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1、中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 第七章 钢的淬火和回火 （3）7.6 7.6 钢的时效硬化钢的时效硬化 7.7 7.7 钢的表面淬火钢的表面淬火中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.6 7.6 钢的时效硬化钢的时效硬化时效硬化：过饱和固溶体的析出（即过饱和固溶体分解并形成和析出偏聚区、过渡相或平衡相），从而引起合金强化的过程。铝合金、镁合金、铍青铜、镍基耐热合金及部分钢。钢的时效（硬化）：马氏体的分解和二次硬化，即过饱和固溶体中碳（氮）化物、合金化合物析出；奥氏体中二次碳化物、F中三次碳化物析出等过程。硬化也可能来自于多边化减慢。中南大学中南大学
2、金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.6.1 析出强化钢：析出强化钢：1.马氏体时效钢：微碳Fe-Ni合金（Ni、Co、Mo、Ti、A1、或Ti、A1、Nb）。加入合金元素形成金属间化合物(Ni3M)强化基体。2.沉淀硬化超强不锈钢：以18-8不锈钢为基础，添加少量A1、Ti、Mo的AM沉淀硬化不锈钢和以Cr13型M不锈钢为基础添加Mo、W、Ti、Nb和Co的低碳M沉淀硬化超高强不锈钢。合金元素间形成IMC。3.微合金钢：低碳/低碳锰钢中添加微量A1、Nb、V、Ti 等。这些合金元素与钢中的C和N形成细小弥散的合金碳化物、氮化物或碳-氮化物。减缓晶粒（奥氏体或再结晶）的长大；微合金C化物
3、、N化物为相界沉淀，对回复、再结晶的影响？4.M时效钢与沉淀硬化高强不锈钢的析出强化必须通过固溶时效才能体现，微合金钢一般只需在加工中采用合适的控轧控冷工艺。另外，前二者在热处理中经历多型性转变。强化主要来自于第二相析出中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.6.2 马氏体时效钢的淬火时效马氏体时效钢的淬火时效 M时效钢超高强、有良好的塑性和韧性，用于承受大负荷的结构件。原因：淬火强化（板条状马氏体）+时效强化 成分：C0.03，Ni1825，含能产生时效强化的合金元素。分三类：18Ni型、20Ni型和25Ni型。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院钢种
4、标准化学成分/%力学性能屈服强度/MPa冲击值J/cm2NiCoMoTiAlC 18Ni18Ni型：型：淬火态屈服强度约690MPa；时效强度达6901380MPa，断裂韧性比一般超高强钢高出一倍以上，热处理后不变 形。用于空间飞行器的部件、大负荷扭转或弯曲的结构 件、高压容器和部分工模具。18Ni型M时效钢的化学成分与力学性能添加少量Co减少Mo在M内的溶解度，促进Ni3Mo的析出，避免钢的回火脆性中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院18Ni型马氏体时效钢的热处理工艺强化效应：淬火后得到板条马氏体；时效后板条M上高弥散度（约10nm)、高硬度化合物(Ni3Mo，Ni3Ti
5、)分布；且化合物与马氏体基体半共格。淬火态屈服强度约686MPa，时效态可达1200MPa，断裂韧性很高，热处理变形少。左上图合金高温时效时，有可能Fe2Ni、Fe2Mo替代Ni3Mo、Ni3Ti。前者与基体非共格，后者与基体半共格。时效温度对18Ni马氏体时效钢力学性能的影响(18Ni,7Co,4.5Mo,0.3Ti)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Another kind of precipitating hardening steel:17-4PH（S17780马氏体析出硬化钢，主体成分：Fe-0.09C-1Mn-0.5Si-1617.25Cr-6.57.75Ni
6、-0.751.25Al）。凝固时可得到100%F，继续冷却得到几乎全部A+残留F。轧制后，F沿轧制方向排列。析出处理：760OCx2hr-空冷-621OCx4hr。抗拉强度达790MPa，冲击韧性值可达75。1040OC退火1040OC退火+482OC时效中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院(d)Fe-30Mn-7.8Al-1.3C heated at 1253K for 30 min then quenched to 823K for different durations.(a)180,(b)6000,(c)48800,(d)17300min.0Austenite st
7、eel:aging-hardening;To replace Fe-Ni-Cr Other aging-hardening steel中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Fe-30Mn-7.8Al-1.3C:2 stages of ageing中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.7 钢的表面淬火钢的表面淬火钢制零件（齿轮、曲轴、冷轧辊等）服役条件要求：心部韧性和塑性高、表层硬且耐磨。要求：表层M，芯部为淬火前的原始组织。利用热传导的时间差！整体热处理可否达到要求？多种方法！7.7.1 表面淬火方法表面淬火方法 传统方法(火焰表面淬火法、感应加热表面淬
8、火法)新技术（电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光表面淬火、电子束表面淬火等）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.7.2 钢在快速加热时相变的特点钢在快速加热时相变的特点1表层优先加热，且时间短，芯部微热。2.表层相变温度高，完成相变的时间短。3.可获得细小的奥氏体晶粒M细小。4.但奥氏体成分难以充分均匀化，甚至有未溶先共析相。5.芯部在随后淬火时组织不变，只有表面形成M。原始组织应细小，回火索氏体或正火索氏体高频感应加热速度对40钢A晶粒大小的影响中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 亚共析钢高频表面淬火后的组织分布7.7.3表面淬火后钢的
9、组织和性能表面淬火后钢的组织和性能 1工件表面淬火后的显微组织工件表面淬火后的显微组织 影响因素：含碳量、合金元素种类及其含量、原始组织、加热和冷却规程等。组织分布分析：组织分布分析：（传热与相变点结合）第一区(TAc3):马氏体(完全淬火的表层)第二区(Ac1Ac3):不完全淬火。贫碳A不易淬透，可观察到T。过共析钢 Ac1Accm，隐晶M第三区(TAc1):(未淬火层)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院2 2表面淬火后的力学性能表面淬火后的力学性能 表面淬火后工件表层获得的M与常规淬火相比，更细小，表面硬度均可高出几个HRC单位，(即超硬度现象)。另外，硬度由表面至心
10、部逐渐降低。硬度高，耐磨性好、零件的抗疲劳强度高。疲劳强度一般可提高2030%，来源于相变硬化及表面压应力的提高。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.7.4 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 淬透层（淬硬层）根据淬硬层深浅确定频率范围后，选用设备。淬透层2mm时，f=60100kHZ（高频）；210mm时，中频110kHZ；1015mm时，用工频50HZ。应用：钢制齿轮、凸轮、曲轴、各种轴、轧辊和轮毂等机械零件 35,40,45,50,55,40Cr,40MnB,45MnB,30CrMo,42CrMo,42SiMn,55Tid(55DTi),60Tid(60DTi),5
11、CrNiMo,GCr15,T8,T12,9SiCr,9Mn2V.(mm)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院我国常用感应加热装置中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院1 1高频表面淬火高频表面淬火 频率：6070kHz至200300 kHz 30100kW 淬硬层：12mm 性能：大的表面压应力硬度高、耐磨性好，抗疲劳抗强度大、缺 口敏感性较小 适应：齿轮、轴类、套筒形工件、机床导轨、蜗杆等许多零件以 及量具、工具。2 2中频表面淬火中频表面淬火 频率：100010000Hz 100500kW 淬硬层：210mm 性能：提高表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能 适
12、应：大、中型工件；有些小零件(如轴承套圈、丝杆毛坯等)3 3工频表面淬火工频表面淬火:大功率大功率(10002000 kVA)淬硬层：1015mm 适应：大型钢件，如大直径冷轧辊、钢轨及起重机车轮 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院7.7.5 激光表面淬火激光表面淬火 1 1激光表面处理概述激光表面处理概述 u优点：处理过程无污染，十分清洁；可快速、局部急热急冷，使工件表层获得所需的组织结构和性能，且工件基本上无变形；原则上可处理各种不同的金属材料；生产率高。u应用：激光表面淬火，激光冲击硬化，激光熔凝，激光合金化，激光非晶化，激光熔覆，激光镀等。中南大学中南大学金属材料
13、热处理MSE_材料科学与工程学院2 2激光表面淬火激光表面淬火利用高能(功率密度大于103Wcm2)激光束对金属工件表层迅速加热和随后激冷，使表层发生固态相变而强化。优点：加热速度很快(10000s)可自淬火而无需别的淬火介质；基本上不改变表面粗糙度，表面光洁；变形小，工件处理后一般无需后续加工即可直接装配使用；表面硬度高，一般也无需回火。3 3激光淬火显微组织激光淬火显微组织 表层为完全淬火区，次层为过渡区，心部为未淬火区。特征：淬火马氏体极细、淬火马氏体和其他相组成物以及残余奥氏体成分也不均匀、表层组织中存在较多的位错等晶体缺陷，热应力大。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工
14、程学院 4 4激光淬火件的性能激光淬火件的性能 (1)硬度 (2)耐磨及抗疲劳性能 碳钢表面硬度与含碳量的关系1.激光淬火；2.常规淬火；3.非强化状态45碳钢激光淬火与高频淬火后的硬度1.高频淬火 2.激光淬火中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Ledeburite between dendrites in the laser-treated layer of X165CrMoV12-1tool Steel(Swiss)激光熔化淬火！中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院5激光表面淬火的工业应用 (1)1040(相当于我国40)钢制的轴，应用10mm x
15、17.8mm的矩形 激光光斑，扫描速度305cm/min，可获得硬度为57HRC、厚度为0.3mm的表面硬化层，耐磨性和疲劳寿命显著提高。(2)由3Cr3W8V钢制造的轧辊，激光淬火后表面硬度达55-63HRC，压应力为50MPa，与常规工艺相比使用寿命可提高一倍。(3)由HT200灰铸铁制造的汽车发动机缸体，硬度达63.5-65HRC，耐磨性可提高22.5倍。(4)GCrl5钢制冲孔模和压玻模采用激光淬火，其寿命比常规热处理工艺分别提高1.32和23倍。7.7.6 7.7.6 电子束表面淬火电子束表面淬火 特点；加热速度极快(3000500 s)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院思考：试分析某T8钢圆柱经高频表面淬火后其横断面径向显微组织的变化。