热处理原理与工艺PPT课件

热处理原理与工艺,参考教材：机械出版社，候旭明,HeattreatmentTheoryandTechnology,联系方式,姓名：王宇电话公室地址：B号楼313-2QQ：1755106539,第1次课,本次课主要内容：1.热处理的基本概念；2.热处理的发展过程；3.本门课程的主要内容，学习目的，意义及要求，考试方法；4.固态相变的定义，分类及基本特征；5.固态相变的形核与长大（钢在加热时的奥氏体转变）。,问题的引出：,1.什么是热处理？,2.热处理的作用？,将固态金属通过特定的加热和冷却，使之发生组织转变以获得所需性能的一种工艺过程。,材料科学的发展历史,材料与人类的生活息息相关工程上桥梁，机械，船舶，航天，兵器等日常生活中,1.2金属热处理在现代工业中的地位冶金，机械，航空，兵器等工业部门不可缺少的技术；提高产品质量和寿命的关键工序；发挥金属材料潜力，达到机械零部件轻量化的重要手段；为开发新型材料提供了基础。,1.3热处理的发展概况,民间技艺阶段,实验技术科学阶段,理论科学阶段,西汉时代已有淬火处理的钢剑（辽宁三道壕出土）,炼钢赤刀，用之切玉如泥焉,明代宋应星天工开物十九世纪后期，钢加热/冷却时，内部组织变化性能变化的内部原因英国RobertAustenFe-C相图德国AdophMartens金相显微镜austenitemartensite马氏体相变理论新的强韧化工艺,1.4本课程的主要内容，学习的意义，目的，方法,主要内容金属固态相变基础钢中奥氏体的形成珠光体，马氏体，贝氏体转变钢的过冷奥氏体转变图钢的回火转变钢的退火，正火，淬火与回火,学习的意义系统地掌握金属热处理的基本原理和工艺方法；加深对热处理规律的认识；培养学生应用所学知识去分析和解决实际问题的能力。学习的方法理论联系实际,参考书：1.田荣璋.金属热处理.冶金工业出版社，1985年；2.王希琳.金属材料及热处理.水利电力出版社，1992年；3夏立芳编.金属热处理工艺学.哈尔滨工业大学出版社,2005年。考试方式考试采取闭卷形式。考核方式：笔试（50%），实验（30%），平时成绩（20%）,第一章奥氏体的形成,1.1奥氏体及其形成机理,1.1.1奥氏体的结构及其存在范围,图2-1奥氏体的单胞,奥氏体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体碳原子位于八面体间隙中心，即FCC晶胞的中心或棱边的中点八面体间隙半径0.52碳原子半径0.77点阵畸变,统计分布，浓度起伏,图2-2Fe-C相图,1.1.2奥氏体的性能奥氏体的比容最小，线膨胀系数最大，且为顺磁性（无磁性）。利用这一特性可以定量分析奥氏体含量，测定相变开始点，制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避免工件的变形，不宜采用过大的加热速度。奥氏体塑性很好，S较低，易于塑性变形。故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。,1.1.3奥氏体形成的热力学条件,图2-3自由能和温度关系图,G=VGv+S+V-Gd(2-1),-Gd-在晶体缺陷处形核引起的自由能降低,相变必须在一定的过热度T下，使得GV0.6%以后，淬火钢硬度下降的原因主要是由于残余奥氏体量的增加。,4.7马氏体的性能,4.7.1马氏体的强度和硬度,固溶强化间隙式碳原子造成的点阵不对称畸变，产生一个强应力场，该应力场与位错产生强烈的交互作用。时效强化碳原子在马氏体晶体缺陷处（位错、孪晶界）的偏聚，以及碳化物的弥散析出。,马氏体的强化机制：,相变（亚结构）强化亚结构强化，高密度位错以及微细孪晶，阻碍位错运动。马氏体晶体（原奥氏体晶粒）尺寸越细小，强度越高。,低碳位错型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性，高碳孪晶型马氏体具有高的强度但韧性极差。高碳孪晶型马氏体高脆性的原因：亚结构为细小孪晶，滑移系少，位错不易开动，容易引起应力集中。容易产生显微裂纹。,4.7.2马氏体的塑性与韧性,1.定义：金属及合金在相变过程中屈服强度显著下降，塑性显著增加，这种现象称为相变塑性。2.马氏体的相变塑性可增加伸长率和显著提高钢的韧性。3.相变塑性在生产上的应用。如高速钢拉刀淬火时的热校直。,4.7.3马氏体的相变塑性,马氏体的比容远大于奥氏体钢在淬火时要发生体积膨胀，产生内应力、变形、开裂。马氏体具有铁磁性钢在淬火后，矫顽力升高，导磁率下降。马氏体的含碳量越高，矫顽力越高。马氏体的电阻率高马氏体的电阻率比奥氏体和珠光体都高。,4.7.4马氏体的物理性能,作业,1.什么是马氏体？简要回答马氏体转变的主要特征。2.什么是马氏体显微裂纹敏感度？影响显微裂纹敏感度的因素有哪些？3.简要回答钢中板条状马氏体和片状马氏体的形貌特征，晶体学特点和亚结构，并说明他们的性能差异。4.简要叙述影响马氏体形态及其内部亚结构的因素。5.什么是Ms点？Ms点在生产实践中有何重要意义？影响Ms点的因素有哪些？,6.马氏体转变动力学有哪几种类型？各有什么特点？7.名词解释：奥氏体的稳定化、奥氏体热稳定化、奥氏体机械稳定化、相变塑性8.简要回答马氏体具有高强度和高硬度的原因。,美国冶金学家EdgarC.Bain(Sept.14,1891-Nov.27,1971)UnitedStatesSteelCorporation贝氏体-Bainite,第五章贝氏体相变,奥氏体：austenite珠光体：pearlite马氏体：martensite贝氏体：bainite铁素体：ferrite渗碳体：cementite,中温转变：550MS下贝氏体-良好的综合力学性能。,5.1贝氏体转变的基本特征,1.贝氏体转变有上、下限温度在A1以下，MS以上，有一转变的上限温度BS点和下限温度Bf点，碳钢的BS点约为550。,Bf点可以高于Mf，也可以低于Mf,贝氏体转变产物为相与碳化物的两相混合物，为非层片状组织。相（即贝氏体铁素体BF）形态类似于马氏体而不同于珠光体中的铁素体。,2.转变产物为非层片状,相变时C扩散重新分配，相长大速度受钢中C的扩散控制，因而很慢。,3.贝氏体转变通过形核及长大方式进行,通过形核与长大进行，等温转变动力学图是C形。,贝氏体长大时，在平滑试样表面有浮凸现象发生，这说明-Fe可能按共格切变方式长大。,4.转变的不完全性,转变结束时总有一部分未转变的A，继续冷却AM，形成B+M+AR组织。,5.转变的扩散性,碳原子可扩散,铁及合金元素的原子不可扩散,碳原子可在奥氏体中扩散，也可在铁素体中扩散,6.转变的晶体学特征,贝氏体形成时，有表面浮凸，位向关系和惯习面接近于马氏体。,铁素体的碳含量一般均为过饱和；过饱和度随形成温度的降低而增加；低于马氏体的过饱和度，,7.贝氏体铁素体也为碳过饱和固溶体,（1）形成温度范围在贝氏体相变的较高温度区域形成，对于中、高碳钢,大约在350550区间。,1.上贝氏体,5.2贝氏体的组织形态,（2）组织形态,其形态在光镜下为羽毛状，也叫羽毛状贝氏体。组织为一束平行的自A晶界长入晶内的BF板条。BF板条与M板条相近，但在铁素体板条之间分布有不连续碳化物。,BF板条内亚结构为位错，与A的位向关系为K-S关系，惯习面为111A。碳化物惯习面为227A，与A有确定的位向关系。,形成温度对上贝氏体组织形态影响显著。,在贝氏体相变的低温转变区形成，大约在350以下。,2.下贝氏体,（1）形成温度范围,（2）组织形态,贝氏体铁素体呈板条状或透镜片状，形态与片状马氏体很相似。但下贝氏体铁素体中的亚结构为位错，不存在孪晶。片内存在排列整齐的细小碳化物。,BF与A的位向关系为K-S关系，惯习面为110A。碳化物与BF间有确定的位向关系。,在靠近BS的温度处形成，由平行板条铁素体束及板条间未转变的富碳奥氏体组成。,3.无碳化物贝氏体,BF核在A晶界上形成后，向晶内一侧成束长大。板条比较宽，板条间距离也较大，且两者均随形成温度的下降而变小。板条间为富碳的A，在随后冷却时转变为M或保留至室温成为AR。,BF与奥氏体的位向关系为K-S关系，惯习面为111A。,思考题,高速钢（W18Cr4V）拉刀，1280加热淬火（空冷）至室温，冷校直时容易发生断裂，若先在600盐浴中冷至内外均热，然后在260盐浴中等温3h空冷，再在室温下冷校直时则不易发生断裂，冷校直后在560加热回火3次，硬度达HRC6366，工艺流程如下图。试回答以下问题。,560,1h,560,1h,560,1h,冷校直,260,3h,600,12min.,1280,10min.,温度,时间,高速钢W18Cr4V热处理工艺曲线,为什么要在600保温至工件内外均热？在260保温3h的目的何在？对钢的淬火组织有何影响？为什么经上述处理后冷校直时不易发生断裂（Ms=228）？为什么要3次回火？主要目的何在？260等温3h，工艺时间太长，应如何改进？,贝氏体相变的驱动力也是两相自由能之差。铁素体的自由能随着碳过饱和度的增加而增加。,5.2贝氏体相变的热力学条件,5.2.1贝氏体相变的热力学条件,铁素体为领先相；转变过程中有碳原子的扩散；贝氏体形成时的点阵的改组是通过切变方式进行的。,G=Vgv+S+V,与马氏体转变相比,图5-8奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系,由于碳在BF中的不断脱溶，增加了新相与母相间的自由能差（G）。另外，BF中碳的脱溶还使其比容降低，从而减少作为相变阻力的比容应变能，这些都会促进BF的进一步长大。,5.3贝氏体相变的动力学影响因素,5.3.1贝氏体转变动力学的特点,（1）贝氏体转变速度比马氏体转变速度慢得多。,（2）贝氏体转变的不完全性等温温度降至某一温度时，奥氏体可以全部转变为贝氏体；等温温度即使降到很低的温度，仍不能完全转变，仍有部分奥氏体残留下来。,残留奥氏体在继续保温过程中可能发生的转变：随等温时间延长，残留奥氏体一直保持不变（如4340钢在510等温）；等温温度较高时，残留下来的奥氏体可能转化为珠光体。,（3）可能与珠光体转变或与马氏体转变重叠珠光体转变先于贝氏体转变：贝氏体转变先于珠光体转变：在MsMf温度范围的某一温度并保持恒定后，奥氏体有一部分先转变为马氏体，以后其余部分发生贝氏体转变。,5.3.1贝氏体等温转变动力学,贝氏体等温转变动力学图也呈C形，也有一鼻子。转变在BS点温度以下才能进行，随转变温度降低，转变速度先增后减。,奥氏体中碳含量的增加，转变时需要扩散的原子数量增加，转变速度下降。,5.3.2影响贝氏体转变动力学的因素,（一）碳含量及合金元素的影响,除Al、Co外，合金元素都或多或少地降低贝氏体转变速度，同时也使贝氏体转变的温度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的C曲线分开。,奥氏体晶粒越大，晶界面积越少，形核部位越少，孕育期越长，贝氏体转变速度下降。,（二）奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度的影响,随奥氏体化温度和保温时间的增加，贝氏体转变速度先降后增。,（三）应力和塑性变形的影响,拉应力加快贝氏体转变。在较高温度的形变使贝氏体转变速度减慢；而在较低温度的形变却使转变速度加快。,（四）冷却时在不同温度下停留的影响,图5-13冷却时不同温度停留的三种情况,曲线1：在珠光体相变与贝氏体相变之间的过冷奥氏体稳定区停留，会加速随后的贝氏体转变速度。,曲线1：,原因：在等温停留时从奥氏体中析出了碳化物，降低了奥氏体中碳和合金元素的浓度，即降低了奥氏体的稳定性，所以使贝氏体转变加速。,曲线2：在贝氏体形成温度的高温区停留，形成部分上贝氏体，然后再冷至贝氏体相变的低温区，将降低贝氏体转变的速度，即奥氏体发生了稳定化。,曲线3：先冷至低温，形成少量马氏体或下贝氏体，然后再升至较高温度，则先形成的少量马氏体和下贝氏体将加速随后的贝氏体转变速度。,原因：由于较低温度的预先部分转变使奥氏体点阵发生畸变（或应变），从而加速了贝氏体的成核，即所谓应变促发成核加速了贝氏体的形成。,等温淬火：将奥氏体化的钢淬入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，停留一定时间后取出空冷，即可获得下贝氏体组织。优点：具有良好的综合力学性能淬火应力小，适用于形状复杂及要求较高的小型件。,5.3.3钢中贝氏体组织的获得,贝氏体转变的领先相是铁素体，在转变温度下，奥氏体中存在浓度起伏，BF核在贫碳区形成。较高温度时，BF在奥氏体晶界形核；较低温度时（下贝氏体），BF大多在奥氏体晶粒内形核。,5.4贝氏体转变的机理,（一）贝氏体转变机理概述,BF以共格切变方式长大，但长大速度缓慢，这是因为受碳原子向周围奥氏体的扩散所控制。,形成的BF为碳的过饱和固溶体，形成温度越低，过饱和度越大。在BF形成的同时，将发生碳的脱溶，析出碳化物。,高温范围转变，组织为BF+富碳A。BF在奥氏体晶界形核，初形成的BF过饱和度很小，以共格切变方式向晶粒内一侧长大，形成相互平行的BF板条束。,（二）无碳化物贝氏体的形成机理,与此同时，由于转变温度较高，在BF中的碳原子可以越过BF/A相界面向A中扩散，直至达到平衡浓度。,通过相界面进入A的碳能很快向远离界面处扩散，不至于在界面附近产生积聚，从而不会从A中析出碳化物。,在随后的冷却过程中，富碳奥氏体可以转变为马氏体，也可以保持到室温而成为富碳的残余奥氏体。,中温范围转变，在350550，组织为BF+Fe3C，形态为羽毛状。BF在奥氏体晶界形核，以共格切变方式向晶粒内一侧长大，形成相互平行的BF板条束。,（三）上贝氏体的形成机理,与此同时，碳原子越过BF/A相界面向A中扩散。由于转变温度降低，进入相界面附近A中的碳原子已不能向远处扩散，尤其是铁素体板条间奥氏体中的碳原子，在这些地方将产生碳的堆积。,随着BF的长大，铁素体板条间奥氏体中的碳含量显著升高，当超过Acm线的延长线时，将从奥氏体中析出不连续的碳化物（Fe3C），从而形成羽毛状上贝氏体。可见，上贝氏体的转变速度受碳在奥氏体中的扩散所控制。,低温范围转变，350。BF大多在奥氏体晶粒内通过共格切变方式形成，形态为透镜片状。,（四）下贝氏体的形成机理,与此同时，由于温度低，BF中碳的过饱和度很大。同时，碳原子已不能越过BF/A相界面扩散到奥氏体中去，所以就在BF内部析出细小的碳化物。,随着BF中碳化物的析出，自由能进一步降低，以及比容降低所导致的应变能下降，将使已形成的BF片进一步长大。同时，在其侧面成一定角度也将形成新的下贝氏体铁素体片。可见，下贝氏体的转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制。,综上所述，不同形态贝氏体中的铁素体都是通过切变机制形成的。只是因为形成温