钢的热处理实习报告

钢的热处理实习报告 时间:2019-03-16

钢的热处理: 是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺 。热处理不仅可用于强化钢材,提高机械零件的使用性能,而且还可以用于改善钢材的工艺性能。其共同点是:只改变内部组织结构,不改变表面形状与尺寸。

第一节 钢的热处理原理

热处理的目的是改变钢的内部组织结构,以改善钢的性能,通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能,延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源,而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺分类:(根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下)
1、 整体热处理:包括退火、正火、淬火、回火和调质;
2、 表面热处理:包括表面淬火、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等;
3、 化学热处理:渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
热处理的三阶段:加热、保温、冷却

一、 钢在加热时的转变

加热的目的:使钢奥氏体化
(一)奥氏体(A)的形成
奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则W c =0.0218%(体心立方晶格F)W c =6.69%(复杂斜方渗碳体)当T 上升到A c1 后W c =0.77%(面心立方的A)由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散,必须进行铁原子的晶格改组,即发生相变,A在铁素体和渗碳体的相界面上形成。有两个有利条件① 此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则,空位和位错密度高。

珠光体向奥氏体转变示意图
a) 形核 b) 长大 c) 剩余渗碳体溶解 d) 奥氏体均匀化
(二)奥氏体晶粒的长大
奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。分为 00,0,1,2…10等十二个等级,其中常用的1~10级,4级以下为粗晶粒,5-8级为细晶粒,8级以上为超细晶粒。
影响 A晶粒粗大因素
1、加热温度越高,保温时间愈长,奥氏体晶粒越粗大。因此,合理选择加热和保温时间。以保证获得细小均匀的奥氏体组织。(930~950℃以下加热,晶粒长大的倾向小,便于热处理)
2、A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。
二、钢在冷却时的转变
生产中采用的冷却方式有:等温冷却和连续冷却
(一) 过冷奥氏体的等温转变
A在相变点A1以上是稳定相,冷却至A1 以下就成了不稳定相。
1、 共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能

共析钢过冷奥氏体等温
转变曲线的建立示意图
1) 高温珠光体型转变: A1~550℃
(1)珠光体(P)A1~650℃ 粗层状 约0.3μm<25HRC
(2)索氏体(S)650~600℃ 细层状 0.1~0.3μm ,25~35HRC
(3)屈氏体(T)600~550℃ 极细层状约0.1 μm,35~40HRC
2) 中温贝氏体型转变:550℃~Ms
(1)上贝氏体(B上) 550~350 ℃ 羽毛状 40~45HRC脆性大,无使用价值
(2)下贝氏体(B下) 350~Ms黑色针状 45~55HRC韧性好,综合力学性能好
(3)低温马氏体型转变:M s~M f 当A被迅速过冷至M s以下时,则发生马氏体(M)转变,主要形态是板条状和片状。(当 W c<0.2%时,呈板条状,当 Wc>1.0%呈针片状,当 Wc =0.2%~1.0%时,呈针片状和板条状的混合物)
(二) 过冷奥氏体的连续冷却转变
1.共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能
(1) 随炉冷P 170~220HBS(700~650℃)
(2) 空冷S 25~35HRC (650~600℃)

\共析碳钢连续冷却转变曲线 应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变
2. 马氏体转变
当冷速 >马氏体临界冷却速度V K 时,奥氏体发生M转变,即碳溶于α—Fe 中的过饱和固溶体,称为 M(马氏体)。
1) 转变特点: M 转变是在一定温度范围内进行(Ms ~Mf),M 转变是在一个非扩散型转变(碳、铁原子不能扩散) ,M 转变速度极快 (大于V k ) ,M 转变具有不完全性(少量的残A),M转变只有α-Fe、γ-Fe的晶格转变 .
(2) M的组织形态
Wc(%)  M形态  σb/Mpa  σs/MPa  δ(%)  Ak/J  HRC
0.1-0.25  板条状  1020-1530  820-1330  9-17  60-180  30-50
0.77  片状  2350  2040  1  10  66
(3) M的力学性能
① M的强度与硬度随C的上升M的硬度、强度上升
② M的塑性与韧性:低碳板条状M良好;板条状M 具有较高的强度、硬度和较好塑性和韧性相配合的综合力学性能;针片状 M 比板条 M具有更高硬度,但脆性较大,塑、韧性较差。

第二节 钢的退火

1、概念:将钢件加热到适当温度 (Ac1以上或以下),保持一定时间,然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。
2、目的:
(1)降低硬度,提高塑性,
(2)细化晶粒,消除组织缺陷
(3)消除内应力
(4)为淬火作好组织准备
3、类型:根据加热温度可分为在临界温度(Ac1或Ac3)以上或以下的退火,前者又称相变重结晶退火,包括完全退火、扩散退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火;后者包括再结晶退火及去应力退火。
(1) 完全退火:
1) 概念:将亚共析钢(Wc=0.3%~0.6%)加热到AC3 +(30~50)℃,完全奥氏体化后,保温缓冷(随炉、埋入砂、石灰中),以获得接近平衡状态的组织的热处理工艺称为完全退火。
2) 目的:细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。
3)工艺:完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较主温度范围内转变为珠光体。工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透,即工件心部达到要求的加热温度,而且要保证全部看到均匀化的奥氏体,达到完全重结晶。完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。实际生产时,为了提高生产率,退火冷却至 600℃左右即可出炉空冷。
4) 适用范围:中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻、轧制件等。
(2) 球化退火
1) 概念:使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火。
2) 工艺:一般球化退火工艺Ac1+(10~20)℃随炉冷至500~600℃空冷。
3) 目的:降低硬度、改善组织、提高塑性和切削加工性能。
4) 适用范围:主要用于共析钢、过共析钢的刃具、量具、模具等。
(3) 均匀化退火(扩散退火)
1) 工艺:把合金钢铸锭或铸件加热到 Ac3 以上150~100℃,保温10~15h后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。
2) 目的:消除结晶过程中的枝晶偏析,使成分均匀化。由于加热温度高、时间长,会引起奥氏体晶粒严重粗化,因此一般还需要进行一次完全退火或正火,以细化晶粒、消除过热缺陷。
3) 适用范围:主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。
4) 注意:高温扩散退火生产周期长,消耗能量大,工件氧化、脱碳严重,成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件,因其偏析程度较轻,可采用完全退火来细化晶粒,消除铸造应力。
(4) 去应力退火
1) 概念:为去除由于塑性变形加工、焊接等而造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火称为去应力退火。
2) 工艺:将工件缓慢加热到 Ac1以下100~200℃(500~600℃)保温一定时间(1~3h)后随炉缓冷至200℃,再出炉冷却。
钢的一般在 500~600℃;铸铁一般在 500~550℃超过550℃容易造成珠光体的石墨化; 焊接件一般为 500~600℃。
3)适用范围:消除铸、锻、焊件,冷冲压件以及机加工工件中的残余应力,以稳定钢件的尺寸,减少变形,防止开裂。


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