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鋼的熱處理實習報告

鋼的熱處理實習報告 時間:2019-03-16

鋼的熱處理: 是將固態鋼材采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結構與性能的工藝 。熱處理不僅可用于強化鋼材,提高機械零件的使用性能,而且還可以用于改善鋼材的工藝性能。其共同點是:只改變內部組織結構,不改變表面形狀與尺寸。

第一節 鋼的熱處理原理

熱處理的目的是改變鋼的內部組織結構,以改善鋼的性能,通過適當的熱處理可以顯著提高鋼的機械性能,延長機器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結構重量、節省和能源,而且能夠提高機械產品質量、大幅度延長機器零件的使用壽命。
熱處理工藝分類:(根據熱處理的目的、要求和工藝方法的不同分類如下)
1、 整體熱處理:包括退火、正火、淬火、回火和調質;
2、 表面熱處理:包括表面淬火、物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)等;
3、 化學熱處理:滲碳、滲氮、碳氮共滲等。
熱處理的三階段:加熱、保溫、冷卻

一、 鋼在加熱時的轉變

加熱的目的:使鋼奧氏體化
(一)奧氏體(A)的形成
奧氏體晶核的形成以共析鋼為例A1點則W c =0.0218%(體心立方晶格F)W c =6.69%(復雜斜方滲碳體)當T 上升到A c1 后W c =0.77%(面心立方的A)由此可見轉變過程中必須經過C和Fe原子的擴散,必須進行鐵原子的晶格改組,即發生相變,A在鐵素體和滲碳體的相界面上形成。有兩個有利條件① 此相界面上成分介于鐵素體和滲碳體之間②原子排列不規則,空位和位錯密度高。

珠光體向奧氏體轉變示意圖
a) 形核 b) 長大 c) 剩余滲碳體溶解 d) 奧氏體均勻化
(二)奧氏體晶粒的長大
奧氏體大小用奧氏體晶粒度來表示。分為 00,0,1,2…10等十二個等級,其中常用的1~10級,4級以下為粗晶粒,5-8級為細晶粒,8級以上為超細晶粒。
影響 A晶粒粗大因素
1、加熱溫度越高,保溫時間愈長,奧氏體晶粒越粗大。因此,合理選擇加熱和保溫時間。以保證獲得細小均勻的奧氏體組織。(930~950℃以下加熱,晶粒長大的傾向小,便于熱處理)
2、A中C含量上升則晶粒長大的傾向大。
二、鋼在冷卻時的轉變
生產中采用的冷卻方式有:等溫冷卻和連續冷卻
(一) 過冷奧氏體的等溫轉變
A在相變點A1以上是穩定相,冷卻至A1 以下就成了不穩定相。
1、 共析碳鋼奧氏體等溫轉變產物的組織和性能

共析鋼過冷奧氏體等溫
轉變曲線的建立示意圖
1) 高溫珠光體型轉變: A1~550℃
(1)珠光體(P)A1~650℃ 粗層狀 約0.3μm<25HRC
(2)索氏體(S)650~600℃ 細層狀 0.1~0.3μm ,25~35HRC
(3)屈氏體(T)600~550℃ 極細層狀約0.1 μm,35~40HRC
2) 中溫貝氏體型轉變:550℃~Ms
(1)上貝氏體(B上) 550~350 ℃ 羽毛狀 40~45HRC脆性大,無使用價值
(2)下貝氏體(B下) 350~Ms黑色針狀 45~55HRC韌性好,綜合力學性能好
(3)低溫馬氏體型轉變:M s~M f 當A被迅速過冷至M s以下時,則發生馬氏體(M)轉變,主要形態是板條狀和片狀。(當 W c<0.2%時,呈板條狀,當 Wc>1.0%呈針片狀,當 Wc =0.2%~1.0%時,呈針片狀和板條狀的混合物)
(二) 過冷奧氏體的連續冷卻轉變
1.共析碳鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變產物的組織和性能
(1) 隨爐冷P 170~220HBS(700~650℃)
(2) 空冷S 25~35HRC (650~600℃)

\共析碳鋼連續冷卻轉變曲線 應用等溫轉變曲線分析奧氏體在連續冷卻中的轉變
2. 馬氏體轉變
當冷速 >馬氏體臨界冷卻速度V K 時,奧氏體發生M轉變,即碳溶于α—Fe 中的過飽和固溶體,稱為 M(馬氏體)。
1) 轉變特點: M 轉變是在一定溫度范圍內進行(Ms ~Mf),M 轉變是在一個非擴散型轉變(碳、鐵原子不能擴散) ,M 轉變速度極快 (大于V k ) ,M 轉變具有不完全性(少量的殘A),M轉變只有α-Fe、γ-Fe的晶格轉變 .
(2) M的組織形態
Wc(%)  M形態  σb/Mpa  σs/MPa  δ(%)  Ak/J  HRC
0.1-0.25  板條狀  1020-1530  820-1330  9-17  60-180  30-50
0.77  片狀  2350  2040  1  10  66
(3) M的力學性能
① M的強度與硬度隨C的上升M的硬度、強度上升
② M的塑性與韌性:低碳板條狀M良好;板條狀M 具有較高的強度、硬度和較好塑性和韌性相配合的綜合力學性能;針片狀 M 比板條 M具有更高硬度,但脆性較大,塑、韌性較差。

第二節 鋼的退火

1、概念:將鋼件加熱到適當溫度 (Ac1以上或以下),保持一定時間,然后緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態組織的熱處理工藝稱為退火。
2、目的:
(1)降低硬度,提高塑性,
(2)細化晶粒,消除組織缺陷
(3)消除內應力
(4)為淬火作好組織準備
3、類型:根據加熱溫度可分為在臨界溫度(Ac1或Ac3)以上或以下的退火,前者又稱相變重結晶退火,包括完全退火、擴散退火、均勻化退火、不完全退火、球化退火;后者包括再結晶退火及去應力退火。
(1) 完全退火:
1) 概念:將亞共析鋼(Wc=0.3%~0.6%)加熱到AC3 +(30~50)℃,完全奧氏體化后,保溫緩冷(隨爐、埋入砂、石灰中),以獲得接近平衡狀態的組織的熱處理工藝稱為完全退火。
2) 目的:細化晶粒、均勻組織、消除內應力、降低硬度、改善切削加工性能。
3)工藝:完全退火采用隨爐緩冷可以保證先共析鐵素體的析出和過冷奧氏體在Ar1以下較主溫度范圍內轉變為珠光體。工件在退火溫度下的保溫時間不僅要使工件燒透,即工件心部達到要求的加熱溫度,而且要保證全部看到均勻化的奧氏體,達到完全重結晶。完全退火保溫時間與鋼材成分、工件厚度、裝爐量和裝爐方式等因素有關。實際生產時,為了提高生產率,退火冷卻至 600℃左右即可出爐空冷。
4) 適用范圍:中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛、軋制件等。
(2) 球化退火
1) 概念:使鋼中碳化物球狀化而進行的退火工藝稱為球化退火。
2) 工藝:一般球化退火工藝Ac1+(10~20)℃隨爐冷至500~600℃空冷。
3) 目的:降低硬度、改善組織、提高塑性和切削加工性能。
4) 適用范圍:主要用于共析鋼、過共析鋼的刃具、量具、模具等。
(3) 均勻化退火(擴散退火)
1) 工藝:把合金鋼鑄錠或鑄件加熱到 Ac3 以上150~100℃,保溫10~15h后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現象的熱處理工藝。
2) 目的:消除結晶過程中的枝晶偏析,使成分均勻化。由于加熱溫度高、時間長,會引起奧氏體晶粒嚴重粗化,因此一般還需要進行一次完全退火或正火,以細化晶粒、消除過熱缺陷。
3) 適用范圍:主要用于質量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件。
4) 注意:高溫擴散退火生產周期長,消耗能量大,工件氧化、脫碳嚴重,成本很高。只是一些優質合金鋼及偏析較嚴重的合金鋼鑄件及鋼錠才使用這種工藝。對于一般尺寸不大的鑄件或碳鋼鑄件,因其偏析程度較輕,可采用完全退火來細化晶粒,消除鑄造應力。
(4) 去應力退火
1) 概念:為去除由于塑性變形加工、焊接等而造成的應力以及鑄件內存在的殘余應力而進行的退火稱為去應力退火。
2) 工藝:將工件緩慢加熱到 Ac1以下100~200℃(500~600℃)保溫一定時間(1~3h)后隨爐緩冷至200℃,再出爐冷卻。
鋼的一般在 500~600℃;鑄鐵一般在 500~550℃超過550℃容易造成珠光體的石墨化; 焊接件一般為 500~600℃。
3)適用范圍:消除鑄、鍛、焊件,冷沖壓件以及機加工工件中的殘余應力,以穩定鋼件的尺寸,減少變形,防止開裂。


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