金属工艺学－钢的热处.ppt

钢的热处理 一、热处理意义 二、热处理原理 三、热处理工艺 将材料加热到相变温度以上发生相变，再施 以冷却发生相变的工艺过程。通过这个相变与再 相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能产 生变化。 材料加热到高温不发生相变则热 处理达不到改善材料性能的作用 返回目录 一、热处理意义 2.1 热处理三大要素 2.2 热处理基本原理 二、热处理原理 返回目录 2.1 热处理三大要素 加热：热处理第一个阶段。不同材料，加热工艺和加热温 度不同。加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热， 此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是 为获得均匀奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。 保温：目的是要保证工件热透，防止脱碳、氧化等。保温 时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一 般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。 冷却： 热处理的最终阶段，也是热处理最重要的一个阶 段。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。 钢在加热时的转变（第一节） 钢在冷却时的转变（第二节） 2.2 热处理基本原理 第一节 钢在加热时的转变 钢的临界转变温度 根据铁碳相图，共析钢加热到超过 A1时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢 和过共析钢加热到A3和Acm以上才能获 得单相奥氏体。在实际热处理加热条件 下，相变是在不平衡条件下进行的，其 相变点与相图中的相变温度有一些差异。 由于过热和过冷现象的影响，加热时相加热时相 变温度偏向高温，冷却时偏向低温变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这 种现象称为滞后。加热或冷却速度越快，加热或冷却速度越快， 则滞后现象越严重则滞后现象越严重。图61表示加热和冷 却速度对碳钢临界温度的影响。通常把 加热时的实际临界温度标以字母“c”，如 Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际 临界温度标字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm。 这些临界点，是正确选 择钢在热处理时加热和 冷却温度的主要依据 共析碳钢共析碳钢（含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁 素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体 转变过程可分为四步进行，如图6-2示。 奥氏体的形成过程 第一节 钢在加热时的转变 具体解释 由Fe-Fe3C状态图知：在A1温度铁素体含约0.0218%C，渗碳体6.69%C， 奥氏体含0.77%C。在珠光体转变为奥氏体过程中，原铁素体由体心立方晶 格改组为奥氏体的面心立方晶格，原渗碳体由复杂斜方晶格转变为面心立方 晶格。所以，钢的加热转变既有碳原子的扩散，也有晶体结构的变化。基于 能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体的铁素体与渗碳体两相交界处产生（ 见图6-2（a），这两相交界面越多，奥氏体晶核越多。 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体的形成过程 第一阶段：奥氏体晶核的形成 形成晶核 其晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。 随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳 体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩 展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏 体晶粒。 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体的形成过程 第二阶段：奥氏体的长大 晶核长大了 由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度， 在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“残余渗碳体”存在 （见图6-2（C），还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体的形成过程 第三阶段：残余渗碳体的溶解 残余渗碳体溶解 即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成 的奥氏体含碳量偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需 保温足够时间，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能均匀。 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体的形成过程 第四阶段：奥氏体成分的均匀化 均匀溶解与否比较 结论和注解 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体的形成过程 结论：结论：奥氏体形成经历了以下四个过程： 奥氏体晶核形成 晶核长大 剩余渗碳体溶解 奥氏体均匀化 注解注解：亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相 同，但其完全奥氏体化的过程有所不同。亚共析钢加热到Ac1 以上时，还存在自由铁素体，这部分铁素体只有继续加热到Ac 3以上时，才能全部转变为奥氏体；过共析钢则只有加热到Accm 以上时，才能获得单一的奥氏体组织。 奥氏体晶粒大小的影响性：奥氏体晶粒大小的影响性：其大小对冷却后钢的性能影响 很大，热处理加热时，若获得细小、均匀的奥氏体，则冷 却后钢的力学性能就好。 奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒度：生产上一般采用与标准晶粒度等级(图64) 比较法来测定奥氏体晶粒度大小。晶粒度通常分为8级， 14级为粗晶粒度；58级为细晶粒度；超过8级为超细晶 粒度。见图63 晶粒大小的表示：晶粒大小的表示：常用的三个晶粒度指标 奥氏体晶粒长大的控制：奥氏体晶粒长大的控制：晶粒长大受以下因素影响 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体晶粒的长大及其控制 奥氏体晶粒度级别 返 回 起始晶粒度：起始晶粒度：珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶 粒的大小，一般细小而均匀。 实际晶粒度实际晶粒度：指钢在某个具体的加热条件下实际获得的奥 氏体晶粒的大小。 本质晶粒度：本质晶粒度：表示某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶 粒长大的倾向，不是晶粒大小的实际度量。 注：不同成分的钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向不同。注：不同成分的钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向不同。 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体晶粒大小的指标 返 回 生产中发现：生产中发现： 不同牌号的钢，奥氏体晶粒长大倾向不同，如图示：不同牌号的钢，奥氏体晶粒长大倾向不同，如图示： 钢的奥氏体晶粒长大倾向示意图 在该温度后，本 质细晶粒钢的长大 倾向更大，晶粒更 粗，力学性能更差 返 回 加热温度和保温时间加热温度和保温时间 ：加热温度越高，保温时间越长，则 晶粒越容易长大。 加热速度加热速度 ：加热速度越快，则得到的奥氏体起始晶粒度 越细小。 钢的含碳量钢的含碳量 ：含碳量越高，长大倾向越大。 合金元素：合金元素：能生产稳定碳化物的元素和能生产氧化物和氮 化物的元素都会阻止奥氏体晶粒的长大。 第一节 钢在加热时的转变 奥氏体晶粒长大的控制因素 返 回 研究意义：研究意义：影响钢的组织和性能的决定性因素是钢加热转 变为奥氏体后的冷却方式和冷却速度。 过冷奥氏体：过冷奥氏体：奥氏体在相变点（Ar1）以上为稳定相，能 够长期存在而不发生转变，但过冷到Ar1线以下的奥氏体 并不立即转变，要经过一段孕育期才开始转变，这种在孕 育期暂时存在的奥氏体称为过冷奥氏体。 分类：分类：实际生产中采用的冷却方式主要有连续冷却（如炉 冷、空冷、水冷等）和等温冷却（如等温淬火）。 第二节 钢在冷却时的转变 两种冷却方式比较 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却：等温冷却：将奥氏体化的钢件迅速 冷却到Ar1以下的某一温度并保温, 使其在该温度下发生组织的转变，然 后再冷却到室温。即恒温发生组织的转变。 连续冷却连续冷却：将奥氏体化的钢连续冷却到 室温，在冷却过程中一直伴随着组织的转变。 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却 它反映了奥氏体在 快速冷却到临界点以下在 各不同温度的保温过程中， 温度、时间与转变组织、 转变量的关系。 共析碳钢的等温转变曲线共析碳钢的等温转变曲线 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却 共析碳钢的等温转变曲线共析碳钢的等温转变曲线 图中靠近纵坐标的第一条曲线，反映 过冷奥氏体相应于一定温度开始转变 为其它组织的时间，称为转变开始线； 接着的第二条曲线，反映了过冷奥氏体 相应于一定温度转变为其它组织的终了 时间，称为转变终了线。在A1Ms之 间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏 体区；转变终了线以右，Mf以下为转变 产物区；而转变开始线与转变终了线之 间为转变过渡区。 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却转变产物 随着转变时温度的不同，分别有以下产物： 1珠光体转变高温转变（A1550） 在过冷度较小时（Ar1650），片间距较大，称为珠光体（P） 在650600范围内，片间距较小，称为索氏体（S） 在600550范围内，过冷度较大，片间距很小，该组织称为托氏体（T） 特点：特点：珠光体组织中的片间距愈小，相界面愈多，塑性变形抗力愈大， 强度和硬度愈高；同时由于渗碳体变簿，使得塑性和韧性也有所改善。 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却转变产物 2、贝氏体转变中温转变 贝氏体组织分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）两种。 上贝氏体形成温度范围为550350。 下贝氏体形成温度范围为350Ms。 特点：特点：贝氏体的性能与其形态有关。由于上贝氏体中碳化物分布在铁素体片层 间，脆性大，易引起脆断，因此，基本无实用价值。下贝氏体中，铁素体片细 小且无方向性，碳的过饱和度大，碳化物分布均匀，弥散度大，因而，它具有 较高的强度和硬度、塑性和韧性。在实际生产中常采用等温淬火来获得下贝氏 体，以提高材料的强韧性。 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却转变产物 3马氏体转变低温转变（Ms以下） 马氏体实质上就是碳溶于Fe中的过饱和间隙固溶体（固溶体）。 马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳含量，如图所示。 当碳含量低于02%时，可获得呈一束 束尺寸大体相同的平行条状马氏体，称为板 条状马氏体。当钢的组织为板条状马氏体时， 具有较高的硬度和强度，较好的塑性和韧性。 当马氏体中碳含量大于060%时，得到 针片状马氏体。片状马氏体具有很高的硬度， 但塑性和韧性很差，脆性大。 当碳含量在02%06%之间时，低温 转变得到板条状马氏体与针片状马氏体混合组 织。随着碳含量的增加，板条状马氏体量减少 而针片状马氏体量增加。 疑问：亚共析钢和过共析钢 的转变产物又是什么呢？ 亚共析钢 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却转变产物 多了一条先析铁素体析出线 过共析钢 多出 一条 初生 奥氏 体析 出线 为什么？ 1、含碳量 随着奥氏体中含碳量的增加，奥氏体的稳定性增大，C曲 线的位置向右移，这是一般规律。 在正常加热条件下，亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而 向右移，过共析钢的C曲线则随含碳量的增加而向左移。这是 因为过共析钢的含碳量增加，未溶解渗碳体的量增多，它们 能作为结晶核心促进奥氏体分解，故在碳钢中，共析钢的过 冷奥氏体最稳定。 此外，奥氏体中含碳量越高，Ms点越低。例如，亚共析钢 的Ms点的温度一般在300以上，而共析钢的Ms点已降低到 200以下。 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却影响因素 2、合金元素 除Co以外的几乎所有合金元素溶入奥氏体后，都增加奥 氏体的稳定，使C曲线不同程度的右移。某些合金元素当 达到一定含量时，还改变C曲线的形状。绝大多数合金元 素均使Ms温度降低。 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却影响因素 3、加热温度和保温时间 随加热温度提高和保温时间延长，奥氏体晶粒长大， 晶界面积减少，奥氏体成分更加均匀。这些都不利于过冷 奥氏体的转变，从而提高了奥氏体的稳定性，使C曲线右 移。 对过共析钢与合金钢，影响其对过共析钢与合金钢，影响其 C C 曲线的主要因素是奥曲线的主要因素是奥 氏体的成份。氏体的成份。 第二节 钢在冷却时的转变 等温冷却影响因素 大多数热处理工艺都是在连续冷却 过程中完成的，所以，钢的连续冷却转 变曲线更具有实际意义。图为共析钢 CCT曲线。 第二节 钢在冷却时的转变 连续冷却 由图可知，共析钢以大于vk的速度冷却时， 由于遇不到珠光体转变线，可得到的组织为马 氏体和残余奥氏体。冷