第二章 热处理原理(1)

第二章钢的热处理和工艺第一节前言钢铁材料作为现代工业的基础材料 随着现代化工业以及科学技术 如航天技术 空间技术 海洋技术等 的飞速发展 人们对钢材性能的要求也愈来愈高 为了满足这一点 一般可以采取两种方法 研制新钢种 改变化学成分 改进合金体系 对钢进行热处理 主要利用合金体系中存在的相变 1 热处理的定义根据钢件的热处理目的 把钢加热到预定的温度 在此温度下保持一定的时间 然后以预定的速度冷却下来的一种综合工艺 具体的工艺路线可以表示如下 由上图可见 影响热处理过程的主要因素是 温度 时间 钢的热处理是通过加热 保温和冷却的方法 来改变钢内部组织结构 从而改善其性能的一种工艺 凡是材料体系 金属 无机材料 中有相变发生 总可以采用热处理的方法 来改变组织与性能 2 热处理的分类不同的热处理工艺由于加热温度和冷却的方式方法不同 具有不同的组织和性能变化 因而达到的目的也不同 2 1按工序分类预备热处理 为随后的机械加工或进一步热处理作好组织准备的热处理 最终热处理 直接赋予工件所需要的使用性能的热处理 2 2按具体工艺的方式退火 正火 淬火 回火 表面淬火 化学热处理以及 形变热处理等 3 热处理的应用热处理在冶金生产或机械制造生产中均占有重要的地位 如特钢厂热轧后的合金钢型材要进行热处理 汽车制造中70 80 的零件要进行热处理 为了保证冶金和机械产品质量 热处理工序往往是最关键的工序 轴件齿轮弹簧大梁联接件 第二节钢的加热转变 奥氏体形成 对于钢铁材料 加热过程中会发生什么变化 我们要借助于相图 热处理工艺的第一步为加热 第二节钢的加热转变 奥氏体形成 铁 碳相图 根据Fe Fe3C状态图可知 当把钢缓慢加热到共析温度以上时 珠光体将向奥氏体转变 钢在热处理时 通常第一道工序就是把钢加热 使之形成奥氏体组织 加热时钢中奥氏体的转变过程与条件 对最终形成的奥氏体晶粒尺寸 形态 转变完善程度 如元素的均匀化程度 等有重要影响 而所有这些又都必然影响到热处理后钢的最终组织和性能 本节讨论奥氏体形成的机理 动力学以及影响奥氏体转变的各种因素 1 奥氏体形成的热力学根据热力学一般原理 系统发生的变化都是由于新旧状态的能量高低不同而引起的 一切自发过程的进行方向 总是从自由能高的状态向自由能低的状态过渡 例如 凝固过程 再结晶过程 这也同样是钢中发生的各种转变所必需的热力学条件 P 珠光体 A 奥氏体 A1 共析温度 由上图可以知道 钢中奥氏体 Austenite 简写A 和珠光体 Pearlite 简写P 的自由能都随温度而变化 随温度的升高 奥氏体与珠光体的自由能都降低 但二者的变化率不同 奥氏体的自由能随温度变化得更明显些 因此 这两条曲线在某一点必然相交 此交点的温度A1即相当于铁 碳平衡相图上的A1点 即奥氏体与珠光体的平衡温度 当温度低于A1点时 珠光体的自由能低于奥氏体的自由能 珠光体为稳定状态 反之则奥氏体为稳定状态 由右图可知 将共析钢加热至A1 PSK 以上可获得完全的奥氏体 亚共析钢必须加热至A3线 GS 过共析钢Acm线 ES 以上才能获得单相奥氏体 Ac1 Ac3 Accm的意义对于一个具体钢成分来说 A1 A3 Acm是一个点 而且是无限缓慢加热或冷却时的平衡临界温度 我们可以从相图中读取 但是 实际上 退火 正火或淬火等热处理都是有一定的加热或冷却速度 相变并不按照相图上所示的临界温度进行 总存在不同程度的滞后现象 即实际转变温度偏离平衡的临界温度 如下图所示 加热与冷却速度对平衡相变点的影响 随着加热和冷却速度增加 偏离程度也愈大 为区别于平衡临界温度 加热时的实际临界温度加注脚字母 C 用Ac1 Ac3 Accm表示 冷却时的实际临界温度加注脚字母 r 用Ar1 Ar3 Arcm表示 热处理或合金钢手册上列出的各种钢的实际临界温度 大多是在30 50 h的加热或冷却下测定的 可作缓慢加热或冷却时参考 2 奥氏体的形成过程从铁碳相图可知 任何成分碳钢加热到Ac1以上 珠光体就向奥氏体转变 加热到Ac3或Accm以上 将全部变为奥氏体 这种加热转变称奥氏体化 1 室温缓冷组织的相组成 2 能否进行热处理 能得话 如何进行 以共析钢 组织为层片状的铁素体和渗碳体两相混和 为例 当加热到Ac1以上 其转变过程可用下列反应式表示 Fe3C 这是一种扩散性相变 转变过程分四个阶段进行 如图下图所示 固态相变的特征 1 形核将珠光体加热到Ac1以上 在铁素体和渗碳体的相界面上奥氏体优先形核 根据相变的一般规律 临界晶核的生成是需要一定的能量起伏和浓度起伏 相界 晶界 亚晶界 位错 非金属夹杂等局部区域的自由能高 这些区域具有较大的能量起伏和浓度起伏 因而有利于奥氏体晶核的形成 能量起伏结构起伏浓度起伏这是因为在相界面上原子排列不规则 处于能量较高状态 具备形核所需的结构起伏和能量起伏条件 同时相界面上处于碳浓度过渡 易出现浓度起伏 符合奥氏体所需的碳浓度 所以奥氏体晶核优先在相界面上形成 2 长大当奥氏体在铁素体和渗碳体相界面上形核后 如下图所示 建立起界面浓度平衡 在奥氏体和铁素体内部出现浓度差 碳原子由高浓度向低浓度扩散 使C2 C4浓度降低 而C1 C3升高 从而破坏浓度平衡 必须通过渗碳体逐渐溶解 以提高C2 C4 同时产生 转变 以降低C1 C3 维持界面浓度平衡 这样所进行的碳原子扩散 渗碳体溶解 点阵重构的反复 奥氏体逐渐长大 奥氏体长大机理示意图 Fe3C Fe3C 碳含量 距离 碳含量 温度 T1 C2 C1 C3 C4 C4 A C3 C2 C1 Fe Fe 实验表明 铁素体向奥氏体的转变速度 往往比渗碳体的溶解要快 因此珠光体中铁素体总比渗碳体消失得早 3 残余渗碳体的溶解铁素体消失后 随着保温时间的延长 通过碳原子扩散 残余渗碳体逐渐溶入奥氏体 使奥氏体逐渐趋近共析成分 4 奥氏体的均匀化残余渗碳体完全溶解后 奥氏体中碳浓度仍是不均匀的 原是渗碳体的位置碳浓度较高 原是铁素体的位置碳浓度较低 为此必须继续保温 通过碳原子扩散 获得均匀化奥氏体 综上所述 共析钢的奥氏体化过程包括以下四个过程 形核 长大 残余渗碳体溶解 奥氏体成分均匀化 加热时奥氏体化程度会直接影响冷却转变过程 以及转变产物的组成和性能 3 奥氏体等温形成动力学依据Fe Fe3C相图对奥氏体化过程所进行的分析 只能定性地说明加热时转变的粗略过程 这对制定热处理工艺规范来说是远远不够的 必须进一步研究不同温度等温时奥氏体化过程与时间的关系 即奥氏体等温形成动力学 它对制定热处理工艺规范具有重要的指导意义 共析碳钢的奥氏体等温形成曲线 3 1共析碳钢的奥氏体等温形成过程 Fe3C 上图以共析碳钢的奥氏体等温形成的动力学为例 由图可知 随加热温度升高 奥氏体化过程的四个阶段都加速 奥氏体均匀化时间远大于转变基本完成及残余渗碳体溶解的时间 奥氏体晶核的长大速度 G 即奥氏体 铁素体及奥氏体 渗碳体的界面移动速度 可用下式表示 D 碳在奥氏体中的扩散系数 碳在奥氏体中的浓度梯度 dc C C dx为生成的奥氏体小晶粒的厚度 C C 分别为奥氏体 铁素体及奥氏体 渗碳体界面上的碳浓度差 上式说明 奥氏体界面的移动速度与碳在奥氏体中的扩散系数以及浓度梯度成正比 而与界面上的碳浓度差成反比 由于渗碳体与奥氏体相界面上高的碳浓度差以及渗碳体本身复杂的晶体结构 使得奥氏体向渗碳体方向的长大速度远比向铁素体方向为小 所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体的溶解要快得多 此时所获得的奥氏体 其成分也是不均匀的 由于扩散过程落后于渗碳体的溶解 在原来是渗碳体的部位碳含量仍然很高 同样 在原来是铁素体的地方碳含量则仍然较低 珠光体向奥氏体转变的示意图 3 2亚共析钢奥氏体的形成过程对亚共析钢而言 除去珠光体向奥氏体转变以外 由于还存在先共析铁素体 故在Ac1 AC3之间加热时 还应有一个从 先共析 铁素体向奥氏体转变的过程 铁素体向奥氏体转变的过程既可以是已经生成的奥氏体晶粒 吞并 周围的铁素体而进行长大 也可以通过 形核 长大 机理形成新的奥氏体晶粒 3 3过共析钢的奥氏体形成过程对于过共析钢 由于在其原始组织中含有二次渗碳体 故从Ac1到Accm之间还应有一个 二次 渗碳体向奥氏体中溶解的过程 只有当加热温度高于Accm时 这些过剩相才会完全转变成奥氏体 3 4合金钢的奥氏体过程的特点合金元素对碳在奥氏体中的扩散影响1 Co Ni增大碳在奥氏体中的扩散系数 因而加快奥氏体形成速度 2 碳化物形成元素Cr Mo W V等降低碳在奥氏体中的扩散系数 且所形成的特殊碳化物较难溶解 所以减慢奥氏体形成速度 3 Si Al Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散系数影响不大 因此对奥氏体形成速度没有多大影响 钢中合金元素在原始组织各相中的分布是不均匀的 例如退火状态下 碳化物形成元素主要集中在碳化物中 非碳化物形成元素主要集中在铁素体中 这种合金元素分布的不均匀性 直到残余碳化物溶解完成后仍保留下来 因此合金钢除了奥氏体中碳的均匀化外 还要进行着合金元素的均匀化 在同一奥氏体化温度下 合金元素在奥氏体中扩散系数只有碳的扩散系数的千分之几到万分之几 可见合金钢的奥氏体均匀化时间远比碳钢长得多 在制定合金钢的热处理工艺规范时 应比碳钢的加热温度高些 保温时间长些 促使合金元素尽可能均匀化 4 奥氏体晶粒4 1前言对一般钢来说 虽然在通常使用状态下的组织并不是奥氏体 但热加工或热处理过程中加热时所形成的奥氏体晶粒大小 形状等 对冷却后钢的组织和性能却有重要的影响 因此 需要了解奥氏体晶粒的长大规律 以便在生产实践中控制奥氏体晶粒大小 以获得所希望的性能 奥氏体晶粒大小与形状 奥氏体晶粒大小与形状 奥氏体晶粒大小与形状 4 2有关奥氏体晶粒的几个重要概念 1 奥氏体的初始晶粒指加热时奥氏体转变过程刚刚结束时的奥氏体晶粒 这时的晶粒大小就是初始晶粒度 加热前原始组织愈弥散 加热速度越快 导致过热度增加 从而形核率增大 则初始晶粒越细小 在生产实际中 往往采用快速加热的方法来获得较细的组织 保温时间不长 从而相应地得到较好的常温机械性能 例如 表面高频淬火 2 奥氏体实际晶粒指在热处理时某一具体加热条件下最终所得的奥氏体晶粒 其大小就是奥氏体的实际晶粒度 在一般热处理的加热条件下 奥氏体晶粒总是要长大的 在恒温下 随保温时间的增加 奥氏体晶粒也不断长大 长大分为三个阶段 孕育期 在奥氏体刚刚形成以后 并不马上长大 而是需要一定的孕育期 温度愈高 孕育期愈短 不均匀长大经孕育期后 奥氏体晶粒开始长大 但各处长大的程度不一致 有些较大的晶粒靠吞并周围的小晶粒而长成个别很粗大的晶粒 那些未被吞并的小晶粒则长大速度极慢 结果形成尺寸相差悬殊的晶粒共存的状态 均匀长大期待细小晶粒全被吞并后 所有晶粒均开始缓慢而均匀地长大 940 奥氏体化所获得的奥氏体晶粒大小34CrNi3Mo钢 980 奥氏体化所获得的奥氏体晶粒大小34CrNi3Mo钢 1020 奥氏体化所获得的奥氏体晶粒大小34CrNi3Mo钢 因此 在热处理时应严格控制晶粒大小以获得良好的综合性能 在冶金厂 热轧钢材终轧温度下的奥氏体晶粒大小决定着钢材轧后的性能 特别是对于不再进行热处理的热轧钢材 其终轧温度必须严格控制 3 奥氏体的本质晶粒指各种钢的奥氏体晶粒的长大趋势 晶粒容易长大的称为本质粗晶粒钢 晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢 以上不同的趋势主要由于钢的成分不同而引起 4 3晶粒大小的表示方法晶粒大小的理想表示方法应是晶粒的平均体积 平均直径或单位体积所包含的晶粒数 要测定上述数据是极其困难的 奥氏体晶粒长大示意图本质粗晶粒本质细晶粒 目前世界各国评定钢铁产品的晶粒大小 几乎统一采用与标准金相图片 晶粒大小标准图如下图 相比较 来确定晶粒度的级别 通常将晶粒度分为8级 各级晶粒的大小如图 晶粒度级数N和放大100倍时平均每6 45cm2 1平方英寸 内所含晶粒数目n有以下关系 n 2N 1由上式可知 晶粒度级数越大 晶粒越细 4 测定钢的本质晶粒度的方法生产中为了便于确定钢的本质晶粒度 并不需要测出晶粒大小随温度的变化曲线 只需测出930 左右的实际晶粒度 就可判断 因为930 左右是本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢的晶粒大小差别最明显的温度 根据原冶金部标准YB27 64规定 将钢加热到930 10 保温3 8小时后 以适当方式冷却 在室温下显示和测量高温奥氏体晶粒大小 用来判断钢的本质晶粒度 当晶粒度为1 4级 属于本质粗晶粒钢 5 8级为本质细晶粒钢 侵蚀方法 饱和的苦味酸水溶液 海鸥牌洗涤剂 膏 4 5钢中成分对奥氏体晶粒长大的影响用适量的铝脱氧 或钢中加入适量的钒 钛 铌等元素 可得到本质细晶粒钢 因为它们的氮化物或碳化物粒子沿晶