第六章 钢的热处理

第六章 钢的热处理 本章授课学时 6 学时 本章重点内容 1 奥氏体的形成过程 2 过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能 3 TTT 曲线 4 钢的淬火及钢的淬透性 5 钢的回火 回火种类及应用 6 钢 的化学热处理 本章难点内容 1 贝氏体 马氏体的组织形态与性能 2 影响钢淬透性 淬硬性的元 素 第一节 钢在加热时的转变 目的要求 通过讲授钢的 A 形成 使学生掌握 A 化过程的基本规律 重点 A 形成的基本过程 难点 A 晶粒大小的控制方法 授课内容 一 A 的形成过程 1 基本过程 室温组织为珠光体的共析钢加热至 A 1 A C1 以上时 将形成奥氏体 即发生 P F Fe 3 C A 的转变 可见 A 的形成是通过形核核长大的过程来实现的 A 晶粒的形成 奥氏体的晶核易于在渗碳体相界面上形成 这是因为在两相的相界上为形核提供了良 好的条件 A 的长大 A 形核后 由于 A 与 Fe 3 C 形界处的含 C 量不同 将引起 A 中 C 的扩散 通过 Fe C 原子的扩散和 Fe 原子的晶格改组 A 向 F 和 Fe 3 C 两个方向长大 残余 Fe 3 C 的溶解 在奥氏体形成过程中 铁素体比渗碳体先消失 因此奥氏体形成之后 还残存未溶渗碳体 这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长 继续不断地溶入奥氏体 直至全部消失 A 均匀化 渗碳体完全溶解后 开始时奥氏体中碳地浓度分布并不均匀 原先是渗碳体地地方碳 浓度高 原先是铁素体的地方碳浓度低 必须继续保温 通过碳的扩散 使奥氏体成分均匀化 上述为共析钢 A 的形成过程亚共析钢和过共析钢在加热时地转变过程与共析钢略有不 同 即在 P 向 A 转变完成后 还有未转变的 F 和 Fe 3 C 因此 只有继续加热到 AC 3 和 A Cm 后才能得到全部的 A 2 影响 A 转变的因素 T 的影响 提高加热 T 将加速 A 的形成 加热速度的影响 随着加热速度的增加 奥氏体形成温度升高 A C1 越高 形成所需的时 间缩短 原始组织的影响 由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成 所以原始组织 越细 相界面越多 形成奥氏体晶核的 基地 越多 奥氏体转变就越快 化学成分的影响 随着钢中含碳量增加 铁素体核渗碳体相界面总量增多 有利于奥氏体的 形成 二 A 晶粒长大及其影响因素 1 A 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使晶粒度 实际晶粒度和本 质晶粒度三种 2 影响 A 晶粒长大的因素 加热温度和保温时间 随着温度升高晶粒度将之间长大 温度愈高 晶粒长大于愈明显 在一定温度下 保温时间愈长 奥氏体晶粒也越粗大 钢的成分 奥氏体中的含碳量增高时 晶粒长大的倾向增多 若碳以未溶的碳化物形式存 在 则它有阻碍晶粒长大的作用 第二节 钢在冷却时的转变 目的要求 通过讲授过冷 A 的转变使学生掌握过冷 A 等温转变曲线及转变产物与性能 重点 过冷 A 冷却转变曲线 难点 过冷 A 转变产物和性能 授课内容 一 过冷 A 等温转变曲线 过冷奥氏体等温转变曲线通常采用金相法 硬度法 膨胀法 磁性法等方法建立 二 过冷 A 等温转变曲线分析 如图所示 过冷奥氏体开始转变点的连线称为转变开始线 过冷奥氏体转变结束的连线 称为转变结束线 水平线 A 1 表示奥氏体与珠光体的平衡温度 在 A 1 线以上是奥氏体稳 定存在的区域 A 1 线以下 转变开始线以左是过冷奥氏体区 转变线结束线以右是转变产物 区 转变开始线和转变结束线之间是过冷奥氏体和转变产物共存区 共析钢的过冷奥氏体可发生三种不同的转变 A 1 至 C 曲线鼻尖区间的高温转变 其 转变产物为珠光体 所以又称为珠光体转变 C 曲线鼻尖至 MS 线区间的中温转变 其转变 产物为贝氏体 所以又称为贝氏体转变 在 M S 线以下区间的低温转变 其转变产物为马 氏体 所以又称为马氏体转变 三 过冷 A 等温转变的产物及性能 1 P 转变 过冷奥氏体在 A 1 至 550 度之间转变产物为珠光体组织 它的形成伴随着两个过程同 时进行 一是碳原子的扩散 二是晶格的重构 由此形成片层相间的 F 和 Fe 3 C 的机械混合 物 它的转变过程是一个在固态下形核和长大的相变过程 按 P 片层距的大小 将 P 分为 P 0 4um S 0 4 0 2um T 0 2um 随着片层距的减小 P 的硬度在逐渐提高 2 B 转变 冷奥氏体在 550 度 M S 230 度 之间转变为贝氏体转变 贝氏体是过冷奥氏体在贝氏 体转变温度区转变而成的由铁素体与碳化物所组成的亚稳组织 转变也要进行晶格改组和 碳原子的扩散 但扩散不充分 其转变过程也是在固态下的形核和长大过程 贝氏体组织随 着奥氏体成分及温度的不同有多种形态 在 550 度 350 度之间 形成上贝氏体组织 如图 6 7 a 所示 但由于上贝氏体是由粗大的片条状铁素体和粗大的 不均匀的渗碳体所组成 所以 韧性显著降低 工程上尽量避免得到此中组织 在 350 度 230 度之间 形成下贝氏体组织 如 图 6 7 b 所示 因下贝氏体中的铁素体针细小 渗碳体弥散度大 分布均匀 所以强度 硬度进 一步提高 塑性 韧性又有所改善 具有良好的综合机械性能 目前生产上此用等温淬火工艺 以获得下贝氏体组织 3 M 转变 当过冷奥氏体过冷到 M S 点以下 即形成了碳在 Fe 中的过饱和固溶体 即马氏体 M 转变的特点 a 马氏体转变是一种非扩散相变 b M 的形成时间规则 c M 转变 是在一定温度区内进行 M S M f d M 转变的未彻底性 M 的形态 马氏体的组织形态主要有两种基本类型 板条状马氏体和片状马氏体 M 的力学性能 马氏体最主要的机械性能特征是高硬度 马氏体的硬度主要取决于含碳量 随着马氏体 含碳量的增高 其硬度随这增高 马氏体的塑性和韧性也与含碳量有关 高碳片状马氏体的 塑性和韧性差 脆性大 低碳板条状马氏体不仅有较高的强度 而且塑性和韧性也相当好 4 影响过冷 A 转变的因素 碳的影响 奥氏体含碳量对 C 曲线的形状没有什么影响 仅使其位置左右移动 合金元素的影响 除了钴以外 所有的合金元素的溶入都使过冷奥氏体趋于稳定 使 C 曲 线的位置右移 碳化物形成元素含量较多时 不仅影响 C 曲线的位置 而且还会改变 C 曲线 的形状 可能出现两组 C 曲线 加热温度和保温时间的影响 随着加热温度的提高和保温时间的延长 使过冷奥氏体稳定 性增加 使 C 曲线右移 四 过冷奥氏体连续转变曲线图 1 共析钢过冷奥氏体连续转变图 为了便于比较 同时在图上表示了这个钢的奥氏体等温转变曲线图 虚线表示 由图 可以看出 连续冷却转变曲线比等温转变曲线略微偏右下一点 同时在转变曲线上 没有 转变区 过冷奥氏体等温冷却转变曲线在连续冷却中的应用连续冷却转变曲线的测定 在技术 上要比等温转变曲线困难 也不易达到准确 这就给使用带来不方便 但从图 6 14 看出 钢的冷却转变曲线与等温转变曲线的上半部分基本上是一致的 特别在高温时转变产物和 性能差别不明显 所以目前生产中常根据等温转变曲线定性地 近似地分析连续冷却时的 奥氏体转变的组织 第三节 钢的退火和正火 目的要求 通过讲授使学生掌握退火 正火工艺规范及应用 重点 退火和正火工艺及应用 教学方法 课堂讲授为主 结合多媒体教学及课堂讨论 授课内容 一 退火和正火的目的 软化钢件以便进行切削加工 消除残余应力 以防钢件的变形 开裂 细化晶粒 改 善组织以提高机械性能 为最终热处理 淬火 回火 做好组织上的准备 二 退火和正火工艺及其应用 一 退火工艺及应用 钢的退火是把钢加热到高于或低于临界点 A C3 或 A C1 的某一温度 保温一定时间 然后随炉缓慢冷却 以获得接近平衡组织的一种热处理工艺 1 完全退火 完全退火是将工件加热至 A C3 以上 30 度 50 度 保温一定时间后 随炉缓慢冷却或埋 在砂中 或埋在石灰中冷却 到 500 度以下 空冷至室温的工艺过程 完全退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸 锻件及热轧型材 有时也用于焊 接结构 完全退火工艺时间很长 所以为了缩短退火时间 提高生产率 2 球化退火 球化退火是把钢件加热到 A C3 以上 20 度 30 度 经适当保温后缓冷 50 度 h 到 500 度以下 将珠光体中的渗碳体由片状转化为球状的一种工艺 球化退火主要用于过共析钢 其 主要目的在于得到球状珠光体 以降低钢的硬度 改善切削加工性能 并为以后的淬火做好组 织准备 3 去应力退火 去应力退火是将工件随炉冷缓慢加热到 500 650 度 经适当时间保温后 随炉冷却到 300 200 度以下出炉 对于消除铸件 锻件 焊接结构 热轧件 冷拉件等的内应力 必