航空工程材料 热处理原理

钢的热处理原理钢的热处理是工厂中最常用、最方便而且非常经济、有效的改善力学性能的方法。他是采用适当的方式对钢材或工件进行加热、保温和冷却，使材料的组织结构发生变化，以获得预期的组织结构与性能的工艺，所以，热处理是改善钢的使用性能和工艺性能的一种重要的一．热处理分类和作用所谓钢的热处理就是将固态金属采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织与性能的工艺，如下图所示为最基本的热处理工艺曲线形式。2.分类1）根据热处理的工艺方法、要求和目的不同，热处理工艺一般（1）普通热处理：正火、退火、淬火、回火（2）表面热处理：表面淬火、化学热处理化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等2）按工序位置、处理对象和目的不同，可分为两类：（1）预备热处理：退火、正火等（2）最终热处理：淬火、回火、调质等1）消除毛坯缺陷，改善工艺性能，以利于进行冷、热加工；2）充分发挥材料潜力，显著提高力学性能，进而提高产品质量，延长使用寿命。二．钢在加热时的组织转变加热是热处理的第一道工序，如图1所示。大多数热处理工艺首先要将钢加热到相变点（又称临界点）以上，目的是获得奥氏体。共析钢、亚共析钢和过共析钢分别被加热到PSK（A1）线、GS（A3）线和ES（Acm）线以上温度才能获得单相奥氏体组织。Al、A3和Acm都是平衡相变点。但在实际热处理时，加热和冷却都不可能是非常缓慢的，因此组织转变都要偏离平衡相变点，即加热时偏向高温，冷却时偏向低温。为了区别于平衡相变点，通常将加热时的相变点用Acl、Ac3和Accm表示；而冷却时的相变点用Arl、Ar3和Arcm表示。图1所示为各相变点在Fe-Fe3C相图上的位置。钢的相变点是制定热处理工艺参数的重要依据，各种钢的相变点可在热处理手册中查到。图1加热和冷却时各相变点的位置1．奥氏体的形成过程任何成分的钢加热到A1点以上时，都要发生珠光体向奥氏体的转变过程（奥氏体化下面以共析钢为例，来分析奥氏体化过程。共析钢加热到Acl温度时，便会发生珠光体向奥氏体的转变，转变过程遵从结晶的普遍规律。奥氏体的形成过程可分四个阶段，如图2所示。图2共析钢中奥氏体形成过程示意图1）奥氏体晶核的形成奥氏体的晶核优先形成于铁素体和渗碳体的相界面上，这是因为相界面上原子排列不规则，空位多，位错密度高，成分不均匀，处于铁素体和渗碳体的中间值；这在浓度和结构两方面为奥氏体晶核的形成提供了有利的条件。2）奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成后逐渐长大。晶核的长大是依靠与其相邻的铁素体向奥氏体的转变和渗碳体的不断溶解来完成的。这样，奥氏体晶核就向渗碳体和铁素体两个方面长大。3）剩余渗碳体的溶解在奥氏体形成过程中，当铁素体完全转变成奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解。这部分剩余的渗碳体随着保温时间的延长，不断向奥氏体中溶解，直至全部消失。4）奥氏体的均匀化当剩余渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度仍然是不均匀的，在原渗碳体处的含碳量比在原铁素体处的含碳量要高一些。因此，需要继续延长保温时间，依靠碳原子的扩散，使奥氏体的成分逐渐趋于均匀。热处理加热后的保温阶段，不仅为了使零件热透和相变完全，而且还为了获得成分均匀的奥氏体，以便冷却后获得良好的组织和性能。应当指出，在生产中钢的热处理并非都要求达到奥氏体均匀化，而是根据热处理的目的，控制奥氏体形成的不同阶段。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相似，不同之处是亚共析钢和过共析钢需加热到Ac3或Accm以上时，才能获得单一的奥氏体组织，即完全奥氏体化。但对过共析钢而言，此时奥氏体2．奥氏体晶粒的长大及其影响因素奥氏体晶粒的大小对冷却转变后钢的性能有很大影响。热处理加热时，若获得细小、均匀的奥氏体，则冷却后钢的力学性能就好。因此，奥氏体晶粒的大小是评定热处理加热质量的主要指标之一。1）晶粒大小的表示方法金属组织中晶粒的大小用晶粒度级别指数来表示。根据GB6394—86《金属平均晶粒测定方法》，晶粒度的测定方法有比较法、面积法和截点法。晶粒度的数值表示方法有晶粒度级别指数、单位体积晶粒数、晶粒公称直径等8种。2）奥氏体晶粒度的概念奥氏体一般有三种晶粒度概念，即起始晶粒度、实际晶粒度和本（1）起始晶粒度指珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶粒的大小。一般比较细小而均匀。（2）实际晶粒度指钢在某一具体加热条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。实际晶粒度一般比起始晶粒度大，其大小直接影响钢热处理（3）本质晶粒度表示某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向，不是晶粒大小的实际度量。图3表示了加热温度与奥氏体晶粒长大的关系。图3加热温度与奥氏体晶粒长大的关系在工业生产中，一般沸腾钢为本质粗晶粒钢，镇静钢为本质细晶粒钢。需要进行热处理的零件多采用本质细晶粒钢，因为一般热处理工艺的加热温度都在950℃以下，因此奥氏体晶粒不易长大，可避免3）奥氏体晶粒长大及其影响因素保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显。随着钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向也增大。但当wc>1.2%时，奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体能阻碍晶粒的长大。钢中加入能生成稳定碳化物的元素（如Nb、Ti、V、Zr等）和能生成氧化物及氮化物的元素（如A1等都会阻止奥氏体晶粒长大，而锰和磷是增加奥氏体晶粒长大倾向的元素。奥氏体晶粒长大的结果，对零件的热处理质量有很大的影响。为了控制奥氏体晶粒长大，热处理加热时要合理选择并严格控制加热温度和保温时间，合理选择钢的原始组织及选用含有一定量合金元素的钢材等。三．钢在冷却时组织转变钢经奥氏体化后，由于冷却条件不同，其转变产物在组织和性能上有很大差别。从下表可以看出，45钢在同样奥氏体化条件下，由于冷却速度不同，其力学性能有明显差别。表145钢加热到840℃后，在不同条件下冷却后的力学性能冷却方法σb/MPaσs/MPaδ/%ψ/%硬度/HRC27232.549空气冷却657~70633345~50油中冷却6084840~50水中冷却7067~8在热处理生产中，常用的冷却方式有两种，即等温冷却和连续冷却，如图4所示。钢在等温冷却或连续冷却条件下冷却，其组织的转变均不能用Fe-Fe3C相图分析。为了研究奥氏体在不同冷却条件下冷却时的组织转变的规律，测定了过冷奥氏体等温转变图和连续冷却转变图，这两个图揭示了过冷奥氏体转变的规律，为钢的热处理奠定了理论基础。图4两种冷却方式示意图1．过冷奥氏体的等温转变1）共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点图5所示是共析钢过冷奥氏体等温转变图。图中曲线呈“C”字形，通常又称C曲线。在C曲线中，左边的一条C形曲线为过冷奥氏体等温转变开始线，右边的一条为等温转变终了线。在转变开始线的左方是过冷奥氏体区，在转变终了线的右方是转变产物区，两条曲线之间是转变区。在C曲线下部有两条水平线，一条是马氏体转变图5共析钢过冷奥氏体等温转变图（1）在A1线以上，奥氏体处于稳定状态。（2）在A1线以下，过冷奥氏体在各个温度下的等温转变并非瞬时就开始，而是经过一段“孕育期”（以转变开始线与纵坐标之间的距离表示）。孕育期越长，过冷奥氏体越稳定，反之则不稳定。孕育期的长短随过冷度而变化，在靠近A1线处，过冷度较小，孕育期较 长。随着过冷度增大，孕育期缩短，约在550℃时孕育期最短。此后，孕育期又随过冷度的增大而增长。孕育期最短处即C曲线的“鼻尖”处过冷奥氏体最不稳定，转变最快。（3）过冷奥氏体在A1线以下的不同温度范围内，可发生三种不同类型的转变：高温珠光体型转变；中温贝氏体型转变和低温马氏体2）共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能（1）珠光体型转变转变发生在A1～550℃温度范围内。在转变过程中铁、碳原子都进行扩散，故珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变是以形核长大方式进行的，在A1～550℃温度范围内，奥氏体等温分解为层片状的珠光体组织。珠光体层间距随过冷度的增大而减小。按其层间距的大小，可分为珠光体、索氏体（细珠光体）和托氏体（极细珠光体）三种。（2）贝氏体型转变转变发生在550℃~Ms温度范围内。由于贝氏体的转变温度较低，铁原子扩散困难，因此，贝氏体（以符号B表示）的组织形态和性能与珠光体不同。根据组织形态和转变温度不同，贝氏体一般可分为上贝氏体和下贝氏体两种。上贝氏体是在550~350℃温度范围内形成的，其显微组织特征呈羽毛状，它是由成束的铁素体条和断续分布在条间的短小渗碳体组成的。（3）马氏体型转变是当奥氏体被迅速过冷至MS线以下时发生的转变。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定温度范围内(MS~Mf线之间)连续冷却时完成的。2.过冷奥氏体的连续冷却转变在实际生产中，热处理多采用连续冷却的方式冷却，有必要通过钢的连续冷却转变图（CCT曲线）了解过冷奥氏体连续冷却的转变