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热处理及金相检验培训 一 元素 元素又称化学元素 指自然界中一百多种基本的金属和非金属物质 它们只由几种有共同特点的原子组成 其原子中的每一核子具有同样数量的质子 质子数来决定元素是由种类 到目前为止 人们在自然中发现的物质有3000多万余种 但组成他们的元素目前 2010年 只有118种 金Au 银Ag 铜Cu 铝Al 钛Ti 钨 镁 钒V 锰Mn C 硫 金属材料 金 银 铜 铁 铝 钛 钴 镍 钼 金属元素 非金属元素 CN 二 金属学基本概念 金属 具有不透明 金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小 富有延性和展性等特性的物质 金属内部原子具有规律性排列的固体 即晶体 纯金属 晶体 原子成规则排列的物体 由两种或两种以上金属或金属与非金属组成 具有金属特性的物质 合金 相 合金中成份 结构 性能相同的组成部分 固溶体 是一个 或几个 组元的原子 化合物 溶入另一个组元的晶格中 而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体 固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种 化合物 合金组元间发生化合作用 生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构 铁素体 碳在 Fe 体心立方结构的铁 中的间隙固溶体 奥氏体 碳在 Fe 面心立方结构的铁 中的间隙固溶体 渗碳体 碳和铁形成的稳定化合物 Fe3c 珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物 F Fe3c含碳0 8 三 铁碳合金 钢 Fe C合金铁碳 钢 碳素钢 合金钢 0 002 2 11 碳素钢 FeC 主要元素 重要作用 Fe C相图 A奥氏体 铸铁 钢 铁素体 第一节纯铁 1 含碳量小于0 02 的叫纯铁2 金相组织为铁素体 图片2张 3 钢 碳素钢 合金钢 高碳钢中碳钢低碳钢 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 普通低合金结构钢 机械制造结构钢 低合金工具钢高合金工具钢 不锈钢耐热钢耐磨钢 渗碳钢调质钢弹簧钢 回Fe C相图 按用途分类按钢材的用途可分为结构钢 工具钢 特殊性能钢三大类 结构钢 1 用作各种机器零件的钢 它包括渗碳钢 调质钢 弹簧钢及滚动轴承钢 用作工程结构的钢 它包括碳素钢中的甲 乙 特类钢及普通低合金钢 工具钢 用来制造各种工具的钢 根据工具用途不同可分为刃具钢 模具钢与量具钢 特殊性能钢 是具有特殊物理化学性能的钢 可分为不锈钢 耐热钢 耐磨钢 磁钢等 二 按化学成分分类按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类 碳素钢 按含碳量又可分为低碳钢 含碳量 0 25 中碳钢 0 25 含碳量 0 6 高碳钢 含碳量 0 6 合金钢 合金钢 按合金元素含量又可分为低合金钢 合金元素总含量 5 中合金钢 合金元素总含量 5 10 高合金钢 合金元素总含量 10 碳素钢金相图片 1 低碳钢金相图片 20 钢 2 中碳钢金相图片 45 钢 3 高碳钢金相图片 T8钢 高速钢 1 高速钢球化退火2 高速钢淬火 回火 其他钢金相图片 1 轴承钢GCr15 铸铁 1 灰铸铁2 球磨铸铁3 蠕墨铸铁4 可锻铸铁 相图 四 热处理基础 热处理工艺一般包括加热 保温 冷却三个过程 温度 时间 保温 加热 冷却 金属热处理工艺大体可分为整体热处理 表面热处理和化学热处理三大类 钢铁整体热处理大致有退火 正火 淬火和回火四种基本工艺 1 退火操作方法 将钢件加热到Ac3 30 50度或Ac1 30 50度或Ac1以下的温度 可以查阅有关资料 后 一般随炉温缓慢冷却 目的 1 降低硬度 提高塑性 改善切削加工与压力加工性能 2 细化晶粒 改善力学性能 为下一步工序做准备 3 消除冷 热加工所产生的内应力 应用要点 1 适用于合金结构钢 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢的锻件 焊接件以及供应状态不合格的原材料 2 一般在毛坯状态进行退火 2 正火操作方法 将钢件加热到Ac3或Accm以上30 50度 保温后以稍大于退火的冷却速度冷却 目的 1 降低硬度 提高塑性 改善切削加工与压力加工性能 2 细化晶粒 改善力学性能 为下一步工序做准备 3 消除冷 热加工所产生的内应力 应用要点 正火通常作为锻件 焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序 对于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件 也可作为最后热处理 对于一般中 高合金钢 空冷可导致完全或局部淬火 因此不能作为最后热处理工序 3 淬火操作方法 将钢件加热到相变温度Ac3或Ac1以上 保温一段时间 然后在水 硝盐 油 或空气中快速冷却 目的 淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织 有时对某些高合金钢 如不锈钢 耐磨钢 淬火时 则是为了得到单一均匀的奥氏体组织 以提高耐磨性和耐蚀性 应用要点 1 一般用于含碳量大于百分之零点三的碳钢和合金钢 2 淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力 但同时会造成很大的内应力 降低钢的塑性和冲击韧度 故要进行回火以得到较好的综合力学性能 4 回火操作方法 将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度 经保温后 于空气或油 热水 水中冷却 目的 1 降低或消除淬火后的内应力 减少工件的变形和开裂 2 调整硬度 提高塑性和韧性 获得工作所要求的力学性能 3 稳定工件尺寸 应用要点 1 保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火 在保持一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火 以保持高的冲击韧度和塑性为主 又有足够的强度时用高温回火 2 一般钢尽量避免在230 280度 不锈钢在400 450度之间回火 因为这时会产生一次回火脆性 操作方法 将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度 经保温后 于空气或油 热水 水中冷却 目的 1 降低或消除淬火后的内应力 减少工件的变形和开裂 2 调整硬度 提高塑性和韧性 获得工作所要求的力学性能 3 稳定工件尺寸 应用要点 1 保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火 在保持一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火 以保持高的冲击韧度和塑性为主 又有足够的强度时用高温回火 2 一般钢尽量避免在230 280度 不锈钢在400 450度之间回火 因为这时会产生一次回火脆性 5 调质操作方法 淬火后高温回火称调质 即将钢件加热到比淬火时高10 20度的温度 保温后进行淬火 然后在400 720度的温度下进行回火 目的 1 改善切削加工性能 提高加工表面光洁程度 2 减小淬火时的变形和开裂 3 获得良好的综合力学性能 应用要点 1 适用于淬透性较高的合金结构钢 合金工具钢和高速钢 2 不仅可以作为各种较为重要结构的最后热处理 而且还可以作为某些紧密零件 如丝杠等的预先热处理 以减小变形 6 时效操作方法 将钢件加热到80 200度 保温5 20小时或更长时间 然后随炉取出在空气中冷却 目的 1 稳定钢件淬火后的组织 减小存放或使用期间的变形 2 减轻淬火以及磨削加工后的内应力 稳定形状和尺寸 应用要点 1 适用于经淬火后的各钢种 2 常用于要求形状不再发生变化的紧密工件 如紧密丝杠 测量工具 床身机箱等 7 冷处理操作方法 将淬火后的钢件 在低温介质 如干冰 液氮 中冷却到 60 80度或更低 温度均匀一致后取出均温到室温 目的 1 使淬火钢件内的残余奥氏体全部或大部转换为马氏体 从而提高钢件的硬度 强度 耐磨性和疲劳极限 2 稳定钢的组织 以稳定钢件的形状和尺寸 应用要点 1 钢件淬火后应立即进行冷处理 然后再经低温回火 以消除低温冷却时的内应力 2 冷处理主要适用于合金钢制的紧密刀具 量具和紧密零件 8 火焰加热表面淬火操作方法 用氧 乙炔混合气体燃烧的火焰 喷射到钢件表面上 快速加热 当达到淬火温度后立即喷水冷却 目的 提高钢件表面硬度 耐磨性及疲劳强度 心部仍保持韧性状态 应用要点 1 多用于中碳钢制件 一般淬透层深度为2 6mm 2 适用于单件或小批量生产的大型工件和需要局部淬火的工件 9 感应加热表面淬火操作方法 将钢件放入感应器中 使钢件表层产生感应电流 在极短的时间内加热到淬火温度 然后喷水冷却 目的 提高钢件表面硬度 耐磨性及疲劳强度 心部保持韧性状态 应用要点 1 多用于中碳钢和中堂合金结构钢制件 2 由于肌肤效应 高频感应淬火淬透层一般为1 2mm 中频淬火一般为3 5mm 高频淬火一般大于10mm 渗碳操作方法 将钢件放入渗碳介质中 加热至900 950度并保温 使钢件便面获得一定浓度和深度的渗碳层 目的 提高钢件表面硬度 耐磨性及疲劳强度 心部仍然保持韧性状态 应用要点 1 用于含碳量为0 15 0 25 的低碳钢和低合金钢制件 一般渗碳层深度为0 5 2 5mm 2 渗碳后必须进行淬火 使表面得到马氏体 才能实现渗碳的目的 四 钢的热处理应力 热应力组织应力 热应力 工件在加热和冷却过程中 由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致 形成温差 就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力 即热应力 组织应力 另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时 因比容的增大会伴随工件体积的膨胀 工件各部位先后相变 造成体积长大不一致而产生组织应力 第一课结束 常用的机械性能包括 强度 塑性 硬度 冲击韧性 多次冲击抗力和疲劳极限等 1 强度强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏 过量塑性变形或断裂 的性能 由于载荷的作用方式有拉伸 压缩 弯曲 剪切等形式 所以强度也分为抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度等 各种强度间常有一定的联系 使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指针 2 塑性塑性是指金属材料在载荷作用下 产生塑性变形 永久变形 而不破坏的能力 3 硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指针 目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法 它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面 根据被压入程度来测定其硬度值 常用的方法有布氏硬度 HB 洛氏硬度 HRA HRB HRC 和维氏硬度 HV 等方法 4 疲劳前面所讨论的强度 塑性 硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指针 实际上 许多机器零件都是在循环载荷下工作的 在这种条件下零件会产生疲劳 5 冲击韧性以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷 金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性 1 正火 将钢材或钢件加热到临界点Ac3 对于亚共析钢 或Accm 过共析钢 以上30 50 保温适当时间后 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺为正火 正火后的组织 亚共析钢为F S 共析钢为S 过共析钢为S Fe3C 正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些 目的是让钢组织正常化 亦称常化处理 2 退火annealing 将亚共析钢工件加热至AC3以上20 40度 保温一段时间后 随炉缓慢冷却 或埋在砂中或石灰中冷却 至500度以下在空气中冷却的热处理工艺3 固溶热处理 将合金加热至高温单相区恒温保持 使过剩相充分溶解到固溶体中 然后快速冷却 以得到过饱和固溶体的热处理工艺4 时效 合金经固溶热处理或冷塑性形变后 在室温放置或稍高于室温保持时 其性能随时间而变化的现象 5 固溶处理 使合金中各种相充分溶解 强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能 消除应力与软化 以便继续加工成型6 时效处理 在强化相析出的温度加热并保温 使强化相沉淀析出 得以硬化 提高强度7 淬火 将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却 使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺8 回火 将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间 随后用符合要求的方法冷却 以获得所需要的组织和性能的热处理工艺9 钢的碳氮共渗 碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程 习惯上碳氮共渗又称为氰化 目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗 即气体软氮化 应用较为广泛 中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度 耐磨性和疲劳强度 低温气体碳氮共渗以渗氮为主 其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性 10 调质处理quenchingandtempering 一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理 调质处理广泛应用于各种重要的结构零件 特别是那些在交变负荷下工作的连杆 螺栓 齿轮及轴类等 调质处理后得到回火索氏体组织 它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优 它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关 一般在HB200 350之间 11 钎焊 用钎料将两种工件粘合在一起的热处理工艺 根据工件性能要求的不同 按其回火温度的不同 可将回火分为以下几种 一 低温回火 150 250度 低温回火所得组织为回火马氏体 其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下 降低其淬火内应力和脆性 以免使用时崩裂或过早损坏 它主要用于各种高碳的切削刃具 量具 冷冲模具 滚动轴承以及渗碳件等 回火后硬度一般为HRC58 64 二 中温回火 350 500度 中温回火所得组织为回火屈氏体 其目的是获得高的屈服强度 弹性极限和较高的韧性 因此 它主要用于各种弹簧和热作模具的处理 回火后硬度一般为HRC35 50 三 高温回火 500 650度 高温回火所得组织为回火索氏体 习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理 其目的是获得强度 硬度和塑性 韧性都较好的综合机械性能 因此 广泛用于汽车 拖拉机 机床等的重要结构零件 如连杆 螺栓 齿轮及轴类 回火后硬度一般为HB200 330 一 气氛与钢铁的化学反应1 氧化2Fe 02 2Fe0Fe H20 Fe0 H2FeC C02 Fe 2C02 还原Fe0 H2 Fe H20Fe0 C0 Fe 023 渗碳2C0 C C02Fe C FeCCH4 C 2H24 渗氮2NH3 2 N 3H2Fe N FeN 钢的碳氮共渗 碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程 习惯上碳氮共渗又称作氰化 目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗 即气体软氮化 应用较是广 中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度 耐磨性和疲劳强度 低温气体碳氮共渗以渗氮为主 其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性 1 渗碳淬火片状 针状 马氏体组织2 渗碳层退火组织3 心部未渗碳板条马氏体组织 合金渗碳钢金相组织