哈工大金属学与热处理课件9.ppt

第八章钢的热处理原理 本章目的 1阐明钢的热处理的基本原理 2揭示钢在热处理过程中工艺 组织 性能的变化规律 本章重点 1 C曲线的实质 分析和应用 2 过冷奥氏体冷却转变及回火转变的各种组织的本质 形态和性能特点 3 马氏体高强度高硬度的本质 一热处理的定义及作用1热处理的定义 金属或合金在固态下于一定介质中加热到一定温度 保温一定时间 以一定速度冷却下来的一种综合工艺 2热处理工艺曲线四个重要参数 V加热 T保温 t保温 V冷却 三个基本过程 加热 保温 冷却 8 1热处理概述 2热处理的意义及作用 意义 应用广泛 效果显著 汽车零件80 工模具 轴承100 例 45 钢 840 加热 不同方式冷却 作用 1 显著提高材料的使用性能 2 改善加工性能 切削 热处理 二热处理的条件 有固态相变加热时溶解度显著变化的合金 L L L 为什么钢能热处理 固态相变 有相变重结晶 C溶解度显著变化 可固溶强化热处理温度区间 A1 T TNJEF热处理第一步 加热奥氏体化 8 2钢在加热时的转变 一奥氏体形成的机理1奥氏体组织结构和性能 定义 C及合金元素固溶于面心立方结构的 Fe中形成的固溶体 C溶于 相八面体间隙中 R间隙 0 535A Rc 0 77A 晶格畸变 并非所有晶胞均可溶碳 1148 2 5个晶胞溶一个C原子 性能 顺磁性 比容最小 塑性好 线膨胀系数较大 奥氏体化中成分组织结构的变化以共析钢为例F Fe3C A 727 成分 C 0 02186 690 77结构体心立方复杂斜方面心立方 说明奥氏体化中须两个过程 C成分变化 C的扩散 铁晶格改组 Fe扩散 3奥氏体形成热力学条件热力学条件 T A1原因 以珠光体与奥氏体的体积自由能之差来提供驱动力以克服新相晶核的表面能及弹性能 影响过热度主要因素 V加热 V加热 过热度 T T T实际 存在过热度 T T实际 T理论 同理 冷却过程的固态相变需过冷度钢的热处理中六个重要的温度参数 A1A3Acm Ac1Ac3Accm 加热过程Ar1Ar3Arcm 冷却过程 4奥氏体形成过程 共析钢 4 奥氏体中C的扩散均匀化 万秒 3 剩余Fe3C的溶解 千秒 2 奥氏体向F及Fe3C两侧长大 几百秒 四个阶段 1 奥氏体在F Fe3C界面上形核 10秒 任何固态相变均需形核与长大过程 形核需要 三个起伏条件 成分起伏 结构起伏 能量起伏 故晶界或缺陷处易形核 5亚共析钢 过共析钢的奥氏体化过程 亚共析钢 F P F A A过共析钢 Fe3C P Fe3C A A 例 球化退火 要求获得粒状珠光体 要求A中C不均匀 控制第三 四阶段 奥氏体化的目的 获成分均匀 晶粒细小的奥氏体晶粒 实际热处理中须控制奥氏体化程度 三奥氏体晶粒度及影响因素 1奥氏体晶粒度概念奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小 工业上一般分为8级 1 4级粗 0 1 5 8级细 8级以上极细 计算式 n 2N 1N 晶粒度级别n 1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数 100X 标准晶粒度级别图 标准晶粒度级别图 奥氏体有三种不同概念的晶粒度 1 初始晶粒度 奥氏体转变刚结束时的晶粒大小 通常极细小 2 实际晶粒度 具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小 与具体热处理工艺有关 热处理温度 时间 晶粒长大 与晶粒是否容易长大有关 引入本质晶粒度概念 3 本质晶粒度指钢在特定的加热条件下 奥氏体晶粒长大的倾向性 分为本质粗晶粒度和本质细晶粒度 测定方法 加热至930 10 保温8h 若A晶粒1 4级 本质粗晶粒度钢 5 8级 本质细晶粒度钢 关于本质晶粒度概念的要点 表征该钢种在通常的热处理条件下A晶粒长大的趋势 不代表真实 实际晶粒大小 本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大 本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小 而与具体的热处理工艺有关 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关机理 难溶粒子的机械阻碍作用Al脱氧镇静钢含V Ti Nb Zr钢 机理 难溶粒子的机械阻碍作用例如 AlN VN TiN NbN ZrN 本质细晶粒钢 本质粗晶粒钢 是确定热处理工艺参数以及热处理质量的重要依据 过热 热处理加热中A晶粒显著粗化本质粗晶粒钢 须严格控制加热T t 需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢 例如 渗C用钢20MnVB 20CrMnTi 本质细晶粒度钢 2影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间T t A晶粒长大 T的影响远大于t 加热速度 常规加热速度下影响不大 快速加热 短时保温的超细化工艺如高频加热 激光加热等 成分强烈阻碍 Al V Ti Zr Nb原因 机械阻碍理论 形成难溶碳 氮化物中等阻碍 Cr W Mo促进长大 Mn P 溶入A的C 降低铁原子的结合力 促进铁的扩散 8 3钢在冷却时的转变 冷却过程 热处理工艺的关键部分 对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用 不同的冷却速度获不同的组织与性能 1高温转变产物 Fe C均扩散亚共析钢 F P 共析钢 P 过共析钢 P Fe3C 珠光体类型化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现 扩散类型 2中温转变产物 Fe不扩散 C部分扩散 C过饱和的 Fe3C的机械混合物 贝氏体类型 B 化学成分的变化靠扩散实现晶格类型的转变非扩散性 半扩散性 3低温转变产物 Fe C均不扩散 非扩散型得C在 Fe中的过饱和固溶体 马氏体 马氏体类型 M 热处理的两种冷却方式 等温冷却 过冷奥氏体等温转变动力学曲线连续冷却 过冷奥氏体连续转变动力学曲线 一过冷奥氏体等温转变动力学曲线 Temperature Time Transformation T A1 Ms Mf A M M AR A过冷 A B A P A P B 700 500 200 孕 HRC 15 40 45 55 60 1 10 102 103 104 105 过冷奥氏体与奥氏体的区别 C曲线 产物 P 珠光体B 贝氏体M 马氏体鼻点 2要点 不同温度下转变产物不同 高温转变产物 A1 550 珠光体 P 扩散型中温转变产物 550 MS 贝氏体 B 半扩散型低温转变产物 MS Mf 马氏体 M 非扩散型 存在孕育期 过冷奥氏体等温分解所需的准备时间 代表A过冷稳定性 存在鼻点 孕育期最短 A过冷最不稳定 T转 产物硬度 马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织 非等温转变产物 将其画入 使过冷奥氏体等温转变曲线更完备 实用 亚共析钢 过共析钢C曲线 亚共析钢 过共析钢C曲线 以珠光体转变为例 亚共析钢珠光体型转变式 A F先共析 P过共析钢珠光体型转变式 A Fe3C先共析 P 多一条先共析相析出线 先共析相量随转变温度下降而减少 鼻点温度以下无先共析相析出 转变温度的降低会抑制先共析相的析出 当转变温度足够低 先共析相的析出被完全抑制 由非共析成分获得的共析组织称为伪共析体 二影响C曲线的因素 与奥氏体状态有关1化学成分 1 含碳量 理论 奥氏体中C C曲线右移 F相难析出 珠光体转变难进行 实际 亚共析钢 C C曲线右移 过共析 C 左移 未溶Fe3C 指溶入奥氏体中的C 0 9 C 0 9C 0 5Mn 0 9C 1 2Mn 0 9 2 8Mn T T 0 5C 0 5C 2 Cr 0 5C 4 Cr 0 5C 8 Cr 2 合金元素 除Co Al WAl 2 5 外 其它合金元素随Me C曲线右移 须溶入A中 T Ms Co Al Ni Si Cu Mn Si Ni Cu Mn Co Al外所有合金元素 非碳化物形成元素 只改变C曲线位置Co Al Ni Cu Si 强碳化物形成元素W Mo V Ti Nb等的影响 改变C曲线位置和形态 碳化物形成元素改变C曲线位置和形状Cr W Mo V Ti Nb Zr等 对Ms点的影响 Co Al使Ms 其它合金元素使Ms 2奥氏体组织 愈细 成分及组织愈不均匀 未溶第二相愈多 左移 T t 晶粒粗大 成分 组织均匀 A稳定性 右移 其它 应力和塑性变形 三过冷奥氏体连续冷却转变曲线 ContinousCoolingTransformation CCT Vc 连续冷却中全部A过 M的最小V冷 临界淬火速度 上临界冷却速度VC 连续冷却中全部A过 P的最大V冷 下临界冷却速度 P M P M 冷却速度对转变产物类型的影响 可用VC VC 判断 当V VC时 A过冷 M 当V VC 时 A过冷 P 当VC V VC时 A过冷 P M 实际中由于CCT曲线测量难 可用TTT曲线代替CCT曲线作定性分析 判断获得M的难易程度 连续冷却的VC值是等温冷却C曲线中与鼻点相切的VC的1 5倍 故可用等温冷却C曲线中VC代替或估算 四钢的珠光体转变 1珠光体的组织形态片状珠光体与球 粒 状珠光体 1 片状珠光体按层片间距不同又分为 粗珠光体 S0 0 6 1 0 m 索氏体 S S0 0 25 0 3 m 屈氏体 T S0 0 1 0 15 m 取决于过冷度 过冷度 T S0 B上 B下 球 粒 状珠光体珠光体的形态取决于加热时奥氏体化的程度 奥氏体成分较均匀时 片状 不均匀时 球 粒 状 F Fe3C相界面多少 Fe3C形态分布 P粒的HB b P片 P粒的 P片 2珠光体的性能 3伪共析组织 通过加快钢冷却速度 可获得强硬度较好的伪共析组织 1 定义 偏离共析成分的A过冷形成的珠光体 2 形成条件 下图红线区 3 应用 亚共析钢热轧后即水冷或喷雾冷却 F先 P b V冷 正火代替退火 抑制Fe3C先 消除网状渗碳体 五钢的马氏体转变 V VK转变式 A f c c 0 77C M b c corb c t 0 77C 只有晶格改组而无成分变化 1马氏体晶体结构马氏体 C在 Fe中的过饱和固溶体 单相 亚稳 正方度 c a c a 1 0 046C 马氏体 体心立方 C 1另 体心斜方 C 1 4 c a 1 b a 1 2马氏体组织特征 1 板条状马氏体 单元体 单晶体 板条状组合特征 一些位向相同的板条晶构成马氏体束 原奥氏体晶粒中含3 5个位向不同的M束 块状马氏体 主要存在于低碳钢中 C 0 2 低碳马氏体形成温度较高 高温马氏体 片状马氏体 组织形态及特点 单元体 片状 中间厚 两边薄 凸透镜状或针状 组合特征 片与片之间不平行 约呈60 晶粒大小不等 先大后小 先形成的M片贯穿A晶粒 亚结构 平行的细小孪晶 孪晶马氏体 形成的温度较低 低温马氏体高碳钢中常出现 高碳马氏体 孪晶 其它形态马氏体闪电状 蝴蝶状等 4 工业用钢中淬火马氏体金相形态 低碳钢 C1 0 片状 淬火马氏体金相形态影响因素 实质取决于转变温度 高于200 板条状马氏体 低于200 片状马氏体因C Ms及Mf 形态与C 关系 低碳 板条状 高碳 片状 Ms A强度低 210Mpa 易孪生 所需应力小 孪晶 片状 分界温度大约为200 200 本质 奥氏体变形方式的分界温度 3马氏体的性能 1 硬度和强度特点 总体 高硬度 高强度注意 硬度 强度主要取决于C Me影响小 C 马氏体HRC 须注意马氏体硬度与钢硬度的差异 C 淬火钢HRC 0 6 C后基本趋于定值 注意马氏体硬度与钢硬度的差异 Fe3C AR 钢中马氏体强化机制 C的固溶强化 相变强化 亚结构强化 高密度位错 孪晶 层错 时效 沉淀 强化 C向缺陷处扩散偏聚或析出 钉扎位错 低碳M 自回火 2 塑性与韧性 片状M 硬而脆 板条M 强而韧 与亚结构有关板条M塑韧性好的原因 含碳量低 过饱和度小 淬火内应力小 形成微裂纹的敏感度小 高碳片状M塑韧性差的原因 C过饱和度高 畸变大 淬火内应力大 形成微裂纹的敏感度高 4马氏体转变的特点 无扩散性 切变共格 不完全性 转变在一定温度范围内进行 存在残余奥氏体 转变快速性 M形成速度极快 10 5 10 7S 1 形成原因 比容因素 M的形成为体积膨胀过程 淬火温度通常高于Mf中高碳钢 合金钢的Mf 室温 5残余奥氏体及其控制因素 0 6 2 影响A残 的因素主要取决于MS 化学成分 C AR 604020 0 50 70 91 1 经验式 MS 535 317wc 33wMn 28wCr 17wNi 11 wSi wMo wW 注 非简单迭加 须固溶入A中 C Me MS Mf AR 1 C使MS 约300 3 残余奥氏体的作用及控制 有害作用 组织不稳定 尺寸不稳定 软 耐磨性差 有益作用 适量AR可一定程度提高韧性 例如 轴承钢中保留适量AR控制方法 热处理分解冷处理转变为M 40 60 1组织形态 上贝氏体 550 350 组织构成 C Fe3C铁素体 碳过饱和 0 03 成束 板条状平行排列 位错 108 109cm 2 渗碳体 粒状或短杆状分布在F板条之间 六钢的贝氏体转变 下贝氏体 350 230 组织 C FexC铁素体 碳过饱和 0 3 针 片状 互不平行 更高密度位错 渗碳体 粒状或短杆状平行分布在F相内部 3贝氏体的机械性能 1 强度和硬度铁素体 取决于晶粒大小 C及Me固溶强化 位错密度碳化物 取决于弥散度 数量 s B上 s B下 2 韧性ak B下 ak B上 原因 B上中碳化物分布条间 有明显方向性 尺寸较大 4魏氏组织及性能 魏氏组织 在奥氏体晶粒较粗大 冷却速度相对较快时 钢中先共析相 先共析铁素体或先共析渗碳体 以针状或片状形态从原奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内平行或规则生长 并与片状珠光体混合存在 该组织称为 形成条件 A晶粒粗大 冷速适当缓慢 Fe扩散 网状F 过快 C来不及扩散 抑制F形成总体 冷速较大时易形成魏氏组织的机械性能 韧性 消除方法 正火 珠光体 贝氏体 马氏体转变特点比较 七钢的回火转变 淬火 钢加热到AC3或AC1以上 保温 V V临界 M或B 回火 淬火钢加热到低于临界点A1的某温度 保温后以适当方式冷却到室温的热处理工艺 目的 1 调整钢强硬度与塑韧性的配合 获要求的性能 2 降低内应力 防止工件变形或开裂 3 稳定组织 防尺寸变化 1回火过程中的组织转变 M AR 不稳定组织 C的析出 四个过程 马氏体分解 250 M FexC x 2 4 过饱和 弥散 共格 亚稳 回火马氏体 2 残余奥氏体分解 200 300 3 碳化物类型的转变 250 400 Fe5C2 Fe3C 4 相回复与再结晶 碳化物聚集长大 400 650 相等轴化 相球化回复态 相 相 Fe3C 回火屈氏体再结晶 相 球化与聚集长大的 Fe3C 回火索氏体 2回火钢的机械性能 1 硬强度及塑韧性 回火T 强硬度 塑韧性 但ak有低谷 回火脆性 强硬度 塑韧性 的原因 C脱溶 相过饱和度 或 位错密度 或孪晶消失 碳化物的聚集长大 相的回复 再结晶畸变片状晶 平衡等轴晶 2 内应力变化 自学 回火温度 100200300400500600700 AR 内应力 M中C 渗碳体尺寸 3 回火脆性 分类 第一类回火脆性 低温 250 400 不可逆性 第二类回火脆性 高温 450 650 可逆性 定义 随回火温度提高 淬火钢韧性在某些温度区间显著下降的现象 低温回火脆性形成原因及防止方法形成原因 片状碳化物沉淀理论 杂质偏聚 防止方法 a