第三章 珠光体转变与钢的退火和正火.ppt

第三章 珠光体转变与钢的退火和正火 1 热处理的定义 热处理是将材料通过特定的加热和冷却方法获得所需的组织和性能的工艺过程 时间 温度 临界温度 热加 保温 冷却 概述 珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变 共析碳钢约在A1 500 温度之间发生 又称高温转变 珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程 因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组 由于相变在较高的温度下进行 铁 碳原子都能进行扩散 所以珠光体转变是典型的扩散型相变 Fe3C碳含量C 0 770 02186 69晶格类型面心立方体心立方复杂斜方 铁素体和渗碳体组成的层片状机械混合物 铁素体为体心立方 硬度低而塑性高 渗碳体为正交晶系 质硬而脆 两者合理的匹配 可得到良好的综合力学性能 是钢中的重要相变 作为淬火的预先热处理 也可作为机加工的中间热处理 消除因前一道工序造成的加工硬化 便于下道工序的切削加工 为淬火作好组织上的准备 作为最终热处理 获得一定形态的珠光体 使结构件具有良好的综合力学性能 对于要求高硬度 高强度的构件 则希望获得马氏体 为避免因工艺不当使组织中出现珠光体 则必须研究珠光体的形成动力学 一 珠光体的类型 珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物 通常根据渗碳体的形态不同 把珠光体分为 片状珠光体 球状珠光体 针状珠光体其中片状和粒状珠光体是两种常见的珠光体组织 材料名称 共析钢 浸蚀剂 4 硝酸酒精溶液 处理情况 820 加热保温后缓冷 组织说明 片状珠光体 铁素体与渗碳体成层片状相间排列 片状珠光体 珠光体团 珠光体长大初期所形成的球团状 分辨率不高时为黑色球状物 珠光体领域 在每一个珠光体团中片层排列方向大致相同的区域 材料名称 共析钢 浸蚀剂 4 硝酸酒精溶液 处理情况 780 加热保温后 再在680 保温后缓冷 组织说明 球状珠光体 渗碳体颗粒分布于铁素体基体上 球状珠光体 通常所说的珠光体是指在光学显微镜下能清楚分辨出片层状态的一类珠光体 而当片间距离小到一定程度后 光学显微镜就分辨不出片层的状态了 根据片间距离的大小 通常把珠光体分为普通珠光体 索氏体和屈氏体 片状珠光体分类 珠光体 P 片间距约为450 150nm 形成于A1 650 温度范围内 在光学显微镜下可清晰分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态 索氏体 S 片间距约为150 80nm 形成于650 600 温度范围内 只有在800倍以上光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态 屈氏体 T 片间距约为80 30nm 形成于600 550 温度范围内 在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态 珠光体组织特征图 a 珠光体 b 索氏体 c 屈氏体 珠光体 索氏体 屈氏体之间无本质区别 都是出铁素体和渗碳体片层相间组织 其形成温度也无严格界线 只是其片层厚薄和片间距不同 Marder提出珠光体片间距与过冷度 T 的关系如下 S0 C T或S0 1 T其中 C 8 02 103 nm K S0 珠光体的片间距 nm 珠光体片间距的经验公式 S0 8 02 T 103nm T 过冷度 即珠光体转变温度与临界点A1之差 T T S0 与A晶粒大小无关 珠光体型相变为扩散型相变 是受碳 铁原子的扩散控制的 当珠光体的形成温度下降时 T增加 扩散变得较为困难 从而层片间距必然减小 以缩短原子的扩散距离 所以S与 T成反比关系 原子所需扩散的距离就要增大 这使转变发生困难 若S过小 则由于相界面面积增大 而使表面能增大 这时 GV不变 GS增加 必然使相变驱动力过小 而使相变不易进行 可见 S与 T必然存在一定的定量关系 二 珠光体的力学性能 1 片状珠光体 由于铁素体的塑性变形受到阻碍 位错的移动限于渗碳片之间的铁素体中进行 增加了变形抗力 使强度得到提高 渗碳体片越薄 抵抗塑性变形的能力越强 其硬度越高 厚的渗碳体不易变形 薄片渗碳体却可以承受部分变形 故强度升高的同时 塑性也有所提高 奥氏体晶界上珠光体团示意图 奥氏体的晶粒尺寸主要影响珠光体团的大小 A晶粒越小 P团越细小 珠光体团和领域的大小对珠光体的机械性能没有明显的影响 有决定影响的是珠光体的片层间距S 球状珠光体中的渗碳体为球状 其阻碍铁素体变形的能力大为下降 比起片状珠光体 它具有较低的强度以及较高的塑性 2 球状珠光体 珠光体团尺寸的减小 由Hall Petch公式 S i Kd 1 2知 强度将有所提高 晶粒的细小 使参与滑移的晶粒数增多 虽然每一晶粒的变形量减少 但总变形量增加 从而塑性亦有所提高 共析钢和过共析钢一般都要进行球化退火 以得到球状珠光的组织结构 三 珠光体的形成 Fe3C碳含量C 0 770 02186 69晶格类型面心立方体心立方复杂斜方 珠光体的形成过程 包含着两个同时进行的过程 一个是碳的扩散 以生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体 另一个是晶体点阵的重构 由面心立方的奥氏体转变为体心立方点阵的铁素体和复杂单斜点阵的渗碳体 1 形核条件 同样需要满足系统内的 结构起伏 成分起伏和能量起伏 部位 晶核多半产生在奥氏体的晶界上 晶界的交叉点更有利于珠光体晶核形成 或其它晶体缺陷 如位错 比较密集的区域 这是由于在这些部位有利于产生能量 成分和结构起伏 晶核就在这些高能量 接近渗碳体的含碳量和类似渗碳体晶体点阵的区域产生 但是 当奥氏体中碳浓度很不均匀或者有较多未溶解的渗碳体存在时 珠光体的晶核也可以在奥氏体晶粒内出现 1 片状珠光体的形成机理 片状珠光体形成过程示意图 片状珠光体形成时C的扩散示意图 珠光体形成时的领先相 相或Fe3C相 从热力学上讲 均可成为领先 由于形成领先相的驱动力较小 所以起始相往往与母相保持共格关系 111 110 011 Fe3C Fe3C 从成分上讲 由于钢的含碳量较低产生低碳区更为有利 即有利于 为领先相从结构上讲 在较高温度 特别在高碳钢中 往往出现先共析Fe3C相 或存在未溶Fe3C微粒一般认为过共析钢的领先相为Fe3C 而亚共析钢的为F 共析钢的并不排除F的可能性 若在奥氏体晶界上形成了一片渗碳体 领先相为片状 主要是由于片状的应变能较低 片状在形核过程中的相变阻力小 同时向纵横方向生长 由于横向生长 使周围碳原子在向渗碳体聚集的同时 产生贫碳区 当其C 下降到该温度下C Fe3C浓度时 铁素体即在Fe3C 相界面上形核并长成片状 随着F的横向生长 又促使渗碳体片的形核并生长如此不断形核生长 从而形成铁素体 渗碳体相相同的片层 珠光体的横向生长 由于其两侧渗碳体片的形成而终止 渗碳体的横向生长亦然 故珠光体片的横向生长很快停止 而纵向生长继续 直到与另一方向长来的珠光体相遇为止 这就形成了层片状的珠光体 随着温度的降低 碳原子的扩散能力下降 从而形成的铁素体 渗碳体片逐渐变薄 片层间距缩短 由片状P S T 动画 2 粒状珠光体的形成机理 渗碳体片中有位错存在 并可形成亚晶界 在固溶体 奥氏体或铁素体 如为后者 与渗碳体亚晶界接触处则形成凹坑 如图所示 在凹坑两侧的渗碳体与平面部分的渗碳体相比 具有较小的曲率半径 与坑壁接触的固溶体具有较高的溶解度 将引起C在固溶体中的扩散 并以渗碳体的形式在附近平面渗碳体上析出 为了保持亚稳定平衡 凹坑两侧的渗碳体尖角将逐渐被溶解 而使曲率半径增大 这样又破坏了此处相界面表面张力 cem a cem cem 的平衡 为了保持表面张力的平衡 凹坑将因渗碳体继续溶解而加深 在渗碳体片亚晶界的另一面也发生上述溶解析出过程 如此不断进行直到渗碳体片溶穿 一片成为两截 片状渗碳体破断 球化过程示意图 动画 3 亚 过 共析钢中的珠光体相变 伪共析转变先共析铁素体析出先共析渗碳体的形成 Fe Fe3C相图中GS ES线的延长线SG SE 具有一定的意义 GSG ESE 线把相图分成四个区 GSE以上为A区 GSE 以左为先共析F析出区 ESG 以右为先共析Fe3C析出区 E SG 以下为伪共析P析出区 1 亚共析钢中的先共析铁素体 奥氏体晶界上形成的晶核 一侧为共格 另一侧为非共格形成温度较高 非共格晶界易迁移 向奥氏体晶粒一侧长成球冠状 若原奥氏体含碳量较高 析出的铁素体量较少 则铁素体易长成网状 若原奥氏体含碳量较低 析出的铁素体量较多 且单位体积排出的碳原子较少 非共格界面更易迁移 铁素体长入奥氏体呈块状分布 形成温度较低 铁原子不易作长距离迁移 使非共格晶界不易迁移 铁素体的长大 主要依靠共格晶界迁移 共格界面与母相往往有一定的位向关系 且为减小应变能 铁素体呈条状沿奥氏体某一晶面向晶粒内生长 铁素体彼此平行 或互成60 90 形成魏氏组织 片状铁素体 魏氏铁素体 2 过共析钢中的渗碳体 粒状渗碳体 网状渗碳体 针状渗碳体 魏氏渗碳体 预备热处理 退火 正火 最终热处理 淬火 回火 一般零件生产的工艺路线 四 钢的退火与正火 1 钢的退火 1 定义 将零件加热到适当温度 经过保温后以适当速度冷却 以降低硬度 改善组织 提高加工性的一种热处理工艺 2 目的 消除应力 降低硬度 细化晶粒 均匀成分 为最终热处理作好组织准备 3 特点 加热温度在Ac1以上缓冷得到珠光体的组织 4 种类 退火 重结晶退火 低温退火 完全退火 扩散退火 球化退火 再结晶退火 去应力退火 普通退火 等温退火 普通球化退火 等温球化退火 5 工艺参数 完全退火是将亚共析钢加热到Ac3以上 保温一定时间 使组织完全奥氏体化后缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 不完全退火不完全退火是将钢加热到Ac1 Ac3 亚共析钢 或Ac1 Accm 过共析钢 之间 保温后缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 球化退火是不完全退火的一种 通常的加热温度是Ac1以上20 30 使片状渗碳体转变为球状或粒状 主要用于过共析的碳钢及合金工具钢 近年来球化退火应用于亚共析钢也取得成功 扩散退火是指将钢加热到Ac3或Accm以上150 300 长时间保温 然后随炉缓慢冷却的热处理工艺 实质是使钢中的各元素在奥氏体中进行充分扩散 达到成分均匀化 再结晶退火是指将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上 保温适当时间后 使变形晶粒转变为无应变的等轴新晶粒 从而消除加工硬化和残余内应力的热处理工艺 去应力退火又称为回复退火 其加热温度范围很宽