介質(zhì)是淬火工藝的重要問(wèn)題。為保證得到M組織,淬火冷卻速度必須大于VKC,但快冷不可防止地會(huì)造成很大內(nèi)應(yīng)力,往往會(huì)引起工件變形和開(kāi)裂。要想既得到M又防止變形開(kāi)裂,理想的淬火冷卻曲線如右圖4-36所示。即在C曲線拐點(diǎn)附近其V冷VKC。而在拐點(diǎn)以下,MS點(diǎn)附近,則應(yīng)盡量慢冷,以減少M(fèi)轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。工業(yè)上常用的淬火冷卻介質(zhì)是水、

8、鹽水、油等。,圖,4.36,淬火時(shí)的理想冷卻曲線示意圖,表,4.,常用淬火介質(zhì)及其冷卻特性,10,1.,淬火工藝特點(diǎn),(,3,)淬火方法,目前還沒(méi)有理想的淬火介質(zhì),在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)淬火件的具體情況采用不同的淬火方法,以盡量取得好的淬火效果。常用淬火方法的冷卻方式與特點(diǎn)等,如圖,4-37,及表,4-6,所示,。,表,4-6,常用淬火方法的種類、冷卻特點(diǎn)和應(yīng)用,圖,4.37,各種淬火冷卻曲線示意圖,11,2.,回火的種類及適用范圍,回火溫度對(duì),50,鋼力學(xué)性能的影響圖,(,a,),wC,0.82,的鋼 (,b,),wC,0.2,的鋼,鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系圖,12,2.,回火的種類及適用范

9、圍,圖,4.30,鋼的沖擊韌度與回火溫度關(guān)系,13,2.,回火的種類及適用范圍,表,4.7,回火種類、溫度范圍、組織形態(tài)、性能特點(diǎn)及應(yīng)用,14,例題,4-1,共析碳鋼在例題圖,.,所示方法冷至室溫后的轉(zhuǎn)變組織為何?,i.分析 此題旨在檢查是否正確掌握利用C曲線來(lái)近似分析不同熱處理工藝(冷卻)條件下獲得轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(組織)的方法。,冷卻速度條件下,由于冷速緩慢,當(dāng)緩冷至點(diǎn)i時(shí),A 開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)锳+P組織,繼續(xù)緩冷至點(diǎn)ii以下時(shí),會(huì)得到全部P組織。,冷卻速度,外表觀察該冷卻速度曲線似乎已切割了C曲線。但仔細(xì)分析,在臨界點(diǎn)以上的那一段緩慢冷卻實(shí)屬保溫時(shí)間,此時(shí)該合金的組織仍為穩(wěn)定A,它如同仍在左上角O點(diǎn)一

10、樣,此時(shí)A并不會(huì)發(fā)生分解。只有繼續(xù)快速冷卻,當(dāng)其實(shí)際VVKC時(shí),就一定會(huì)獲得M組織?,F(xiàn)可從O點(diǎn)作V2的平行線V4,并判斷其V4是否大于VKC。很顯然此處V4VKC,故V2下最終的組織為M+AR。,在冷卻速度曲線的中下方有一水平臺(tái)階,它相當(dāng)于等溫冷卻,此冷卻線與A等溫冷卻轉(zhuǎn)變開(kāi)始線的下半局部相交,說(shuō)明會(huì)產(chǎn)生局部B下轉(zhuǎn)變,當(dāng)又繼續(xù)快速冷卻時(shí),剩余的A將轉(zhuǎn)變?yōu)镸+AR。,在冷卻速度條件下,由于其冷速大于VKC,故所獲得組織應(yīng)為M+AR。,例題圖,4.1 C,曲線的應(yīng)用,15,例題,4-1,共析碳鋼在例題圖,.,所示方法冷至室溫后的轉(zhuǎn)變組織為何?,ii.解答 獲得組織:P;M+AR;B下+M+AR;M

11、+AR。,iii.歸納 初學(xué)者易產(chǎn)生的錯(cuò)誤可概括為:只獲得B下;下,獲得P或P+M。這說(shuō)明僅從形式上認(rèn)識(shí)冷卻速度曲線與C曲線關(guān)系是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。對(duì)于,開(kāi)始的近乎水平似的冷卻可看成是保溫,因而就如同從O點(diǎn)開(kāi)始一樣,如再做一條平行線平行于,就很容易看出只能會(huì)得到M+AR組織。對(duì)于,當(dāng)A在等溫冷卻階段僅有局部轉(zhuǎn)變?yōu)锽下,繼續(xù)快速冷卻時(shí)尚未轉(zhuǎn)變的A隨即又轉(zhuǎn)變?yōu)镸+AR,這里關(guān)鍵是應(yīng)明確鋼的冷卻轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是A的轉(zhuǎn)變,當(dāng)A遇到第一條C字時(shí)即開(kāi)始發(fā)生B下轉(zhuǎn)變,但還未與第二條C字相遇,這說(shuō)明仍有局部A,因而在快速冷卻時(shí)會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)變。,該題所反映出來(lái)的問(wèn)題是大多數(shù)初學(xué)者都會(huì)遇到的普遍性問(wèn)題,它說(shuō)明對(duì)于C、CCT曲線的

12、含義還未真正搞清。另外,冷卻速度曲線與不同熱處理工藝相對(duì)應(yīng),掌握它更具實(shí)際應(yīng)用意義。這亦需要引起學(xué)習(xí)者足夠重視。,iv.請(qǐng)思考:若要獲得T+M+AR組織,請(qǐng)?jiān)趫D中繪出所選擇的相應(yīng)冷卻速度曲線?,例題圖,4.1 C,曲線的應(yīng)用,16,例題,4-2,在分析共析鋼正火作用時(shí),應(yīng)根據(jù)曲線、曲線還是,e,e3,相圖?,i.分析 此題旨在檢查正火的定義是否真正理解。所謂正火,即把鋼件加熱至Ac3或Accm以上,經(jīng)一定時(shí)間保溫后取出空冷,以期獲得索氏體組織的一種熱處理工藝操作。從定義的敘述中,可體會(huì)到正火包含加熱過(guò)程,保溫,冷卻過(guò)程。,加熱,就需要確定具體的加熱溫度范圍,這就需要借助于變化了的e e3相圖;

13、,冷卻過(guò)程是在空氣中進(jìn)行的,那就需要根據(jù)CCT曲線來(lái)分析了,但由于C曲線和CCT曲線存有共同的理論基礎(chǔ),如果手頭沒(méi)有CCT曲線(因其測(cè)定較困難),因而可根據(jù)C曲線近似地估計(jì)正火連續(xù)冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。,17,例題,4-2,在分析共析鋼正火作用時(shí),應(yīng)根據(jù)曲線、曲線還是,e,e,3,相圖?,ii.,解答,在分析共析鋼的正火作用時(shí),確定正火的加熱溫度范圍時(shí)應(yīng)依據(jù)變化了的,Fe-Fe3C,相圖;當(dāng)判斷正火的冷卻組織時(shí)則應(yīng)依據(jù),CCT,曲線來(lái)分析。,若查不到有關(guān),CCT,曲線的資料時(shí),則可利用,C,曲線近似地估計(jì)正火冷卻時(shí)的組織。,iii.,歸納,正火的定義可能人人都會(huì)背,但深入理解正火的作用并非易事,決

14、不能只知其一就算了事。既要考慮加熱溫度范圍,又要分析冷卻過(guò)程中的變化,還要與該鋼的,C,、,CCT,曲線結(jié)合起來(lái)綜合考慮。對(duì)于其它的熱處理工藝亦是一樣。,iv.,請(qǐng)思考:,若,45,鋼,,T12,鋼正火處理后,分別將獲得何種類型的組織呢?,18,請(qǐng)帶著以下問(wèn)題學(xué)習(xí)“鋼的淬透性:,1.,有關(guān)淬透性的概念,(,1,)何謂淬透性?(,2,)淬透性大小是如何確定的?,(,3,)確定淬硬層深度的組織標(biāo)準(zhǔn)是什么?,(,4,)淬透性與淬硬性、淬硬層深度的區(qū)別又是什么?,2.,淬透性對(duì)鋼力學(xué)性能產(chǎn)生如何影響?,(,1,)強(qiáng)度(,b,、,s,)、硬度(,HBS,)與塑、韌性(,K,)等,(,2,)疲勞強(qiáng)度(,-

15、1,)與屈強(qiáng)比(,s,/,b,),3.,影響淬透性的決定性因素與主要因素分別是什么?,(,1,)決定性因素,V,KC,(,2,)鋼的化學(xué)成分,碳含量與合金元素含量,(,3,)鋼的奧氏體化條件,4.,淬透性的表示方法是什么?,(,1,)末端淬火法(,J,);(,2,)臨界直徑法(,D,C,),5.,淬透性的實(shí)際意義又在何處?,19,4.3.3,鋼的淬透性,(,The hardenability of steel,),網(wǎng)帶式淬火爐,淬透性,是鋼的主要熱處理工藝性能,,它,對(duì)合理選材及正確制訂熱處理工藝,具有十分重要的意義。,20,4.3.3,鋼的淬透性,(,The hardenability of

16、 steel,),現(xiàn)有一60mm的45鋼坯棒料,加熱到奧氏體化溫度水淬,擊斷后觀察其斷口,可看到沿外外表一圈呈脆性的細(xì)瓷狀和心部呈韌性的纖維狀的雙層結(jié)構(gòu);若將斷口磨平依次測(cè)量硬度,可以發(fā)現(xiàn)試棒外表硬度高(壓痕小而淺)而心部硬度低(壓痕大而深),如左以下圖所示。,觀察其斷口金相組織,發(fā)現(xiàn)試棒外表是M組織,靠?jī)?nèi)是T組織,從外表至心部其M數(shù)量是逐漸減少的,如右以下圖所示。,45,鋼未淬透斷口及沿?cái)嗝嬗捕葔汉鄞笮?斷面上,M,的分布情況(金相組織及分布曲線),21,4.3.3,鋼的淬透性,(,The hardenability of steel,),由于工件截面中心的冷卻速度鋼的VKC,工件就會(huì)淬透。而工件淬火時(shí)外表冷速最大,心部冷速最小,由外表至心部冷速逐漸降低(見(jiàn)右圖所示)。只有冷速VKC的工件外層局部才能得到M(右圖中陰影局部),這就是工件的淬透層。而冷速VKC的心部只能獲得非M組織,這就是工件的未淬透區(qū)。,圖,4.,工件截面不同冷速(,a,)與未淬透區(qū)(,b,)示意圖,22,1.,有關(guān)淬透性的概念,圖,4.,M,量和硬度隨深度的變化,所謂,淬透性,系指鋼在淬火時(shí)獲得淬透層深度的能力,是

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