金属材料及热处理：第一章 铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织

1、金属材料及热处理,北京科技大学材料学院材料学系,第一章 铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织,一、铁碳相图,图1.1 Fe-Fe3C 相图,二、铁碳合金的凝固过程 通常按有无共晶转变将Fe-C合金分为钢和铸铁两部分，即含C量2.11%的为铸铁。按组织分为工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁,三、铁碳合金中的碳化物 1) 渗碳体（Cementite）： Fe3C，是一种 具有复杂晶体结构的化合物，属于正交晶系。 2) 碳化物：Fe2.4C，具有密集六角点阵结构，是亚稳相。 3) 碳化物：又称Hgg碳化物，Fe2.2C或Fe2C5，具有底心单斜点阵,第二章

2、钢的热处理原理和工艺,第一节 概述 钢的热处理：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。 热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段，它可用温度一时间坐标图形来表示，称为热处理工艺曲线,加热,保温,冷却,温度,时间,图2.1 热处理工艺曲线,第二节 钢加热时的组织转变,图2.2 加热和冷却速度对临界温度的影响,一、奥氏体的形成过程(以共析钢为例,+ Fe3C 0.0218%C 6.69%C 0.77%C A2 正交 A1,1. 形核 2. 长大 3. 残余渗碳体的溶解 4. 奥氏体的均匀化,二、共析钢奥氏体的等温形成动力学,图2.3 共析钢奥氏体等温形成动

3、力学曲线和等温形成图示意图,图2.4 共析钢奥氏体等温形成图,奥氏体等温形成动力学的影响因素： 温度 原始组织 合金元素,三、奥氏体晶粒大小及其影响因素 晶粒大小及其表示方法:采用与标准金相图片相比较的方法，来确定晶粒度的级别，晶粒度的级别N和放大100倍时每平方英寸（6.45cm2)视野中的平均晶粒数n的关系为,图2.5 奥氏体晶粒度示意图,晶粒度：晶粒大小的尺度。 1 起始晶粒度 2 实际晶粒度 3 本质晶粒度,图2.6 两类钢的平均晶粒直径随加热温度的变化,晶粒大小的影响因素： 1 加热温度和保温时间 2 加热速度 3 合金元素,过热：由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时间过长等)而引

4、起实际奥氏体晶粒粗大，在随后的淬火或正火得到十分粗大的组织，从而使钢的机械性能严重恶化，此现象称为过热。 通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织(非平衡组织则难以消除)。 过烧：由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时间过长等)而引起奥氏体晶界熔化的现象称为过烧。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织,第三节 过冷奥氏体转变图,过冷奥氏体：奥氏体冷却到临界温度以下， 处于热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。 过冷奥氏体的冷却方式：等温冷却和连续 冷却,一、共析钢的过冷奥氏体等温转变图(TTT) 1、过冷奥氏体等温转变图的建立,图2.6 共析钢过冷奥氏体等温转变图,图2.7 亚共析钢过冷奥氏体等温

5、转变图,图2.8 过共析钢过冷奥氏体等温 转变图,2、影响过冷奥氏体等温转变图的因素 含C量 合金元素 加热条件 原始组织 应力 塑性变形,3、过冷奥氏体等温转变图的应用 TTT图是制定等温热处理工艺的有效依 据，例如：等温淬火、等温退火等,二、过冷奥氏体的连续冷却转变 1、过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT)的建立,图2.9 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变图,图2.10 亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变图,2、过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT)的应用 CCT图是制定连续冷却热处理工艺的有效依据：预测热处理后零件的组织和性能；确定临界冷速；选择淬火介质,3、共析钢CCT曲线与TTT曲线的对

6、比,图2.11 共析钢过冷奥氏体CCT曲线与TTT曲线的比较,第四节 珠光体转变,珠光体转变：共析钢奥氏体化后，过冷到A1至“鼻尖”之间区域等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体组织。 转变温度：A1以下 转变形式： +Fe3C 相变特点：扩散性相变,一、珠光体形态和性能 1. 珠光体形态,片状珠光体,粒状珠光体,珠光体,索氏体,屈氏体,2.性能 片状珠光体：片间距越小，强度、硬度升高，范性变好。 粒状珠光体：与片状珠光体相比，硬度、强度较低，范性较高,图2.11 片状珠光体的形成示意图,二、片状珠光体的形成过程 1、分片形成机理,图2.11 片状珠光体形成时C原子的扩散示意图,2、分支形成机

7、理 与片状珠光体的形成机理相似，只是在分枝形成机理中珠光体区域的铁素体和渗碳体具有相同的取向，渗碳体的晶核形成后，向前长大过程中不断分枝，而铁素体协调的在渗碳体枝间形成，从而形成渗碳体和铁素体的两相混合组织,三、粒状珠光体 粒状珠光体是渗碳体以颗粒的形式分布在铁素体基体上。 形成的先决条件是奥氏体化温度较低，此时奥氏体中残存未溶渗碳体质点和高碳区，缓冷至A1以下较小过冷度下，高碳区非自发形核或未熔碳化物直接长大成渗碳体颗粒，周围的低碳区变成铁素体，从而形成粒状珠光体,四、亚(过)共析钢的珠光体转变 伪共析组织：非共析成分的合金在冷却过程中却获得类似共析成分的组织。 离异共析：共析组织中与先共析

8、相相同的相依附先共析相成长，另一相孤立的分布在先共析相之间，失去共晶组织的特征,图2.12 Fe-Fe3C准平衡相图,第五节 马氏体转变,概念：将钢加热奥氏体化，以大于vk的冷却速度快冷至Ms点以下，将产生马氏体转变，习惯上将通过切变进行点阵重构，而无成分变化的非扩散性相变，称为马氏体转变。 相变温度范围：Ms-Mf 之间 相变特点：切变、无扩散、非恒温转变,一、马氏体的晶体结构 晶体结构类型：体心立方和体心正方 马氏体正方度：c轴与a轴长度的比值，即c/a，称为马氏体的正方度。当c/a1时，称为正方马氏体， c/a=1时称为立方马氏体,二、马氏体的组织形态 片状马氏体：内部由孪晶组成 板条马

9、氏体：内部存在大量的位错,图2.13 板条马氏体与片状马氏体,图2.14 马氏体形态与C含量之间的关系,三、马氏体的性能 高强度、高硬度,图2.15 马氏体硬度与C含量之间的关系,四、马氏体转变的特点 表面浮凸、共格相界面、非恒温转变,五、奥氏体的稳定化 热稳定化 机械稳定化 化学稳定化,第六节 贝氏体转变,定义：将奥氏体化的钢过冷到Bs(约550 )至Ms温度范围等温，将产生贝氏体转变，也称中温转变。 贝氏体的组成：铁素体+碳化物 形成温度：上贝氏体，350-400 以上至Bs 下贝氏体， 350-400 以下至Ms,一、贝氏体的组织形态 上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体,上贝氏体,下贝氏体,

10、二、贝氏体的形成过程 上贝氏体 下贝氏体 粒状贝氏体,三、贝氏体性能 上贝氏体：强度较低、范性和韧性较差 下贝氏体：相对于上贝氏体来说，强度 和韧性较好,第七节 钢在回火时的转变,回火：淬火钢件加热到低于A1的某一温度， 保温一段时间，然后冷却至室温的热 处理工艺，是淬火后必须进行的热处 理工艺,一、淬火钢在回火时的组织转变 五个阶段：1) 马氏体中碳原子的偏聚 (100以下) 2) 马氏体分解(100-350 ) 3) 残余奥氏体分解(200-300 ) 4) 碳化物的转变(250-400 ) 5) 碳化物的聚集长大和相回复 再结晶(400 以上,二、回火转变组织 回火马氏体(150-250

11、 ) 回火屈氏体(350-500 ) 回火索氏体(500-650 ) 粒状珠光体(650 -A1,三、淬火钢在回火时力学性能的变化,随着回火温度的升高，淬火钢力学性能 总的变化趋势是：硬度和强度下降，而 塑性和韧性提高,四、钢的回火脆性 1) 低温回火脆性(250-400 ) 2) 高温回火脆性(450-650 ) 五、淬火后回火产物与A直接分解产物性能 比较,第八节 退火和正火,一、钢的退火 1. 概念：将钢加热到临界点Ac1以上或以下一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织,2.目的： 1) 消除铸锭的成分偏析，使成分均匀化； 2) 消除铸锻件中的魏氏组织或带状组织，

12、 细化晶粒和均匀组织； 3) 降低硬度，提高塑性，以便于切削加 工； 4) 改善高碳钢中碳化物的形态和分布，为 淬火作组织准备,3. 退火的分类 扩散退火 完全退火 普通退火 不完全退火 再结晶退火 软化退火 去氢退火 等温退火,二、钢的正火(Normalization) 1. 概念：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50或者更高温度，保温足够的时间，然后在静止的空气中冷却的热处理工艺,2. 正火后的组织 根据钢中过冷奥氏体的稳定性和钢的截面大小，正火后可以获得不同的组织，如粗细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织,3. 目的 1) 对于大锻件、截面较大的钢材、铸 件，用正火细化晶粒

13、，均匀组织， 为淬火作好组织准备，此时正火相 当于退火的效果； 2) 应用于低碳钢提高硬度，改善切削 加工性能； 3) 作为普通结构零件的最终热处理； 4) 用于过共析钢，消除网状渗碳体,第九节 钢的淬火与回火,一、钢的淬火 概念：将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却。 目的：把奥氏体化的工件淬成马氏体，以便在适当温度回火时，获得所需要的力学性能。强化钢材最重要的热处理方法,1. 淬火工艺参数的选择 1) 加热温度： 亚共析碳钢： Ac3+3050 共析碳钢以及过共析碳钢： Ac1+3050,2) 保温时间：工件的加热时间与钢的成分、原始组

14、织、工件形状和尺寸、加热介质、装炉方式、炉温等许多因素有关。 一般用经验公式来确定：t=*D t加热时间（min） 加热系数（min/mm） D工件有效厚度（mm） 保温的目的：使工件热透；获得所需成分的细晶奥氏体,3) 冷却介质： (1)理想淬火介质 (2)常用淬火冷却介质 A水：使用安全，无燃烧、腐蚀等危险，仍是碳钢最常用的淬火冷却介质。 B食盐水溶液： 冷却能力远高于水。 C苛性钠水溶液 D油：目前生产中用作淬火冷却介质的有各种矿物油（机油、锭子油、变压器油、柴油等,理想冷却介质的冷却曲线,4. 冷却方法,5. 淬火内应力 由于钢件不同部位存在着温度差别而导致热胀冷缩不一致所引起的应力称

15、为热应力。 由于工件各部位相转变的不同时性所引起的内应力，称为相变应力,6. 常用钢的淬火工艺以及组织转变 1) 20钢,2) T12,2) 钢的淬透性(hardenability) 淬透性：奥氏体化后的钢接受淬火的能力，其大小通常用一定条件下淬火后港、钢的淬透层深度来表示，主要取决于钢的临界冷却速度的大小。 淬硬性：钢在淬火后能够达到的最高硬度，主要和碳含量相关,淬透层深度：从钢件表面到半马氏体区（即50%马氏体和50%非马氏体组织）的垂直距离,淬透性对钢热处理后力学性能的影响,影响淬透性及淬硬深度的因素 a 影响淬透性的因素： (1) 奥氏体化学成分：除Co以外的合金元素，当其溶入A后，使

16、C曲线右移，提高钢的淬透性。 (2) 奥氏体化条件：A化温度越高，保温时间越长，成分愈均匀，使过冷A越稳定，C曲线越右移，钢的淬透性越好。 b影响淬硬深度的因素： (1)钢的淬透性 (2)零件的形状与尺寸 (3)淬火介质的冷却能力,淬透性的测定方法： 断口评级法 顶端淬火法,由GB225-63采用末端淬火法测定。用这种方法测定的淬透性表示方法： J：末端淬透性；HRC：该处测得的硬度；d：至末端的距离。 临界淬透直径Dc Dc是钢在某种淬火冷却介质中冷却后心部能得到半马氏体组织的最大直径。同一冷却介质中Dc越大，则其淬透性越好,二、钢的回火 1.概念：将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温一

17、定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 2.目的：获得所需要的组织以改善性能；稳定工件尺寸；消除内应力,3.回火的种类及应用 1)低温回火（150250） 主要用于各种高碳的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为5864HRC。 2)中温回火（350500） 主要用于各种弹簧和模具的处理，回火后硬度一般为3550HRC。 3)高温回火（500650） 调质处理，其目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能，广泛用于汽车、拖拉机、机床等的零件,第十节 钢的形变热处理,形变热处理是形变强化和相变强化的一种热处理工艺。 优点：可以获得优异的力学性能；节约能源；减少氧

18、化、脱碳、扭曲等热处理缺陷,形变强化的原因： 马氏体继承了形变奥氏体的高位错密度和细化晶粒； 奥氏体形变时在位错周围析出许多超显微合金化合物，对位错起钉扎作用； 由于碳化物的析出，降低了奥氏体含碳量和合金元素含量，使Ms点升高，淬火时增加板条马氏体量，提高了韧性； 高位错密度和微细碳化物的存在，使回火析出的碳化物更弥散均匀,一、高温形变热处理 在接近A3温度以上进行形变，形变后立即淬火，并回火至所需的硬度。 根据形变方式分为：控轧淬火、锻热淬火等,二、低温形变热处理 将加热至奥氏体化的钢迅速冷却至C曲线的奥氏体亚稳定区域进行形变，然后淬火，获得马氏体，并回火至所需的硬度。 多用于含有强碳化物形

19、成元素的合金钢,第十一节 钢的表面淬火,概念：是淬火的一种，与普通淬火的区别是在表面淬火中，只有工件的表面层奥氏体化，随后快速冷却，表面淬成马氏体，具有高的强度和硬度，心部保持原始组织，具有良好的塑性和韧性。 加热方法：感应加热、火焰加热、电解液加热、电接触加热等等,一、感应加热的基本原理 集肤效应：工件上产生的感应电流在工件截面上分布是不均匀的，在工件表面电流密度最大，心部几乎没有电流通过。 通入感应器的电流频率越高，感应涡流的集肤效应就越强烈，加热深度就越薄，可有如下关系,二、感应加热表面淬火的特点 1感应加热速度极快。 2由于感应加热速度快，时间短，淬火后可在表层获得极细马氏体或隐针马氏

20、体。 3由于工件表层存在残余压应力，它能部分抵消在变动载荷作用下产生的拉应力，从而提高了疲劳极限。 4工件表面不易氧化和脱碳，耐磨性好，而且工作变形也小。 5. 生产率高，适用于大批量生产，而且易实现机械化和自动化操作,三、感应加热淬火加热方式 1. 同时加热淬火法 2. 连续加热淬火法 四、冷却方式 1. 喷射冷却 2. 浸液冷却,五、回火方式 1. 炉内回火 2. 自行回火 3. 感应回火,六、感应加热表面淬火设备及应用 (1) 高频感应加热表面淬火 200300KHz =0.52mm淬硬层较薄 的中心零件。 (2) 中频感应加热表面淬火 50010000Hz =210mm (3) 工频感

21、应加热表面淬火 50Hz =1015mm轧辊、火车车轮的 表面淬火 (4) 超音频感应加热表面淬火 2040KHz 模数36的齿轮，链轮、花键 轴、凸轮等,第十二节 钢的化学热处理,定义：将钢件放在一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子溶入钢件表面，以改变钢件表面层的化学成分，从而获得预期的组织和性能的热处理工艺。 与表面淬火的区别：表面的化学成分有所 改变 优点,化学热处理由五个基本过程组成： 气氛的形成 吸附 分解反应 吸收 扩散,一、钢的渗碳 1渗碳的目的及其用钢： 渗碳把钢置于渗C介质中，加热到单相区，将C原子 渗入碳钢表面的过程。 （1） 渗碳目的及其用钢 a目的：满足提高

22、重要零件表面具有高的硬度，耐磨性及疲劳极限，而心部具有较高的强度和韧性的要求。 b用钢：Wc=0.10.25%的碳钢或低合金钢,2渗碳件的技术要求 （1） 表面含碳量 WC=0.85%1.05% （2） 渗碳层深度，一般0.5 2 mm 轴类： =（0.10.2）R 齿轮：=（0.20.3）m 薄件工件： =（0.20.3）t 式中 R半径（mm） m模数（mm） t厚度（mm,3. 渗碳方法 固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳等三种。 4. 渗碳工艺 1) 温度：900 950 2) 渗碳时间：根据所要求的渗碳层厚度，渗碳温度以及钢的成分来确定,5. 渗碳后的组织 渗碳后的组织：低碳钢渗碳后缓冷到

23、室温，其组织是：过共析钢共析钢亚共析钢心部组织,2） 渗碳后的热处理 a直接淬火法：工件渗碳完毕，出炉经预冷后，直接淬火和低温回火。表面M回+AR少 ，心部低碳M回。 b一次淬火法：渗碳件出炉空冷后，再加热到淬火温度进行淬火和低温回火。 表层M回+AR 5862HRC ， 心部 低碳M回+F(P+F)，3045HRC c二次淬火法： 第一次淬火（或正火）是为了细化心部组织和消除表层渗碳体网，加热温度850900。第二次淬火是为了改善渗碳层的组织和性能。 表层组织 M回+柱状Fe3C+AR心部 低碳M回+F,二、钢的渗氮 1. 渗氮原理及渗氮用钢 a、原理：2NH3 3H2+2N 活性氮原子被钢的表面吸收，形成固溶体和氮化物，随着渗氮时间的增长，氮原子逐渐往里扩散，而获得一定深度的渗氮层。 温度：550570 时间:4070h （0.40.6mm） b、渗氮用钢，含有Al、Cr 、Mo 等合金元素的钢38CrMoAlA、32Cr2MoV,2） 渗氮特点及应用 a钢经渗碳后表面形成一层极硬的合金氮化物 9501200HV。 b渗氮后钢的疲劳极限可提高1535%。 c渗氮后的钢具有很高的抗腐蚀