固态相变与金属热处理.ppt

7 固态相变与金属热处理 7.1 固态相变概述 7.2 钢的热处理原理 7.3 钢的热处理工艺 7.1 固态相变概述 7.1.1 固态相变的概念 相变变是一种非常普遍的现现象，如物 质质三态态的相互转转化、固态态物质质内部结结 构的转变转变 等都属于相变变的范畴。 固体材料的组织组织 、结结构在温度、 压压力、成分改变时变时 所发发生的转变转变 称为为 固态态相变变。 7.1.1 固态相变的概念 固态相变包含相结构的变化、成分 的变化和有序程度的变化。如金属的同 素异构转变只有相结构的变化，单相固 溶体的增幅分解（调幅分解）只有成分 变化而无相结构的变化，合金的有序化 转变只有原子排列有序程度的变化。复 杂的固态相变则是相结构和成分变化的 综合，甚至也有有序程度的变化。 7.1.1 固态相变的概念 表7-1 固态相变的种类和特征 7.1.2 相变的分类 1. 按相变热力学特征分类 根据相变前后热力学函数的变化特征，可 将相变分为一级相变和二级相变。 由 相转变为 相时，平衡两相的吉布斯 自由能和化学位应相等，即 ， 但两相的吉布斯自由能对压力和温度的一阶 偏导数不相等，这种相变称为一级相变 ，即 ： 7.1.2 相变的分类 1. 按相变热力学特征分类 若相变时， ， ，并且两 相的吉布斯自由能对压力和温度的一阶 偏导数相等，但两相吉布斯自由能对压 力和温度的二阶偏导数不相等，这种相 变称为二级相变，即 7.1.2 相变的分类 2. 按相变动变动 力学特征分类类 按相变过程的动力学特征可将固态相变分为扩散 型相变和非扩散型相变。 依靠原子（或离子）的扩散来进行的相变称为扩 散型相变。对于合金来说，相变的结果可以改变相的 成分，如共析转变、过饱和固液体的分解等。 非扩扩散型相变变时时，没有原子的扩扩散运动动，原子 （或离子）仅仅作有规则规则 的迁移使点阵发阵发 生改组组。合 金相变时变时 没有成分的变变化。马马氏体转变转变 即为为非扩扩散 型相变变。 7.2 钢的热处理原理 热处理是将固态金属或合金在一定介质中 加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面 组织，从而获得所需性能的工艺。 图7-1 热处理工艺曲线示意图 7.2.1 钢在加热时的转变 1. 转变临界温度 实际热处理加热和冷 却时的相变是在不完全平 衡的条件下进行的，相变 温度与平衡相变点之间有 一定差异。加热时相变温 度偏向高温，冷却时偏向 低温，而且加热和冷却速 度愈大偏差愈大。 图7-2 加热和冷却速度对临界点的影响 7.2.1 钢在加热时的转变 2. 奥氏体的形成 （1）奥氏体的形成过程 钢加热时奥氏体的形成过程包括生核和长 大两个基本过程。以共析钢为例，珠光体向 奥氏体的转变，包括奥氏体晶核的形成、奥 氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏 体成分的均匀化等过程 。 7.2.1 钢在加热时的转变 （1）奥氏体的形成过程 图7-3 共析钢奥氏体形成过程示意图 7.2.1 钢在加热时的转变 （2）影响奥氏体转变的因素 加热温度 图7-5 共析钢的奥氏体化曲线 7.2.1 钢在加热时的转变 （2）影响奥氏体转变的因素 加热速度 图7-6 加热速度对奥氏体转变的影响 7.2.1 钢在加热时的转变 （2）影响奥氏体转变的因素 钢中碳质量分数 合金元素 原始组织 7.2.1 钢在加热时的转变 3. 奥氏体的晶粒度及其 影响因素 奥氏体晶粒细时，退 火组织亦细，则强度、 塑性、韧性较好；淬火 马氏体也细，因而韧性 得到改善。 图7-7 奥氏体晶粒大小对转变产物晶粒大小的影响 3. 奥氏体的晶粒度及其影响 因素 （1）奥氏体晶粒度 生产上一般采用标准晶粒度等级图用比较 的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度 通常分8级，14级为粗晶粒度；58级为细 晶粒度；超过8级的为超细晶粒度。 3. 奥氏体的晶粒度及其影响 因素 （1）奥氏体晶粒度 图7-8 标准晶粒度等级示意图 3. 奥氏体的晶粒度及其影响 因素 奥氏体的晶粒度有两种 ： 实际晶粒度 本质晶粒度 原冶金 工业部标准中规定，钢加热 到93010，保温8h，冷 却后测得的晶粒度为本质晶 粒度。 图7-9 本质细晶粒和本质粗晶粒 3. 奥氏体的晶粒度及其影响 因素 （2）影响奥氏体晶粒度的因素 加热温度和保温时间 钢的成分 图7-10 奥氏体形成及其晶粒长大示意图 7.2.2 钢在冷却时的转变 冷却的方式通常有两种： （1）等温处理 将钢迅速冷却到临界点 以下的给定温度，进行保温，使其在该 温度下恒温转变。 （2）连续冷却 将钢以某种速度连续冷 却，使其在临界点以下变温连续转变。 7.2.2 钢在冷却时的转变 1. 过冷奥氏体的等温转 变 （1）共析钢过冷奥氏体的等 温 转变 图7-11 共析钢等温转变图 （1）共析钢过冷奥氏体的等温转 变 共析钢过冷奥氏体等温转变C曲线包括三个转变区 ： 高温转变 在A1550之间，转变产物为珠光 体，此温区称珠光体转变区。 中温转变 在550Ms之间，过冷奥氏体的转 变产物为贝氏体（B），此温区称贝氏体转变区。 低温转变 温度低于Ms点（230），过冷奥氏 体的转变产物为马氏体（M），因此低温转变区称 为马氏体转变区。 （2）非共析钢过冷奥氏体的等温 转变 与共析钢C曲线不同的 是，亚共析钢C曲线在其上 方多了一条过冷奥氏体转 变为铁素体的转变开始线 。亚共析钢随着含碳量的 减少，C曲线位置往左移， 同时Ms、Mf线往上移。 图7-12 45钢过冷A等温转变曲线 （2）非共析钢过冷奥氏体的等温 转变 过共析钢C曲线的 上部为过冷A中析出二 次渗碳体（Fe3CII）开 始线。在一般热处理加 热条件下，过共析钢随 着含碳量的增加，C曲 线位置向左移，同时Ms 、Mf线往下移。 图7-13 T10钢过冷A的等温转变曲线 （3）影响过冷奥氏体等温转变的 因素 合金元素 除钴以外， 所有合金元素 的溶入均增大 过冷奥氏体的 稳定性，使C曲 线右移。 图7-14 合金元素对碳钢C曲线的影响 （3）影响过冷奥氏体等温转变的 因素 加热温度和时间 (a) 加热温度为840 (b)加热温度为950 图7-15 在不同奥氏体化温度时的C曲线 2.过冷奥氏体的连续冷却转 变 （1）共析钢过冷奥 氏 体的连续冷却转 变 共析钢过冷A连续 冷却转变曲线中没有 奥氏体转变为贝 氏体 的部分，在连续冷却 转变时 得不到贝氏体 组织。 图7-16 共析钢的连续冷却转变曲线 （1）共析钢过冷奥氏体的连续冷却转 变 图7-17 共析钢的等温转变曲线和连续 冷却转变曲线的比较及转变组织 （2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却 转变 亚共析钢过 冷A在高温时有 一部分将转变为 铁素体，亚共析 钢过冷A在中温 转变区会有少量 贝氏体（上B） 产生。 图718 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 （2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却 转变 在高温区，过共 析钢过冷A首先析出 二次渗碳体，而后转 变为其他组织组成物 。由于奥氏体中碳含 量高，所以油冷、水 冷后的组织中应包括 残余奥氏体。与共析 钢一样，其冷却过程 中无贝氏体转变。 图7-19 过共析钢过冷A的连续冷却转变 7.2.3 珠光体转变 共析成分的奥氏体过冷到珠光体转 变区内等温停留时，将发生共析转变， 形成珠光体。珠光体转变可以写成如下 的共析反应式: 0.77%C 0.0218%C 6.69%C 面心立方 体心立方 复杂斜方 7.2.3 珠光体转变 1. 片状珠光体的形成 图7-20 共析钢奥氏体向珠光体等温转变过程示意图 1. 片状珠光体的形成 珠光体的形成机理有两种：一种是 “分片形成机理”，另一种是“分枝形 成机理”。 图7-21 珠光体分片形成示意图 1. 片状珠光体的形成 图7-22 珠光体分枝形成示意图 2. 粒状珠光体的形成 粒状珠光体的形成 机理完全不同于片状 珠光体。粒状珠光体 既可以由过冷奥氏体 直接分解而成，也可 以由片状珠光体球化 而成，还可以由淬火 组织回火而形成。 图7-23 粒状珠光体 3. 珠光体的组织和性能 珠光体是铁素体和渗碳体的共析混 合物。根据共析渗碳体的形状，珠光体 分为片状珠光体和粒状珠光体两种。根 据共析渗碳体的大小，又可分为珠光体 、索氏体和屈氏体三种 。 3. 珠光体的组织和性能 片层间距是片状珠光体的一个主要指标， 是指珠光体中相邻两片渗碳体的平均距离。 片层间距的大小主要取决于过冷度。 组织名称 （符号） 形成温度范围 / 片层间距/ m 硬度 珠光体（P） 索氏体（S） 屈氏体（T） A1650 650600 600550 0.4 0.40.2 50HRC)和耐磨性。 2火焰加热表面热处理 火焰加热表面淬火，是用乙炔氧或煤 气氧等火焰加热工件表面，然后进行淬火 。 图7-54 火焰加热表面淬火示意图 7.3.3 钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性 介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面 ，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能 ，满足技术要求的热处理过程。 按照表面渗入的元素不同，化学热处理可 分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。 化学热处理能有效地提高钢件表层的耐磨性、 耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度等。 7.3.3 钢的化学热处理 钢件表面化学成分的改变，取决于 处理过程中发生的以下三个基本过程： 1. 介质的分解 2. 表面吸收 3. 原子扩散 1渗碳 （1）渗碳的目的 为了增加表层的碳质量分数和获得一定的 碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温， 使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。 渗碳使低碳(碳质量分数0.15%0.30%)钢 件表面获得高碳浓度（碳质量分数约1.0%） ，在经过适当淬火和回火处理后，可提高表 面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍 保持良好的韧性和塑性。 1渗碳 （2）渗碳方法 常用的是气体渗碳方法。将工件装在密封 的渗碳炉中，加热到900950，向炉内 滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇 等），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油 液化气等），通过下列反应产生活性碳原子 ，使钢件表面渗碳： 2COCO2+C CO2+H2H2O+C CnH2nnH2+nC CnH2n+2(n+1)H2+nC 1渗碳 （3）渗碳工艺 渗碳工艺参数包括渗碳温度和渗碳时间 等。 奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳加热 到Ac3以上。渗碳温度一般采用900 950。渗碳时间则决定于渗层厚度的要 求。在900渗碳，保温1h， 渗层厚度为 0.5mm, 保温4h, 渗层厚度可达1mm。 1渗碳 图7-55 气体渗碳装置示意图 1渗碳 低碳钢渗碳后缓冷下来的显微组织：表面 为珠光体和二次渗碳体(过共析组织), 心部为原 始亚共析组织(珠光体和铁素体), 中间为过渡组 织。 图7-56 低碳钢渗碳缓冷后的显微组织 1渗碳 （4）渗碳后的热处理 (a)、(b)直接淬火; (c)一次淬火; (d)二次淬火 图7-57 渗碳后的热处理示意图 1渗碳 （5）钢渗碳、淬火、回火后的组织和性能 渗碳件组织：表层为高碳回火马氏体+碳化 物+残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体（或 含铁素体、屈氏体）。 渗碳体性能为： 表面硬度高，耐磨性较好; 心部韧性较好, 硬度较低。 疲劳强度高。 2氮化 氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。 氮化的目的在于更大地提高钢件表面的 硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。 （1）氮化工艺 目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热 分解出活性氮原子（2NH33H2+2N), 氮原 子被钢吸收并溶入表面, 在保温过程中向内扩 散, 形成渗氮层。 2氮化 气体氮化与气体渗碳相比, 其特点是: 氮化温度低, 一般为500600。 氮化时间长，一般为20h50h，氮 化层厚度为0.3mm0.5mm。 氮化前零件须经调质处理。 2氮化 （2）氮化件的组织和性能 钢件氮化后具有很高的硬度，且在600 650下保持不下降，所以具有很高的耐磨性 和热硬性。 钢氮化后, 渗层体积增大, 造成表面压应力, 使疲劳强度大大提高。 氮化温度低, 零件变形小。 氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的 相层, 所以耐蚀性好, 在水、过热蒸气和碱性溶 液中均很稳定。 3碳氮共渗 碳氮共渗就是同时向零件表面渗入 碳和氮的化学热处理工艺，又称氰化。 主要采用气体碳氮共渗，可分为高温和 低温两种方法。低温碳氮共渗以氮为主 ，实质上就是软氮化。 几种表面热处理和化学热处理的 比较 7.3.4 钢的热处理新技术 1. 可控气氛热处理 在炉气成分可控制的炉内进行的热处理称为 可控气氛热处理。 可控气氛热处理能减少和避免钢件在加热过 程中氧化和脱碳，节约钢材，提高工件质量；可 实现光亮热处理，保证工件的尺寸精度；可进行 控制表面碳浓度的渗碳和碳氮共渗，可使已脱碳 的工件表面复碳等。 7.3.4 钢的热处理新技术 2. 真空热处理 在真空中进行的热处理称为真空热处理。 它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真 空化学热处理等。 真空热处理的效果： 1. 减少变形 2. 净化表面 3. 脱气作用 7.3.4 钢的热处理新技术 2. 真空热处理 真空热处理的应用： 1. 真空退火 2. 真空淬火 3. 真空渗碳 7.3.4 钢的热处理新技术 3离子渗扩热处 理 图7-61 离子渗扩炉示意图 7.3.4 钢的热处理新技术 4形变热处理 形变强化和热处理强化都是金属及 合金最基本的强化方法。将塑性变形和 热处理有机结合起来，以提高材料机械 性能的复合热处理工艺，称为形变热处 理。 4形变热处理 （1）高温形变热处 理 高温形变热处理 是将钢加热到奥氏 体区域进行塑性变 形，然后立即淬火 和回火的工艺方法 。 图7-63 高温形变热处理工艺曲线示意图 4形变热处理 （2）中温形变热处 理 中温形变热处理是 将钢加热到稳定的奥氏 体状态后, 迅速冷却到过 冷奥氏体的亚稳区进行 塑性变形, 然后淬火和回 火。 图7-64 中温形变热处理工艺曲线示意图 7.3.4 钢的热处理新技术 5激光加热表面淬火 激光加热表面淬火是利用高能量密度的 激光束扫描工件表面, 将其迅速加热到钢的相 变点以上, 然后依靠零件本身的传热, 来实现 快速冷却淬火。 小结（1） 相变是一种非常普遍的现象。固体 材料在温度、压力、成分改变时组织、 结构所发生的转变称为固态相变。固态 相变有多种类型，可根据相变前后热力 学函数的变化特征，将相变分为一级相 变和二级相变；按相变过程的动力学特 征（即相变过程中原子的运动特征）可 将固态相变分为扩散型相变和非扩散型 相变。 小结（2） 热处理是将固态金属或合金在一定 介质中加热、保温和冷却，以改变材料 整体或表面组织，从而获得所需性能的 工艺。钢中组织结构变化的规律是钢热 处理的理论基础和依据。 小结（3） 大多数热处理工艺（如淬火、正火、退 火等）都要首先进行奥氏体化。奥氏体的形 成过程，包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶 核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分 的均匀化等过程。奥氏体的形成速度取决于 加热温度和速度、钢的成分和原始组织。奥 氏体的晶粒度有两种：实际晶粒度和本质晶 粒度。影响奥氏体晶粒度的因素有加热温度 和保温时间、钢的成分等。 小结（4） 奥氏体化后的冷却方式通常有两种：等 温处理和连续冷却。共析钢过冷奥氏体等温 转变C曲线包括三个转变区：高温转变区，也 称为珠光体转变区；中温转变区，又称为贝 氏体转变区；低温转变区，又称为马氏体转 变区。亚共析钢过冷奥氏体等温转变曲线， 多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开 始线。过共析钢过冷A的C曲线的上部为过冷 A中析出二次渗碳体（Fe3CII）的开始线。 小结（5） 影响过冷奥氏体等温转变的因素有： 合金元素中除钴以外，所有合金元素的 溶入均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲 线右移，但不同合金元素对C曲线的影响 不同；奥氏体温度愈高，保温时间愈长 ，使C曲线右移。 小结（6） 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 曲线（CCT曲线）表明，共析钢以大于 Vk的速度冷却时，得到的组织为马氏体 ；冷却速度小于Vk时，钢将全部转变为 珠光体；冷却速度处于Vk Vk之间时 ，得到的组织为珠光体+马氏体。在连 续冷却转变时得不到贝氏体组织。 小结（7） 共析成分的奥氏体过冷到珠光体转 变区内等温停留时，将发生共析转变， 形成珠光体。珠光体转变是典型的扩散 型转变。过冷奥氏体向片状珠光体