改善材料性能的热处理、合金化及改性课件.ppt
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- 改善 材料 性能 热处理 合金 改性 课件
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1、 退出退出 加工硬化加工硬化 (主要提高强度,第(主要提高强度,第3章)。章)。合金化合金化 (可全面提高性能,第(可全面提高性能,第5章)。章)。整体热处理整体热处理(全面提高性能)。(全面提高性能)。表面改性表面改性 (表面热处理、表面涂层等,(表面热处理、表面涂层等,提高表面性能)。提高表面性能)。F+Fe3C(P)A(奥氏体)(奥氏体)步骤:步骤:在在F/Fe3C界面上形核(界面上形核(TA1)。)。-Fe -Fe的晶格改组的晶格改组+Fe3C的溶解。的溶解。滞后于滞后于A的形成。的形成。成分的扩散均匀。成分的扩散均匀。图图4-14-1 非共析钢(非共析钢(F+P 或或 Fe3C+P)
2、,除),除 PA 外,尚有外,尚有 F 或或 Fe3C 溶入溶入 A。由于转变滞后(由于转变滞后(T),加热时需达到),加热时需达到Ac1,Ac3,Accm;冷却;冷却时时Ar1,Ar3,Arcm。加热速度加热速度v,T,PA转变越快,孕育期转变越快,孕育期,奥氏,奥氏体形成所需时间越短。体形成所需时间越短。PA 刚完成时为细小等轴晶,随后逐渐晶粒长大。刚完成时为细小等轴晶,随后逐渐晶粒长大。钢材锻造在奥氏体相区进行。钢材锻造在奥氏体相区进行。钢材热处理的必要步骤。钢材热处理的必要步骤。许多化学热处理在高温奥氏体相区进行。许多化学热处理在高温奥氏体相区进行。图图4-24-2图图4-34-3等温
3、冷却与连续冷却,以获得不同的组织与等温冷却与连续冷却,以获得不同的组织与 性能。性能。奥氏体在什么温度下进行组织转变。奥氏体在什么温度下进行组织转变。过冷奥氏体等温转变曲线(过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)图三区域:曲线)图三区域:过冷过冷A区、转变区、转变完成区。区、转变区、转变完成区。高温转变区(高温转变区(A1550):):珠光体(珠光体(pearlite)转变区()转变区(P区)为片层状组织,区)为片层状组织,转变温度越低、片层越细,转变温度越低、片层越细,A1650珠光体、珠光体、650600索氏体、索氏体、600550 屈氏体。屈氏体。图图4-44-4中温转变区(中温转变区(550
4、Ms):):贝氏体(贝氏体(bainite)转变区()转变区(B区),区),Fe不能扩散,不能扩散,C的扩散能力的扩散能力,形成,形成(过饱和铁素体)和(过饱和铁素体)和Fe3C的非片层的非片层状组织。状组织。550350羽毛状。羽毛状。350240针状,性能好(强韧性高)。针状,性能好(强韧性高)。低温转变区(低温转变区(MsMf):):马氏体(马氏体(martensite)转变区()转变区(M区),无扩散相变,区),无扩散相变,成分不变、形成极度过饱和的成分不变、形成极度过饱和的固溶体(马氏体)。一般固溶体(马氏体)。一般转变不完全,形成部分残余奥氏体。转变不完全,形成部分残余奥氏体。板条
5、板条M:Wc0.20%,强度高兼有一定韧性。,强度高兼有一定韧性。针状针状M:Wc1.0%,硬而脆。,硬而脆。图图4-64-6图图4-74-7图图4-84-8图图4-54-5 非共析钢,增加一条先共析相析出线非共析钢,增加一条先共析相析出线AF或或AFe3C。添加合金元素:添加合金元素:一般使一般使C曲线右移,过冷奥氏体稳定性曲线右移,过冷奥氏体稳定性。可使可使P区与区与B区分离,形成双鼻尖的曲线。区分离,形成双鼻尖的曲线。图图4-104-10图图4-94-9 共析碳钢:共析碳钢:炉冷炉冷珠光体珠光体;空冷空冷索氏体;索氏体;风冷风冷屈氏体;屈氏体;油冷油冷屈氏体屈氏体+马氏体;马氏体;水冷水
6、冷马氏体。马氏体。冷速冷速,越易得到极端不平衡组织(硬化组织)即马氏,越易得到极端不平衡组织(硬化组织)即马氏体、贝氏体等。体、贝氏体等。合金钢因合金元素作用,更易得到硬化组织。合金钢因合金元素作用,更易得到硬化组织。图图4-114-11回火转变本质:回火转变本质:不稳定的组织状态不稳定的组织状态 较为稳定的组织较为稳定的组织状态(回火组织)。状态(回火组织)。种种不稳定性:种种不稳定性:残余奥氏体不应存在残余奥氏体不应存在 要转变(要转变(M M)相严重畸变相严重畸变 等轴晶等轴晶F F Fe Fe3 3C C等碳化物很细小等碳化物很细小 长大、聚集长大、聚集 内应力存在内应力存在 消除消除
7、 不同温度、不同时间,完成的程度不同,得到不同回火不同温度、不同时间,完成的程度不同,得到不同回火 组织与性能。组织与性能。T,tT,t马氏体(马氏体(M M)、贝氏体)、贝氏体(B B)中有过饱和碳)中有过饱和碳要分解、析出要分解、析出回火组织分类:回火组织分类:回火马氏体(回火马氏体(250300)、)、回火屈氏体(回火屈氏体(300500)、)、回火索氏体(回火索氏体(500650)。)。说明:说明:一般回火温度一般回火温度A1(碳钢(碳钢727),一定程度上),一定程度上保留硬化组织的强韧性。保留硬化组织的强韧性。相同的硬度下,回火组织的强韧性明显优于冷却相同的硬度下,回火组织的强韧性
8、明显优于冷却转变组织。转变组织。合金钢的各个回火阶段向高温转移,高合金钢尤合金钢的各个回火阶段向高温转移,高合金钢尤甚。甚。图图4-134-13图图4-124-12有色金属材料的固溶及时效处理有色金属材料的固溶及时效处理(solution&aging process of non-ferrous metal)有色金属强化方式:有色金属强化方式:固溶强化(很弱)、加工硬化和沉固溶强化(很弱)、加工硬化和沉淀强化(时效强化,很强)。淀强化(时效强化,很强)。时效强化合金条件:时效强化合金条件:较大溶解度,且溶解度随温度下降较大溶解度,且溶解度随温度下降 明显降低。明显降低。有色合金时效强化三步曲(
9、有色合金时效强化三步曲(Al4%Cu为例)为例):时时 效效 方方 式:式:人工时效(人工时效(150150250250数数h h)、自然)、自然 时效(高温放置数天或数星期)。时效(高温放置数天或数星期)。高温固溶高温固溶(500600 )200MPa 水中急冷水中急冷(过饱和过饱和)250 MPa 时效析出时效析出400 MPa图图4-144-14 1:1:一批金属模铸造的铝合金件,铸后车削时粘刀,一批金属模铸造的铝合金件,铸后车削时粘刀,放置两周后切削性能很好的原因。放置两周后切削性能很好的原因。2:2:教材教材P44P44,用于飞机结构铆接的铝制铆钉,现已经,用于飞机结构铆接的铝制铆钉
10、,现已经固溶处理,但因故不能马上进行铆接,怎么办固溶处理,但因故不能马上进行铆接,怎么办?改善锻件、铸件的不良的组织等改善锻件、铸件的不良的组织等为零件的后续加为零件的后续加工工 服务;获得均匀理想的组织状态服务;获得均匀理想的组织状态为最终热处理服务。为最终热处理服务。退火、正火、调质。退火、正火、调质。工艺:工艺:加热奥化后缓冷(加热奥化后缓冷(APAP转变),获得平衡组织。转变),获得平衡组织。可按加热温度高低、冷却方式及与临界点关系可按加热温度高低、冷却方式及与临界点关系(Ac(Ac3 3、AccmAccm、AcAc1 1)分类。分类。性能:性能:软化状态。软化状态。图图4-174-1
11、7图图4-184-18 工艺:工艺:完全奥化(完全奥化(Ac3或或Accm+3050)+空冷。空冷。组织:组织:索氏体为主。索氏体为主。性能:性能:强度、硬度高于退火,塑性略下降。强度、硬度高于退火,塑性略下降。工艺:工艺:淬火淬火+高温回火(奥化高温回火(奥化快冷快冷500650回回 火)。火)。组织:组织:回火索氏体,细小均匀,力性优于正火。回火索氏体,细小均匀,力性优于正火。比较:比较:表表4-14-1 共性:共性:成分不均匀(偏析)、组织不均匀、性能低成分不均匀(偏析)、组织不均匀、性能低 且不均匀。且不均匀。工艺:工艺:高温长时均匀化处理(扩散退火),高温长时均匀化处理(扩散退火),
12、1050 1050 1150 1150,101015h15h炉冷。炉冷。特点:特点:周期长、耗能,烧损材料,晶粒粗大;用于合周期长、耗能,烧损材料,晶粒粗大;用于合金钢锭、坯。金钢锭、坯。共性:共性:粗晶、带状组织、魏氏组织等。粗晶、带状组织、魏氏组织等。工艺:工艺:完全退火完全退火 AcAc3 3+20+2050 50,亚共析钢得等轴,亚共析钢得等轴 F+P F+P。共性共性(不良情况不良情况):锻后缓冷锻后缓冷 细细P+晶界晶界Fe3C(脆性薄(脆性薄壳)。壳)。工工 艺:艺:正火正火(Accm+4060)+空冷或风冷空冷或风冷 片层状片层状P。共共 性:性:焊接应力、冷裂纹及氢脆倾向。焊
13、接应力、冷裂纹及氢脆倾向。工工 艺:艺:低温退火低温退火(去应力去应力);去氧退火;去氧退火(300 350)。亚共析钢:亚共析钢:采用完全退火或正火。采用完全退火或正火。过共析钢:过共析钢:采用球化退火。采用球化退火。整体调质或正火,为表面强化层提供强有力的支撑。整体调质或正火,为表面强化层提供强有力的支撑。要求:要求:材料塑性非常好、变形抗力低、性能均匀材料塑性非常好、变形抗力低、性能均匀 组组织均匀、球化组织。织均匀、球化组织。工艺:工艺:球化退火:球化退火:球化率球化率90%,硬度,硬度。中间退火(用于多道变形工序之间):中间退火(用于多道变形工序之间):再结晶退再结晶退火(火(T=T
14、再再+150250),消除加工硬化、恢复消除加工硬化、恢复材料塑性。材料塑性。图图4-194-19原则:原则:在一定硬度范围内在一定硬度范围内(160230HBS)并兼有合适组并兼有合适组织时,切削加工性最佳。织时,切削加工性最佳。各类材料合适工艺:各类材料合适工艺:Wc0.25%正火正火(退火态太软,正火退火态太软,正火得较多得较多P,保证硬度范围,保证硬度范围)0.25%0.40%正火(碳钢)或正火(碳钢)或退火(合金钢)退火(合金钢)0.40%0.60%完全退火完全退火Wc0.60%球化退火(球状珠光体)球化退火(球状珠光体)钢:钢:有色金属铸件有色金属铸件(软而粘力、表面粗糙软而粘力、
15、表面粗糙)(人工或自然人工或自然)时效。时效。铸件(表面白口,即粗大铸件(表面白口,即粗大 Fe3C)石墨化退火石墨化退火(850950,2 5h)。工艺:工艺:随炉缓慢加热随炉缓慢加热 500600(26h)炉冷至炉冷至 400以下。以下。1.1.解释去应力退火。解释去应力退火。2.2.涉及以上多种要求时,是否需要分别进行涉及以上多种要求时,是否需要分别进行 多次预先热处理?多次预先热处理?表表4-24-2钢铁材料:钢铁材料:通过获得非平衡组织(通过获得非平衡组织(M、B下下)硬化。)硬化。有色金属:有色金属:固溶固溶+时效硬化。时效硬化。淬火淬火将钢铁加热至高温奥氏体后急冷获得高硬度将钢铁
16、加热至高温奥氏体后急冷获得高硬度 马氏体的工艺操作。马氏体的工艺操作。表表4-34-3淬火三原则:淬火三原则:淬淬 硬:主要得到马氏体,其硬度取决于含碳量。硬:主要得到马氏体,其硬度取决于含碳量。淬淬 透:零件内部与表面均匀一致。透:零件内部与表面均匀一致。冷速适当:冷速适当:k k即可,避免过大淬火应力导致的即可,避免过大淬火应力导致的 变形与开裂。变形与开裂。淬淬 透透 性:性:材料奥化后接受淬火的能力,高合金材料奥化后接受淬火的能力,高合金 钢钢 合金钢碳钢。合金钢碳钢。淬透性的影响:淬透性的影响:淬透性差的碳钢,当零件截面较大时淬透性差的碳钢,当零件截面较大时 (303050mm),5
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