工程材料及热加工精品课程

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电子教案
 绪论 
 第一章 工程材料的主要性能 
 第二章 金属的晶体结构与结晶 
 第三章 二元合金相图及应用 
 第四章 钢的热处理 
 第五章 常用工程金属材料 
 第六章 非金属材料 
 第七章 工程材料的选择 
 第八章 铸造 
 第九章 锻压 
 第十 章焊接 
 
第四章 钢的热处理
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第四章 钢的热处理

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课堂教学

第四章钢的热处理(1

第一节 钢在加热时的转变

第二节钢在冷却时的转变

学习:奥氏体的形成过程 ;奥氏体晶粒的长大及其影响因素过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的连续冷却转变连续冷却转变图与等温冷却转变图的比例和应用。

教学

过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的连续冷却转变

教学

连续冷却转变图与等温冷却转变图的比例和应用。

教学

多媒体教学,图示和讲解,提问、讨论

多媒体教学PPT演示

10.23

(参考资料、指导学生阅读材料等)

金属学与热处理(哈尔滨工业大学出版)、材料科学基础(清华大学出版)工程材料手册(机械工业出版)等

安徽机电职业技术学院教案

u引言

热处理概述、奥氏体的形成过程、奥氏体晶粒长大及其影响因素。

热处理——固态下加热、保温、冷却、改变组织得到所需性能的工艺方法。

•特点:在固态下,只改变工件的组织,不改变形状和尺寸。

•目的:改善材料的使用、工艺性能

•基本过程:加热 → 保温 → 冷却

•分类:1、普通热处理——退火、正火、淬火、回火

2、表面热处理——表面淬火、化学热处理

u教学内容正文

第四章 钢的热处理

第一节 钢在加热时的转变

实际加热和冷却时的相变点:

平衡时——  A1    A3     Acm

加热时—— Ac1    Ac3   Accm

冷却时—— Ar1    Ar3   Arcm

一、奥氏体的形成

加热工序的目的:得到奥氏体

F  +  Fe3C    A

结构体心复杂面心

含碳量    0.0218    6.69     0.77

共析钢奥氏体形成过程:

1、形核(在F/Fe3C相界面上形核)

2、晶核长大(F A晶格重构,Fe3C溶解,C A中扩散)

3、残余Fe3C溶解

4、奥氏体均匀化

保温工序的目的:得到成分均匀的奥氏体,消除内应力,促进扩散。

对亚共析钢:P+FA+FA

对过共析钢:P+Fe3CA+Fe3CA

二、奥氏体晶粒长大及其影响因素

1、奥氏体晶粒度

•晶粒度——晶粒大小的尺度。

•本质粗晶粒钢——长大倾向较大(Al脱氧)

•本质粗晶粒钢——长大倾向较小(Mn,Si脱氧)

2、影响奥氏体晶粒长大的因素

(1)加热温度↑,保温时间↑→ A晶粒长大快

(2)加热速度↑→ A晶粒细

(3)加入合金元素→ A晶粒细

(4)原始组织细→ A晶粒细

热处理可以改善材料的性能,基本过程是加热、保温和冷却;以共析钢为例分析奥氏体化过程;通常希望获得细小的晶粒。

第二节钢在冷却时的组织转变

冷却方式:等温冷却和连续冷却。

45钢加热后,随冷却速度的增加,强度、硬度增加,但塑性、韧性降低。

冷却是热处理的关键,故必须研究奥氏体冷却过程的变化规律。

一、过冷奥氏体等温转变

1、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线或TTT线)的建立

过冷奥氏体:在A1以下,未发生转变的不稳定奥氏体。

•孕育期 —— 表示过冷A 的稳定程度

•四个区域——奥氏体稳定区、过冷奥氏体区、转变产物区、转变区

•三种转变类型:

高温转变(A1~550):A →  P

中温转变(550~230):A B

低温转变(230℃以下):A M

2、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

(1)珠光体转变

•珠光体组成:F Fe3C 的机械混合物

•形成特点: 在固态下形核、长大

是扩散型相变

•形态:A1~650 :珠光体 P                       20HRc

片状650~600 :索氏体 S(细P

600~550 :托氏体 T(极细P又称屈氏体)40HRc  

球状 —— Fe3C 呈球状

•珠光体性能

珠光体片越细→ HB↑,σb↑且δ↑,αk

C%相同时,球状 P 比片状 P 相界面少→HB↓,σb↓,δ↑,αk

(2)贝氏体转变

•贝氏体组成:过饱和F 和 碳化物的机械混合物

•形成特点:在固态下形核、长大

是半扩散型相变

•形态:550~350℃:上贝氏体(B羽毛状组织塑性差40-45HRc

350~ Ms:下贝氏体(B)  针片状组织综合性能好45-50HRc

过冷奥氏体在Ms点以下,AM属连续冷却转变。

3、影响C曲线的因素

1)含碳量(2)合金元素(3)加热温度和保温时间

二、过冷奥氏体连续冷却转变

1、共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT线)

特点:K——珠光体型转变中途停止线;

只有APAM无贝氏体转变;

临界冷却速度Vk——获得全部马氏体的

最小冷却速度。

2C曲线在连续冷却转变中的应用

共析钢C曲线在连续冷却转变中的应用

V1(炉冷)AP170~220HBS

V2(空冷)AS25~35HRc

V3(油冷)AT+M+A45~55HRc

Vk:临界冷却速度

V4(水冷)AM+A55~65HRc

马氏体转变

A   M

γ- Fe   α- Fe

• 马氏体晶格结构:体心正方(比容随C%的增加而增加,易变形,开裂)

• 马氏体组成:碳在α- Fe中的过饱和固溶体

• 形成特点:

在固态下形核、长大

是无扩散型相变

变温形成,高速长大

转变不完全(在C >0.5%的钢中总有残余A

•形态:

板条 M —— 低碳 MC<0.2%立体形态:细长条状

片状 M —— 高碳 M (C>1.0%)立体形态:双凸透镜

0.2~1.0%C之间的钢得到混合 M

•马氏体性能:

马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量即母相奥氏体的含碳量)

塑性和韧性——低碳M的塑性韧性好,

高碳 M塑性韧性差。

马氏体性能——低碳M(板条M强而韧

高碳M(片状M硬而脆

冷却是热处理的关键,故必须研究奥氏体冷却过程的变化规律,即等温冷却转变与连续冷却转变过程,会分析TTTCCT图。

u总结与巩固(小结、考核知识点、作业等)

奥氏体的形成过程;奥氏体晶粒的长大及其影响因素;过冷奥氏体的等温转变;过冷奥氏体的连续冷却转变;连续冷却转变图与等温冷却转变图的比例和应用。

作业:本章134P82)。

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10

课堂教学

第四章 钢的热处理(2

第三节 钢的普通热处理

第四节钢的表面热处理和化学热处理

学习:钢的退火;钢的正火;钢的淬火;钢的淬透性;回火;表面淬火;

教学

钢的退火;钢的正火;钢的淬火;钢的淬透性;回火;表面淬火;

教学

钢的淬透性;

教学

多媒体教学,图示和讲解,提问、讨论

多媒体教学PPT演示

影像资料

10.26

(参考资料、指导学生阅读材料等)

金属学与热处理(哈尔滨工业大学出版)、材料科学基础(清华大学出版)工程材料手册(机械工业出版)等

安徽机电职业技术学院教案

u引言

典型零件的制造过程:

/锻→  预备热处理→ 粗加工→ 最终热处理→ 精加工

预备热处理目的:消除前道工序的缺陷,为后续工序作组织准备

最终热处理目的:满足使用性能要求

u教学内容正文

第四章钢的热处理

第三节钢的普通热处理

一、钢的退火

典型零件的制造过程:

/锻→  预备热处理→ 粗加工→ 最终热处理→ 精加工

预备热处理目的:消除前道工序的缺陷,为后续工序作组织准备

最终热处理目的:满足使用性能要求

退火:加热、保温、慢冷得到 P 类组织

退火的目的:软化、稳定化、细化、均匀化

1、完全退火和等温退火

•完全退火 —— 加热到Ac3+30~50℃,保温后炉冷。

目的:细化,软化

应用:亚共析钢的铸、锻件,热轧型材,焊接件

组织:F + P

•等温退火 —— 加热到Ac3Ac1+20~50℃,保温后在Ar1以下等温后炉冷。

目的:细化,软化、省时

2、球化退火

球化退火 —— 加热到Ac1+20~40℃,保温后炉冷

应用:共析、过共析钢和合金钢

目的: Fe3C片,网  Fe3C (降低硬度;为淬火作组织准备)


T10钢球化退火工艺曲线

3、扩散退火(均匀化退火)

扩散退火 —— 加热到Ac3+150~300℃,长时间保温后慢冷

目的:均匀成分

应用:铸钢件

组织:晶粒粗大,扩散退火后应完全退火或正火以细化组织

4、去应力退火

去应力退火 —— 加热到Ac1-100~200℃,保温后炉冷

目的:去内应力,稳定组织

应用:冷加工件,热加工件

二、钢的正火

正火  —— 加热到Ac3(Accm)+30~50℃,保温后空冷。

退火强调软化,正火强调高效率。

正火的应用

1、细化晶粒,提高性能;

2、提高低碳钢和低合金钢硬度,改善切削加工性;

3、消除网状渗碳

体(以

退火与正火常作为预先热处理,为后续工序作组织准备,退火强调软化,正火强调高效率。退火与正火的工艺、目的及应用。

课题:钢的淬火与回火

内容:钢的淬火与回火工艺、目的及应用。

第四节钢的淬火

淬火——  加热、保温、快冷,提高硬度和耐磨性

目的:得到马氏体组织(贝氏体),提高硬度和耐磨性

分析:45钢分别在700℃,750℃,840℃加热淬火后的硬度高低

      T12钢分别在700℃,750℃,900℃加热淬火后的硬度高低

一、淬火工艺

1、淬火加热温度

亚共析钢:Ac3+30~50

淬火组织:细小均匀M

过低——有F,↓HRC

过高——氧化脱碳,晶粒粗大,淬火应力大

过共析钢:Ac1+30~50

淬火组织:细小均匀M+ Fe3C +A残

过低——得不到 M

过高——氧化脱碳,晶粒粗大,淬火应力大,残余A量↑,HRC

2、淬火冷却介质

理想冷却速度:慢

冷却介质:纯水,盐水,油,盐浴,碱浴

碳钢淬水,合金钢淬油。

二、淬火方法

1、单液淬火

2、双液淬火(难控制)

3、分级淬火

4、等温淬火(B——变形小,强韧性好)

三、钢的淬透性

1、淬透性的概念

淬透性——  钢淬火时获得M的能力。(用规定条件下淬硬层深度表示)

淬硬层深度:表面到半M组织的距离淬硬层深,淬透性好

淬硬性——钢淬火时所能达到的最高硬度能力

概念区别

淬透性是钢本身的固有属性,取决于VkC曲线位置

实际淬硬层深度与工件形状、大小、冷却介质、淬透性有关

淬硬性主要取决于M的含碳量

2、淬透性的应用

大截面、形状复杂、受动载荷零件(重要齿轮、弹簧)——淬透性好的钢

受弯曲、扭转应力及表面耐磨的零件(轴)——淬透性中等钢

焊接件——淬透性差的钢

第五节钢的回火

回火  —— 淬火后在A1以下加热、保温、冷却

目的:消除内应力,降低脆性,稳定组织和尺寸,获得所需性能。

一、淬火钢的回火转变

1、马氏体分解(100~350

M → 过饱和α相+ε碳化物

组织保持M特征,内应力降低,硬度变化不大。

2、残余奥氏体分解(200~300

A B( 同时马氏体继续分解 )

内应力进一步降低,硬度变化不大

3、碳化物转变(250~400

过饱和α相+ε碳化物 → 针状F+ Fe3C

4、渗碳体长大和α相再结晶

针状F+ Fe3C → 块状F+粒状Fe3C

淬火应力全部消除,硬度明显降低。

组织转变:

           200                     300                400

M → 过饱和α相+ε碳化物 → 针状F+ Fe3C → 块状F+粒状Fe3C

回火M                  回火T               回火S

性能变化:随回火温度的升高,强度、硬度降低,塑性、韧性提高。

同时内应力降低,到消除。

二、回火种类及应用

1、低温回火(150~250

组织:回火M —— 极细ε碳化物 + 过饱和α相

目的:↓内应力,↓脆性,保持高硬度和耐磨性      58~64 HRC

适用:工具、量具、模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件。

2、中温回火(350~500

组织:回火T —— 针状 F + 极细 Fe3C

目的:获得高σb ,σe                  30~50 HRC

适用:弹簧。

3、高温回火(500~650

组织:回火S —— 块状 F + 粒状 Fe3C

目的:获得良好的综合机械性能          25~35 HRC

适用:轴,齿轮,螺栓等重要结构件 —— 中碳钢

回火硬度主要取决于回火温度和回火时间

淬火 + 高温回火 = 调质

45钢调质与正火性能比较:

正火 —— S —— Fe3C为片状

调质 —— 回火S —— Fe3C为粒状 ——综合机械性能好

同一钢种调质后的硬度与正火相当,但塑性、韧性更好

三、回火脆性

回火脆性:在某温度区间回火时,αk 显著降低。

第一类回火脆性:250~350

每种钢都有,难以避免 —— 回火温度禁区

第二类回火脆性:500~600

CrMnNi的钢明显

可以消除:钢中加 MoW;回火后快冷

第四节钢的表面热处理和化学热处理

表面淬火 —— 通过快速加热,使工件表层进行淬火的工艺。

一、感应淬火

1、基本原理

感应圈通入交流电 → 形成涡流(集肤效应)

→ 表层得A → 水冷得M

电流频率越高,集肤效应越强烈,加热层越薄。

2、特点

•加热速度极快,温度高,时间短;

•表层得极细马氏体,硬度、耐磨性、韧性较好;

•表层存在残余压应力,疲劳强度较高;

•工件不易氧化脱碳,变形小;

•易实现机械化,自动化;

•设备价贵,维修调整困难。

用钢——中碳钢、中碳合金钢,404540Cr

感应淬火零件的一般工艺路线:

锻造 → 正火  → 机加工 → 调质半精加工→感应淬火

低温回火 → 磨削加工

二、火焰淬火

特点:

•操作简便,设备简单,成本低,灵活性大;

•加热温度不易控制,淬火质量不稳定;

•主要用于单件、小批量生产的大型零件。

钢的化学热处理

目的:强化表面→↑表面HRC,耐磨性,σ-1,心部塑韧

保护表面→↑表面抗蚀性,耐热性

基本过程:分解吸收扩散

常用方法:渗碳、渗氮、碳氮共渗

一、钢的渗碳

1、渗碳目的和用钢

汽车传动齿轮、活塞销的工作条件:

循环载荷,冲击载荷,严重磨损

性能要求:表层——高的硬度,耐磨性↑↑

心部——强而韧

渗碳用钢:0.1~0.25%C碳钢或合金钢

2、渗碳方法

气体渗碳法

固体渗碳法

3、渗碳后的组织及热处理

渗层深:0.5~2.5mm

工件:表层心部

成分(%C)              0.85-1.05              0.1-0.25

缓冷组织:              P + Fe3C             F  + P

淬火、低温回火M + Fe3C+AM板条 +F+T)(合金钢)  

F + P (碳钢)

硬度:58~64HRc      35~45HRc/10~15HRc  (137~183HBS)

渗碳零件工艺路线:

锻造 → 正火  → 机加工 → 渗碳淬火、低温回火 → 精加工

表面淬火与渗碳组织、性能比较

表面热处理方法

用钢

组织

性能

表层

心部

表层

心部

表面淬火

中碳钢

M

F + P

耐磨性↑

塑性韧性好

渗碳

低碳钢

M+Fe3C

M板条+F+T

耐磨性↑↑

强而韧

热处理工艺路线安排

→正火 → 机加工 → 渗碳+淬火+低温回火→  磨

下料→锻→正火 → 机加工→ 调质 → 表面淬火低温回火 → 磨

→ 球化退火→机加工 → 淬火+中温回火→ 磨

→ 淬火+低温回火→ 磨

u总结与巩固(小结、考核知识点、作业等)

钢的退火;钢的正火;钢的淬火;钢的淬透性;回火;表面淬火

作业:本章578P82

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11

课堂教学

第四章钢的热处理(3

第五节 热处理新技术简介

第六节热处理工艺的应用

学习:热处理的技术条件;热处理工序位置的确定;热处理零件结构的工艺性

教学

热处理的技术条件;热处理工序位置的确定;

教学

热处理工序位置的确定;

教学

多媒体教学,图示和讲解,提问、讨论

多媒体教学PPT演示

动画演示

10.30

(参考资料、指导学生阅读材料等)

金属学与热处理(哈尔滨工业大学出版)、材料科学基础(清华大学出版)工程材料手册(机械工业出版)等

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u引言

齿轮、凸轮的机械性能要求

表面:硬,耐磨,耐疲劳M   心部:塑,韧,耐冲击FP

解决思路选材→低淬透性材料

工艺→只改变表层组织→表面淬火

同时改变表层组织、成分→化学热处理

u教学内容正文

第四节钢的表面热处理和化学热处理

表面淬火 —— 通过快速加热,使工件表层进行淬火的工艺。

一、感应淬火

1、基本原理

感应圈通入交流电 → 形成涡流(集肤效应)

→ 表层得A → 水冷得M

电流频率越高,集肤效应越强烈,加热层越薄。

2、特点

•加热速度极快,温度高,时间短;

•表层得极细马氏体,硬度、耐磨性、韧性较好;

•表层存在残余压应力,疲劳强度较高;

•工件不易氧化脱碳,变形小;

•易实现机械化,自动化;

•设备价贵,维修调整困难。

用钢——中碳钢、中碳合金钢,404540Cr

感应淬火零件的一般工艺路线:

锻造 → 正火 → 机加工  → 调质半精加工→感应淬火

低温回火 → 磨削加工

二、火焰淬火

特点:

•操作简便,设备简单,成本低,灵活性大;

•加热温度不易控制,淬火质量不稳定;

•主要用于单件、小批量生产的大型零件。

三、钢的化学热处理

目的:强化表面→↑表面HRC,耐磨性,σ-1,心部塑韧

保护表面→↑表面抗蚀性,耐热性

基本过程:分解吸收扩散

常用方法:渗碳、渗氮、碳氮共渗

一、钢的渗碳

4、渗碳目的和用钢

汽车传动齿轮、活塞销的工作条件:

循环载荷,冲击载荷,严重磨损

性能要求:表层——高的硬度,耐磨性↑↑

心部——强而韧

渗碳用钢:0.1~0.25%C碳钢或合金钢

5、渗碳方法

气体渗碳法

固体渗碳法

6、渗碳后的组织及热处理

渗层深:0.5~2.5mm

工件:表层心部

成分(%C)             0.85-1.05              0.1-0.25

缓冷组织:              P + Fe3C             F  + P

淬火、低温回火M + Fe3C+AM板条 +F+T)(合金钢)  

F + P (碳钢)

硬度:58~64HRc      35~45HRc/10~15HRc  (137~183HBS)

渗碳零件工艺路线:

锻造 → 正火  → 机加工 → 渗碳淬火、低温回火 → 精加工

表面淬火与渗碳组织、性能比较

表面热处理方法

用钢

组织

性能

表层

心部

表层

心部

表面淬火

中碳钢

M

F + P

耐磨性↑

塑性韧性好

渗碳

低碳钢

M+Fe3C

M板条+F+T

耐磨性↑↑

强而韧

热处理工艺路线安排

→正火 → 机加工 → 渗碳+淬火+低温回火→  磨

下料→锻→正火 → 机加工→ 调质 → 表面淬火低温回火 → 磨

→ 球化退火→机加工 → 淬火+中温回火→ 磨

→ 淬火+低温回火→ 磨

u总结与巩固(小结、考核知识点、作业等)

表面淬火 —— 通过快速加热,使工件表层进行淬火的工艺。

钢的化学热处理--目的:强化表面→↑表面HRC,耐磨性,σ-1,心部塑韧

保护表面→↑表面抗蚀性,耐热性

基本过程:分解吸收扩散

常用方法:渗碳、渗氮、碳氮共渗

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