第二章金属的加热.ppt

第二章金属的加热,聊城大学材料学院,2.1加热方法及设备,箱式电阻加热炉井式加热炉浴炉,箱式电阻炉,电阻加热炉的优点温度控制精度高、均匀性好、无噪音和无污染。箱式炉优点结构简单价格低；温度均匀性高；热效率高；易于实现温度和工艺过程的自动控制。箱式炉缺点中温和高温加热时氧化和脱碳严重，人工装工件和出工时劳动强度大。,井式加热炉与箱式炉比较优点是1）用于回火时温度均匀、装料多，劳动强度低。回火温度低，传热主要有对流和传导，井式炉都加有电扇，温度均匀性好。工件放在料筐内，用天车吊入炉内很方便。2）用于淬火或者化学热处理时适合于大件、细长杆件和大型长轴件。,,浴炉的优点浴炉的工作范围宽，可完成很多热处理工艺，除不能完成随炉冷却的退火工艺外。诸如淬火、正火、局部加热、化学热处理、等温或分级淬火、回火等均可完成。它们具有加热速度快、无氧化脱碳、温度均匀等特点。,2.2工件表面的热交换,1.热传导（又称导热）conduction,2.热对流convection,热对流的两种方式强制对流，自然对流,3、热辐射radiation）,传热的基本方式,物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。,流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中。,因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。,热对流是指流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递，对流传热仅发生在流体中。,2.2.1对流传热,对流传热时，加热介质传递给工件表面的热量符合qcac（t介-t工）。其中，q为对流传热的热流密度或热通量，Wm-2；t介为介质温度，K；t工为工件表面温度，K；ac为对流换热系数，Wm-2K-1。,影响对流换热的因素很多1.流体流动动力流体流动的动力来源有两类自然对流和强迫对流。自然对流传热由于流体各部分温度不同而引起的密度差异，使流体产生相对运动而产生的热量传递现象。强制对流传热由于泵、风机或其它外力作用引起的流体流动而产生的热量传递现象。,2.流体的流动状态流体的流动状态分为层流（换热量小）和紊流（换热量大）。通常情况下，热处理炉内流体的流动属于紊流，要避免层流的出现。3.流体的物理性质流体的热导率λ、质量热容c、密度ρ及黏度μ等物理量将影响流体流动状态、层流厚度和导热性能，从而影响对流换热。4.工件表面形状及其在炉内的放置位置工件表面形状及其在炉内的放置位置不同，会影响到流体在工件表面的流动状态，从而影响对流传热量。,2.2.2辐射传热,因热的原因物体发出辐射能的过程称为热辐射。热辐射是一种以电磁波传递热能的方式。物体放热时，热能变成辐射能，以电磁波的形式在空间传播，当遇到另一物体时，则部分或全部被物体所吸收而变成热能。辐射传热不仅有能量的传递，而且伴有能量形式的转换。,物体在单位时间内单位表面积向外辐射出的能量为Ect4其中，c为辐射系数，Wm-2K-4；t为物体的绝对温度，K。被工件吸收的热流密度qr为An为相当吸收率，t发为发热体的绝对温度，t工为工件表面温度。,注意热辐射不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。,2.2.3传导传热,由于物质分子、原子或电子的运动，将热量从物体内高温处向低温处的传递过程称为热传导。热传导是静止物体内的一种传热方式，发生在相互接触的两个不同温度的物体之间。,热流密度λ为热导率，其数值取决于物质内部结构和所处状态。,特点物体内的分子或质点不发生宏观的相互位移。气体、液体、固体的热传导机理各不相同。气体热传导是由于分子不规则的热运动相互碰撞的结果。液体热传导是由于分子动量传递所致。金属固体热传导是由于自由电子扩散运动所引起的。非金属固体热传导是通过分子的振动将热量从一个分子传递到另一个分子。注意热传导不能在真空中进行。,实际传热过程热传导、热对流和热辐射几种传热方式可同时存在。,,零件加热曲线示意图,2.3加热温度和时间,加热时间零件加热时，分为炉温升温时间、工件升温时间、工件透热时间和工件保温时间。,τ炉升与炉子功率、设定温度、装炉量等因素有关。τ工升与装炉量、工件尺寸等因素有关。τ透热主要与工件尺寸有关系，尺寸越大，透热时间越长。τ保温主要根据热处理工艺目的确定，对不同工艺，保温时间差别非常大。,加热温度,在加热规范中，加热温度、加热速率及保温时间是基本工艺参数，它们决定加热后金属内部组织结构及各相的成分。制定和实施热处理加热规范，要考虑下面一系列影响因素，主要有热处理设备的条件；原材料以及热处理的工艺要求；零件的尺寸和形状；加热制度及方式以及装炉量与排列方式等。要正确制定和实施热处理规范。,2.4相变和组织应力过饱和固溶体的脱溶与第二相溶解,固溶处理如果把这种合金加热到固溶度曲线以上的某一温度并保持足够长的时间，使溶质元素（元素B）充分溶入固溶体（α相）中，然后予以快速冷却，以抑制这些元素重新析出，致使室温下获得一个过饱和固溶体，这种热处理称为固溶处理或固溶淬火。析出指某些合金的过饱和固溶体在室温下放置或将它加热到一定温度，溶质原子会在固溶体点阵中的一定区域内聚集或组成第二相的现象。析出又称为沉淀时效在析出过程中，合金的机械性能、物理性能、化学性能等随之发生变化，这种现象称为时效。时效硬化一般情况下，在析出过程中，合金的硬度或强度会逐渐升高，这种现象称为时效硬化或时效强化，也可称为沉淀硬化或沉淀强化。,一、显微组织的变化,金属经冷塑性变形后，内部组织和各项性能均发生相应变化，而且由于位错等结构缺陷密度的增加以及畸变能的升高，使其处于热力学不稳定状态。当变形金属加热时，通过原子扩散能力的增加，有助于促进向低能量状态的转变,第一阶段显微组织基本上未发生变化，其晶粒仍保持纤维状或扁平状变形组织，称回复阶段。第二阶段以新的无畸变等轴小晶粒逐渐取代变形组织，称为再结晶阶段。第三阶段上述小晶粒通过互相吞并方式而长大，直至形成较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。,二、储存能及内应力的变化当变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，其中的储存能将释放出来。回复阶段释放的储存能很小,第一类内应力可以得以消除。第二类、第三类内应力要经过再结晶之后才能消除。,残余应力,塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热之外，还有一小部分以畸变能的形式储存在形变材料内部。这部分能量叫做储存能。储存能的具体表现方式为宏观残余应力、微观残余应力及点阵畸变。,按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种,1、第一类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压缩；变形超过弹性极限产生了塑性变形时，则外力去除后被伸长的一边就存在压应力，短边为张应力。这类残余应力所对应的畸变能不大，仅占总储存能的0.1％左右。,2、第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。,3、第三类内应力，又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存能的绝大部分（80％90％）用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新恢复到自由焓最低的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶过程。,三类残余内应力之比约为110100。总体说来，残余应力是有害的，将导致材料及工件的变形、开裂和产生应力腐蚀；,三、力学性能的变化,回复阶段硬度变化很小，约占总变化的1/5，再结晶阶段下降较多，强度与硬度有相似的变化规律。因为回复阶段仍保持很高的位错密度。在再结晶阶段，硬度与强度显著下降，塑性大大提高。,1、电阻的变化电阻的回复阶段已表现出明显的下降趋势。点缺陷对电阻的贡献远大于位错，而回复阶段点缺陷的密度发生显著的减小。2、密度的变化再结晶阶段密度急剧增高。,四、其它性能的变化,五、亚晶粒尺寸在回复阶段前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶温度时，晶粒尺寸显著增大。,7.2回复,一、退火温度和时间对回复过程的影响,二、回复机制,三、亚结构的变化,四、回复退火的应用,回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变之前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。,一、退火温度和时间对回复过程的影响,退火形变金属的组织和性能在加热时逐渐向稳态发生转变的过程,称为退火,温度越高,回复的程度越大,当温度一定时,回复的程度随时间的延长而逐渐增加,回复的极限值,二、回复机制,回复过程主要是空位和位错在退火过程中发生运动,从而改变了它们的数量和组态的过程.,低温回复主要涉及点缺陷的运动。空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下降。,中温回复时．随温度升高．原子活动能力增强，位错可以在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相通相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。,高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。主要机制是多边化。冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲，所增殖的位错杂乱分布。高温回复过程中，这些刃位错便通过攀移和滑移，由原来能量较高的水平塞积。,在回复阶段，空位密度、位错密度有所下降。,四、回复退火的应用,主要用于去应力退火,降低内应力减轻工件的翘曲和变形,提高韧性和塑性,及工件的使用安全性.例如,黄铜弹壳-----晶间开裂季裂,----原因应力腐蚀开裂----260℃去应力退火就可以解决,冷拉钢丝卷制弹簧,要进行250-300℃去应力退火以降低内应力使之定形,而硬度和强度基本保持不变.对于热加工焊接和铸造要进行去应力退火精密零件,丝杠每次车削后都要进行去应力退火,以防止变形和翘曲,保持尺寸精度.,7.3再结晶,当变形金属高于回复温度加热时，在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐长大成等轴晶粒，从而取代全部变形组织，该过程称为再结晶。,再结晶过程与回复不一样，是一个显微组织重新改组的过程，其性能发生了根本性的变化，但注意一点，再结晶过程不是相变过程。,一、再结晶晶核的形成与长大,二、再结晶温度及其影响因素,三、再结晶晶粒大小的控制,1、再结晶温度是指较大变形程度的金属（70）在1小时内能够完成再结晶（或再结晶体积分数95）的最低加热温度。它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再结晶温度。实验表明有如下经验公式,式中温度为热力学温度，为一系数，在0.350.4之间。,二、再结晶温度及其影响因素,2、影响因素影响再结晶温度的因素很多，如变形程度、金属纯度、晶粒大小等,变形程度越大,金属中储存能越多,再结晶的驱动力越大,金属的再结晶温度越低.,金属纯度大,再结晶温度低,晶粒越小,再结晶温度低,三、再结晶晶粒大小的控制,由于晶粒大小对材料性能将产生重要影响，因此，调整再结晶退火参数，控制再结晶的晶粒尺寸，在生产中具有一定的实际意义,若考虑再结晶晶粒为球状，则其平均直径d与形核率和长大速率的关系为,式中，N为形核率，G为长大线速度。,（一）变形程度当变形量较小时，再结晶后晶粒比较细小；当变形程度达到一定值（210）时，再结晶后晶粒尺寸急剧增大，此时的变形量称为临界变形度；再增加变形量，再结晶后晶粒又变得比较细小,生产中应尽量避免在临界变形度内进行塑性变形加工。,※再结晶晶粒大小的控制因素,（二）原始晶粒尺寸原始晶粒越细，再结晶后晶粒也越细小。（三）合金元素及杂质大多可细化晶粒。（四）再结晶退火工艺参数变形量与退火保温时间一定时，退火温度越高，再结晶后晶粒越粗大,7.5金属的热加工,一、金属的热加工与冷加工,二、动态回复与动态再结晶,三、热加工对金属室温力学性能的影响,四、热加工后的组织与性能,钢材及许多其它金属在生产过程中大多是经热变形加工的，塑性变形所产生的加工硬化会被立即被产生的再结晶所抵消。这种在再结晶温度以上进行的加工称为热加工.,适当的热加工可以破碎铸锭中的树枝晶，减轻枝晶偏析，焊合疏松与气孔，改善夹杂物或脆性相的形貌、大小与分布，提高金属质量与性能。,2.5加热时发生的化学反应,2.5.1金属加热时的氧化与脱碳金属在含有氧气、二氧化碳、水蒸气等氧化气氛中加热时都会不同程度的发生氧化反应，使金属被氧化。脱碳是指钢件表层部分碳被加热气氛氧化，而使表层碳质量分数降低的现象。脱碳也是材料的氧化过程。氧化与脱碳的出现，将严重影响钢件的实用性能，甚至造成无法挽救的废品。,1.钢与氧的相互作用,570oC以上，氧气与Fe发生三种类型的氧化反应,氧气与C或Fe3C发生反应生成CO2，称为脱碳反应,2.钢铁表面在炉气中的氧化还原反应,含有氢及水蒸气的气氛中加热时，570oC以上它们与钢铁表面发生下列反应,炉气全部由CO与CO2组成时，570oC以上钢铁表面的氧化还原反应,3.钢铁中的其它金属与氧的反应,当钢铁材料中含有Cr、Al、Si等合金元素时，它们可以与氧发生如下反应,提高钢在高温下抗氧化性的基本方法是合金化。为了提高钢的抗氧化性，加入的合金元素应能在钢的表面形成一层稳定致密的合金氧化膜。为此合金元素的离子半径应比基体金属的离子半径小（合金元素离子半径小，生产氧化物的点阵常数小，将使扩散困难），并比基体金属易于氧化。只有这样才能优先形成合金氧化物。,2.5.2钢在渗碳气氛中的渗碳反应,钢的渗碳Carburizeofsteel,1定义向钢的表面渗入碳原子的过程。,2目的获得具有表硬里韧性能的零件。,3用钢,低碳钢和低碳合金钢。,属于渗碳性的气氛有CO、CH4等，在该气氛中，可以对工件表面进行渗碳处理。,1.在CO气氛中的增碳反应,2.在CH4气氛中的增碳反应,2.5.3钢在氨气氛围中的氮化反应,钢的渗氮Nitridationofsteel,1定义向钢的表面渗入氮原子的过程。,2目的获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。,3用钢,中碳合金钢。,氨加热分解出活性氨钢表层形成氮化物,渗碳与渗氮的工艺特点,2.5.4钢的碳氮共渗Carbonitridingofsteel,1定义向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。,2目的获得具有表硬里韧性能的零件。,,工艺,2.5.5氧化脱碳的控制,影响钢脱碳的因素影响钢脱碳的因素有钢料的化学成分，加热温度，保温时间和煤气成分等。1.钢料的化学成分对脱碳的影响钢料的化学成分对脱碳有很大影响。钢中含碳量愈高脱碳倾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使钢脱碳倾向增加；而Cr、Mn等元素能阻止钢脱碳。2.加热温度的影响随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于1000℃时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢，但随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的扩散速度也加快，此时氧化皮失去保护能力，达到某一温度后脱碳反而比氧化快。,3.保温时间和加热次数的影响加热时间越长，加热火次愈多，脱碳层愈深，但脱碳层并不与时间成正比增加。4.炉内气氛对脱碳的影响在加热过程中，由于燃料成分，燃烧条件及温度不同，使燃烧产物中含有不同的气体，因而构成不同的炉内气氛，有氧化性的也有还原性的。他们对钢的作用是不同的。氧化性气氛引起钢的氧化与脱碳，其中脱碳能力最强的介质是H2O（汽），其次是CO2与O2，最后是H2；而有些气氛则使钢增碳，如CO和CH4。炉内空气过剩系数α大小对脱碳也有重要的影响。在中性介质中加热时，可使脱碳最少。,钢铁等金属材料在加热时的氧化脱碳，使金属烧损性能降低。氧气是产生氧化脱碳的罪魁祸首。要在热处理时不发生氧化脱碳，可采取三种措施1.降低氧在炉气中的分压2.工件表面涂敷防氧化涂层3.快速加热,1.降低氧在炉气中的分压真空加热、惰性气体加热。将有机液体滴入炉膛，高温分解成具有一定碳势的气氛，可防止氧化脱碳，是中小企业最多使用的方法。吸热式气氛、放热式气氛、氮基保护气氛主要用于大型热处理炉。,2.工件表面涂敷防氧化涂层优点简便易行、不受工件尺寸限制。缺点劳动强度大、生产效率低，只适合单件或者小批量生产。,3.快速加热通电加热、感应加热、激光加热。,一、铁碳合金中的基本相与基本组织,铁碳合金中的基本相中有铁素体（F）奥氏体A渗碳体Fe3C,第四节铁碳合金及其平衡状态图,（一）基本相,（二）基本组织,五种基本组织的关系,C,F,A,Fe3C,P,Ld,Ld’,二、铁碳合金平衡状态图,1、相图（状态图）2、相图的组成（1）纵坐标温度；（2）横坐标成分；（3）图中的每一条相变线；（4）每一相变线组成的相区。,本章小结金属的加热是通过加热设备完成的，是热处理工艺的第一道工序。加热温度和保温时间是加热工艺中两个主要的参数。加热过程中存在热应力和组织应力，对于大型工件、形状复杂件或者高合金钢、制定加热工艺的时候应考虑热应力和组织应力，防止工件变形和开裂。金属加热过程中加热介质可能与工件表面发生化学反应。氧化和脱碳反应通常是有害的，应尽量避免。,本章完,