黄科院金属材料及热处理教案项目4 钢的热处理基础

项目四钢的热处理基础【内容简介】本项目主要介绍钢的热处理定义，钢在加热和冷却时组织转变的过程，为学习后续热处理方法提供知识支持。【学习目标】(1)掌握钢的热处理概念；(2)了解钢在加热时组织转变过程；(3)掌握钢在不同冷却方式下在各转变区域的产物及其特点。一、热处理的概念

将固态金属或合金在一定介质中加热到一定温度，保温一定时间，以一定速度冷却下来，以改变其内部组织和结构，获得所需性能的一种工艺称为热处理。

热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状和尺寸。

热处理归属材料加工工程领域。

二、热处理的作用

在机床、汽车、矿山、石油、化工、航空等行业中用的大量零部件都需要通过热处理工艺改善其性能。在机床制造中，约60~70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多大70~80%；而加工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。

总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。三、热处理的基本要素

热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。

加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种，一种是在临界点A1(钢的共析线)以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。

保温的目的是要保证工件烧透。保温时间和介质的选择与工件和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。

冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。四、热处理的基本类型根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以分为：常用钢的热处理常用钢的热处理普通热处理退火正火淬火回火表面热处理表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗及其他§4.1钢在加热时的组织转变一、铁碳相图和临界点平衡状态临界点：A1，Ar，Ac冷却时的临界点：Ar1，Ar3，Arcm加热时的临界点：Ac1，Ac3，Accm过热：加热时高于合金相图临界温度才发生相变的现象称为过热。过冷：冷却时低于合金相图临界温度才发生相变的现象称为过冷。图4-1钢加热和冷却时各临界点二、钢在加热时的组织转变（以共析钢为例）钢加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小等都对钢的冷却转变产物的组织和性能产生重要的影响。因此，研究钢在加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。共析钢加热到727°C（A1)以上，珠光体转变成奥氏体。包括四个阶段。(a)(a)(b)(c)(d)图4-2共析钢的奥氏体形成过程示意图奥氏体形核奥氏体形核奥氏体核长大残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化(一)奥氏体的形成1.奥氏体的形核P(Ｆ+Fe3C)→A0.0218%C6.69%C0.77%C体心立方复杂斜方面心立方奥氏体晶核在铁素体和渗碳体相界面处较易形成，其原因为：(1)在铁素体和渗碳体两相界面处，碳原子浓度最容易达到0.77%，获得形成奥氏体晶核所需的碳浓度；(2)在铁素体和渗碳体两相界面处，原子排列不规则，原子偏离平衡位置处于畸变状态，具有较高能量。2.奥氏体晶体的长大奥氏体晶核长大是依靠珠光体中铁素体向奥氏体转变和渗碳体不断溶入奥氏体而进行的，即奥氏体的相界向着铁素体和渗碳体这两个方向同时推移的过程。3.残余渗碳体的溶解当铁素体全部转变成奥氏体后，组织中还有一部分残余渗碳体存在，随着保温时间的延长，残余渗碳体不断溶入奥氏体中。4.奥氏体成分均匀化奥氏体转变刚结束，成分是不均匀的，须保温一段时间，通过碳原子的扩散等到成分均匀的奥氏体组织，以便在冷却后得到良好的组织与性能。5.亚(过)共析钢中奥氏体的形成亚共析钢和过共析钢加热时奥氏体的形成过程，基本上与共析钢相同。分别加热到A3、Acm点以上，才能获得成分均与的奥氏体。(二)影响奥氏体转变的因素1.加热温度：加热温度越高，铁、碳原子扩散速度越快，加速了奥氏体的形成。2.加热速度：加热速度越快，转变开始温度越高，转变终了温度也越高，完成转变所需时间越短，即奥氏体转变速度越快。3.钢的原始组织：钢的成分相同，其原始组织越细、相界面越多，奥氏体的形成速度就越快。三、奥氏体晶粒长大及其影响因素1、奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度，在研究奥氏体晶粒时，首先要区分三种晶粒度的概念。(1)初始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。(2)实际晶粒度：是指在某一具体加热或热加工条件下最终所得的奥氏体晶粒尺寸。(3)本质晶粒度：是根据冶金部标准YB27-64规定，将钢加热到930±10℃，保温3~8小时后，以适当方式冷却，在室温下测定的高温奥氏体晶粒大小。它表示各种钢奥氏体晶粒的长大趋势。晶粒容易长大的称为本质粗晶粒钢，晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢。奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示，标准晶粒度分为10级，1~4级为粗晶粒，5~10级称为细晶粒。图4-3本质粗晶粒钢与本质细晶粒钢奥氏体晶粒长大示意图2.影响奥氏体晶粒长大的因素(1)加热温度和保温时间随加热温度升高晶粒将逐渐长大。温度越高或在一定温度下保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。因此，必须严格控制加热温度和保温时间。(2)加热速度在相同的加热温度下，加热速度越快，过热度越大，形核率越高，起始晶粒度越小；另外，加热速度快，则加热时间就短，晶粒越来不及长大。(3)钢中合金元素的含量大多数合金元素均能不同程度地阻碍奥氏体晶粒长大。§4.2钢在冷却时的组织转变当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的，但当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体是不稳定的，会转变为其它的组织，钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。生产中采用的冷却方式包括：连续冷却和等温冷却两种。等温冷却：将奥氏体急冷到临界点以下某一温度保温，让其发生恒温转变，然后再冷却下来。右图折线2所示；连续冷却：从高温奥氏体状态一直连续冷却到室温。右图折线1所示。一、过冷奥氏体的等温转变1.等温转变曲线的建立将奥氏体迅速冷至临界温度以下的一定温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为过冷奥氏体等温转变。将若干共析碳钢小试样加热到奥氏体状态，保温一定时间后迅速冷却到A1点以下不同温度，例如700℃、650℃、600℃等等,随后在各温度下等温，每经过一定时间取出一个试样立即淬入水中。然后，用金相-硬度法确定在给定温度下经一定时间等温后转变产物的类型和转变百分数，将结果绘制成曲线，即为过冷奥氏体等温转变曲线，简称TTT曲线或C曲线。TimeTemperatureTransformation。由图可以看出：(1)在各不同温度下过冷奥氏体等温分解需要一段准备时间，称为孕育期。(2)当等温温度从A1点逐渐降低时，相变的孕育期逐渐减短，转变速度加快；温度下降到某一温度时，孕育期最短，转变速度最快，通常把此处称为C曲线的鼻部或拐点；温度再降低，孕育期反图4-5共析碳钢的C曲线而增长，转变速度减慢。(3)对于碳钢，在其C曲线鼻部以上为过冷奥氏体高温转变区，生成珠光体；在鼻部以下至Ms点之间为中温转变区，生成贝氏体；在Ms点以下为低温转变区，生成马氏体。2.过冷奥氏体等温转变产物的组织形态与性能(1)珠光体转变区(7270C---5500C)产物：珠光体珠光体的铁素体和渗碳体层片粗细与转变温度有关。温度越低，珠光体的层片越细。7270C---6500C：珠光体片层较粗，P（珠光体）6500C---6000C：珠光体层片较细，S（索氏体）(高倍显微镜)6000C--5600C：珠光体层片极细，T(托氏体)(电子显微镜)托托层片变细，强度硬度增加，塑性韧性有所下降。(2)贝氏体转变区B转变温度：550—Ms（240℃）产物：贝氏体贝氏体：由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。贝氏体的形状和性能：（与等温温度有关）550--350℃:贝氏体呈羽毛状，称为上贝氏体，记为B上,碳化物呈较粗的片状平行分布于铁素体板条间;350--Ms(240℃)：贝氏体呈针叶状，称之为下贝氏体，记为B下，碳化物呈细小颗粒状或短杆状均匀地分布在铁素体内。上贝氏体的形貌下贝氏体的形貌上贝氏体的硬度高，塑性、韧性差，脆性较大，不用。下贝氏体高强度、硬度、塑性韧性较好。工业中应用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件中。3.影响C曲线的因素(1)碳的质量分数在正常加热条件下，Wc<0.77%时，随和含碳量的增加，C曲线右移；而当Wc>0.77%时，随着含碳量的增加，C曲线左移。故碳钢中共析钢过冷奥氏体最稳定。C曲线的形状也发生了改变，亚共析钢和过共析钢的C曲线多一条先共析相析出线。亚共析钢形成先共析铁素体，过共析钢形成先共析渗碳体。随着奥氏体中碳含量的增加，Ms点及Mf点降低。(2)合金元素除钴外，所有合金元素溶入奥氏体后均能增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。(3)加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，晶粒越粗大，晶界面积越少，可使过冷奥氏体稳定性提高，C曲线右移。图4-9亚共析钢(0.54%C)过冷图4-10过共析钢(1.13%C)过奥氏体等温转变图冷奥氏体等温转变图二、过冷奥氏体的连续冷却转变将若干共析碳钢小试样在规定的温度奥氏体化后，以不同的速度连续冷却。在冷却中途的不同时期(即不同温度)分别取出一组试样用盐水急冷，以终止其中的分解转变过程。然后观察金相组织并测定硬度，以确定在各种冷速下连续冷却时的转变开始点和终了点。将这些点画在温度-时间坐标系中，并将转变开始点与终了点各自分别连在一起，绘成连续冷却转变图，简称CCT曲线。ContinuousCoolingTransformation图中CC′线为转变中止线；Ps-珠光体图4-11共析碳钢连续冷却转变图转变开始线；Pf-珠光体转变终了线；Ms-马氏体转变开始线；Mf-马氏体转变终了线。vk是使全部过冷奥氏体都不发生分解，而被过冷到Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称为上临界冷却速度，通常也叫临界冷却速度或临界淬火速度；vk’是过冷奥氏体全部转变为珠光体的最大冷速，称为下临界冷却速度。水冷—M油冷—M+T空冷—S炉冷—P三、C曲线与CCT曲线的区别连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下方，这说明在连续冷却转变过程中过冷奥氏体的转变温度低于相应的等温转变时的温度，且孕育期较长。等温转变的产物为单一的组织。而连续冷却转变时在一个温度范围内进行的，获得的组织不均匀，先转变的组织较粗，后转变的组织较细。在连续冷却时不发生贝氏体转变。四、马氏体转变转变温度：Ms（230°C）－Mf产物：马氏体M马氏体：碳在a--Fe中形成的过