材料科學(xué)與工程專業(yè)金屬熱處理原理及工藝第八章淬火與回火ppt課件

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第八章淬火與回火 8 1淬火8 2回火 1 8 1淬火 鋼的淬火 將鋼加熱到臨界溫度 A1或A3 以上 保溫一定時間使其奧氏體化 以大于臨界冷卻速度進行冷卻的工藝 淬火目的 提高硬度和耐磨性 刀具 量具 磨具提高強韌性 軸類 桿件 銷 受力件提高硬磁性 用高碳鋼 磁鋼制的永久磁鐵 馬氏體磁性 提高彈性 各類彈簧提高耐蝕和耐熱性 耐熱鋼和不銹鋼獲得M組織 2 一 淬火方法及工藝1 淬火方法淬火分類按加熱溫度 完全淬火 不完全淬火 循環(huán)加熱淬火按加熱速度 普通淬火 快速加熱淬火 超快速加熱淬火按加熱介質(zhì)及熱源條件 光亮淬火 真空淬火 鉛浴加熱淬火 鹽浴加熱淬火 火焰加熱淬火 感應(yīng)加熱淬火 高頻脈沖淬火 接觸電加熱淬火 電解液加熱淬火 電子束加熱淬火 激光加熱淬火按淬火部位 整體淬火 局部淬火 表面淬火按冷卻方式 單液淬火 雙液淬火 分級淬火 等溫淬火 預(yù)冷淬火 馬氏體等溫淬火 貝氏體等溫淬火等 3 4 2 淬火工藝 淬火加熱溫度亞共析鋼 Ac3 30 50 共析和過共析鋼 Ac1 30 50 為什么過共析鋼淬火加熱溫度在Ac1 30 50 而不是Accm 30 50 1 細化晶粒2 保留滲碳體 提高耐磨性3 減少A含碳量 以降低M轉(zhuǎn)變時變形和開裂的傾向 并減少AR量 必須消除網(wǎng)狀滲碳體預(yù)備組織為P球 5 6 2 淬火工藝 保溫時間保溫時間 升溫時間 心表溫度一致時間 組織轉(zhuǎn)變時間加熱介質(zhì)對保溫時間影響較大 KD 7 有效厚度D 板件和薄壁件以板厚或壁厚做D球體以球直徑的0 75倍作D形狀復(fù)雜工件以工作部分的截面厚度作D 8 冷卻方式冷卻方式最大限度減少工件應(yīng)力集中和變形 使工件均勻冷卻 冷卻介質(zhì) 2 淬火工藝 9 時間 溫度 Ms A1 10 二 淬火介質(zhì)理想淬火介質(zhì)具備 高溫慢冷 奧氏體鼻子溫度快冷 馬氏體轉(zhuǎn)變慢冷 理想淬火冷卻介質(zhì) 11 1 無物態(tài)變化的淬火介質(zhì)冷卻機理 輻射 傳導(dǎo)和對流將工件的熱量帶走 使工件冷卻常用的淬火介質(zhì) 硝酸鹽和堿 使用溫度在150 550 之間 二 淬火介質(zhì) 12 2 有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)冷卻機理 輻射 傳導(dǎo)和對流將工件的熱量帶走 使工件冷卻汽化沸騰 使工件強烈散熱冷卻能力強水基 油基 二 淬火介質(zhì) 13 2 有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)介質(zhì)冷卻特性的測試 試樣溫度與冷卻時間 速度 之間的關(guān)系 二 淬火介質(zhì) 14 冷卻機理第一階段 AB段 蒸汽膜階段 冷卻速度慢第二階段 BC段 沸騰階段 冷卻速度快第三階段 CD段 對流階段 冷卻速度慢常用的冷卻介質(zhì)水 鹽水 堿水 油 合成淬火液等 二 淬火介質(zhì) 2 有物態(tài)變化的淬火介質(zhì) 15 常用的淬火冷卻介質(zhì) 16 時間 溫度 Ms A1 17 3淬火介質(zhì)的新發(fā)展環(huán)保 優(yōu)效 高溫快速 低溫慢速 安全 經(jīng)濟為發(fā)展方向 植物油基生態(tài)淬火油 使蒸汽膜階段短 提高高溫階段冷速 聚合物水基淬火介質(zhì) 降低水的冷速 環(huán)保 固 氣流化介質(zhì) 固體細粒與壓縮空氣混合 18 19 三 鋼的淬透性 網(wǎng)帶式淬火爐 淬透性是鋼的主要熱處理性能 是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一 20 三 鋼的淬透性1 概念淬透性 鋼在淬火時能夠獲得馬氏體的能力 其大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示 工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系示意圖 a 零件截面的不同冷卻速度 b 未淬透區(qū)的示意圖 a b 21 M量和硬度隨深度的變化 淬硬層深度 由工件表面到半馬氏體區(qū) 50 M 50 P 的深度 如果工件中心在淬火后獲得了50 以上的M 則認為工件已經(jīng)被淬透 22 淬透性的大小對鋼的熱處理后的力學(xué)性能的影響 23 2 影響淬透性的因素 決定因素 臨界冷卻速度 取決于材料化學(xué)成分 C曲線越靠右 淬火臨界冷卻速度越小 鋼的淬透性越好因此使C曲線右移的元素均使淬透性提高 一般而言 碳鋼的淬透性差 合金鋼的淬透性好 且合金元素含量越高 淬透性越好 除Co 24 注意區(qū)別 鋼的淬透性 鋼材本身的固有屬性 與外部因素?zé)o關(guān)工件的淬透深度 取決于鋼材淬透性 還與冷卻介質(zhì) 工件尺寸等外部因素有關(guān) 同一材料的淬硬層深度與工件的尺寸 冷卻介質(zhì)有關(guān) 工件尺寸小 介質(zhì)冷卻能力強 淬硬層深 淬透性與工件尺寸 冷卻介質(zhì)無關(guān) 它只用于不同材料之間的比較 是在尺寸 冷卻介質(zhì)相同時 用不同材料的淬硬層深度來進行比較的 25 注意區(qū)別 淬透性和淬硬性 影響因素 主要取決于馬氏體的含碳量 26 淬硬性與淬透性 兩個完全不同的概念 淬透性 淬硬性 鋼種 差 低 碳素結(jié)構(gòu)鋼 20 差 高 碳素工具鋼 T12A 好 低 低碳合金結(jié)構(gòu)鋼 20Cr2Ni4A 好 高 高碳高合金工具鋼 W18Cr4V 27 時間 溫度 Ms A1 28 淬火后硬度 以磨損為主的工具 量具 模具 M中含碳量 淬硬性 合金元素冷卻介質(zhì)工件尺寸 淬透層深度 規(guī)定條件下 50 馬氏體組織的深度 形狀復(fù)雜 尺寸精度高 大截面并要求淬透的零件 合金元素 淬透性 表示方法 應(yīng)用范圍 影響因素 實際條件下 50 馬氏體組織的深度 29 3 淬透性測量方法 1 斷口法 適用碳素工具鋼 將上述試樣加熱到760 800 840 等溫度加熱15 20分鐘 淬入10 30 水中 打斷觀察淬硬層 即淬硬層 馬氏體 和韌軟層 珠光體或貝氏體 對照相應(yīng)標準0 5級 30 2 U型曲線法 將一組長度是直徑4 6倍的圓柱形試樣經(jīng)完全奧氏體化后 在一定介質(zhì)中冷卻后 從試樣中部切開 磨平后自表面向心部測量試樣硬度 其硬度分布如右 h 淬硬區(qū)DH 未淬硬區(qū)淬透性表示 淬硬層深度h 或DH D D 直觀 準確 但繁瑣 用于結(jié)構(gòu)鋼 31 3 臨界直徑法 D0 鋼在某種介質(zhì)中能夠完全淬透的最大直徑 大小取決于成分及淬火條件Di 理想臨界直徑 理想條件試樣能夠淬透的最大直徑 反映了鋼的固有淬透性 32 33 34 4 端淬法 此方法是世界上通用方法 35 即用表示 4 淬透性的表示方法 用淬透性曲線表示 J表示末端淬透性 d 至水冷端距離HRC 該處硬度值 36 用臨界淬透直徑表示臨界淬透直徑是指圓形鋼棒在介質(zhì)中冷卻 中心被淬成半馬氏體的最大直徑 用D0表示 D0與介質(zhì)有關(guān) 如45鋼D0水 16mm D0油 8mm 只有冷卻條件相同時 才能進行不同材料淬透性比較 如45鋼D0油 8mm 40CrD0油 20mm 37 38 5 淬透性的實際意義 1 對于截面承載均勻的重要件 要全部淬透 如螺栓 連桿 模具等 選用高淬透性鋼2 對于承受彎曲 扭轉(zhuǎn)的零件可不必淬透 淬硬層深度一般為半徑的1 2 1 3 如軸 凸輪 低淬透性鋼高精密零件 復(fù)雜零件 如復(fù)雜冷沖模 選用高淬透性鋼 淬硬層深度與工件尺寸有關(guān) 設(shè)計時應(yīng)注意尺寸效應(yīng) 39 40 淬透性曲線應(yīng)用 求不同直徑棒狀工件截面上的硬度分布例 采用45Mn2制造 50mm的軸 試求水淬后其截面上硬度分布曲線 41 靜水中淬火 靜油中淬火 沿末端淬火試樣的長度 圓棒直徑 圓棒內(nèi)不同位置與冷卻速度之間的關(guān)系 42 43 淬透性曲線應(yīng)用 根據(jù)性能要求選擇材料及工藝例 有一40號鋼直徑45mm的軸 要求淬火后在距表面3 4R處有80 馬氏體 在1 2R處的硬度不低于HRC40 請問采用淬火介質(zhì)為油還是水 解 確定40鋼淬火后80 馬氏體組織的硬度 HRC45 淬油后硬度3 4R處 HRC38 1 2R處 HRC30不滿足要求 淬水后硬度3 4R處 HRC46 1 2R處 HRC42滿足要求 采用水淬 44 45 46 47 四 淬火缺陷1 淬火內(nèi)應(yīng)力淬火內(nèi)應(yīng)力是造成工件變形和開裂根本原因 淬火內(nèi)應(yīng)力超過材料屈服強度 引起工件變形 淬火內(nèi)應(yīng)力超過材料斷裂強度 引起工件斷裂 淬火內(nèi)應(yīng)力分 熱應(yīng)力 溫度應(yīng)力 組織應(yīng)力 相變應(yīng)力 48 1 熱應(yīng)力 由于工件心部和表面冷卻速度不一致 其冷卻收縮不同而造成的內(nèi)應(yīng)力 熱應(yīng)力產(chǎn)生過程 冷卻初期 表面冷速快 表面收縮 產(chǎn)生拉應(yīng)力 心部冷速慢 不收縮 產(chǎn)生壓應(yīng)力 冷卻后期 表面冷速慢 表面不收縮 產(chǎn)生壓應(yīng)力 心部冷速快 收縮 產(chǎn)生拉應(yīng)力 最終的淬火熱應(yīng)力 表面壓應(yīng)力 心部拉應(yīng)力 49 50 2 組織應(yīng)力 由于工件表層和心部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時性而造成的內(nèi)應(yīng)力 組織應(yīng)力產(chǎn)生過程 冷卻初期 表面發(fā)生馬氏體相變 表面體積膨脹 產(chǎn)生壓應(yīng)力 心部冷速慢牽制表面膨脹 產(chǎn)生拉應(yīng)力 冷卻后期 心部發(fā)生馬氏體相變 表面體積膨脹 產(chǎn)生壓應(yīng)力 表面牽制心部膨脹 產(chǎn)生拉應(yīng)力 最終的淬火組織應(yīng)力 表面拉應(yīng)力 心部壓應(yīng)力 發(fā)生相變前主要內(nèi)應(yīng)力為熱應(yīng)力 發(fā)生相變后主要內(nèi)應(yīng)力為組織應(yīng)力 熱應(yīng)力為輔 但由于組織應(yīng)力發(fā)生在塑性較低的低溫階段 因此是使零件開裂的主要原因 51 2 淬火變形幾何形狀變化 體積變化熱應(yīng)力使工件沿著最大尺寸方向收縮沿著最小尺寸方向脹大 組織應(yīng)力使工件沿著最大尺寸方向伸長沿著最小尺寸方向收縮 四 淬火缺陷 變圓 變尖 52 53 淬火變形影響因素 淬透性 好 組織應(yīng)力作用大 差 熱應(yīng)力作用大奧氏體化學(xué)成分 C 低 熱應(yīng)力作用大 C 高 組織應(yīng)力作用大 淬火加熱T高 內(nèi)應(yīng)力大 變形大 淬火冷速快 內(nèi)應(yīng)力大 變形大 工件形狀不對稱 厚薄不均勻 變形大 淬火變形的預(yù)防 制定合理的淬火工藝淬火變形的糾正 矯直 四 淬火缺陷 54 3 淬火裂紋重要性 淬火變形可以校正 淬火開裂則無法挽回 因此我們要研究淬火開裂原因 進行預(yù)防 淬火裂紋產(chǎn)生原因 淬火內(nèi)應(yīng)力超過材料斷裂強度材料內(nèi)部缺陷 一定的淬火應(yīng)力淬火裂紋分類 縱向裂紋橫向裂紋網(wǎng)狀裂紋剝離裂紋顯微裂紋 55 56 減少淬火變形和防止淬火開裂的措施1 正確選材如選擇淬透性好的材料2 合理設(shè)計工件形狀如避免截面形狀懸殊的零件3 合理消除材料缺陷如淬火前鍛造和預(yù)備熱處理4 合理制定熱處理工藝如加熱溫度 冷卻速度 回火 操作方法等 57 45鋼汽車撥叉 熱處理工藝為正火 淬火 中溫回火 實際生產(chǎn)中廢品率達到40 以上 主要是淬火裂紋 工作條件 沖擊 磨損技術(shù)要求 45 50HRC均勻回火屈氏體 58 零件宏觀結(jié)構(gòu) 裂紋形態(tài) 斷口分析 裂紋弧形 沿軸向分布擴展 由工件表面裂向心部 裂紋兩側(cè)耦合 是典型淬火裂紋 59 低倍下觀察裂紋走向 裂紋局部形態(tài) 組織為混合馬氏體 組織細小均勻 未發(fā)現(xiàn)非淬硬區(qū) 但裂紋周圍有非金屬夾雜 60 裂紋形成分析 組織應(yīng)力 熱應(yīng)力 由于外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面冷速不均勻 使馬氏體轉(zhuǎn)變不同時 引起組織應(yīng)力 造成內(nèi)側(cè)面受到拉應(yīng)力 從雜質(zhì)處開裂 工藝改進 淬火按如圖箭頭方向在淬火介質(zhì)中來回移動 或不停攪動淬火介質(zhì) 61 4 其它淬火缺陷淬火硬度不足氧化和脫碳軟點 62 判斷題 1 過冷奧氏體的冷卻速度越快 鋼冷卻后的硬度越高 2 低碳鋼淬火后 只有經(jīng)高溫回火才可能獲得優(yōu)良的力學(xué)性能 3 鋼中合金元素愈多 則淬火后的硬度愈高 4 本質(zhì)細晶粒鋼加熱后的實際晶粒一定比本質(zhì)粗晶粒鋼細 5 同一種鋼材在相同的加熱條件下 水淬比油淬的淬透性好 小尺寸零件比大尺寸零件的淬透性好 63 倉庫內(nèi)現(xiàn)有三批直徑均為30mm的40鋼 40CrMnMo鋼 9SiCr鋼 由于種種原因已無法分辨 請采用熱處理的方法將它們區(qū)分開來 并說明其原因 1 每批鋼材各截取一段長度大于30mm的樣品 并編號 2 將三個樣品放入850 的爐中加熱 保溫30min后 放入水中淬火冷卻 3 硬度檢驗 硬度最高的為9SiCr鋼 這是因為850 加熱 三者完全奧氏體化 水冷淬火后都得到馬氏體 由于9SiCr鋼的淬硬性高于45鋼和40CrMnMo鋼 45鋼和40CrMnMo鋼淬火后的硬度約為50HRC左右 9CrSi鋼為60HRC 所以 硬度最高的為9SiCr鋼 4 對其余二個樣品進行心部硬度檢驗 硬度高的為40CrMnMo鋼 這是由于40CrMnMo鋼的淬透性高于40鋼 40CrMnMo鋼油冷后得到馬氏體 40鋼由于淬透性低心部得不到馬氏體組織 64