热处理学的基本知识培训学习

第四章热处理的基本知识,改善和提高合金性能的方法虽然很多，但主要是通过调整化学成分、控制冶金质量、冷热加工变形和热处理这四条途径实现的。热处理可以消除上一工序所产生的缺陷并为下一工序创造条件。更重要的是通过热处理的加热、冷却可使组织结构发生变化，发挥合金元素的固溶作用，进而提高合金的性能。热处理可分为淬火、正火、退火和回火等工艺。,3.1铁碳平衡相图及其简介,状态图是状态图的一部分，实用的合金钢和铸铁以及以钢为基本成分的合金钢都以这部分状态图为其分析基础。纯Fe在凝固温度以下有同素异构转变-Fe-Fe-Fe其中和为体心立方结构，为面心立方结构。,钢中共有五个相：(1)1536以上为钢水液相（L）；(2)1392至熔点是体心立方的-Fe；对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。(3)奥氏体（简称或A）：奥氏体是727以上的平衡相；也称高温相.碳溶于面心立方-Fe的间隙固溶体，在1148时碳原子在其中的最大固溶度为2.11C，随着温度降低，碳在Fe中的固溶度下降，在727时是0.77。奥氏体硬度低、塑性高；,(4)铁素体（或F）：碳溶于体心立方-Fe的间隙固溶体。纯铁素体的碳含量低(最大为0.02)，而在室温时固溶度几乎为零.所以强度和硬度不高，但塑性和韧性比较好。铁素体是9l2以下的平衡相，也称作常温相。(5)渗碳体C：钢中的Fe3C相，渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。它的晶体结构复杂属于复杂八面体结构，属于正交系，分子式为Fe3C，含碳量6.69，它硬度很高，塑性极差，是钢中主要强化相。从液相析出的Fe3C称为一次渗碳体C1；从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体C2；从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体简称C3。,1.特性点,纯铁的熔点“A”为1538；一次渗碳体的熔点“D”为1227，含6.69%C；铸铁共晶点“C”为1148，含碳量4.3%；“E”点（1148）是碳在奥氏体中的最大溶度为2.11%C，也是钢与铁的分界线，低于2.11%C者为钢，高者为铸铁；“P”点是碳在铁素体中的最大溶解度，含量为0.021C；“S”为共析点，参数为727，0.77%C。“Q”为碳在室温下铁素体中的最大溶解度“G”为Fe和Fe的转变点（9120C),2.特性线,1.ABCD线为液相线；2.AHJECF线为固相线；3.ES线是碳在奥氏体中的溶解度线，当碳含量超过此线时，多余的碳以渗碳体形式从奥氏体中析出，二次渗碳体；4.GS线是冷却时，奥氏体转变为铁素体的开始线（A3），同时也是加热时（AC3A3）铁素体转变为奥氏体的终了线；5.GP线是冷却时，奥氏体转变为铁素体的终止线6.PQ线是碳在铁素体中溶解度线，当超过此线时，Fe3C从铁素体中析出；,7.水平线HJB线是包晶线，LB+HJ8.水平线ECF线是共晶线：（形成莱奥氏体）LcE+Fe3C9.水平线PSK线是共析线。SP+Fe3C共析混合物（P+Fe3C）统称为珠光体,3.典型合金结晶过程及室温组织,钢和铸铁按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁等六种典型合金。(一)共析钢称为共析钢，其含碳量为0.77。当温度在l点以上时，合金为液相；温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体，温度降至l一2点之间时，从浓相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不断减少，固相奥氏体不断增加，当温度降至2点时，合金全部结晶成奥氏体，温度降至23点之间时，合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。温度降至3点，即共析点3时，含碳量0.77的奥氏体在727温度下发生共析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02的铁素体F和渗碳体Fe3C的共析组织，即珠光体P。,共析钢组织转变示意图,杠杠定律,设Cx成分的合金总质量量为1,t时液相L的质量为wl，固相的质量为w，则：wl1一w即：WlW1WlClWC=1Cx,WL,W,(二)亚共析钢,含碳量低于0.77的钢均称为亚共析钢。,亚共析钢组织转变示意图,（三）过共析钢,含碳量在0.772.11均统称为过共析钢。,过共析钢组织转变示意图,（四）共晶白口铁,含碳量大于2.11的含碳合金，称为铸铁或生铁。按照铁碳相图结晶规律得到平衡组织的铸铁，称为白口铁，因其断口为亮白色而得名。合金称为共晶白口铁，含碳量为4.3,莱氏体.,共晶白口铁组织转变示意图,（五）亚共晶白口铁,（六）过共晶白口铁,4、含碳量对铁碳合金组织和机械性能的影响,含碳量小于0.02的铁碳合金称为工业纯铁，它的机械性能与铁素体基本相同，有良好的塑性和韧性，较低的强度与硬度。当含碳量为0.77时，组织为珠光体；在亚共析钢中，组织铁素体珠光体；而在过共析钢中，组织则为珠光体渗碳体。,含碳量增加后，碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性则下降。当含碳量超过了0.9后，由于游离状态的二次渗碳体自晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体，降低了晶界之间的结合力，反而使碳钢的强度逐渐下降。当含碳量大于1.4后，在工程上已很少应用。,3.2铁Fe3C平衡图的应用,1.合理选材压力容器、锅炉钢选碳含量小于0.25的塑性、韧性好的碳钢；重要的地脚螺栓、轴、齿轮等需要强度、韧性都较好的碳含量0.30.5的钢；类弹簧需要含碳0.50.75的钢；而工具、模具、轴承类则需要0.81.3的钢2.在热处理方面的应用热处理的淬火、常化和退火等工艺选择主要由铁碳相图确定。,2.在铸造、锻压轧制方面的应用3.碳钢在平衡状态下的组织转变过程,F(铁素体)珠光体含量P100%74%26,4.铁碳合金的成分组织性能的关系,碳钢,工程上使用的碳钢一般是指含碳量不超过1.4，且含有锰、硅、疏、磷等杂质的铁碳合金。碳钢的分类、编号和用途1.分类：按碳含量分：a)低碳钢：含碳量0.25；b)中碳钢：含碳量在0.250.6之间；c)高碳钢：含碳量大于0.6；,按钢的质量分为：碳素结构钢：用于制造工程构件(铁塔、锅炉支架、厂房钢结构、起重设备和工程机械结构水冷壁管、风管、输粉管道)及机械零件（轴、齿轮、螺栓、螺母等)。一般为低、中碳钢。碳素工具钢；用于制造各种工具、刀具、摸具、轴承等。一般属于高碳钢。,2)碳钢的编号及用途,碳素结构钢：甲类钢(A类钢）：这类钢按机械性能供应，不保证化学成分。编号方法分为7级；甲1、甲2、甲3、甲7(或A1、A2、A3A7)；钢号数字越大，强度越高，塑性越低。甲类钢常用作普通螺栓、螺母、钢板、钢管等。乙类钢(B类钢)；这类钢按化学成分供应、不保证机械性能。编号方法分为7级；乙1、乙2、乙3乙7，(或B1、B2、B3、B7)。编号数字越大，碳含量越高。,特类钢(C类钢)：供应时既保证机械性能又保证化学成分。编号方法分为4级，特2、特3、特4、特5，(或C2、C3、C4、C5）。优质碳素结构钢正常含锰量的优质碳素结构钢：含锰量0.8；编号用两位数字表示，数字表示含碳量的万分之几，例如20号钢、45号钢即表示含碳量为0.20、0.45。钢号从05、08、10、15、20直到85。优质含锰量的优质碳素结构钢：含锰量在0.71.2之间；编号方法是在正常含锰量优质碳素结构钢钢号的后面加写Mn(或锰)表示，如20Mn(20锰)或65Mn(65锰)。,碳素工具钢,碳素工具钢的含碳量一般在0.65一1.3之间。编号方法是用字母T(或碳)加数字表示，数字表示含碳量的千分之几。如T8、T12表示含碳量为0.8、1.2。若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后面加写A字(或高字)，如T8A、Tl2A,3.3钢在加热时的组织转变,钢的热处理是指将钢在固态范围内进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织,从而获得所需要性能的一种工艺。钢在实际加热和冷却时，钢中的相转变不能完全按FeFe3C平衡状态图中的A1、A3、和Acm进行，而是要发生一定的滞后现象。在实际加热时，各临界点的位置分别为AC1,AC3和ACcm。在实际冷却时，各临界点的位置分别为Ar1、Ar3和Arcm。,1.奥氏体的形成（四个步骤：奥氏体形核、奥氏体长大，残余渗碳体溶解、奥氏体均匀化）,2.奥氏体晶粒的长大,奥氏体在珠光体层间形核后，起初因晶核多，晶粒比较细小，但随着温度增高或时间加长，会自动引起奥氏体晶粒长大。细晶钢、晶界多、位向差大，因此强度高，塑韧性好，而且淬火时也不宜开裂。所以热处理时应严格控制奥氏体化温度，以免晶粒长大。3.奥氏体晶粒度晶粒度：晶粒的大小本质晶粒度：不同的钢奥氏体晶粒加热时长大的倾向不同，评定奥氏体晶粒在加热时长大倾向的标准。,奥氏体晶粒的大小分为8级；1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒，9-10级为超细晶粒。,晶粒尺寸越小即越细化，金属室温强度越高，塑性也越好？原因：1）因为在外力作用于多晶体时，由于各晶粒位向不同，作用于各晶粒滑移系上的分切应力就不同。处于有利位向的晶粒，其滑移面上的分切应力将首先达到临界值，应该滑移。但由于它受到周围不利于滑移的晶粒的阻碍而不能立即滑移，要求它的变形必须和周围晶粒相互配合，否则将破坏晶粒间的连续性，导致材料断裂，所以，多晶体的变形较单晶体困难。各晶粒之间位向差越大，其阻碍也越大。这种相邻晶粒间的互相制约便使强度提高。,2）多晶体晶界上的原子排列紊乱，聚集着较多的杂质原子，阻碍位错运动，加之晶界两边晶粒位向不同，其滑移系的空间方位也不同，因而造成晶界处“位错塞积”，从而提高了变形抗力。晶粒尺寸越小晶界越多，位错运动的阻力就越大。所以晶粒尺寸越小，金属室温强度就越高。3）晶粒尺寸越小，在一定体积内的晶粒数越多，在同样变形量下，变形分散在更多晶粒内进行，而且每个晶粒的变形也较均匀，不会产生过分的应力集中，而导致过早开裂。另外，晶粒越细小，晶界曲折多，不利于裂纹扩展，所以断裂前可承受较大的塑性变形，因而塑性好。,3.4钢在冷却时的组织转变,改变钢的组织结构的有效方法是热处理，因为通过不同冷却方式可以使同一成分的钢得到不同的组织结构，进而表现出不同的性能。尽管热处理的冷却方法很多，但从相变过程来看，分为等温转变和连续冷却转变两种。3.41过冷奥氏体的等温转变C曲线珠光体转变区（高温转变区）过冷奥氏体在A1至550范围内，将分解为珠光体型组织（P）。2.贝氏体转变区（中温转变区）550-240之间等温，过冷奥氏体将转变为贝氏体。,共析钢大致在350为界，高于此温的分解产物呈羽毛状组织，称此为上贝氏体。低于350的产物，组织呈针状，叫作下贝氏体。下贝氏体的强度、硬度和塑韧性均高于上贝氏体。,3.马氏体转变区（低温转变区）由于温度低（240-50），铁和碳的原子扩散困难，所以马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。碳含量愈高，晶格畸变量愈大，马氏体是强化金属的主要途径之一。马氏体有两种组织形态：一种是针状高碳马氏体；另一种是低碳板条马氏体。,马氏体的晶体结构钢中的马氏体是碳在一Fe中的过饱和固溶体。高碳马氏体的晶体结构为体心立方晶格。,针状高碳马氏体，因在马氏体针条内充满细小的孪晶亚结构，所以，也称孪晶马氏体；另一种是低碳板条马氏体，因在板条马氏体内有大量位错，所以也称位错马氏体。由于板条马氏体位错密度高以及它又把奥氏体晶粒分割成很多小晶区，使组织大大细化，所以强度效应大。另外，过饱和的碳除了可使马氏体固溶强化外，回火时析出的碳化物因呈弥散状态，所以既有析出强化作用，又有改善韧性的功能。因此板条马氏体打破了马氏体硬而脆的观念，是获得良好力学性能的综合强化手段。,3.42过冷奥氏体连续冷却曲线（CCT曲线）,在生产实际中，过冷奥氏体大都是在连续冷却过程中进行转变的。因此，奥氏体连续冷却转变曲线更符合实际，更有利于帮助我们估计某钢种在给定的冷却规范下所发生的转变温度范围、转变所需的时间、转变的产物及其性能。,CCT由数根粗实线组成的。这些线所包围的区域分别为珠光体转变区(AP)、贝氏体转变区(AB)和马氏体转变区(AM)。每一转变区，都有一发生转变的开始线相转变终了线。在珠光体转变区和贝氏体转变区的转变开始线的左面，马氏体转变开始线上方的那个区域为过冷奥氏体(A)区.,1一7细虚线分别表示钢自奥氏体化温度冷却时的不同冷却速度线，其中1线相当于随炉冷却。见书,3.5过冷奥氏体分解产物与淬火加回火产物的性能比较,索氏体和屈氏体虽然它们都是铁素体加渗碳体的珠光体类型组织，但过冷奥氏体分解的索氏体、屈氏体中的碳化物是片状的，而回火索氏体、屈氏体中的碳化物是粒状的，显然碳化物呈粒状组织的性能比片状的好。,片状碳化物在基体中易引起应力集中，粒状的相反，不易产生裂纹，故使塑、韧性好。（见书）,3.6热处理种类及其工艺参数,热处理分为退火、正火、淬火、回火和化学热处理工艺与形变热处理等。3.61退火退火：将钢材或钢制零件加热到临界点的上、下温度，保温后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为钢的退火。退火的目的是消除热加工（铸、锻、焊、轧）所造成的某些缺陷，如偏析、晶粒粗大、白点等。或者为下一工序作组织准备等。退火分为扩散退火、完全退火和等温退火,3.62正火（或称常化）,正火:是将钢材或钢件加热到临界点（AC3或Acm）之上40-60，保温到完全奥氏体化和均匀化后，在空气中冷却的工艺过程。正火的目的是促使组织均匀化或细化；对大型工件及形状复杂和截面差距大的工件，用正火代替淬、回火以防止变形和开裂。正火与完全退火的奥氏体化温度相同，但正火冷却速度较快，过冷度较大，因此同种钢材正火后获得的珠光体组织较细，钢的强度、硬度、韧性都比退火钢好。正火与退火钢相比，不但力学性能好，而且工艺简便，生产周期短，能量消耗少，因此在可能条件下，生产上都优先考虑采用正火处理。,3.63钢的淬火和回火,淬火：将钢加热到AC3或AC1之上3050保温足够的时间，然后将其急速冷却的工艺称为淬火。急速冷却是指必须大于连续冷却曲线中的临界冷却速度以保证零部件横截面内全部或局部都发生马氏体转变。淬火的目的：是获得马氏体，经回火后得到良好的综合性能。,回火:是紧接淬火之后不可分割的工艺，其方法是将淬火后的钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的组织,并以适当的方式冷却到室温的工艺过程。回火的目的:是为了消除淬火应力，得到性能所需的相应组织（回火马氏体、贝氏体、珠光体等），以便使钢的强度和塑韧性配合良好,3.64回火脆性,碳钢尤其是合金钢淬火后，在一定温度范围回火时，冲击韧性（ak）明显下降的现象叫作钢的回火脆性。其中在300左右ak值下降的现象叫作低温回火脆性；在450650温度范围出现的ak值下降叫作高温回火脆性。高温回火脆性只有在550左右回火后慢冷时才出现，快冷则消失，故称为可逆回火脆性，也叫作第二类回火脆性。此现象在含Cr、Mn、P、As、Sb钢中常有,含Cr、Mn、P、As、Sb钢高温回火脆性原因,原因是在550左右回火时，这些元素易偏聚在原奥氏体晶界，尤其是含有Ni、Cr、Mn时，更促进了这种偏聚，而且Ni、Cr、Mn元素自身也有向晶界偏聚的倾向，因此减弱了奥氏体晶界上原子间的结合力，使晶界强度降低，从而产生或增加了高温回火脆性，但钢中加Mo后抑制上述元素向晶界偏聚，所以合金钢中多添加0.5%Mo，以便减小高温回火脆性的倾向。,低温回火脆性也称作第一类回火脆性，它是由于马氏体分解时，过饱和的碳沿马氏体板条或马氏体片之间的界面形成碳化物，所以降低了相界强度使裂纹扩展抗力减小，从而导致ak值降低，但随着温度升高，碳化物通过聚集或球化，使应力集中减小，故可减少析出相的脆化，进而使钢的韧性得到恢复，促使ak值提高。,3.65钢的淬透性,钢的淬透性：是指淬火时获得半马氏体（50%）组织深度的能力，深度愈大，钢的淬透性愈好。淬透性和淬硬性的区别：淬硬性是指淬火后测得的马氏体最高硬度，它主要决定于钢中碳含量，与合金元素关系不大；淬透性是指淬火得到50%马氏体的深度，它既同碳含量有关，又受合金元素和晶粒度的影响。例如低碳合金钢淬透性相当好，但淬硬性并不高（低碳）；而高碳钢的淬硬性很高，但淬透性并不好。,合金元素Mn、Si、Ni、Cr、Mo、B、C、N等因能增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，所以都能提高淬透性，尤其以B最显著；V、Ti、Nb、W等强碳化物形成元素，因形成碳化物后减少了固溶体中的碳，它们有降低淬透性的作用，但若溶入固溶体中，则能提高淬透性。,3.8回复与再结晶,金属经过冷变形后，位错密度增加，同时产生许多亚晶、孪晶、滑移带和空位等，因此晶格内储有较高的畸变能，故使变形组织处于不稳定状态，所以形变组织具有向稳定态回复的倾向，回复的过程是一个规则化的过程。图3.8-1冷加工金属退火时组织的变化a)、b)回复（显微组织无明显变化）b)d)再结晶d)f)晶粒长大,1.回复阶段由于空位和位错只需较小的能量即可移动，所以T1之前的温度虽然不高，但能减小位错并促使空位向晶界移动或与间隙原子相遇而消失，从而减少了晶格畸变，故使内应力和电阻率明显下降。生产上常利用这一特点进行消除应力退火，比如冷拉弹簧丝绕成弹簧后，多在低温下退火，其优点是强度和硬度保持不变，但塑性上升和应力消除明显。2.再结晶随着温度升高，原子活动能力增强，故使冷作变形组织由扁平、破损和被拉长的晶粒逐渐变为细小均匀的等轴晶，因此再结晶后，金属的强度、硬度明显下降，塑性显著提高和内应力全被消除。由于以上这些变化没有晶格转变，是一个无相变过程，仅是晶粒形态和大小的转变，所以称为再结晶。,3.晶粒长大（二次再结晶）,变形金属加热到较高温度时，由于阻止晶粒长大的弥散第二相或杂质突然溶解，或由于阻止晶粒长大的其他条件，在温度较高时被破坏，使少数有特定取向的晶粒发生了过分长大，并吞并了其他方向的晶粒。总之，二次再结晶实际是一个异常晶粒长大的过程。二次再结晶导致强度和塑性变坏。再结晶温度以上的温度加工称为热加工，再结晶温度以下的温度加工称为冷加工,3.9组织缺陷,钢中除晶格缺陷外，它在冶炼、铸造、锻压、轧制和热处理等工序中，不可避免的也会产生缺陷，比如偏析、白点、起泡和非金属夹杂以及裂纹等。1.偏析偏析是钢中化学成