金属学与热处理钢的热处理原理

1、会计学1金属学与热处理钢的热处理原理金属学与热处理钢的热处理原理TtT保温保温t保温保温V冷却冷却V加热加热 2 热处理工艺曲线热处理工艺曲线 四个重要参数：四个重要参数： V加热加热、 T保温保温、 t保温保温、V冷却冷却 三个基本过程：加热、保温、冷却三个基本过程：加热、保温、冷却 8-1 热处理概述热处理概述冷却方式冷却方式随炉冷却随炉冷却空气冷却空气冷却油冷油冷水冷却水冷却HRC1518182440505260组织组织P+FP+F（少）少）组织细组织细M+PM作用：作用：（1）显著提高材料的显著提高材料的使用性能使用性能 （2）改善）改善加工性能加工性能（切削、热处理）。（切削、热处理

2、）。二二 热处理的条件热处理的条件(1) 有固态相变有固态相变(2) 加热时溶解度显著变化的合金加热时溶解度显著变化的合金。+LL + + LLL+ + + L + 为什么钢能热处理为什么钢能热处理? 固态相变固态相变 有相变重结晶有相变重结晶 C溶解度显著变化溶解度显著变化 可固溶强化可固溶强化热处理温度区间：热处理温度区间： A1 T TNJEF 热处理第一步热处理第一步 加热奥氏体化加热奥氏体化LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%6.69FeT JNHA1Fe3C铁碳相图铁碳相图 8-2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变一一 奥氏体形成的机理奥氏体形成的机

3、理1 奥氏体组织结构和性能奥氏体组织结构和性能 定义：定义：C 及合金元素固溶于面心立及合金元素固溶于面心立方结构的方结构的 -Fe 中形成的固溶体。中形成的固溶体。 C溶于溶于相八面体间隙中，相八面体间隙中， R间隙间隙 = 0.535 A R c=0.77A 晶晶格畸变，并非所有晶胞均可溶碳，格畸变，并非所有晶胞均可溶碳， 1148 2.5个晶胞溶一个个晶胞溶一个C原子。原子。 性能：顺磁性；比容最小；性能：顺磁性；比容最小； 塑性好；线膨胀系数较大塑性好；线膨胀系数较大2 奥氏体化中成分组织结构的变化奥氏体化中成分组织结构的变化 以共析钢为例以共析钢为例 F + Fe3C A (727

4、) 成分成分(C%) 0.0218 6.69 0.77结构结构 体心立方体心立方 复杂斜方复杂斜方 面心立方面心立方 说明奥氏体化中须两个过程：说明奥氏体化中须两个过程： C 成分变化成分变化： C 的扩散的扩散 铁铁晶格改组晶格改组： Fe 扩散扩散FTFPFAA1 影响过热度主要因素影响过热度主要因素: V加热加热 V加热加热，过热度，过热度T；TT实际实际 存在过热度存在过热度T : T实际实际- T理论理论A1Ac1Ar1SAccmAcmArcmAc3A3Ar3同理，冷却过程的固态相变需同理，冷却过程的固态相变需过冷度过冷度 钢的热处理中六个重要的温度参数：钢的热处理中六个重要的温度参

5、数： A1 A3 Acm ； Ac1 Ac3 Accm 加热过程加热过程 Ar1 Ar3 Arcm 冷却过程冷却过程4 奥氏体形成过程（共析钢）奥氏体形成过程（共析钢） （4）奥氏体中）奥氏体中 C 的扩散均匀化。的扩散均匀化。 (万秒万秒) （3） 剩余剩余 Fe3C 的溶解；的溶解； (千秒千秒)（2）奥氏体向）奥氏体向 F 及及 Fe3C 两侧长大两侧长大(几百秒几百秒) 四个阶段：四个阶段：（1）奥氏体在）奥氏体在FFe3C 界面上形核（界面上形核（10秒）秒） * 任何固态相变均需形核与长大过程任何固态相变均需形核与长大过程 * 形核需要形核需要“三个起伏条件三个起伏条件”： 成分起

6、伏、结构起伏、能量起伏成分起伏、结构起伏、能量起伏 故晶界或缺陷处易形核故晶界或缺陷处易形核5 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程 亚共析钢：亚共析钢：F + P F + A A 过共析钢：过共析钢： Fe3C + P Fe3C + A A 例：例：球化退火，要求获得粒状珠光体球化退火，要求获得粒状珠光体 要求要求A 中中 C 不均匀不均匀 控制第三、四阶段控制第三、四阶段* 奥氏体化的目的奥氏体化的目的： 获获成分均匀、晶粒细小成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒的奥氏体晶粒 * 实际热处理中实际热处理中 须控制须控制奥氏体化程度奥氏体化程度。标准晶粒度级别图标准晶粒

7、度级别图（3）本质晶粒度）本质晶粒度 指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度和本质细晶粒度。和本质细晶粒度。 测定方法：加热至测定方法：加热至93010，保温，保温8h， 若若A晶粒晶粒1-4 级：级：本质粗晶粒度钢本质粗晶粒度钢， 5-8 级：级：本质细晶粒度钢本质细晶粒度钢。 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关 机理：机理： 难溶粒子的机械阻碍作用难溶粒子的机械阻碍作用 Al 脱氧镇静钢脱氧镇静钢 含含V、Ti、Nb、Zr 钢钢机理：机理： 难溶粒子的难溶粒子的机械阻

8、碍作用机械阻碍作用 例如：例如：AlN、VN、TiN、NbN、ZrN本质细晶粒钢本质细晶粒钢本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢 是确定热处理工艺参数以及热处理质是确定热处理工艺参数以及热处理质量的重要依据量的重要依据 “过热过热” ：热处理加热中：热处理加热中A晶粒显著粗晶粒显著粗化化 本质粗晶粒钢：须严格控制加热本质粗晶粒钢：须严格控制加热T、t 需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢 例如例如：渗：渗 C 用钢用钢 20MnVB, 20CrMnTi 本质细晶粒度钢本质细晶粒度钢12501050 900 保温时间保温时间 t晶粒度晶粒度 加热速度加热速度 常规加热速度下影响不

9、大常规加热速度下影响不大 快速加热，短时保温的超细快速加热，短时保温的超细化工艺如高频加热，激光加热等化工艺如高频加热，激光加热等 冷却过程冷却过程热处理工艺的关键部热处理工艺的关键部分，对控制热处理以后的组织与性能起分，对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用，不同的冷却速度获不同的着极大作用，不同的冷却速度获不同的组织与性能。组织与性能。 1 高温转变产物高温转变产物 Fe、C均扩散均扩散 亚共析钢：亚共析钢： F+P; 共析钢：共析钢：P； 过共析钢：过共析钢： P+Fe3C 珠光体类型珠光体类型 化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现现 扩散类型扩散类型

10、2 中温转变产物中温转变产物Fe不扩散，不扩散，C部分扩散部分扩散 (C过饱和的）过饱和的）+Fe3C的机械混合物的机械混合物 贝氏体类型贝氏体类型( B) 化学成分的变化靠扩散实现化学成分的变化靠扩散实现 晶格类型的转变非扩散性晶格类型的转变非扩散性 半扩散性半扩散性 3 低温转变产物低温转变产物 Fe、C均不扩散均不扩散非扩散型非扩散型 得得 C 在在-Fe 中的中的过饱和过饱和固溶体固溶体 马氏体马氏体 马氏体类型马氏体类型( M) T A1MsMfAMM+ARA过冷过冷ABAPAPB700500200 孕孕HRC154045 5560110102103104105过冷奥氏体过冷奥氏体与

11、与奥氏体奥氏体的区别的区别C曲线曲线 产物：产物：P：珠光体珠光体B：贝氏体贝氏体M：马氏体马氏体 鼻点鼻点亚共析钢、过共析钢亚共析钢、过共析钢C曲线曲线 ：亚共析钢、过共析钢亚共析钢、过共析钢C曲线曲线 ：以珠光体转变为例：以珠光体转变为例： 亚共析钢珠光体型转变式：亚共析钢珠光体型转变式： AF先共析先共析 + P 过共析钢珠光体型转变式：过共析钢珠光体型转变式： A Fe3C先共析先共析 + P 多一条先共析相析出线；多一条先共析相析出线； 先共析相量随转变温度下降而减少先共析相量随转变温度下降而减少，鼻点温度以下无先共析相析出。，鼻点温度以下无先共析相析出。 转变温度的降低会抑制先共析

12、转变温度的降低会抑制先共析相的析出；相的析出； 当转变温度足够低，先共析相当转变温度足够低，先共析相的析出被完全抑制的析出被完全抑制由由非共析成非共析成分分获得的共析组织称为获得的共析组织称为伪共析体伪共析体指溶入奥氏体中的指溶入奥氏体中的C0.9%C0.9C+0.5Mn0.9C+1.2Mn 0.9+2.8MnTT0.5C0.5C+2%Cr0.5C+4%Cr0.5C+8%Cr （2） 合金元素合金元素 除除Co、Al（WAl2.5%）外外，其它合金元素，其它合金元素随随 Me%，C曲曲线右移线右移 须溶入须溶入 A 中中 TMsCo,AlNi,Si,Cu,MnSiNi,Cu,MnCo,Al 外

13、所外所有合金元素有合金元素非碳化物形成元素：只改变非碳化物形成元素：只改变C曲线位置曲线位置 Co,Al,Ni,Cu,Si强碳化物形成元素强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响等的影响： 改变改变C 曲线位置和形态曲线位置和形态T中强碳化物形成中强碳化物形成元素元素Cr 的影响的影响强碳化物形成元素强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响等的影响 碳化物形成元素改变碳化物形成元素改变 C 曲线位置和形状曲线位置和形状 Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr 等；等； 对对Ms点的影响点的影响： Co、Al 使使 Ms ， 其它合金元素使其它合金元素使 Ms 2 奥氏体组织奥

14、氏体组织： 愈细，成分及组织愈不均匀，愈细，成分及组织愈不均匀，未溶第二相愈多未溶第二相愈多左移。左移。 T、t，晶粒粗大，成分、组晶粒粗大，成分、组织均匀，织均匀，A 稳定性稳定性 右移。右移。 其它：其它： 应力和塑性变形应力和塑性变形三三 过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线( Continous Cooling Transformation -CCT ) Vc：连续冷却中全部连续冷却中全部 A过过 M的最小的最小V冷冷 临界淬火速度临界淬火速度 上临界冷却速度上临界冷却速度 VC：连续冷却中全部连续冷却中全部 A过过 P 的最大的最大V冷冷 下临界冷却速度下临界冷却速度

15、：P； ：M； ：P+M共析碳钢共析碳钢 TTT 与与 CCT 曲线曲线A1MsMfTCCVcVcMM+PP 共析碳钢共析碳钢 CCT曲线曲线 共析碳钢共析碳钢 TTT曲线曲线PS PkVc 冷却速度对转变产物类型的影响：冷却速度对转变产物类型的影响： 可用可用VC、VC判断。判断。 当当 V VC 时，时， A过冷过冷M ； 当当VVC时，时， A过冷过冷P ； 当当 VC V VC 时，时， A过冷过冷P +M* 实际中由于实际中由于CCT曲线测量难，可曲线测量难，可用用TTT曲线代替曲线代替CCT曲线作定性分析曲线作定性分析，判断获得，判断获得M的难易程度。的难易程度。* 连续冷却的连续

16、冷却的VC值是等温冷却值是等温冷却C曲曲线中与鼻点相切的线中与鼻点相切的VC的的1.5倍，故可用倍，故可用等温冷却等温冷却C曲线中曲线中VC代替或估算代替或估算.Fe3CFS0B上上B下下珠光体珠光体晶团晶团球（粒）状珠光体球（粒）状珠光体 珠光体的形态取决于加热时奥氏体化的程度珠光体的形态取决于加热时奥氏体化的程度 奥氏体成分奥氏体成分较较均匀均匀时时片片状；状； 不均匀不均匀时时球球（粒）粒）状状F/Fe3C相界面多少相界面多少 Fe3C 形态分布；形态分布； P粒粒的的HB、b P 片片； P粒粒的的、 P 片片真实应变真实应变1002 ：粒状珠光体：粒状珠光体1：片状珠光体：片状珠光体

17、真实应力真实应力 20 40 60 80200400600800S0 550 600 650 700 转变温度，转变温度，00.20.4HRC20304050b608010012003050 通过加快钢冷却速度，可获得强硬度较好通过加快钢冷却速度，可获得强硬度较好的伪共析组织的伪共析组织(1) 定义：偏离共析成分的定义：偏离共析成分的A过冷过冷形成的珠光体形成的珠光体。(2) 形成条件：下图红线区形成条件：下图红线区GSEGE+ Fe3Cx1x2A3AcmA1Twc(3) 应用：应用： 亚共析钢热轧后即水冷或喷雾冷亚共析钢热轧后即水冷或喷雾冷却，却，F先先% ，P%， b； V冷冷，（正火代替

18、退火），抑制，（正火代替退火），抑制Fe3C先先，消除网状渗碳体。，消除网状渗碳体。1 马氏体晶体结构马氏体晶体结构 马氏体：马氏体： C 在在-Fe 中的中的过饱和过饱和固溶体固溶体。 单相单相 亚稳亚稳正方度：正方度： c/a-c/a =1+0.046C% 马氏体：马氏体：体心立方体心立方, C%1另：体心斜方另：体心斜方, C%1.4%, c/a1, b/a1bac0.10.3m10 m马氏体束 一些位向相同的板条晶构成马氏体束；一些位向相同的板条晶构成马氏体束； 原奥氏体晶粒中含原奥氏体晶粒中含35个位向不同的个位向不同的 M 束束 块状马氏体块状马氏体 片与片之间不平行，约呈片与片之

19、间不平行，约呈60； 晶粒大小不等，先大后小，晶粒大小不等，先大后小， 先形成的先形成的 M 片贯穿片贯穿A晶粒；晶粒；孪晶孪晶 其它形态马氏体其它形态马氏体 闪电状、蝴蝶状等闪电状、蝴蝶状等0 0.4 0.8 1.2 C , % 7550 25100板条马氏体量，板条马氏体量，%C%MsMf温度，温度， Ms，A强度低（强度低（210Mpa），易孪生（所），易孪生（所需应力小）需应力小） 孪晶孪晶 , 片状。片状。 分界温度大约为分界温度大约为200 ； 滑移或孪生所需应力与温滑移或孪生所需应力与温度及马氏体亚结构的关系度及马氏体亚结构的关系应应力力温度温度孪生孪生滑移滑移板条状板条状片状片

20、状200 本质：奥氏体变形方式的分界温度本质：奥氏体变形方式的分界温度AR%高于高于ACm淬火淬火高于高于AC1淬火淬火马氏体硬度马氏体硬度 注意注意马氏体硬度马氏体硬度与与钢硬度钢硬度的差异。的差异。Fe3CAR%钢中马氏体强化机制钢中马氏体强化机制： C 的的固溶强化固溶强化： 相变强化相变强化(亚结构强化亚结构强化)： 高密度位错、孪晶、层错；高密度位错、孪晶、层错； 时效时效(沉淀沉淀)强化强化： C 向缺陷处扩散偏聚或析出，钉扎位错。向缺陷处扩散偏聚或析出，钉扎位错。C%0.6121：未时效：未时效2：0时效时效3hFe-Ni-C合金马氏体合金马氏体 低碳低碳 M “自回火自回火”。

21、 转变快速性：转变快速性： M形成速度极快，形成速度极快，10-510-7SC%MsMf温度，温度，0.6C%AR %60 40 20 0.5 0.7 0.9 1.1 经验式经验式： MS ()=535-317wc-33wMn-28wCr -17wNi -11(wSi+wMo+wW)注注： 非简单迭加；非简单迭加； 须固溶入须固溶入 A 中。中。 C%，Me , MS 、Mf, AR ；1%C 使使MS 约约300 六六 钢的贝氏体转变钢的贝氏体转变上贝氏体上贝氏体Fe3C过饱和过饱和相相羽毛状羽毛状过饱和过饱和相相Fe3C针状针状转变类型转变类型珠光体珠光体贝氏体贝氏体马氏体马氏体转变温度转

22、变温度高温高温(Ar1550)中温中温(BSMS)低温低温( MS)扩散性扩散性Fe、C、Me扩散扩散C扩散扩散; Fe、 Me不扩散不扩散C、Fe、 Me均不扩均不扩散散组成相组成相两相组织：两相组织：+Fe3C两相组织：两相组织：(C)+FexC单相：单相：C过饱和过饱和(C)共格性共格性无共格性无共格性共格性共格性共格性共格性回火马氏体回火马氏体回火索氏体回火索氏体回火温度， 100 200 300 400 500 600 700AR %内应力内应力M中中C%渗碳体尺寸渗碳体尺寸 定义定义： 随回火温度提高，淬火钢韧性在某随回火温度提高，淬火钢韧性在某些温度区间显著下降的现象。些温度区间显著下降的现象。 100 200 300 400 500 600 700回火温度，回火温度， 510152025 ak快冷快冷慢冷慢冷0.3%C-1.7%Cr-3.4Ni 低温回火脆性形成原因及防止方法低温回火脆性形成原因及防止方法 形成原因：形成原因： 片状碳化物沉淀理论