第五章钢的退火

1、中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院第五章 钢的退火与正火5. 1 5. 1 钢的退火钢的退火5. 2 5. 2 典型合金钢退火组织及分析典型合金钢退火组织及分析5. 3 5. 3 钢的退火基本类型钢的退火基本类型5. 45. 4 钢的正火钢的正火5. 5 5. 5 铸铁的石墨化退火和正火铸铁的石墨化退火和正火 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院51 Annealing of steel 5.1.1 Transformation during heating Critical T: A1 A3 Acm Superheating, undercoolin

2、gCritical points for Fe-C alloys (heating and cooling rates are both 0.124K/S) 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院1. Formation process of Austenite(1) Nucleation of A(2) Growth of nucleus (3) Solution of remained CM into A(4) Homogenization of A A: Austenite CM: Cementite F: FerriteM: Martensite B: Bainite

3、 P: Pearlite中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Nucleation of A Compositions of phases when A is formed (a) and concentration profile (b)Location: F/CM interface Composition & structure fluctuationNucleation frequency increases with T 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Growth of A nucleus/grainsCMAF The thicknesse

4、s of F and CMare in the same magnitude orderalthough that of F is larger. For diffusion-controlled growth, the rate of growthis inverse proportional tothe composition difference. The rate of growth of A to F is far larger than that to CM.dxCCdtxCD)(A grows into F and CM, but much faster to F.For eut

5、ectoid steel, F disappears firstly.xCCCDdtdxGFlux conservation中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Solution of remained CM, homogenization of A碳元素的含量在A不同位置不均匀，有浓度梯度,只有继续保温，通过碳原子扩散，A才会均匀。一般情况下，渗碳体的完全溶解是在铁素体溶解完成之后。-共析钢偏离共析点时（亚共析、过共析），A形成的基本过程与共析钢一样，只是残余相及量不同。For the eutectoid Fe-C alloy, if annealing continues

6、, the remained CM will dissolve after F disappears.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院注意：以上形成模式只适合加热速度不太高的情况，对于高速加热的早期阶段，钢中奥氏体转变以位移型转变贝氏体型转变为主, Referred to W.J. Kaluba et al., Acta Mater.,46(1998),5917-27中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院(At high heating rate!)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院At early stage for high

7、heating rate:Step 1: Superheating cause local supersaturate of carbon and diffusion along grain boundary of ferrite.Step 2: Lath formation of AStep 3: Coalescence of the A lath中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Microstructural features:(1) Lath-like products at early stage of formation;(2) Direct formation

8、 at ferrite grain boundaries;(3) Kurdjumov-Sachs orientation relationship with the parent grain of ferrite; (K-S)(4) Lateral growth of the sheaves of austenite by side-by side coalescence.(At high heating rate!)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院2. Kinetics for A formation at Isothemal conditionTTT map for

9、 A formation in eutectoid steel中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Factors affecting the formation rate of A(1) Temperature: main factor! Higher T leads to faster growth (2) Composition: F/CM interface, diffusion, homogenized? More C results in faster formation, Other alloying elements do not affect the bas

10、ic process but exert much influence on the rate. And most elements reduce C diffusion and diffuse much slower than C (several magnitudes!), Carbides and non-carbides distributions.(3) Primary microstructures: constituent phases, grain size, shape of the phases etc. (4) Heating rate: Continuous heati

11、ng in plant. Faster heating leads to faster formation of A. The really formation T increases at higher heating rate.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 3Grain size of A 1) Growth of A grain After A formation, the grains will grow if annealing continues. This looks like recrystallization. The bigger grains

12、swallow up the smaller ones. This actually begins during homogenization of A. Growth rate: )/exp(0RTQGGGDRTQKGG)/exp(DTD at Hot-rolled T中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 影响奥氏体晶粒长大及最终晶粒大小的因素影响奥氏体晶粒长大及最终晶粒大小的因素 1) 奥氏体起始晶粒度: 大小均匀？细？粗？F/CM 界面积 2) Temperature and duration for A formation 3) 加热方式 ：形核率随温度增加更快。长

13、大时间是否充分？慢热？快热？4) 钢的成分：含碳量合金元素。Mn，P增大晶粒长大倾向易导致粗晶。 5) Refining method: 脱氧制度（铝脱氧生成细小的Al4N3和Al2O3，Mn、P脱氧无弥散析出相）。本质粗/细晶粒钢，10级。 930OC6) 原始组织：细粗均匀？片、粒状；CM分布。某些合金钢中粗大非平衡组织或魏氏组织易导致粗晶。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院铁轨用弹簧钢60Si2MnA: Fe-0.6C-1.74Si-0.7Mn-0.011P-0.006S-0.12Cr,Treated at different T for 1.5hr.(a) 850

14、(h) Hot-rolled(g) 1150(f) 1100(e) 1050(d) 1000(c) 950(b) 900中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（2 2）A的实际晶粒度的实际晶粒度钢在实际热处理或加工条件下获得的A的晶粒大小称为A的实际晶粒度。一般来说，实际晶粒尺寸远大于起始晶粒尺寸。在热处理中，无论随后何种热处理工艺，希望获得细小晶粒尺寸的A。粗晶钢淬火时易开裂。晶粒度晶粒度：14级粗，58级细。12Nn过热与过烧的处理？过热与过烧的处理？-待续！待续！N-晶粒度；n-每平方英寸内的晶粒数中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院5.1.2 Tr

15、ansformations during cooling of steel1.Temperature-Time-Transformation (TTT) PearliteBainiteMartensiteA(P)(B)MHow to get ?TTT map for the eutectoid carbon steelMsMf中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Transformation products of undercooled A: HT-Pearlite type 3, MT-Bainite 2, LT-Martenite. The 3 fields may o

16、verlap!Text: P1443 types of P microstructure in the eutectoid carbon steel. (a) P, 500 x; (b) S, 2500 x; (c) T, 15000 x A1550OC: P type microstructure. Lamellar & granular! P: 0.5m; S: 0.40.2 m; T: 0.8%C. Casting or hot-forging or welding.It reduce the plasticity and may make the steel brittle, espe

17、cially reduce the toughness.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Fe-0.12C-3.28Ni: Primary F, Elongated Triangular PyramidsW-I type, 650 for 2s.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Fe-0.12C-3.28Ni: Secondary F, Plate/lathW-II type, 650 for 4.5s.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Different shapes of the proeutectoid Fin W mic

18、rostructure,By Dub中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Figures of proeutectoid FClassified by Aronson et al.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院4) Pseudo-eutectoid 共析点附近，较快冷速Forms of products in steels of different composition after annealed反常：反常：成分不均且冷速小可导致粗厚CM或游离F中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Extension: 离异共析（Divorce

19、d Eutectoid Microstrucutre-DEM）Such DEM forms, especially in the high-carbon steel such as 1.5%C.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院The DEM in the Fe-1.5C steel after a certain treat-treatment.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Microstructure of S40900 after annealed. Mainly consists of F containing dispersoid ni

20、tride and/or carbide.5. 2典型合金钢退火组织及分析中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院2507 255 2205 2205 2304 (high N) (low N)Cr/Ni in equilibrium stateCr中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院2205型双相不锈钢在F固溶线以下退火组织。Cr, Mo,W等偏聚于F；Ni, C, N, Cu等偏聚于A。NiMoN中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院5. 3 Annealing process of steels: 4 types 1 1完全退火完全退

21、火“完全”：全部重结晶两种工艺（右图）组织：组织：均匀应用：应用：亚共析钢的铸件、 锻件、热轧钢等作用：作用：细化晶粒 改善组织（粗、W、 带状等） 提高韧性冷拉弹簧钢65Mn：冷拉前，500-550OC等温退火，获得伪共析的T。Complete annealing: (1) (2) cooling lead to different size中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 2 2不完全退火和球化退火不完全退火和球化退火 (1)(1)亚共析钢的不完全退火亚共析钢的不完全退火 退火温度退火温度：加热Ac1-Ac3，保温？缓冷 目的目的：降低硬度以改善切削性能 组织细化（

22、F？）、降低硬度、消除内应力 (2)(2)过共析钢的不完全退火和球化退火过共析钢的不完全退火和球化退火 退火温度退火温度：加热Ac1-Accm，较慢冷却 组织结构？（细化、消除网状相、降硬、消內应力） 目的目的：过共析钢不能采用完全退火 要求不高时用不完全退火 工模具需粒状珠光体球化退火中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院球化退火的工艺：球化退火的工艺：0.71.4%C热加工后，处理网状碳化物，为后续淬火作组织准备。一方面，含碳量高的过共析钢热加工后空气中冷却易形成粗片状珠光体和网状渗碳体；另一方面，过共析钢正常淬火温度为Ac1+ (30-50)OC，无法消除已生成的网状渗

23、碳体。虽然正火可以消除网状物，但对于后续需要机加工的产品硬度太高；即使不考虑机加工，在随后的淬火加热时组织粗化。Question: Try to analyze the change of microstructure of T12 steel during the whole process of annealing.Ac1Ar中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院退火前后显微组织的变化退火前后显微组织的变化(P169)网状渗碳体和片状珠光体粒状珠光体球化机理：CM界面能减小球化退火前的冷加工和热加工的影响 渗碳体碎化 缺陷增多若原始组织中渗碳体过厚、过粗，不能变形时，应采

24、用周期球化退火或正火。工具钢、轴承钢淬火前用。特殊要求的亚共析钢也用。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 5.4钢的正火钢的正火 正火与完全退火的区别： 冷速不同，F/CM量，伪共析注意：？ 保证A不粗化，保温温度？应用： 提高低碳钢硬度 替代中碳钢的调制处理 也可作为中碳钢的预备热处理 过共析钢球化退火的预处理 渗碳钢件：代替第一次淬火加热至A相区后保温一段时间，然后空气中冷却共析碳钢得到正火索氏体（亚共析/过共析如何？）。合金钢正火有可能有淬火效应！How about the alloyed steel during normalizing?Ac1+ (30-50)OC中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院均匀化退火完全退火正火不完全退火球化退火再结晶退火低温退火去氢退火Summary: annealing process of steels去氢退火：防应力退火，热锻件20