材料科学与工程专业《金属热处理原理与工艺》课件-第八章__淬火与回火

返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT第八章淬火与回火8.1淬火8.2回火返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT8.1淬火钢的淬火——将钢加热到临界温度（A1或A3）以上，保温一定时间使其奥氏体化，以大于临界冷却速度进行冷却的工艺。淬火目的：提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具提高强韧性：轴类、杆件、销、受力件提高硬磁性：用高碳钢、磁钢制的永久磁铁（马氏体磁性）提高弹性：各类弹簧提高耐蚀和耐热性：耐热钢和不锈钢获得M组织 返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT一、淬火方法及工艺1.淬火方法淬火分类按加热温度：完全淬火、不完全淬火、循环加热淬火按加热速度：普通淬火、快速加热淬火、超快速加热淬火按加热介质及热源条件：光亮淬火、真空淬火、铅浴加热淬火、盐浴加热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬火、接触电加热淬火、电解液加热淬火、电子束加热淬火、激光加热淬火按淬火部位：整体淬火、局部淬火、表面淬火按冷却方式：单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火；马氏体等温淬火、贝氏体等温淬火等返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.淬火工艺①淬火加热温度亚共析钢：Ac3+30～50℃;共析和过共析钢：Ac1+30～50℃为什么过共析钢淬火加热温度在Ac1+30～50℃，而不是Accm+30～50℃？）1）细化晶粒2）保留渗碳体，提高耐磨性3）减少A含碳量，以降低M转变时变形和开裂的倾向，并减少AR量（必须消除网状渗碳体预备组织为P球）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.淬火工艺②保温时间 保温时间=升温时间+心表温度一致时间+组织转变时间加热介质对保温时间影响较大。τ=αKD返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT有效厚度D：板件和薄壁件以板厚或壁厚做D球体以球直径的0.75倍作D形状复杂工件以工作部分的截面厚度作D返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT③冷却方式冷却方式最大限度减少工件应力集中和变形，使工件均匀冷却。冷却介质2.淬火工艺返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT时间温度MsA1返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT二、淬火介质理想淬火介质具备：高温慢冷；奥氏体鼻子温度快冷；马氏体转变慢冷。理想淬火冷却介质返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT1.无物态变化的淬火介质冷却机理：辐射、传导和对流将工件的热量带走，使工件冷却常用的淬火介质：硝酸盐和碱，使用温度在150～550℃之间。二、淬火介质返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.有物态变化的淬火介质冷却机理：辐射、传导和对流将工件的热量带走，使工件冷却汽化沸腾，使工件强烈散热冷却能力强水基，油基二、淬火介质返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.有物态变化的淬火介质介质冷却特性的测试——试样温度与冷却时间（速度）之间的关系）二、淬火介质返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT冷却机理第一阶段（AB段）：蒸汽膜阶段。冷却速度慢第二阶段（BC段）：沸腾阶段。冷却速度快第三阶段（CD段）：对流阶段。冷却速度慢常用的冷却介质水、盐水、碱水、油、合成淬火液等二、淬火介质2.有物态变化的淬火介质返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT常用的淬火冷却介质 名称 最大冷却速度时 平均冷却速度/(℃•s-1) 所在温度/℃ 冷却速度/(℃•s-1) 650～550℃ 300～200℃ 20℃静止水 340 775 135 450 40℃静止水 285 545 110 410 60℃静止水 220 275 80 185 10%NaCl溶液 580 2000 1900 1000 10%NaOH溶液 560 2830 2750 775 20℃10号机油 430 230 60 65 80℃10号机油 430 230 70 55 20℃3号锭子油 500 120 100 50返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT时间温度MsA1返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT3淬火介质的新发展环保、优效（高温快速、低温慢速）、安全、经济为发展方向。植物油基生态淬火油（使蒸汽膜阶段短、提高高温阶段冷速）聚合物水基淬火介质（降低水的冷速、环保）固—气流化介质（固体细粒与压缩空气混合）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT三、钢的淬透性 淬透性是钢的主要热处理性能。 是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT三、钢的淬透性1.概念淬透性——钢在淬火时能够获得马氏体的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。工件淬硬层与冷却速度的关系示意图（a）零件截面的不同冷却速度;（b）未淬透区的示意图ab返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT 淬硬层深度—— 由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。如果工件中心在淬火后获得了50％以上的M，则认为工件已经被淬透。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2、影响淬透性的因素决定因素:临界冷却速度;取决于材料化学成分。C曲线越靠右,淬火临界冷却速度越小,钢的淬透性越好因此使C曲线右移的元素均使淬透性提高;一般而言，碳钢的淬透性差，合金钢的淬透性好，且合金元素含量越高，淬透性越好（除Co）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT 注意区别：钢的淬透性——钢材本身的固有属性，与外部因素无关工件的淬透深度——取决于钢材淬透性,还与冷却介质、工件尺寸等外部因素有关。 同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。 淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较。是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度来进行比较的。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT 注意区别：淬透性和淬硬性影响因素:主要取决于马氏体的含碳量。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT淬硬性与淬透性:（两个完全不同的概念）淬透性淬硬性钢种差低碳素结构钢(20)差高碳素工具钢(T12A)好低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)好高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT时间温度MsA1返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT淬火后硬度以磨损为主的工具、量具、模具M中含碳量淬硬性合金元素冷却介质工件尺寸淬透层深度规定条件下，50％马氏体组织的深度形状复杂、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应用范围影响因素实际条件下，50％马氏体组织的深度返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT3.淬透性测量方法(1)断口法：适用碳素工具钢。将上述试样加热到760、800、840℃等温度加热15—20分钟，淬入10--30℃水中，打断观察淬硬层，即淬硬层（马氏体）和韧软层（珠光体或贝氏体），对照相应0----5级。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT(2)U型曲线法：将一组长度是直径4—6倍的圆柱形试样经完全奥氏体化后，在一定介质中冷却后，从试样中部切开，磨平后自表面向心部测量试样硬度，其硬度分布如右。h----淬硬区DH----未淬硬区淬透性表示：淬硬层深度h，或DH/D。D直观，准确，但繁琐用于结构钢返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT(3)临界直径法：D0：钢在某种介质中能够完全淬透的最大直径。大小取决于成分及淬火条件Di：理想临界直径，理想条件试样能够淬透的最大直径。反映了钢的固有淬透性返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT(4)端淬法：此方法是世界上通用方法。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT即用表示，4、淬透性的表示方法⑴用淬透性曲线表示J表示末端淬透性，d——至水冷端距离HRC——该处硬度值。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT⑵用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢D0油=8mm，40CrD0油=20mm。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT5、淬透性的实际意义 1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。——选用高淬透性钢 2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/2~1/3），如轴、凸轮。——低淬透性钢 高精密零件，复杂零件，如复杂冷冲模。——选用高淬透性钢。 淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT 钢号 临界淬透直径（油） 应用范围 20CrMnTi 半马氏体，20～30mm 汽车、拖拉机的主齿轮、活塞销等 20CrNi3 半马氏体、50～70mm 重载荷下工作的齿轮、轴、蜗杆、螺钉等 37CrNi3 完全马氏体、150mm 重载荷、冲击载荷、截面较大的零件等。 40CrNiMoA 半马氏体，≥75mm >250mm的汽轮机轴、叶片、传动件等 4Cr13 不锈钢、空淬钢 食品、医药、化工等设备的配件 Cr5Mo1V 美国引进钢种，具有良好的空淬性能 5CrMnMo 我国资助研制的高淬透性钢返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT淬透性曲线应用——求不同直径棒状工件截面上的硬度分布例：采用45Mn2制造Φ50mm的轴，试求水淬后其截面上硬度分布曲线。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT静水中淬火静油中淬火沿末端淬火试样的长度、圆棒直径、圆棒内不同位置与冷却速度之间的关系返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT淬透性曲线应用——根据性能要求选择材料及工艺例：有一40号钢直径45mm的轴，要求淬火后在距表面3/4R处有80%马氏体，在1/2R处的硬度不低于HRC40，请问采用淬火介质为油还是水？解：①确定40钢淬火后80%马氏体组织的硬度（HRC45）；②淬油后硬度3/4R处：HRC38，1/2R处：HRC30不满足要求；③淬水后硬度3/4R处：HRC46，1/2R处：HRC42满足要求；采用水淬返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT四、淬火缺陷1.淬火内应力淬火内应力是造成工件变形和开裂根本原因。淬火内应力超过材料屈服强度----引起工件变形；淬火内应力超过材料断裂强度----引起工件断裂。淬火内应力分：热应力（温度应力）组织应力（相变应力）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT（1）热应力：由于工件心部和表面冷却速度不一致，其冷却收缩不同而造成的内应力。 热应力产生过程： 冷却初期，表面冷速快，表面收缩，产生拉应力； 心部冷速慢，不收缩，产生压应力； 冷却后期，表面冷速慢，表面不收缩，产生压应力； 心部冷速快，收缩，产生拉应力； 最终的淬火热应力：表面压应力、心部拉应力。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT（2）组织应力：由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力。组织应力产生过程：冷却初期，表面发生马氏体相变，表面体积膨胀，产生压应力；心部冷速慢牵制表面膨胀，产生拉应力；冷却后期，心部发生马氏体相变，表面体积膨胀，产生压应力；表面牵制心部膨胀，产生拉应力；最终的淬火组织应力：表面拉应力、心部压应力。发生相变前主要内应力为热应力；发生相变后主要内应力为组织应力，热应力为辅。但由于组织应力发生在塑性较低的低温阶段，因此是使零件开裂的主要原因。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.淬火变形几何形状变化＋体积变化热应力使工件沿着最大尺寸方向收缩沿着最小尺寸方向胀大。组织应力使工件沿着最大尺寸方向伸长沿着最小尺寸方向收缩。 四、淬火缺陷变圆变尖返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT淬火变形影响因素：淬透性：好，组织应力作用大；差，热应力作用大奥氏体化学成分，C%低，热应力作用大；C%高，组织应力作用大。淬火加热T高、内应力大、变形大；淬火冷速快、内应力大、变形大；工件形状不对称，厚薄不均匀，变形大。 淬火变形的预防----制定合理的淬火工艺 淬火变形的纠正----矫直四、淬火缺陷返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT3.淬火裂纹重要性：淬火变形可以校正，淬火开裂则无法挽回，因此我们要研究淬火开裂原因，进行预防。淬火裂纹产生原因：淬火内应力超过材料断裂强度材料内部缺陷+一定的淬火应力淬火裂纹分类：纵向裂纹横向裂纹网状裂纹剥离裂纹显微裂纹四、淬火缺陷返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT减少淬火变形和防止淬火开裂的措施1）正确选材如选择淬透性好的材料2）合理设计工件形状如避免截面形状悬殊的零件3）合理消除材料缺陷如淬火前锻造和预备热处理4）合理制定热处理工艺如加热温度、冷却速度、回火、操作方法等返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT45钢汽车拨叉，热处理工艺为正火＋淬火＋中温回火，实际生产中废品率达到40％以上，主要是淬火裂纹。工作条件：冲击＋磨损技术要求：45～50HRC均匀回火屈氏体返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT零件宏观结构裂纹形态断口分析：裂纹弧形，沿轴向分布扩展，由工件表面裂向心部，裂纹两侧耦合，是典型淬火裂纹。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT低倍下观察裂纹走向裂纹局部形态组织为混合马氏体，组织细小均匀，未发现非淬硬区，但裂纹周围有非金属夹杂。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT裂纹形成分析——组织应力，热应力由于外侧面和内侧面冷速不均匀，使马氏体转变不同时，引起组织应力，造成内侧面受到拉应力，从杂质处开裂。工艺改进：淬火按如图箭头方向在淬火介质中来回移动，或不停搅动淬火介质。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT4.其它淬火缺陷淬火硬度不足氧化和脱碳软点返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT判断题（1）过冷奥氏体的冷却速度越快，钢冷却后的硬度越高。（2）低碳钢淬火后，只有经高温回火才可能获得优良的力学性能。（3）钢中合金元素愈多，则淬火后的硬度愈高。（4）本质细晶粒钢加热后的实际晶粒一定比本质粗晶粒钢细（5）同一种钢材在相同的加热条件下，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。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT仓库内现有三批直径均为30mm的40钢，40CrMnMo钢，9SiCr钢，由于种种原因已无法分辨，请采用热处理的方法将它们区分开来，并说明其原因。(1)每批钢材各截取一段长度大于30mm的样品，并编号；(2)将三个样品放入850℃的炉中加热，保温30min后，放入水中淬火冷却；(3)硬度检验，硬度最高的为9SiCr钢，这是因为850℃加热，三者完全奥氏体化，水冷淬火后都得到马氏体，由于9SiCr钢的淬硬性高于45钢和40CrMnMo钢(45钢和40CrMnMo钢淬火后的硬度约为50HRC左右，9CrSi钢为60HRC)，所以，硬度最高的为9SiCr钢；(4)对其余二个样品进行心部硬度检验，硬度高的为40CrMnMo钢，这是由于40CrMnMo钢的淬透性高于40钢，40CrMnMo钢油冷后得到马氏体，40钢由于淬透性低心部得不到马氏体组织。