金属工艺学第五章(1)

1、第五章第五章 金属热处理及表面改性金属热处理及表面改性l教学目的和要求教学目的和要求 1.1.掌握热处理的概念，熟悉热处理的分类，掌握掌握热处理的概念，熟悉热处理的分类，掌握钢在加热时的组织转变和钢在冷却时的组织转变钢在加热时的组织转变和钢在冷却时的组织转变 2.2.掌握普通热处理的种类、概念和用途掌握普通热处理的种类、概念和用途 3.3.熟悉钢的表面热处理熟悉钢的表面热处理l教学内容提纲教学内容提纲 1.1.钢的热处理原理（重点）钢的热处理原理（重点） 2.2.钢的普通热处理（重点）钢的普通热处理（重点） 3.3.钢的表面热处理（熟悉）钢的表面热处理（熟悉） 第一节第一节 钢的热处理原理钢的

2、热处理原理(Heat Treatment Principle of Steel )(Heat Treatment Principle of Steel )概述概述钢在加热时的转变钢在加热时的转变钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变一、概述一、概述1 1 热处理概念热处理概念 将钢在固态下加热、保温和冷却，以将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的一种热处理工艺。的一种热处理工艺。保温保温冷却冷却加热加热温度温度/时间时间/s0临界温度临界温度2.2.热处理特点、目的和应用范围热处理特点、目的和应用范围 特点特点：只通过改变工件的组织

3、来改变性能，不改变：只通过改变工件的组织来改变性能，不改变其形状。热处理只适用于固态下发生其形状。热处理只适用于固态下发生相变相变的材料，不发的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化；生固态相变的材料不能用热处理强化； 目的目的：改变钢的性能；：改变钢的性能； 应用范围应用范围：整个制造业。：整个制造业。3.3.热处理的分类热处理的分类 根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点的不同，将热处理工艺分类如下：的不同，将热处理工艺分类如下： 普通热处理普通热处理：退火、正火、淬火和回火；：退火、正火、淬火和回火； 表面热处理表面热处理：表面淬火、化学热处理；

4、：表面淬火、化学热处理； 其他热处理其他热处理：真空热处理、形变热处理、控：真空热处理、形变热处理、控制气氛热处理、激光热处理等。制气氛热处理、激光热处理等。4.4.加热和冷却对临界转变温度的影响加热和冷却对临界转变温度的影响A3AC3Ar3ACcmACmArcmA1Ar1Ac1含碳量含碳量/%温度温度/0二、钢在加热时的转变二、钢在加热时的转变1.1.奥氏体的形成奥氏体的形成共析钢奥氏体的形成过程共析钢奥氏体的形成过程2.奥氏体晶粒度及其影响奥氏体晶粒奥氏体晶粒度及其影响奥氏体晶粒 尺寸的因素尺寸的因素1 1）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度 起始晶粒度起始晶粒度：珠光体向奥氏体转变刚刚完成时的晶

5、：珠光体向奥氏体转变刚刚完成时的晶 粒度；粒度； 实际晶粒度实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下的晶粒度；：钢在某一具体加热条件下的晶粒度； 本质晶粒度本质晶粒度：度量钢本身晶粒在度量钢本身晶粒在930930以下，随温度以下，随温度 升高升高,晶粒长大的程度，晶粒长大的程度，表示奥氏体长大倾向。表示奥氏体长大倾向。 钢的本质晶粒度示意图钢的本质晶粒度示意图2 2）影响奥氏体晶粒度的因素）影响奥氏体晶粒度的因素 加热温度和保温时间；加热温度和保温时间； 加热速度；加热速度； 合金元素；合金元素； 原始组织。原始组织。3 3）奥氏体晶粒度对钢力学性能的影响）奥氏体晶粒度对钢力学性能的影响奥氏体晶粒均

6、匀细小奥氏体晶粒均匀细小, ,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提高。粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。工件产生较大的变形甚至开裂。三、钢在冷却时的转变三、钢在冷却时的转变冷却方式冷却方式加加 热热保温保温时间时间/S临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却0温度温度/n过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线 - TTT- TTT曲线曲线 ( ( C C 曲线曲线 ) )T - timeT - temperatureT - tr

7、ansformation 共析碳钢共析碳钢 TTT TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1共析碳钢共析碳钢 TTT TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区

8、;230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfn 转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能1.珠光体型珠光体型 ( P ，Pearlite) 转变转变 ( A1550，扩散性转变），扩散性转变）:A1650 : P ; 525HRC; 片间距为片间距为0.60.7m ( 500 )。650600 : 细片状细片状P-索氏体索氏体(S); 片间距为片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。600550:

9、极细片状极细片状P-屈氏体屈氏体(T); 片间距为片间距为0.2m ( 电镜电镜 ); 3540HRC。 珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌珠光体转变示意图珠光体转变示意图珠光体型转变珠光体型转变示意图示意图珠光体珠光体 P ，3800索氏体索氏体 S 8000屈氏体屈氏体 T 8000层片间距：层片间距：P S TP S T2 2 贝氏体贝氏体（Bainite，半扩散性转变），半扩散性转变） 概念：含碳过饱和的铁素体与渗碳体或概念：含碳过饱和的铁素体

10、与渗碳体或碳化物的混合物，转变温度为：碳化物的混合物，转变温度为：550550MsMs。 根据转变温度和组织形态分类：上贝氏体和根据转变温度和组织形态分类：上贝氏体和下贝氏体。下贝氏体。550350: B上上; 4045HRC;B上上 =过饱和碳过饱和碳 -Fe条状条状 + Fe3C小片状小片状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状 B B上上， 550550350350产物产物 羽毛状，小片羽毛状，小片状状FeFe3 3C C分布在分布在F F间；间； B B上上性能：性能： 强度和韧性差。强度和韧性差。光学显微照片光学显微照片 1300电子显微照片电子显微照片 5

11、000B B上上显微组织显微组织350230: B下下; 5060HRC;B下下 =过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状 + Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状F 针内定向分布着细小针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒颗粒电子显微照片电子显微照片 12000T8钢，钢，B下下，黑色针状黑色针状光学显微照片光学显微照片 400 B下下韧性高，综合机械性能好。韧性高，综合机械性能好。 3 3 马氏体型转变（非扩散性转变）马氏体型转变（非扩散性转变） 1 1）马氏体）马氏体（Martensite）概念：概念：碳在碳在FeFe中的过饱和固溶体。用中的

12、过饱和固溶体。用M M表示。表示。2 2）转变特点）转变特点: :在一个温度范围内在一个温度范围内连续冷却完成连续冷却完成;转变速度极快转变速度极快,即即瞬间形核与长大瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变( Fe、C原子均不扩散原子均不扩散 )； 共格切变性；共格切变性；转变不完全性转变不完全性。3 3）马氏体的分类、性能特点和组织形态）马氏体的分类、性能特点和组织形态n按形态分类：板条状马氏体和针状马氏体按形态分类：板条状马氏体和针状马氏体 C%0.2%C%1.0%C%1.0%，形成针状马氏体；，形成针状马氏体； 0.2C%1.0%0.2C%1.0%，形成板条状马氏体和针状马氏，形成板条状马

13、氏体和针状马氏体；体；n性能特点性能特点 板条状马氏体：强度高、硬度高、塑性、韧性板条状马氏体：强度高、硬度高、塑性、韧性好；好； 针状马氏体：强度和硬度高，塑性、韧性差。针状马氏体：强度和硬度高，塑性、韧性差。n马氏体的组织形态板条状马氏体板条状马氏体针状马氏体针状马氏体4 4）马氏体的晶体结构）马氏体的晶体结构: : 由于碳的过饱和作用由于碳的过饱和作用, , 使使 Fe Fe晶格由晶格由体心立方变成体心正方晶格。体心立方变成体心正方晶格。马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100残余奥氏体量残余奥氏体量 ( % )5 5）奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响）奥氏体