模具材料与热处理第三章-钢的热处理基础课件.ppt

1、第三章钢的热处理基础第一节钢在加热时的组织转变第二节钢在冷却时的组织转变第三节钢的热处理工艺第三章钢的热处理基础图3-1热处理工艺曲线第一节钢在加热时的组织转变图3-2Fe-FC相图(部分)第一节钢在加热时的组织转变图3-3加热和冷却速度对临界温度的影响第一节钢在加热时的组织转变一、奥氏体晶粒的形核和长大1.奥氏体晶核的形成和长大与残余渗碳体的溶解奥氏体晶核的形成过程包含了两个转变：即首先要由-Fe向-Fe的晶格类型的转变；另一方面要由原来珠光体中含碳质量分数为6.69%的渗碳体和含碳质量分数为0.02%的铁素体转变为共析温度以上的含碳质量分数为0.77%的奥氏体。2.奥氏体的成分均匀化当珠光

2、体全部转变为奥氏体后，铁素体和渗碳体已不复存在，但是奥氏体的含碳量还是不均匀的。二、奥氏体的晶粒度第一节钢在加热时的组织转变图3-4珠光体向奥氏体转变示意图第一节钢在加热时的组织转变图3-5标准晶粒度等级示意图第二节钢在冷却时的组织转变一、钢的过冷奥氏体的等温转变曲线1.将共析钢制作为很多圆片型试样，并将试样加热到临界温度A1以上某一温度保温，使其得到成分均匀的奥氏体组织。2.从试样放入等温炉中开始记录其经历的时间，在相应的时间，如：1.2.3s等等，将各等温下的试样按相应的保温时间，每隔一定的时间取出一片试样，急速淬入水中冷却。第二节钢在冷却时的组织转变3.将所记录的不同等温温度的试样的转变

3、开始点与转变终了点的时间绘入以温度为纵坐标和以时间为横坐标的坐标系内，然后将各不同等温温度的开始转变点连成一条曲线，按同样的方法将终了转变点也连成一曲线，这就构成了共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线，如图3-6所示。图3-6测定共析钢的奥氏体等温转变曲线实验方法示意图第二节钢在冷却时的组织转变图3-7共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线示意图第二节钢在冷却时的组织转变二、钢的组织转变1.珠光体型转变过冷奥氏体在高温区A1550范围内，奥氏体等温分解为片状铁素体和片状渗碳体的机械混合物，等温温度越低，珠光体的片层距离越小，硬度也越高。2.贝氏体型转变过冷奥氏体在中温区550230范围内等温形成的贝氏体组织

4、，用“B”表示。图3-8贝氏体(B)a)上贝氏体b)下贝氏体第二节钢在冷却时的组织转变表3-1奥氏体分解温度与转变产物的硬度关系表3-1奥氏体分解温度与转变产物的硬度关系3.马氏体型转变马氏体转变是在奥氏体过冷到Ms点(240左右)以下连续冷却过程中形成的，由于急速地冷却到240以下，此时奥氏体中的碳原子已无法扩散，前述两种转变类型已不可能进行，所以碳原子就被保留在铁素体内形成过饱和的铁素体，故马氏体也称为碳在-Fe中的过饱和固溶体，用“M”表示。第二节钢在冷却时的组织转变图3-9马氏体(M)a)板条马氏体b)针状(片状)马氏体第二节钢在冷却时的组织转变(1)马氏体转变是无扩散型转变马氏体的相

5、变仅仅是晶格点阵的改组。(2)马氏体是变温转变它是在一个温度范围内形成的，在Ms和Mf之间的某一温度只能形成一定数量的马氏体。(3)马氏体转变的不完全性由于马氏体转变的终了点的温度较低，所以在室温下进行马氏体转变是不可能得到全马氏体组织的，而必定有一部分奥氏体被保留下来，即便把奥氏体连续冷却到马氏体转变终了温度Ms以下，也不是所有的奥氏体全部转变成马氏体，总有一部分残余奥氏体存在于钢中，这就是马氏体转变的不完全性。第二节钢在冷却时的组织转变(4)奥氏体转变为马氏体由于晶格类型不同，由面心立方转变为体心正方，结果使马氏体的体积增大，这也是形成马氏体后为什么会产生较大的内应力的主要原因。(5)马氏

6、体转变的稳定化现象过冷奥氏体在转变得到马氏体后，在还有部分奥氏体未转变的情况下，如果在Ms和Mf之间的某一温度停留下来，就会使未转变的奥氏体稳定起来，这种现象称为奥氏体的稳定化。三、过冷奥氏体的连续冷却转变第二节钢在冷却时的组织转变图3-10共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线与等温转变曲线比较第二节钢在冷却时的组织转变1.连续冷却转变曲线比等温冷却转变曲线在位置上向右下方作了一定的位移。2.由于连续冷却中奥氏体的转变是在一个温度范围内形成，因此得到的产物不是单一的组织，有时是几种类型的组织的混合，即使是同一类型的组织也会由于形成温度的不同存在有粗细程度或类型上的不同。3.钢的临界冷却速度在连续

7、冷却转变中，要获得单一的马氏体组织，就必须保证一定的冷却速度来抑制其他类型的转变。第三节钢的热处理工艺一、退火1.退火的目的(1)消除内应力工件经过切削加工或焊接，由于温度引起的组织变化使内部产生应力，如不及时消除，易引起变形甚至开裂，通过退火可消除内应力，改善工件内部的组织结构和力学性能。(2)降低硬度，提高塑性为了对含碳量较高的工件进行机械加工，就必须要降低工件的硬度(根据切削原理的分析，切削加工的最佳硬度在180240HBS之间)，用退火的工艺方法就能达到这个目的。第三节钢的热处理工艺(3)使钢发生重结晶，达到细化晶粒、稳定组织、提高力学性能的目的由于铸件、锻件、焊接件在其加工过程中，不

8、同程度地存在有组织缺陷，通过退火就能消除这些缺陷。(4)消除偏析，使钢的化学成分和组织结构均匀化铸件由于在浇注过程中，各部位的冷却速度不一致，导致成分不均匀，可以通过较高温度的长时间退火，使原子得以扩散，达到化学成分和组织结构的均匀化，使机构性能得到改善。第三节钢的热处理工艺2.退火的分类从物理冶金过程特点出发将退火工艺分为两类：第一类退火和第二类退火。(1)第一类退火可分为扩散退火、再结晶退火、去氢退火、去应力退火。(2)第二类退火可分为完全退火、不完全退火、等温、球化退火。3.常用的退火工艺(1)去应力退火其目的是消除工件内的残余应力，主要用于消除铸件、锻件、焊接件、压力加工件和机加工件中

9、的残余应力，提高稳定性，防止淬火变形开裂。第三节钢的热处理工艺(2)再结晶退火再结晶退火的目的在于消除加工硬化、恢复塑性。(3)完全退火和不完全退火完全退火的目的是消除中碳及中碳合金钢的铸、锻件及轧制件在其加工过程中产生的粗大晶粒和带状组织等缺陷，适当降低硬度，细化组织，提高塑性，改善切削加工性能。(4)球化退火其目的是使碳化物球化，降低硬度，改善组织，提高塑性。第三节钢的热处理工艺图3-11三种球化退火工艺曲线示意图第三节钢的热处理工艺(5)等温退火等温退火的目的与完全退火相同，其优点是较大地缩短了退火时间，在生产实际中较广泛地应用。(6)扩散退火扩散退火主要用于合金钢和大型铸件或锻轧件的退

10、火，目的是为了消除铸件在其结晶过程中产生的偏析和夹杂物聚集和化学成分不均匀，使钢的成分均匀化。二、钢的正火1.正火与退火相比，其工艺特点如下：(1)奥氏体化温度正火比退火高碳素钢的正火温度在Ac3或Accm以上3050。第三节钢的热处理工艺(2)正火保温时间比退火的保温时间短。(3)冷却速度比退火快。(4)正火后的组织与退火后的组织不同，正火的冷却速度快，得到索氏体。(5)正火的工艺操作比退火的简单、生产周期短。2.退火与正火的选择原则(1)切削性能钢的硬度在160230HBS之间时其切削性能最好。第三节钢的热处理工艺(2)使用性能亚共析钢的正火组织比退火组织的力学性能高，对于不在重要的工件应

11、尽可能选用正火作为最终热处理。(3)降低成本在可能条件下，尽量采用正火代替退火。三、钢的淬火与回火1.钢的淬火淬火就是把钢加热到奥氏体化保温后，以适当冷却速度冷却，使工件横截面内全部或一定范围内获得马氏体或贝氏体等不稳定组织的热处理工艺。(1)淬火加热温度第三节钢的热处理工艺图3-12淬火加热温度选择范围第三节钢的热处理工艺(2)淬火冷却与冷却介质淬火冷却直接影响工件热处理的质量。图3-13理想冷却曲线第三节钢的热处理工艺1)对淬火介质的一般要求在过冷奥氏体的不稳定区应该有足够的冷却速度，在低温马氏体转变区应有较慢的冷却速度，以保证工件淬火质量。介质的成分稳定、使用中不易变质、来源方便、价格便

12、宜。无毒，使用完全可靠。不腐蚀工件，容易清洗。冷却介质应具有较小的粘度，以增加对流传热能力，并减少由于工件过多粘附冷却剂而造成不必要的损耗。第三节钢的热处理工艺2)冷却介质的种类：按工件在冷却过程中的特点可分为三大类，第一类沸点较低，主要靠介质的汽化(物态的变化)来带走工件表面的热量，使工件冷却。表3-2常用淬火介质的冷却能力表3-2常用淬火介质的冷却能力介质成分百分比为质量分数。第三节钢的热处理工艺(3)钢的淬透性工件淬火处理在组织上是为了获得马氏体，如果从表面到中心，在整个截面上都得到马氏体组织，就称为工件已被淬透；如果仅仅只是表面淬火得到马氏体，而中心部分未得到马氏体组织，则称为未被淬透

13、。(4)常用淬火工艺方法1)单介质淬火：将工件加热到淬火温度，适当保温后即投入一种冷却介质中冷却至组织转变结束。(2)双介质淬火：将工件加热到淬火温度，适当保温后先投入冷却能力较强的淬火剂中，使工件在高温区迅速冷却，避免产生高、中温转变。第三节钢的热处理工艺3)马氏体分级淬火：先将加热后的工件投入温度略高于Ms点的某一温度的热浴中(硝盐或碱浴)保持适当时间，待工件表里达到介质温度，然后取出空冷。4)贝氏体等温淬火：等温淬火的进行方式与分级淬火相似，但等温淬火的等温温度是在奥氏体等温转变曲线的鼻尖温度以下，在Ms以上即贝氏体转变温度区间(260400)，长时间等温直到奥氏体全部转变为贝氏体的淬火

14、工艺。5)深冷处理：所谓深冷处理是将淬火到室温的钢件继续在0以下的介质中冷却的热处理工艺方法。第三节钢的热处理工艺2.钢的回火淬火后的工件在性能上是硬度很高而塑性韧性很差，在组织上是处于内应力较大和不稳定组织状态，所以淬火后的工件必须经过回火处理。(1)钢在回火时的组织变化淬火工件获得了马氏体组织或马氏体和残余奥氏体组织，但这一组织是极不稳定的，它具有向稳定的铁素体和渗碳体组织转变的倾向。1)25250：这一阶段又称为马氏体分解，即随着加热温度的提高，碳原子的活动能力增大，马氏体中过饱和的碳析出，并聚集为一定晶格类型的碳化物，从而使马氏体中碳的过饱和度降低，晶格畸变程度减弱。第三节钢的热处理工

15、艺2)200300：这一阶段又称为残余奥氏体的分解，即当温度达到200以上时，残余在钢中的奥氏体就发生分解，转变为下贝氏体或回火马氏体组织。3)300400：渗碳体的形成，即在第一阶段中析出的X-碳化物就要向稳定的-碳化物(Fe3C)即渗碳体转变，并形成颗粒状渗碳体。4)400以上：渗碳体的聚集和长大，即随着温度提高，碳原子的扩散能力增强，渗碳体颗粒不断聚集，并呈现长大的趋势。第三节钢的热处理工艺图3-1440钢力学性能与回火温度的关系第三节钢的热处理工艺(2)回火分类1)低温回火：温度为150250，回火后的组织为回火马氏体，保持了高的硬度和耐磨性，降低了淬火应力，减少了钢的脆性，主要用于处

16、理刃具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳件等。2)中温回火：温度为350450，回火后的组织为回火托氏体，大大降低了淬火应力，使工件获得高的弹性极限和屈服点、屈服强度，并具有一定的韧性，主要适用于处理弹性元件。第三节钢的热处理工艺3)高温回火：温度为500670，回火后的组织为回火索氏体，通常也把淬火+高温回火称为调质处理。1.简述钢的热处理的工艺分类，及热处理工艺曲线。2.简述钢在加热时奥氏体化的基本过程。3.影响奥氏体化的因素有哪些?4.简述过冷奥氏体的等温转变曲线和连续冷却转变曲线。5.什么是钢的临界冷却速度?6.简述过冷奥氏体冷却时的组织转变。7.什么是马氏体?马氏体的转变的特点有哪些?8.什么是退火?退火的目的是什么?常用的退火工艺有哪些?第三节钢的热处理工艺9.正火与退火相比较有哪些区别?10.什么是淬火?如何选择淬火加热温度?什么是钢的淬透性?11.什么是理想淬火曲线?常用的淬火介质有哪些?12.常用的淬火方法有哪些?13.什么是淬火钢的回火?回火的目的是什么?14.常用的回火方法有哪些?