加热冷却转变ppt课件.ppt

Heattreatment Aprocessthatachievesthedesiredpropertiesbychangingthestructureoftheinteriorofthesteelbyheating holdingandcoolinginasolidstate 热处理 通过在固态下加热 保温和冷却 使钢材内部的组织结构发生变化 获得所需性能的一种工艺方法 Heattreatmentprocesscurve 1 A B L Canallmetalmaterialsbeheattreated 是不是所有的金属材料都可以进行热处理呢 Onlythealloysinwhichthesolidphasetransformationoccurcanbeheattreatment 只有固态相变发生的合金才能进行热处理 2 E F G912 S P Q 1148 727 A F A F A Fe3C F Fe3C K Fe3C Fe A1 Acm A3 T C 3 TransformationTemperature转变温度 Ac1 Ac3 Accm A3 Acm Arcm Ar3 Ar1 A1 A G S E P Q F 727 1148 P Cm F P 2 11 0 77 0 0218 Fe C 4 Austenitizingofhypoeutectoidsteel亚共析钢的奥氏体化 室温下组织为F P A1以上 F A A3以上 A A F A1 A3 Acm Austenitizingofhypereutectoidsteel过共析钢的奥氏体化 室温下组织为P Fe3C A1以上 Fe3C A Acm以上 A 在A1 Acm之间的奥氏体化 称为不完全奥氏体化 热处理工艺中常用 1 2 5 VI 1FormationofAusteniteinSteels ThegrowthofAiscarriedoutbythedissolutionofcementite thediffusionofCatomsinA andthetransitionbetweenFandFeonbothsides A的长大是通过渗碳体的溶解 C原子在A中的扩散以及A两侧界面向F和Fe3C推移来进行的 2 ProccessofAusteniteFormationin 6 F Homogenization Nucleation DissolutionofFe3C Growth Fe3C Theausteniteformationprocess VI 1FormationofAusteniteinSteels 7 1 Kineticsofausteniteisothermalformation奥氏体等温形成动力学 1 Isothermaltransformationmap等温转变图 TTA TimeTemperatureAustenitization t s Austenitetransformationstartline Austenitetransformationcompletionline P P A A 3 Austenitetransformationkinetics 8 TTAIllustrationofthediagram 不均匀A 均匀A P A A Fe3C P T s T ItcanbeseenthatthetimerequiredforthedissolutionofresidualFe3C especiallythehomogenizationofthecompositionisthelongest 可见 残余Fe3C的溶解 特别是成分均匀化所需时间最长 Ac1 1 2 3 4 1 AtransformationstartlineA转变开始线2 AtransformationcompletionlineA转变终止线3 ResidualFe3Cdissolvedterminationline残余Fe3C溶解终止线4 AhomogenizationterminationlineA均匀化终止线 0 101 102 103 104 1 Kineticsofausteniteisothermalformation奥氏体等温形成动力学 3 Austenitetransformationkinetics 9 1 Nucleationrate形核率 Nucleationrate Thenumberofnucleithatreachthecriticalnucleussizeisformedperunitvolumeperunittime单位时间单位体积内形成达到临界晶核尺寸的晶核个数 I N exp Q G kT N 单位体积旧相中的原子数目 原子中振动频率 Q 原子扩散激活能 N exp Q kT exp G kT 温度的影响 2 Austeniteisothermalkineticsanalysis 3 Austenitetransformationkinetics 10 Thetemperatureincreases thenucleationrateIincreasesexponentially 1 thetemperatureincreases GVincreases theG decreases Ifurtherincreases 2 thetemperatureincreases theatomicdiffusionrateisaccelerated isconducivetotheferritetotheaustenitelatticerestructuring butalsotopromotethedissolutionofcementitetoacceleratethenucleationofaustenite 3 thetemperatureincreases theferriteC increase ontheotherhandausteniteintheferritenucleationintherequiredconcentrationofcarbonalongtheSGandreducetheaustenitenucleationrequiredcarbonconcentrationUndulatingtopromotethenucleationofaustenite 温度升高 形核率I以指数关系增加 1 温度升高 GV增大 使G 减小 I进一步增大 2 温度升高 原子扩散速度加快 有利于铁素体向奥氏体点阵改组 也促进渗碳体溶解 加速奥氏体的形核 3 温度升高 铁素体的C 增加 另一方面奥氏体在铁素体中形核时所需的碳浓度沿SG而降低 减小奥氏体形核所需要的碳浓度起伏 促进奥氏体的形核 Theeffectoftemperatureonnucleationrate 1 Nucleationrate形核率 2 Austeniteisothermalkineticsanalysis 11 Lineargrowthrate 线性长大速率 Assume ignoretheconcentrationgradientinFandFe3C theinterfacetomaintainlocalbalance thediffusionofCinAreachesthequasi steadystate假设 忽略F和Fe3C中的浓度梯度 相界面处维持局部平衡 C在A中扩散达准稳态 D thediffusioncoefficientofcarboninA C在A中扩散系数 dC dx carbonconcentrationgradientinA A中浓度梯度 CB concentrationdifferencebetweenthetwophasesattheinterface两相在界面上的浓度差 2 Growthrate长大速率 Theexpandingspeedoftheinterface 相界面推移速度为 1 T G 讨论 2 GA FGA Fe3C 12 13 A3 Acm A1 A G S E P Q F 727 1148 P Cm F P 2 11 0 77 0 0218 Fe C 0 23 0 93 0 41 0 68 0 89 0 79 14 1 Temperature 3 FactorsAffectingATransformation奥氏体转变影响因素 4 Alloyelements 3 Kineticsofausteniteformation 15 4 Theformationkineticsofcontinuousheating连续加热时A形成动力学 连续转变图 V1 V2 V3 不均匀A 均匀A P A A Fe3C P t s T Ac1 3 Kineticsofausteniteformation 16 特点 1 加热速度 转变温度 2 转变在一个温度范围内完成 3 形成速度随加热速度 而 4 A起始晶粒度随加热速度速度 而细化 5 A成分不均匀性随加热速度 而 V1 Continuousheatingtransformationkinetics连续加热转变动力学示意图 3 Austenitetransformationkinetics 4 Theformationkineticsofcontinuousheating连续加热时A形成动力学 17 Austenitegrainsize thescaleofthegrainsize ofevaluationindicatorsofsteelheatingquality 奥氏体晶粒度 表示晶粒大小的尺度 评定钢加热质量重要指标 1 Theinitialgrainsize theformationofausteniteabovethecriticaltemperaturehasjustbeencompleted grainboundariesjusttoucheachotherwhenthegrainsize 2 Theactualgrainsize inaheattreatmentconditions theresultinggrainsize 3 Theinherentgrainsize steelundercertainconditions austenitegraingrowthtendency 1 起始晶粒度 临界温度以上奥氏体形成刚刚完成 晶粒边界刚互相接触时晶粒大小 2 实际晶粒度 在某一热处理加热条件下 所得到的晶粒尺寸 3 本质晶粒度 钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性 4 Austenitegraingrowthanditscontrol奥氏体晶粒长大及控制 1 AustenitegrainsizeAgraincharacterization奥氏体晶粒表征 18 n 2N 1或n 2N 3N 晶粒度级别 n 金相观察放大100倍进行时每平方英寸 6 45cm2 视野中所含平均晶粒数目 n 实际上每1mm2试样面积中的平均晶粒数目 Austenitegrainevaluationcriteria奥氏体晶粒评定标准 Standardexperimentalconditions 标准实验条件 930 10 3 8h 19 Coarsegrainsizesteel粗晶粒度钢 Finegrainsizesteel细晶粒度钢 20 本质升高迅速长大的钢 如经锰硅脱氧的钢 沸腾钢等 本质细晶粒度 奥氏体晶粒长大倾向小 加热到较高温度时才显著长大的钢 如经铝脱氧的钢 镇静钢等 21 22 1 heatingtemperatureandholdingtimeT t Agrainsize 2 heatingrateRapidheatingandshort terminsulationcangetfineAgrain 3 Carboncontent4 alloyingelements5 Originalstructure 2 Austenitegraingrowthfactors奥氏体晶粒长大影响因素 4 Austenitegraingrowthanditscontrol奥氏体晶粒长大及控制 23 Increasethedispersionofthesecondphaseparticles 增加第二相颗粒起弥散分布 steelbyaddingAl FormingAlNparticlestorefinethestructure Carbides TiC NbC etc torefinethestructure Increasetheheatingrate提高加热速度 Theuseoftemperatureandtimeontheaustenitegraingrowthtorefinethegrain Suchashigh frequencyinductionheating laserheating electronbeamheating 利用温度和时间对奥氏体晶粒长大影响来细化晶粒 如高频感应加热 激光加热 电子束加热等 3 Austenitesizecontrolanditsapplication奥氏体大小控制 4 Austenitegraingrowthanditscontrol奥氏体晶粒长大及控制 24 思考题 1 以共析钢为例 简述奥氏体转变过程 为什么奥氏体全部形成后还会有部分渗碳体未溶解 2 奥氏体晶核优先在什么地方形成 为什么 3 奥氏体在珠光体中分别沿什么方向长大 哪个方向长大速度高 为什么 4 说明奥氏体长大过程中扩散的作用 5 什么是奥氏体的本质晶粒度 起始晶粒度和实际晶粒度 钢中弥散析出的第二相对奥氏体晶粒的长大有何影响 25 VI 2Pearlite珠光体 1 Tissuemorphology lamellar granular WhentheausteniteoftheeutectoidcompositioniscooledbelowA1 itisdecomposedintoamixtureofferriteandcementite calledpearlite 1 Morphologyandproperties 共析成分的奥氏体冷却到A1以下时 将分解为铁素体与渗碳体的混合物 称为珠光体 26 珠光体领域 团 片状珠光体的片层位向大致相同的区域称为珠光体团 在一个奥氏体晶粒内 可有几个珠光体团 lamellarpearlitePearlitecolony group Theregionswherethelamellarorientationaresubstantiallythesameiscalledpearlitegroup withinanaustenitegrains theremaybeseveralpearlitegroup 27 2 pearlitelayerspacing珠光体的层间距 Thefactorsaffectingthespacingoflayers层间距的影响因素 T S C Constant常数 8 02 103nm K T Thedegreeofsubcooling过冷度 28 Pearlite珠光体 Sorbite索氏体 Troostite屈氏体 Thepresenceofpearlite theannealingornormalizingofsteel 珠光体的存在 钢的退火或正火组织中 29 1 lamellarpearliteeutecticsteel s 139 46 4S 1 b 436 5 98 1S 1 3 Themechanicalpropertiesofpearlite layerspacing strengthandhardness whiletheplasticandtoughnesshasimproved 片间距 强度和硬度 同时塑性和韧性有所改善 30 Mechanicalpropertiesofthehypo hyper eutecticsteel亚 过 共析钢的珠光体力学性能 31 2 GranularPearlite球状珠光体 Performancedependson 1 Fgrainsize substrate 2 Fe3Csize quantity distribution Fe3Csmall uniformdistribution thestrength hardness toughnessisalso ComparedwiththesamecomponentflakeP thehardnessisslightlylower highertoughness性能取决于 1 F晶粒大小 基体 2 Fe3C大小 数量 分布 Fe3C细小 分布均匀 则强度 硬度较高 韧性也 与同成分片状P相比 强度硬度稍低 塑韧性较高 32 Nucleation GrowthBecauseitisatwo phasemixture sothereisaproblemaboutleadingphase 因为是两相混合物 因此有一个领先相的问题 1 leadingphaseRelatedtochemicalcompositionHypoeutectoidsteel FHypereutectoidsteel Fe3CEutecticsteel bothcanbe isgenerallyconsideredtobeFe3C Inthepresenceofinsolublecementiteinaustenite thetransitionofPispromoted 2 Pearlitetransformation 1 lamellarpearlite 33 2 Formationmechanism形成机理 以共析钢为例 A F Fe3C0 77 0 0218 6 69 fccbcc复杂正交 形核 在A晶界和缺陷密集区 形成薄片状Fe3C晶核 长大 扩散进行长大方式 纵向长大 沿着珠光体片长轴方向长大 横向长大 沿着珠光体片垂直方向长大 依靠C的扩散 界面过程 依靠Fe的自扩散 34 Carbondiffusionmechanismoftheslicepearlitegrowth片状珠光体长大碳的扩散机制 CA F A F界面上A一侧的碳浓度CA Fe3c A Fe3C界面上A一侧的碳浓度CA 原A中的碳浓度CF A F A界面上F一侧的碳浓度CF Fe3c F Fe3C界面上F一侧的碳浓度CFe3c Fe3C的碳浓度为6 69 Fe3C F A 2 Pearlitetransformation 1 lamellarpearlite 2 Pearlitetransformation 1 lamellarpearlite 35 Duetothedifferencebetweentheconcentrationofeachphase resultinginthefollowingdiffusion 由于各相间的浓度差 造成了如下扩散 a interfacediffusion界面扩散在t1温度时 奥氏体中CA F CA Fe3C 造成碳从A F界面扩散到A Fe3C界面 这便破坏了界面平衡 使CA F CA Fe3C 进而导致F长大 使CA F Fe3C长大 使CA Fe3C b AwayfromthePzone由远离P区扩散因为CA F CA CA Fe3C F前沿的碳将向远处扩散 而远处的碳 浓度为CA 将扩散至Fe3C前 使F Fe3C长大 c DiffusionofCinferrite铁素体中C的扩散如图 因为CF A CF Fe3C 这就造成F内部的碳的扩散 使F前沿碳浓度下降 有利于F长大 Fe3C长大 36 Theself diffusionofironatoms铁原子的自扩散Pearlitetransformation thecrystallatticereorganizationiscompletedbythediffusionofironatoms 综上所述 珠光体转变时珠光体团的形成是铁素体与渗碳体横向沿奥氏体晶界或沿已形成的珠光体团界交替形核 纵向长大的结果 37 Pearlitetransformationprocess 38 2 Theformationmechanismofgranularpearlite粒状珠光体的形成机制 Isobtainedbyspheroidizingthecementiteinthelamellarpearlite lamellarPtogranularPprocess TheFe3Cinthepearliteislikelytospontaneouslybreakandspheroidizeduringheating Lamellarpearlite lamellarP networkFe3C Fe3Cfracture theroleofinterfacialtension Fe3Cspherulite granularpearlite片状珠光体 片状P 网状Fe3C Fe3C断裂 界面张力的作用 Fe3C球化 粒状珠光体 39 片状P 粒状P Spheroidizingannealing球化退火 片状P A 未溶Fe3C A 粒状Fe3C 粒状P Spheroidizingconditions heating Alowtemperature shortholdingtimeWhencooling Phightemperature longholdingtime球化条件 加热时 A化温度低 保温时间短冷却时 P化温度高 保温时间长 2 Theformationmechanismofgranularpearlite粒状珠光体的形成机制 40 Pearlitespheroidizationprocess珠光体球化过程 41 A1 C T T1 Pseudoeutopictransformation 伪共析转变 Inthecaseofrapidcooling theAofthenon eutectoidcompositionissupercooledintotheSE G zoneandcanbedecomposeddirectlyintothemixtureofF Cmwithoutprecipitatingthefirsteutectoidphase Thedecompositionmechanismandthedecompositionproductareexactlythesameastheeutectoidtransformation Calledpseudoeutectoidtransformation thetransformationofproductsas pseudoeutectomics 3 Thepearlitetransformationofthehypo hyper eutecticsteel亚 过 共析钢的珠光体转变 G S E E G 快速冷却时 非共析成分的A被过冷到SE G 区后 可以不析出先共析相而直接分解为F Cm的混合物 分解机制和分解产物与共析转变完全相同 这一转变称为伪共析转变 转变产物为 伪共析组织 42 Proeutectoidferrite先共析F析出 AprecipitatestheproeutectoidFintheareaenclosedbySE andGS A1 C T G S E E G 伪共析 先析F Proeutectoidcementite先共析渗碳体析出 Aftertheproeutectoidtransformationiscompleted theremainingAinSE SG undergoespseudoeutectoidtransformation先共析转变完成后 在SE SG 内剩余A发生伪共析转变 AprecipitatestheproeutectoidFe3CintheareaenclosedbySE andGS P P P Fe3C P P F P 3 Thepearlitetransformationofthehypo hyper eutecticsteel亚 过 共析钢的珠光体转变 43 Pseudo eutectoidtransformationapplication 1 tospeedupthecoldspeed improvethepseudo Pcontent willhelpimprovethestrengthoflow carbonsteel 2 Inhibitionofthenetworkcementiteinhypereutectoidsteelbyrapidcooling Thefasterthecoolingrate thelowerthetransitiontemperature Theproeutectoidphaseless Ppseudomore 冷速越快 转变温度越低 先析相越少 P伪越多 44 ThemorphologyofproeutectoidFofhypoeutectoidsteel亚共析钢先共析F的形态 ThemorphologyofproeutectoidFe3Cofhypereutectoidsteel过共析钢先共析Fe3C的形态 网状片状 等轴状 块状 网状 片状 A晶粒细小 转变温度较高 或慢冷 A晶粒粗大 转变温度较低 或快冷 A晶粒粗大 冷速适中 Widmanstattenstructure魏氏组织片 针 状F 或Fe3C PSignificantlyreducethemechanicalpropertiesofsteel especiallyplasticityandtoughness Mustbeeliminated 显著降低钢的力学性能 特别是塑韧性 必须消除 Normalizing annealingorforgingwithfinegrain采用细化晶粒的正火 退火或锻造 必须消除 45 网状铁素体 网状渗碳体 片状铁素体 片状渗碳体 46 Alargeneedle likeWidmanstattenferritestructureintheheat affectedzoneofalowcarbonsteelgaswelding某低碳钢气焊热影响区过热段出现的粗大针状魏氏铁素体组织 Widmanstattencementitestructure魏氏渗碳体组织 47 6 2 3 Pearlitetransformationkinetics isothermal 珠光体转变动力学 等温 1 Theeffectoftransitiontemperatureonpearlitenucleationandgrowth转变温度对珠光体形核与长大影响 NucleationrateandgrowthratewithT thefirst after 形核率和长大速度随T 先 后 thereason 1 T T drivingforce 驱动力 Gv favorableP nucleationandgrowth 2 T T Aconcentrationgradient 浓度梯度 P layerspacing FavorableP nucleationandgrowth 3 T T atomicactivity 原子活动能力 unfavorablenucleation Theabovethreetogether thecurveappearsextremevalue 以上三者共同作用 曲线出现极值 48 49 2 Thetransformationtimeonthepearlitenucleationandgrowth转变时间对珠光体形核与长大影响 t时间 S 0 当温度T一定 形核率随t 先 后 长大速度基本为定值 转变时间没有明显影响 TheamountPtransformationP转变量 100 6 2 3 Pearlitetransformationkinetics isothermal 珠光体转变动力学 等温 Atacertaintemperature thenucleationratewitht thefirst after thegrowthrateisbasicallyfixed thasnoobviouseffect 50 3 Pearlitetransformationkineticsmap珠光体转变动力学图 550 T1 T2 T3 T4 6 2 3 Pearlitetransformationkinetics isothermal 珠光体转变动力学 51 550 650 52 Comparedwitheutectoidsteel theCcurveoftheeutectoidsteelhasincreasedoneprecipitateofthefirsteutectoidphase ThestabilityofthesupercooledAisreducedbytheprecipitationofthefirstphase andtheCcurveisshiftedtotheleft 与共析钢相比 亚 过 共析钢的C曲线上都多出一条先共析相的析出线 由于先析相的析出 降低了过冷A的稳定性 C曲线左移 TTTofHypo hyper eutectoidSteel亚 过 共析钢的TTT图 亚共析钢 过共析钢 3 Pearlitetransformationkineticsmap珠光体转变动力学图 6 2 3 Pearlitetransformationkinetics isothermal 珠光体转变动力学 53 1 CarboncontentEutectoidcompositionoftheCcurveofthemostright eutectoidAmoststable