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零读杂谈(热处理十七)

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发表于 2016-7-16 03:28:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
不知不觉地,已经写到十七了。本以为可以在二十之前结束基本热处理的,但现在看来是不太可能了。呵呵,到哪儿算哪儿吧。看到有大侠已经开始阅读《材料工程基础》了,挺好,那本书值得深读。结构很好,从原子理论开始,到晶格结构,到固溶、扩散。当然,写完基本热处理之后,我也会开始写那一部分。最近确实比较忙,如果没更新,还望诸位多担待。

读书:《金属材料及热处理》 陆大纮 许晋堃 合编
   人民铁道出版社

   杂谈十七

回火钢的性能变化

从前一杂谈我们知道,淬火钢的整个回火过程,其实就是马氏体、残余奥氏体组织分界,渗碳体颗粒长大并与铁素体结合为新的组织的过程。而这一过程,同是会伴随着一个总的机械性能变化趋势。即,虽回火稳定升高,硬度、强度下降,而塑性和韧性提高。这其中也有一些特别情况。高碳工具钢在100℃左右回火时,根据我们前面说的回火过程,碳原子大量偏聚,100℃以后,ε——碳化物大量析出。而ε——碳化物硬度比马氏体更高,因此这一阶段,钢的硬度不仅不降,反而会出现一个增加。这个现象叫做弥散硬化。同样,高碳工具钢在200~250℃间,由于发生残余奥氏体的马氏体化,因此硬度又会有一次小幅的回升。
现实使用中,当回火温度较低时,钢的强度和硬度主要决定于马氏体的含碳量。而当回火温度较高时,则主要决定于渗碳体的分散程度和,晶粒度。渗碳体质点越细小,分布越均匀,晶粒度越高,强度和硬度亦越高。
钢的回火种性能变化,可以基本描述为下面两图。其中,第一幅描述整个回火过程中的主要变化。第二幅描述不同碳钢硬度和回火温度的关系。

我们选择使用材料,一方面要考虑其硬度和强度需求,另一方面,还要考虑韧性需求。回火工艺主要就是平衡和选择合适的匹配的工艺。以40号钢为例,硬度在200℃回火时,基本达到一个最大值。而强度会随着回火继续有一个小幅提升,在240℃左右达到最大(残余奥氏体转变)。随后便会一直下降。但韧性,包括延展率、冲击韧性、断面收缩率都会在整个过程中表现出一直上升的状态。40号钢在回火到600~650℃时,会出现高塑性表现,此时的综合机械性能最好。而此时得到的是回火索氏体组织。这个与退火、正火得到的直接索氏体组织不同。回火索氏体中的渗碳体为颗粒状,而直接索氏体为细片状。而往往来说,颗粒状的机械性能要优于片状。同样的还有回火托氏体和直接托氏体组织,是类似的道理。如下图。


回火工艺

钢的回火性能只与回火的温度和时间有关,而与回火后的冷却速度无关。(对于某些合金钢不适用)。回火的温度决定形态,回火时间决定均匀化程度和晶粒度。
在实际生产中,主要通过以下方法确定碳钢的回火温度。

1。应用回火温度和硬度的关系曲线,或者生产中总结出来的有关图标,按照要求的硬度确定回火温度。这里插一句,作为设计人员,经常会在图纸的技术要求中注明基本热处理工艺和硬度要求,或者直接注明硬度要求。即是为生产中选择使用合适的热处理工艺,达到设计者要求的材料组织性能而作的直接指示。从这点上说,我跟人很反感生产按个人理解发挥,虽然最终的硬度偏差可能很小,但是由于没有选择合理的工艺,其最终产品的性能是和设计者与其迥然的。因此,作为设计人员,一定要对自己的设计意图和热处理要求有一个清醒的认识。从认知原材料到最终成品形态,都要清洗明了。该坚持的坚持。下图为这一方法的一个例表。

2。应用经验公式进行计算。这里必须要说,经验公式是生产中总结的结果,只针对特定的环境和材料。因此使用中要有清醒的认识。
如对于45号钢,当要求硬度大于HRC30时,回火温度(℃)=200+11x(60-要求的HRC硬度值)。
当要求硬度小于HRC30时,回火温度(℃)=200+12x(60-要求的HRC硬度值)
当含碳量不为0.45%时,C%每增加或者减少0.05%,回火温度应相应增加或减少10~15℃

生产中按工件性能要求的不同,通常将回火分为三类。
1。低温回火(150~250℃)
低温回火的目的是消除淬火应力,降低淬火钢中的残余奥氏体的含量。在保持高硬度和耐磨性的同时,适当提升塑性、韧性。避免材料的时效开裂。低温回火后组织是回火马氏体。低温回火主要用于高碳工具钢与合金工具钢的量具、刃具、冷冲压模具以及轴承滚动体、渗碳件等。
对于高精密偶件(内燃机车燃油泵柱塞副)与量具的尺寸稳定性和耐磨性,可以在100~150℃进行长时间低温回火(数十小时)。这种回火叫也被称为时效处理或者尺寸稳定处理。必须要说,这种时效同自然时效不同。属于人为干涉的快速时效处理。
由于人们对于板条马氏体的认识加深、以及板条马氏体的应用扩展,对于低碳合金钢如20CrMn,20MnVB等,淬火+ 低温回火得到的板条马氏体,不仅强度高(1000~1600Mpa抗拉),而且依旧能保持良好的塑性和韧性。(ak可达6~7Kg*m/cm^2)另外,随着对于细晶粒钢和极细晶粒钢的研究,一些低碳合金钢再进行多次淬火回火工艺后,能得到更高的强度和韧性。这些板条马氏体钢目前已在很多领域有广泛的应用。

2。中温回火(350~500℃)
中温回火的目的是得到回火托氏体组织(HRC38~50)。回火托氏体具有高弹性、高屈服极限、高强度极限和足够的韧性,因此最适合用于弹簧等弹性体的热处理。回火托氏体中的渗碳体呈颗粒状,因此表现出很好的韧性。

3。高温回火(500~650℃)
高温挥霍适用于含碳量0.3~0.5%的中碳钢,回火后得到综合机械性能良好的回火索氏体。HRC25~35。具有良好的综合机械性能。生产中广泛应用于机械结构零件如轴、连杆、齿轮等制造中。一般生产上将淬火+高温回火合称为调质处理。
正如之间说淬透性时提到的,调质零件如果有截面一致性要求,则必须保证整个零件能淬透。因此随着调质零件的尺寸与受力情况不同,要求的淬透性亦不同。另外,随着新热处理技术的应用,一些以前无法做到的局部热处理工艺也在成熟。


中温及高温回火可以适用井式炉或者盐浴炉,低温回火宜采用油浴,炉温力求均匀。

继续说昨天提到的回火脆性问题。回火脆性分两种,第一类回火脆性和第二类回火脆性。

第一类回火脆性是250~400℃之间,具备不可逆性,与回火后的冷却速度无关,断口为沿晶脆性断裂。第一类回火脆性也称不可逆回火脆性或者低温回火脆性。
目前对于这类脆性的成因大致有三种,残余奥氏体转变论,碳化物析出论,杂质偏聚论。
正如其名称中的不可逆一样,第一类回火脆性无法防止和消除。因此生产中应避免这一回火温度范围。

第二类回火脆性发生在高温区,400~650℃,又称可逆回火脆性。
第二类回火脆性主要表现为,可逆性;与回火后冷却速度有关(回火保温后,缓冷出现,快冷不出现。出现脆化后,重新加热快冷亦可消除);断口为沿晶脆性断口。
第二类回火脆性主要由材料中的Ni、Cr、Sb、Sn、P等元素的偏聚引起。因此第二类回火脆性伴随杂质元素的增多而增大。其中,Ni,Cr不仅自身偏聚,而且促进杂质元素的偏聚。
因此对于第二类回火脆性的防止,一般有以下几种方法。
1。提高材料纯度,减少杂质。
2。加入Mo、W等有益元素。Mo元素能有效抑制杂质元素的晶界偏聚,而且自身也不偏聚。
3。对尺寸小、形状简单的零件,采用回火后快冷的处理方法。
4。采用亚温淬火(A1~A3):细化晶粒,减少偏聚度。
5。采用高温变形热处理,使晶粒超细化。晶界面积增大,降低杂质偏聚度。


回火中常见的问题有两种。
1。硬度偏差。主要是油浴回火温度控制不挡导致。硬度偏高可重新进行回火,提高控制回火温度到合适范围。偏低则必须重新淬火再回火。
2。回火后韧性不足。有时发现为磨削时发生裂纹。一般多为发生回火脆性导致。应检查避开回火脆性区或者选择合适的方法避免回火脆性。如不在回火脆性范围内,可适当提高回火温度或延长回火时间。

哈,努力了一下,把回火剩下的部分写完了。下周是一个大章节,表面热处理。可能一个周末说不完。感谢参与。

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 楼主| 发表于 2016-7-16 03:31:47 | 显示全部楼层
补充一个铁大侠的问题。

对应回复:

其实,说句实话,你看看弹簧的回火温度也应该能判断究竟是什么了?你贴的那个也写了,索氏体是500以上的回火。但是弹簧究竟应该用什么组织,其实是没有定论的。但有一点,只要不是脆性组织,其实都能作为弹簧使用。只是能选择的弹性段区间不同而已。所以,仅就通常情况来说,说托氏体比较合适。

其实,托氏体和屈氏体是一个东西,翻译差异。 索氏体和珠光体其实是一个东西,只是按照颗粒大小和是否由回火得到作以区分。所以,跟鬼子谈索氏体,他们有时会困惑,实际上还是谈珠光体。魏氏体是一种带状组织,属于需要避免的一类组织。
" B, O, }+ z7 C! y8 v
个人理解,托氏体和索氏体还是不同的。索氏体依旧是珠光体,细小是一个特点,但同时,因为回火温度高,不仅碳原子游动,铁原子也开始有位移,因此其组织上的铁素体和渗碳体排列和珠光体是极为类似的,也就是所谓的晶胞内两相平行存在。而托氏体则不同,虽然也细小,但是基本构成有却别。托氏体的渗碳体更趋近于球状,周围由铁素体包围,也就是并没有形成平行。根本上是因为温度低,铁原子无法运动,只有碳原子移动。

所以,对于托氏体来说,塑性绝对是比不上索氏体的。但强度上要高于索氏体。所以原则上更适于弹簧。

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发表于 2016-7-23 21:20:07 | 显示全部楼层
零侠,么么哒 哈哈
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发表于 2016-7-24 09:12:55 | 显示全部楼层
零侠,我一直有点疑惑马氏体算是单相还是啥,他是奥氏体在急冷下,转为铁素体而碳来不及扩散形成的C过饱和铁素体,本质上是不是和贝氏体,珠光体这些有铁素体和渗碳体按一定比例特定形态构成的,是不一样的吗?
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 楼主| 发表于 2016-7-24 13:41:07 | 显示全部楼层
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零侠,我一直有点疑惑马氏体算是单相还是啥,他是奥氏体在急冷下,转为铁素体而碳来不及扩散形成的C过饱和 ...

马氏体是组织,不是相。铁素体是相,渗碳体是相。你问的那个本质上一样不一样,我不太明白你的意思。
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发表于 2016-7-24 14:20:38 | 显示全部楼层
谈的不错,热处理非常深,玩好这个,才能谈机械设计,

点评

感谢8爷。在深读相关的内容。在从原子结构以及扩散理论加深理解。然后再配合热处理的知识去看合金的、碳钢变形热处理的,以及热处理变形的书。  发表于 2016-7-25 00:20
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发表于 2016-7-24 14:31:40 | 显示全部楼层
哦,那我搞错咯,组织是有相组成的可能单相或多相,那马氏体是有什么相组成的呢?还有,怎么从组织形态上去区分贝氏体,因为他也是F和渗碳体的混合的?还有那个ε——碳化物和渗碳体有什么区别?谢谢

点评

大侠,这个你找一个金相图谱对照着看看就清楚了。那语言不好描述。  发表于 2016-7-25 00:18
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发表于 2016-7-25 15:05:34 | 显示全部楼层
:)
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