材料热处理原理及工艺.ppt

材料科学基础 太原科技大学材料科学与工程学院材料科学基础课程教学团队 第九章钢的热处理原理及工艺第一节热处理基本概念第二节钢在加热时的转变第三节钢的转变曲线 产物及性能第四节过冷奥氏体转变曲线的应用第五节钢的退火和正火第六节钢的淬火与回火第七节钢的表面热处理 9 1固态相变总论9 1 1固态相变分类1 按热力学分类根据相变点的吉布斯自由焓函数的导函数的连续情况可将固态相变分为一级相变和二级相变 一级相变 相变过程中新旧两相自由焓相等 但自由焓的一阶偏导数不等 这种相变称为一级相变 二级相变 相变过程中新旧两相自由焓相等 自由焓的一阶偏导数也相等 但自由焓的二阶偏导数不等 这种相变称为二级相变 一级相变时 有潜热的变化和体积的突变 大多数固态相变属于一级相变 二级相变时 无潜热和体积的变化 但热容 压缩系数和膨胀系数要发生突变 磁性转变 超导态转变及一部分有序 无序转变为二级相变 一级相变符合相区接触法则 相邻相区的相数差一 对于二元相图通常两个单相区之间含有这两个相组成的两相区 对于二级相变 两个单相区仅以一条线分割 n级相变 相变过程中新旧两相自由焓的第 n 1 偏导数相等 而其n阶偏导数不相等 2 按结构变化分类按发生相变时新相与母相在晶体结构上的差异 可以将相变分为重构型相变和位移型相变 重构型相变 伴随化学键的破坏 新键的形成 原子重新排列 新相和母相在晶体学上没有明确的位向关系 所需要克服较高的能垒 相变潜热很大 相变进行缓慢 高温型石英 高温磷石英 高温磷石英 高温方石英 脱溶分解 共析转变位移型相变 不需要破坏化学键或改变其基本结构 相变时所发生的原子位移很小 新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系 所需要克服的能垒很低 相变潜热也很小 转变速度非常迅速 低温型石英 高温型石英 SrTiO4发生的立方 四方转变 马氏体相变 3 按相变方式分类相变过程要经历涨落 根据涨落发生的范围与程度的不同 Gibbs将其分为两类 一类是形核 长大型相变 另一类是连续型相变 形核 长大型相变 在很小的范围内 发生原子相当激烈的重排 生成了新相的核心 新相与母相之间产生了相界 靠不断的生核和晶核的长大实现相转变叫形核 长大型相变 脱溶分解 共析转变等连续型相变 若在很大范围内原子发生轻微的重排 相变的起始状态和最终状态之间存在一系列连续状态 不需形核 靠连线涨落形成新相 这种相变为连续型相变 调幅分解 按相变时是否获得符合状态图的平衡组织可将固态相变分为平衡转变和非平衡转变 根据相变过程中有无原子的扩散可以将固态相变分为扩散相变 半扩散相变和非扩散型相变 按形核方式可将固态相变分为扩散形核和无扩散形核相变 从相变的动力学机制出发 可以将相变分为均匀转变和非均匀转变 第一节热处理基本概念一 热处理所谓钢的热处理是指将钢在固态下进行加热 保温和冷却三个基本过程 以改变钢的内部组织结构 从而获得秘需性能的一种的加工工艺 二 热处理工艺分类 三 钢的临界温度 第二节钢在加热时的转变一 奥氏体的形成过程 一 奥氏体晶核的形成 二 奥氏体晶核的长大 三 残余奥氏体的溶解 四 奥氏体的均匀化 二 影响奥氏体形成速度的因素 一 温度的影响 二 钢的成份的影响 三 原始组织的影响 三 奥氏体晶粒的长大及其影响因素 一 奥氏体晶粒度的概念根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况奥氏体晶粒度可分为起始晶粒度 实际晶粒度和本质晶粒度三种 钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类 一类晶粒长大倾向大 称为本质粗晶粒钢 一类晶粒长大倾向小 称为本质细晶粒钢 本质晶粒度 是表示在规定的加热条件下 奥氏体晶粒长大倾向性的高低 奥氏体的本质晶粒度的确定 通常是将钢加热到930 10 显微放大100倍与标准晶粒度等级图进行比较 标准奥氏体晶粒度等级分为8级 1级最粗 8级最细 钢的奥氏体晶粒度在1 4级的为本质粗晶粒钢 在5 8级的为本质细晶粒钢 在工业生产中 一般经铝脱氧的钢大多是本质细晶粒钢 而只用锰硅脱氧的钢为本质粗晶粒钢 沸腾钢一般都为本质粗晶粒钢 而镇静钢一般为本质细晶粒钢 需经热处理的工件一般都采用本质细晶粒钢 二 奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体化温度越高 晶粒长大越明显 钢中奥氏体含碳量的增加 奥氏体晶粒的长大倾向也增大 钢中加入合金元素 也影响奥氏体晶粒长大 一般认为 凡是能形成稳定碳化合物的元素 如钛 钒 钽 铌 锆 钨 钼 铬 形成不溶于奥氏体的氧化物及氮化物的元素 如铝 促进石墨化的元素 如硅 镍 钴 以及在结构上自由存在的元素 如铜 都会阻碍奥氏体晶粒长大 而锰 磷则有加速奥氏体晶粒长大的倾向 第三节过冷奥氏体转变产物及性能一 珠光体类型组织转变 一 珠光体组织形态与性能 片状珠光体组织中 一对铁素体与渗碳体片的总厚度 称为珠光体片间距 珠光体中层片状的渗碳体 经适当的退火处理后 可呈球状分布在铁素体基体上 称为球状 或粒状珠光体 见图所示 根据片间距的大小不同 珠光体类型的组织又可细分为 1 珠光体形成温度为A1 650 片间距大约为150 400nm之间 一般在500倍以下的光学显微镜下才可分辨 用符号 P 表示 2 索氏体形成温度为650 600 片间距大约为80 150nm之间 一般在800 1000倍的光学显微镜下才可分辨 用符号 S 表示 3 托氏体形成温度为600 550 片间距大约为30 80nm之间 在光学显微镜下根本不能辨其层状特征 只有在电子显微镜下才可以分辨 用符号 T 表示 珠光体类型组织的力学性能与其片间距的大小有直接的关系 图为共析钢珠光体的片间距与力学性能间的关系 二 珠光体类型组织的转变过程珠光体类型组织的转变是一种扩散型转变 即铁原子和碳原子均进行扩散 另外是晶格的重构 由面心立方的奥氏体转变为体心立方的铁素体和复杂的晶格的渗碳体 其转变也是一个形核和核长大的过程 二 贝氏体类型组织转变 一 贝氏体的组织形态和性能过冷奥氏体在550 Ms 马氏体转变开始温度 温度范围内 将转变为贝氏体类型组织 贝氏体用符号 B 表示 最常见的贝氏体组织形态为上贝氏体B上和下贝氏体B下 1 上贝氏体 a b 光学显微镜下的形态800 电子显微镜下的形态290000 2 下贝氏体 a b 光学显微镜下的形貌800 电子显微镜下的形貌290000 二 贝氏体类型转变过程发生贝氏体类型组织转变时 首先在过冷奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核 其含碳量低于奥氏体的平均含碳量 但仍高于铁素体的平均含碳量 是过饱和铁素体 当温度较高 550 350 时 条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行生长 随着铁素体的伸长和变宽 其中的碳原子向条间的奥氏体中富集 最后在铁素体条之间析出渗碳体短棒 奥氏体消失 形成上贝氏体组织 当温度较低 350 Ms 时 碳原子扩散能力低 铁素体在奥氏体的晶界或晶内的某些晶面上长成针状 尽管最初形成的铁素体固溶碳原子较多 但碳原子核的迁移不能逾越铁素体片的范围 只有在铁素体内一定的晶面上以断续碳化物小片的形式析出 从而形成下贝氏体组织 三 马氏体类型组织转变 一 马氏体的晶体结构马氏体是碳在 Fe中过饱和固溶体 用符号 M 表示 马氏体具有体心正方晶格 a b c 当发生马氏体组织转变时 奥氏体中的碳全部保留在马氏体中 轴比c a称为马氏体的正方度 马氏体含碳量越高 其正方度越大 正方畸变也越严重 当 c 0 25 时 马氏体正方度为1 此时马氏体具有体心立方晶格 二 马氏体的组织形态特点马氏体形态一类是板条状马氏体 另一类是片状马氏体形态 随着钢中高温奥氏体含碳量的增加 淬火后组织中板条状马氏体逐渐减少 而片状马氏体逐渐增多 当奥氏体 c 1 0 的钢淬火后 组织中马氏体形态几乎完全是片状的 当奥氏体 c 0 3 时 淬火组织中马氏体的形态几乎全是板条状的 当奥氏体中的 c在0 3 1 0 时 淬火组织中马氏体的形态是两者都有的 共析碳钢1100 淬火后马氏体组400 片状马氏体在一个成份均匀的奥氏体晶粒内 冷至稍低于Ms点时 先形成的第一片马氏体将贯穿整个奥氏体晶粒而将晶粒分割为两半 使以后形成的马氏体大小受到限制 因此 片状马氏体的大小不一 愈是后形成的马氏体片愈小 片的大小几乎完全取决于奥氏体的晶粒大小 用透射电子显微镜观察表明 片状马氏体内的亚结构主要是孪晶 因此又叫孪晶型马氏体 板条状马氏体是低 中碳钢形成的一种典型的马氏体组织 板条状马氏体的显微组织是由许多成群的板条组成 故称为板条状马氏体 这种马氏体是由若干个板条群组成的 每个板条群是由若干个尺寸大致相同的板条组成 这些板条呈大致平等且方向一定的排列 板条群之间具有较大的位向差 透射电镜观察表明 板条状马氏体内的亚结构主要是高密度的位错 因而又称为位错马氏体 板条状马氏体300 三 马氏体的力学性能高碳片状马氏体的韧性和塑性均很差 脆性很大 其主要原因是 碳在马氏体中过饱和程度大 其正方度远大于1 晶格畸变严重残余应力大 片状马氏体内的亚结构主要是孪晶 低碳板条状马氏体的韧性和塑性相当好 其主要原因是 碳在马氏体中过饱和程度小 其正方度 1 晶格畸变轻微 残余应力小 板条状马氏体内的亚结构主要是位错 四 马氏体组织转变的特点1 无扩散性2 切变共格性3 不断降温的条件下形成4 高速长大5 马氏体转变的不完全性6 马氏体转变的可逆性 珠光体 贝氏体 马氏体转变的异同点 第四节过冷奥氏体转变曲线图一 过冷奥氏体等温转变曲线图过冷奥氏体等温转变曲线 依据曲线的形状像字母 C 称为过冷奥氏体等温转变C曲线 简称C曲线 因为它综合了温度 时间 转变的变化 也称为TTT曲线 一 共析碳钢C曲线的建立测定等温转变图 可以采用金相法 膨胀法 磁性法 电阻法和热分析法等 所有这些方法都是利用过冷奥氏体转变产物的组织形态或物理性能发生变化进行测定的 在不同过冷度下奥氏体等温转变动力学曲线 图中转变温度t1 t2 t3 t4 t5 t6 由图中曲线可以看出 开始时转变速度随着转变温度的降低而逐渐增大 但当转变温度低于t4以后 转变速度又逐渐减小 若将曲线的转变开始时间 图中的各a点 和终了时间 图中b点 标记到一个以转变温度 时间为坐标的图上 连接各转变开始点和终了点 便函可得到C曲线 二 影响C曲线的因素1 含碳量的影响在正常加热条件下 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 故在碳钢中以共析网的过冷奥氏体最为稳定 2 合金元素的影响除钴以外 所有溶于奥氏体的合金元素都增加过冷奥氏体的稳定性推迟转变及降低转变速度 使C曲线右移 碳化物形成元素含量较多时 C曲线的形状将发生变化 甚至整个C曲线在鼻尖处分开 形成上下两个C曲线 如图所示 3 原始组织的影响加热温度和保温时间的影响工业用钢在相同加热条件下 原始组织愈细 愈容易得到较均匀的奥氏体 使等温转变曲线右移 Ms点降低 当原始组织相同时 提高奥氏体化温度或延长奥氏体化时间 奥氏体的成份趋于均匀化 未溶碳化物数量减少 晶粒长大晶界面积减少 结果降低了过冷转变的形核率和长大速度 使过冷奥氏体的稳定性增加 导致C曲线右移 二 过冷奥氏体连续冷却转变图 一 过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立通常用膨胀法 金相法 和热分析法测定过冷奥氏体的连续冷却曲线 利用快速膨胀仪可将试样真空感应加热到奥氏体状态 程序控制冷却速度 并能方便地从不同冷却速度的膨胀曲线上确定转变开始点 转变量为1 转变终了点 转变量为99 所对应的温度和时间 将试验测得的数据标在温度 时间对数坐标中 连接相同意义的点便得到过冷奥氏体连续冷却转变曲线 二 连续冷却转变曲线分析共析钢CCT曲线最为简单 只有珠光体转变区和马氏体转变区 说明共析钢连续冷却时没有贝氏体形成 CCT曲线位于TTT曲线的右下方 Ps Pz线分别为P转变开始线 终止线 凡冷却曲线碰到K线过冷奥氏体就不再发生珠光体转变 而一直保持到Ms点以下才转变为马氏体 第五节钢的退火和正火一 退火定义 目的 工艺及应用1 均匀化退火均匀化退火又称扩散退火 将金属铸锭 铸件或锻坯 在略低于固相线的温度下长期加热 消除或减少化学成份偏析及显微组织 枝晶 的不均匀性 以达到均匀化目的的热处理工艺2 完全退火和等温退火完全退火又称重结晶退火 一般简称为退火 这种退火主要用于亚共析的碳钢和合金钢的铸 锻件及热轧型材 有时也用于焊接结构 一般常作为一些重要工件的最终热处理或作为某些重要件的预先热处理 3 不完全退火将钢件加热至Ac1和Ac3之间 经保温并缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 4 球化退火球化退火是使钢中碳化物球化 获得粒状珠光体的一种热处理的工艺 主要用于共析钢 过共析钢 合金工具钢 其目的是降低硬度 均匀组织 改善切削加工性 并为淬火组织准备 5 去应力退火将钢件加热Ac1以下某一温度保温后缓冷 以去除由于形变加工 锻造 焊接等所引起的有铸件内存在的残余应力而进行的退火 二 正火定义 目的 工艺及应用1 对低碳钢的正火 改善钢的切削加工性能2 对中碳钢的正火 提高力学性能作为最终热处理工艺 3 对高碳钢的正火 消除网状碳化物以便于球化退火 第六节钢的淬火一 淬火的定义和目的二 淬火温度的选择三 淬火介质 四 常用的淬火方法 一 单介质淬火法 二 双介质淬火法 三 分级淬火法 四 等温淬火 五 冷处理五 几种淬火新工艺的发展及应用 一 循环快速加热淬火 二 高温淬火 三 高碳钢低温 快速 短时加热淬火 四 亚共析钢的亚温淬火 六 淬火缺陷 一 淬火变形 开裂 二 硬度不足 三 软点 四 组织缺陷 第七节钢的淬透性一 定义所谓钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力 其大小用钢在一定条件下淬火获得的有效淬硬深度表示 一般规定 由钢的表面至内部马氏体组织占50 处的距离为有效淬硬深度 二 淬透性的测定及表示方法测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法 又称顶端淬火法 简称端淬法 此法通常用于测定优质碳素结构钢 合金结构钢的淬透性 也可用于测定弹簧钢 轴承钢 工具钢的淬透性 三 淬透性的实际意义 一 根据端淬曲线合理选用钢材 以满足心部硬度的要求 二 预测材料的组织和硬度 三 根据端淬试验曲线 确定热处理工艺 第八节钢的回火一 回火的目的 1 降低脆性 减少或消除内应力 防止工件变形或开裂 2 获得工艺所要求的力学性能 淬火工件的硬度高且脆性大 通过适当回火可调整硬度获得所需要的塑性 韧性 3 稳定工件尺寸 淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织 它们会自发地向稳定的平衡组织 铁素体和渗碳体转变 从而引起工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化 4 对于某些高淬透性的合金钢 空冷便可淬成马氏体 如采用退火软化 则周期很长 此时可采用高温回火 使碳化物聚集长大 降低硬度 以利切削加工 同时可缩短软化周期 二 淬火钢在回火时的转变1 马氏体的分解2 残余奥氏体的分解3 碳化物转变为Fe3C4 渗碳体的聚集长大及 相再结晶 三 回火的种类 一 低温回火低温回火的温度为150 250 回火后的组织为回火马氏体 二 中温回火中温回火的温度为350 500 回火后的组织为回火托氏体 三 高温回火高温回火的温度为500 650 回火后的组织为回火索氏体 四 回火脆性淬火钢在250 350 回火时出现的脆性称为第一类回火脆性 也称低温回火脆性 几乎所有淬火后形成马氏体的钢在该温度范围内回火时 都不同程度产生这种脆性 目前尚无有效办法完全消除这种回火脆性 所以一般都不在250 350 范围内回火 淬火钢在450 650 范围内回火后出现的脆性称为第二类回火脆性 又称高温回火脆性 这类回火脆性主要发生在含Cr Ni Si Mn等合金元素的合金结构钢中 当淬火后在上述温度范围内长时间保温或以缓慢的速度冷却时 便发生明显的脆化现象 但快速冷却时 脆化现象消失或受到抑制 第九节钢的表面淬火一 感应加热表面淬火 一 感应加热的原理及工艺 二 感应加热的特点 二 火焰加热表面淬火 第十节钢的化学热处理 第十节钢的化学热处理 一 钢的渗碳钢的渗碳就是钢件在渗碳中加热和保温