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史上较全:金属材料热处理基础知识

时间:2020-02-13 阅读:59

热处理界说:钢的热处理便是运用钢在固态规模内的加热、保温文冷却,以改动其内部安排,然后取得所需求的物理、化学、机械和工艺功能的一种操作。

热处理意图:

1、进步金属资料的力学功能,充分发挥资料的潜力,节省资料、延伸零件运用寿命。

2、消除资料剩余应力,改进金属的切削加工功能。

加热温度、保温时刻和冷却办法是热处理较重要的三个根本工艺要素。

退火

1、界说:将安排违背平衡状况的金属或合金加热到恰当的温度,坚持必定时刻,然后缓慢冷却以到达挨近平衡状况安排的热处理工艺。

2、意图:下降硬度,均匀化学成分、改进切削加工功能和冷塑性变形功能、消除或削减内应力、为零件较终热处理预备合适的内部安排。

3、分类

球化退火:为使工件中的碳化物球状化而进行的退火。

去应力退火:为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接构成的内应力及铸件内存在的剩余应力而进行退火。

正火

1、界说:将钢材或钢件加热到必定温度,保温恰当时刻,使之彻底奥氏体化,然后在空气中冷却,以得到珠光体安排的热处理工艺。

2、意图:改进切削功能,消除毛坯内应力,细化晶粒、进步硬度、取得比较均匀的安排和功能。

退火和正火的差异

退火和正火归于预备热处理工艺,关于含碳量相同的工件,正火后的强度和硬度要高于的退火的。

例如:含碳量大于0.5%的碳钢和合金钢,为下降硬度便于切削加工选用退火处理;含碳量低于0.5%的低碳钢和低合金钢,为避免硬度过低切削时粘刀,而选用正火恰当进步硬度。

一般用于锻件、铸件和焊接件。退火一般安排在毛坯制作之后,粗加工之前进行。

渗碳

1、界说:为进步工件表层的含碳量并在其间构成必定的碳含量梯度,在渗碳炉中将低碳钢在渗碳介质中加热、保温,使碳原子进入工件外表,然后进行淬火的化学热处理工艺。

2、意图:使低碳钢的外表层含碳量添加到0.85~1.10%,然后再经淬火、低温回火处理以消除应力并安稳安排,使钢件外表层具有高硬度(HRc56~62),添加耐磨性及疲劳强度等。而心部仍坚持原有的塑性和耐性。

3、运用:渗碳一般用于15Cr、20Cr等含碳量低的钢种,渗碳层的深度是依据零件的要求不同,一般为0.2~2mm。

规划时可依据工件尺度和心部强度要求来挑选资料和渗碳层深度。

渗碳层深的挑选要依据实际需求进行规划,以节省本钱。

层深的添加意味着渗碳时刻的延伸,齿轮一般是依据经历公式来规划层深。

淬火

1、界说:将钢加热到临界温度以上,保温必定时刻使其奥氏体化,以大于临界冷却速度进行冷却的工艺。

2、淬火意图:

进步硬度和耐磨性:刀具、量具、磨具

进步强耐性:轴类、杆件、销、受力件

进步弹性:各类绷簧

进步耐蚀和耐热性:耐热钢和不锈钢

3、淬火分类

按加热温度:彻底淬火、不彻底淬火、循环加热淬火

按加热介质及热源条件:盐浴加热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬火、触摸电加热淬火等

按淬火部位:全体淬火、部分淬火、外表淬火等

按冷却办法:单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火等

4、工艺进程:

冷却速度是钢在淬火进程中较首要的要素,它直接影响淬火产品和功能。

一方面冷却速度要大于临界冷却速度,以确保悉数得到马氏体安排;另一方面冷却应尽量缓慢,以削减内应力,避免工件变形和开裂。

为了处理上述对立,能够选用不同的冷却介质和冷却办法,使淬火工件在奥氏体较不安稳的温度规模内(650℃~550℃)快冷,超越临界冷却速度,以防珠光体类型改变发作;而在马氏体改变区域规模内(300℃~100℃),则冷却减慢,以削减淬火工件发生的应力。

5、不同淬火温度下的内部安排

在彻底淬火时,钢的淬火安排首要是由马氏体组成

在不彻底淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的安排

当奥氏体中含碳质量分数大于0.5%时,淬火安排为马氏体和剩余奥氏体。

过共析钢得到马氏体和渗碳体的安排。

亚共析钢用不彻底淬火是不正常的,因为这样不能到达较高硬度。而过共析钢选用不彻底淬火则是正常的,这样可使钢取得较高的硬度和耐磨性。

在合适的加热温度下,淬火后得到的马氏体呈细微的针状;若加热温度过高,其构成粗针状马氏体,使资料变脆乃至或许在钢中呈现裂纹。

6、一般淬火件的工艺道路:

下料—铸造—正火(退火)—粗加工—调质—半精加工—外表淬火—精加工

外表淬火

1、界说:是本钱较低的外表硬化处理办法,工艺简略而灵敏,合适部分处理,特别合适于进步耐磨性的场合。因为只加热外表层,心部强度坚持着淬火前的状况。

2、意图:进步资料的硬度、强度和耐磨性,而心部坚持杰出的塑性和耐性。外表淬火后零件外表将发生很大的剩余压应力,因而使资料的疲劳强度大大进步。但需求留意的是,外表淬火区域的起始点和终结点处于剩余拉应力状况下,此处的疲劳强度因而大大下降。规划时要考虑剩余拉应力不行留在齿根处、轴的过渡圆角处等零件应力会集部位, 避免作业应力与剩余拉应力叠加构成零件裂纹或开裂。

3、工艺进程:外表淬火一般工艺是高频感应加热、中频感应加热或火焰加热, 喷水冷却, 然后进行低温回火。

4、运用:淬硬深度一般是:高频淬火1~2mm;中频淬火2~6mm。一般用于中碳以上结构钢和合金钢主轴、齿轮等零件。当工件淬火后,外表硬度高,除磨削外,一般不能进行其它切削加工。因而工序应尽量靠后,一般安排在半精加工之后,磨削加工之前。

回火

1、界说:回火是将淬火后的钢件加热到指定的回火温度,经过必定时刻的保温后,空冷到室温的热处理操作。回火时引起马氏体和剩余奥氏体的分化。

2、意图:

⑴削减或消除淬火内应力, 避免变形或开裂。

⑵取得所需求的力学功能。淬火钢一般硬度高,脆性大,回火可调整硬度、耐性。

⑶安稳尺度。

⑷关于某些高淬透性的钢,空冷即可淬火,如选用回火软化既能下降硬度,又能缩短软化周期。

3、分类:钢淬火后都需求进行回火处理,回火温度取决于较终所要求的安排和功能(工厂常依据硬度的要求),一般按加热温度的凹凸,回火可分为以下三类。

(1)低温回火:加热温度为150℃~250℃。低温回火安排为回火马氏体,马氏体内分出碳化物构成回火马氏体,剩余奥氏体也改变为回火马氏体。回火马氏体易受腐蚀,安排呈暗色针状。回火马氏体具有高的强度和硬度,而耐性和塑性较淬火马氏体有显着改进。

其意图首要是下降淬火钢中的内应力,削减钢的脆性,一起坚持钢的高硬度和耐磨性。常用于高碳钢制的切削东西、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。

(2)中温回火:加热温度为350℃~500℃。中温回火安排为回火屈氏体,它是由铁素体和粒状渗碳体组成的好细密混合物。回火屈氏体有较好的强度,较高的弹性,较好的耐性。

其意图首要是取得高的弹性好限,一起有高的耐性。首要用于各种绷簧热处理。

(3)高温回火:加热温度为500℃~650℃。高温回火安排的回火索氏体,它是由粒状渗碳体和等轴形铁素体组成混合物。回火索氏体具有强度、耐性和塑性较好的归纳机械功能。

其意图首要是取得既有必定的强度、硬度,又有杰出的冲击耐性的归纳机械功能。一般把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。首要用于处理中碳结构钢,即要求高强度和高耐性的机械零件,如轴、连杆、齿轮等。

调质

1、界说:工件淬火并高温回火的复合热处理工艺,。

2、意图:使资料取得较好的强度、塑性和耐性等方面的归纳机械功能,用于各种中碳结构钢和中碳合金钢。调质一般安排在粗加工之后,半精加工之前,并为今后热处理作预备。

大部分的零件都是经过调质处理来进步资料的归纳机械功能,即进步拉伸强度、屈从强度、断面缩短率、延伸率、冲击功。

3、运用:调质处理能大大进步资料的拉伸和屈从强度, 进步屈强比和冲击功,使资料具有强度和塑耐性的杰出合作。一般来讲调质钢应该为中碳钢( C = 0.3%~0.6%);碳钢中像30、35、40、45、50等钢种则既能够调质处理又能够正回火运用;而对高碳钢和低碳钢则不宜选用调质工艺

4、工艺进程:先先需求将零件加热到必定温度,保温必定时刻,然后在油中或水中冷却。冷却后当即入炉进行回火(500~650℃),以下降淬火应力、调整安排成份,从而到达机械功能要求。

马氏体:钢中马氏体的首要特性是高硬度和高强度。  

铁素体:铁素体的塑性、耐性很好,但强度、硬度较低。其力学功能简直与纯铁相同。

奥氏体:奥氏体常存在于727℃以上,是铁碳合金中重要的高温相,强度和硬度不高,但塑性和耐性很好,易锻压成形。

渗碳体:渗碳体中碳的质量分数为6.69%,熔点为1227℃,硬度很高,塑性和耐性好低,脆性大。渗碳体是钢中的首要强化相,其数量、形状、巨细及散布状况对钢的功能影响很大。

珠光体:存在于钢的退火或正火安排中,粒状珠光体:在铁素体基体上散布着粒状渗碳体的两相机械混合物称为粒状珠光体。粒状珠光体一般经球化退火而得到,也能够经过淬火加回火处理得到。

各种安排的硬度功能目标规模如下:

珠光体10~20HRC

索氏体22~25HRC

屈氏体36~42HRC

马氏体62~65HRC

回火马氏体约60HRC 

回火屈氏体40~48HRC

回火索氏体25~35HRC。

氮化处理

1、界说:渗氮是使氮原子进入金属外表取得一层含氮化合物的处理办法。

2、意图:进步零件外表的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。

3、特色:氮化工艺较大的特色是热处理变形小,硬化层浅,特别适用于与调质工艺相结合进步零件的疲劳强度、外表耐磨性、耐蚀性和改进零件的冲突状况,避免胶合。适用于在周期载荷下作业的零件, 比方轴等。

4、运用:原则上讲任何钢种都能够进行氮化处理,可是较常用的氮化钢是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)等,氮化后一般可不加工,规划时应尽或许选用全体氮化处理,因为氮化层自身对运用来说只需好处,没必要加工处理掉。

5、工艺要求:氮化是在氮化炉中进行,因而变形小,氮化硬度要依据原料而定。。此外,氮化前有必要进行调质处理,以进步心部的机械功能,为氮化做安排预备。

钢的淬透性

1、淬透性:钢在淬火时能够取得马氏体的才能。其巨细是用规则条件下淬硬层深度来标明。钢材自身的固有特点,与外部要素无关

2、淬硬层深度:由工件外表到半马氏体区的深度。工件的淬透深度取决于钢材淬透性, 还与冷却介质、工件尺度等外部要素有关。

3、影响淬透性的要素:临界冷却速度,取决于资料化学成分。一般来说,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

硬度

硬度是指金属资料反抗比它硬的物体压入其外表的才能。

硬度越高,标明金属反抗塑性变形的才能越大。它是重要的力学功能目标之一,它与强度、塑性目标之间有着内涵的联络。

常用的硬度实验办法有:

布氏硬度实验——首要用于黑色、有色金属原资料查验,也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。所用设备为布氏硬度计。

洛氏硬度实验——首要用于金属资料热处理后的产品功能检测。所用设备为洛氏硬度计。

维氏硬度实验——首要用于薄板材或金属表层的硬度测定,以及较准确的硬度测定。所用设备为维氏硬度计。

显微硬度实验——首要用于测定金属资料的安排组成物或相的硬度。所用设备为显微硬度计。

布氏硬度实验

用载荷为P的力,把直径为D的淬火钢球压入金属试件外表,并坚持必定时刻,然后卸除载荷,丈量钢球在试件外表上所压出的压痕直径d,据此核算出压痕球面积F,然后再核算出单位面积所受的力(P/F值),用此数字标明试件的硬度值,即为布氏硬度,用符号 HB标明。

布氏硬度实验原理如图3-11所示。

设压痕深度为h则压痕球面积为

试样硬度值为:

式中   

——施加的载荷,kg或N;

 ——压头(钢球)直径,mm;

 ——压痕直径,mm;

 ——压痕面积,mm2。

布氏硬度值的巨细便是压痕单位面积上所接受的压力。单位为kg/mm2或N/mm2,但一般不标出。

硬度值越高,标明资料越硬。实验室只需测出压痕直径d(毫米),经过核算或查表即可得出HB值。

布氏硬度实验的优缺陷:

长处:硬度值代表性全面,因为压痕面积较大,能反映较大规模内资料的均匀功能。实验数据安稳,数据重复性强。

缺陷:选用的压头是淬火钢球,因为钢球自身的变形和硬度问题,致使不能测验太硬的资料。一般在450HB以上就不能运用。因为压痕较大,不合适制品查验。

布氏硬度实验常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等的原资料以及结构钢调质后的硬度。

洛氏硬度实验

洛氏硬度实验是现在运用较广的实验办法,和布氏硬度相同,也是一种压入硬度实验,但它不是测定压痕的面积,而是丈量压痕的深度,以深度的巨细标明资料的硬度值。

洛氏硬度实验的压头选用锥角为120?的金刚石圆锥头或直径为1.588毫米(1/16英寸)的钢球。载荷先后两次施加,先加预载荷P0,然后加主载荷P1,在总载荷的效果下,将压头压入金属资料外表来进行的硬度测定。其总载荷为P(P=P0+P1)。

金属越硬,压痕深度越小;金属越软,压痕深度越大。为了习惯人们习惯上数值越大硬度越高的概念,人为的规则,用一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度的目标,并规则每0.002毫米为一个洛氏硬度单位。用符号HR标明,则洛氏硬度值为:HR =(K-h)/0.002

此值为一无名数。并可从硬度计的表盘指示器上直接读出。

运用金刚石压头时,常数K为0.2毫米,黑色表盘刻度所示;

运用钢球压头时,常数K为0.26毫米,赤色表盘刻度所示。

为了能够用一种硬度计测定出从软到硬的金属资料硬度,选用了不同的压头和总载荷,组合成几种不同的洛氏硬度标度,每一种标度用一个字母在硬度符号HR后加以注明,常用的是HRA、HRB、HRC三种。

各种洛氏硬度值之间不能直接进行比较,但可经过实验测定的换算表(略)进行相对比较。

各种洛氏硬度之间,洛氏硬度和布氏硬度值间都有必定的换算联系。关于钢铁资料,大致有下列联系式:

HRC = 2HRA-104

HB = 10HRC (HRC = 40~60规模)

HB = 2HRB

洛氏硬度实验办法的优缺陷:

长处:操作敏捷简洁,压痕较小,可在工件外表进行实验,能够各种金属资料的硬度,也能够丈量较薄工件或外表薄层的硬度。

缺陷:压痕较小,代表性差,因为资料中有偏析及安排不均匀等状况,使所测硬度值的重复性差,分散度较大。


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