钢的热处理(工程材料课件)

1、第三章钢的热处理，改善钢的性能主要有两种方法：一是合金化，这是下一章的研究内容第二是热处理，这是本章讨论的内容。 概要： 1、热处理：用固体加热、保温、冷却钢，改变钢的组织结构，获得必要的性能的技术，为了简洁地描述热处理的基本工艺，用通常温度时间坐标绘制了热处理工艺曲线。 机床制造约有60-70%的零件经过热处理。 汽车和拖拉机制造业需要热处理的零件达到70-80%。 热处理是重要的加工技术，在制造业中广泛应用。 模具、滚动轴承需要100%热处理。 也就是说，重要的零件必须经过适当的热处理后再使用。 2、热处理特征：热处理与其他加工技术，如铸造、冲压加工等特征不同，只需改变工件的组织就能改变性

2、能，不改变形状。 3、热处理的应用范围：仅适用于固态相变材料，并且不固态相变的材料不能通过热处理强化。 4、热处理分类热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律，称为热处理原理。 热处理过程：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称为热处理过程。 根据加热、冷却方式和钢组织的性能变化特点，将热处理工艺分为以下几类： 5、将预热处理和最终热处理预热处理分为下一个加工(冷加工、冲压、切削)或热处理准备的热处理。 最终热处理是赋予工件所要求的使用性能的热处理，钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 加热冷却速度直接影响转

3、变温度，因此一般手册的数据是在以30-50/h的速度加热或冷却时测定的.6.临界温度和实际的转变温度铁碳相图的PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示.在实际的加热或冷却时有过冷却或过热现象加热是在A1以下加热，不发生相变，另一种是在临界点以上加热，以得到均匀的奥氏体组织为目的，称为奥氏体化。 钢坯加热、一、奥氏体形成过程的奥氏体化也可在形核和生长过程中分为四个阶段。 在此，以共析钢为例进行说明，第一阶段奥氏体核形成：首先在与Fe3C的边界上形成核。 第二阶段奥氏体核生长：核通过碳原子的扩散向Fe3C方向生长。 第三阶段残留Fe3C溶解：铁氧体的成分、结构接近奥氏体，因此先消失。 多馀

4、的Fe3C随着保温时间的延长而溶解消失。 第四阶段奥氏体成分均匀化： Fe3C溶解后，其所在部位的碳含量仍然很高，经过长时间的保温，奥氏体成分均匀化。 共析钢的奥氏体化过程，亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。 但是，首先由于共析和二次Fe3C的存在，为了得到奥氏体组织整体，必须加热到Ac3以上。 二、奥氏体晶粒生长及其影响因素，一、奥氏体晶粒生长刚结束后的粒度称为起始粒度，在这种情况下，粒径细小且均匀。 随着加热温度的上升和保温时间的延长，奥氏体、晶粒进一步生长也是自发的过程。 奥氏体粒生长过程与再结晶粒生长过程相同。 用温度判断。 结晶粒度为14级的是本质的粗晶粒钢，58级的

5、是本质的细晶粒钢。 前者粒生长倾向大，后者粒生长倾向小。 规定温度下的奥氏体的结晶粒度称为实际结晶粒度。 加热时奥氏体粒的生长倾向称为本质粒度。通常，将钢加热到930 10奥氏体化后，将奥氏体粒留在容器中，标准粒度等级，2，影响奥氏体粒生长的因素加热温度和保温时间：加热温度高，保温时间长，粒粗大。 加热速度：加热速度越快，过热度越大，成核率越高，颗粒越细。 合金元素：阻碍奥氏体晶粒生长的元素： Ti、v、Nb、Ta、Zr、w、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。 促进奥氏体晶粒生长的元素： Mn、p、c、n。 原始组织：的平衡状态的组织有利于得到微细的晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织

6、也粗大，降低钢的常温力学性能，特别是塑性。 因此，加热得到微细均匀的奥氏体晶粒是热处理的重要问题之一。 钢冷却时的转换、冷却是热处理更重要的工序。 另一方面，过冷却奥氏体的相变产物和相变过程在临界点A1以下的奥氏体称为过冷却奥氏体。 过冷却奥氏体是非稳定组织，迟早会发生相变。 根据过冷却度，过冷却奥氏体发生珠光体相变、贝氏体相变、马氏体相变三种相变。 目前，以共析钢为例，有二、过冷奥氏体相变图、过冷奥氏体相变方式分为等温相变和连续冷却相变两种。 2种冷却方式的模式图1等温冷却2连续冷却、过冷却奥氏体的等温相变图是表示奥氏体迅速冷却至临界点A1以下的各温度下保温过程的过渡量与过渡时间的关系的曲线

7、。 也被称为c曲线、s曲线或TTT曲线。过冷却奥氏体的等温相变图、(time-temperature-transformationdiagram )、1、c曲线的制作，以联合析钢为例，采集几个小样品，进行奥氏体化。 把样品分成温度低于A1点的盐浴，每隔一定时间采集一次样品，然后放入水中。 测量每个样品的转移量，确定各温度下的转移量和转移时间的关系。 将各温度下的转变开始时间和结束时间绘制在温度时间坐标上，并分别连接起来。 过渡起点的线称为过渡起点线。 转换端点的连接称为转换端点线。 A1-Ms间及转移开始线以左边的区域为过冷却奥氏体区域。 转换终止线以右及Mf以下为转换产物区。 两线之间和PS

8、和PS之间是迁移区。 2、c曲线的解析迁移开始线和纵轴间的距离为育成期。 培育期越小，过冷却奥氏体的稳定性越小。 发育期最小的地方被称为c曲线的“鼻尖”。 碳钢鼻尖的温度是550。 鼻尖以上温度高，相变驱动力小。 鼻尖以下温度低，难以扩散。 奥氏体的稳定性提高。 c曲线明确显示了过冷却奥氏体在不同温度下的等温相变生成物。 影响3、c曲线的因素成分的影响碳含量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，c曲线最靠右。 PS和PS点随着碳含量的增加而降低。 与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢的c曲线上部分别先有一条共析相的析出线。Cr对c曲线的影响，合金元素的影响除了Co以外，溶入奥氏体的合金元素都使c曲线向

9、右偏移。 除了Co和Al以外，所有的合金元素都降低了PS和PS点。 推杆式电阻炉、奥氏体化条件的影响延长奥氏体化温度的上升和保温时间，使奥氏体成分均匀，减少晶粒粗大、未溶解碳化物，增加过冷却奥氏体的稳定性，使c曲线向右偏移。 使用c曲线时，请注意奥氏体化条件和结晶粒度的影响。 珠光体相变1、珠光体的组织形态和性能过冷却奥氏体，在a1560之间相变成珠光体型组织，是铁素体和渗碳体层间的机械混合物，根据层厚细分为珠光体、源体、吐司体，珠光体：形成温度从a160 层厚500倍光镜可以识别，用符号p表示，蝎子体的形成温度为650-600，薄片层薄，用800-1000倍光镜可以识别，用符号s表示。 圆环

10、体的形成温度为600-560，薄片层极薄，可以用电子显微镜识别，用符号t表示。珠光体、索利斯、屈氏体三个组织没有本质上的差异，只是形态上的粗细，其边界也是相对的。 片材间隔越小，钢的强度、硬度越高，塑性和韧性稍有改善。 2、珠光体相变过程的珠光体相变也是形核和生长的过程。 渗碳体的结晶核首先形成于奥氏体晶界，在生长过程中，其两侧在里侧生长，形成珠光体团。 珠光体相变是扩散型相变。 马氏体的碳含量降低，铁素体核、两者相间核合并、珠光体相变、珠光体相变过程、珠光体相变过程观察、贝氏体相变1、贝氏体的组织形态和性能过冷却奥氏体在560- 230 (Ms )之间转变为贝氏体型组织，贝氏体型组织根据组织

11、形态，贝氏体分为上贝氏体(b上)和下贝氏体(b下)，上贝氏体形成温度为550-350。 在光镜下呈羽毛状，在电子显微镜下不连续的棒状渗碳体分布在从奥氏体晶界与粒内平行生长的铁氧体条之间。 下贝氏体的形成温度为350-Ms。 镜子下面像竹叶一样。 在电子显微镜下，细板状碳化物分布在铁氧体针内，与铁氧体针的长轴方向成55-60角。 上贝氏强度和塑性低，没有实用价值。 下贝氏体不仅强度、硬度高，塑性、韧性也好，即具有良好的综合力学性能，是生产中常用的强化组织之一。 2、贝氏体相变的过程贝氏体相变也是形核和生长的过程。 发生贝氏体相变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁氧体核，其碳含量处于奥氏体和平衡铁氧

12、体之间，是过饱和铁氧体。 相变温度高(550-350 )时，板条状铁素体从奥氏体晶界平行于晶内生长，随着铁素体条的伸长和扩展，其碳原子浓化为板条间奥氏体，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，在b上上贝氏体相变过程，贝氏体相变是半扩散型相变，即仅碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格型的变化通过切变来实现。 相变温度低(350- 230 )时，铁氧体在晶界或粒内的某晶面生长成针状，碳的扩散能力低，因此转变不能超过铁氧体片的范围，碳作为断续的碳化物小片析出。 下贝氏体相变、马氏体相变在奥氏体过冷至Ms以下时会变成马氏体型组织。 马氏体相变是强化钢的重要方法之一。 1、马氏体结晶结构碳在-Fe中的

13、过饱和固溶体被称为马氏体，用m表示。 在马氏体组织、马氏体相变时，奥氏体中的碳全部残留在马氏体中，马氏体的体心正方晶格(a=bc )轴比c/a称为马氏体的正方度。 C%越高，正的角度越大，正的变形越大。 在0.25%C的情况下，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格，2，马氏体的形态马氏体的形态分为条纹和针状。 拉斯马氏体的立体形态为细长的扁平棒状，在光镜下拉斯马氏体成为束的细组织。 各束的内条和条之间的尺寸大致相同且平行排列，可以在一个奥氏体晶粒内形成几个方位不同的马氏体束。 在电子显微镜中，板条内的子结构主要是高密度位错，=1012/cm2，也被称为位错马氏体。 针状马氏体的立体形态为双凸透

14、镜形的片状。 微观组织是针状的。 在电子显微镜中，亚结构主要是双晶，也被称为双晶马氏体。 马氏体形态主要在碳含量C%低于0.2%时，组织大部分为拉斯马氏体。 C%大于1.0%C时，大部分为针状马氏体。 C%在0.21.0%之间是板条和针状的混合组织。 马氏体相变观察显示，3、马氏体性能高硬度是马氏体性能的主要特征。 马氏体的硬度主要取决于碳含量。 碳含量增加，其硬度增加。 碳含量超过0.6%时，硬度有变缓的倾向。 合金元素对马氏体硬度影响不大。 马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。 另外，马氏体相变引起的组织微细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。 针状马氏体

15、脆性大，板条马氏体具有良好的塑性和韧性，4、马氏体相变的特征马氏体相变也是形核和生长的过程。 其主要特征是没有扩散性，铁和碳都不扩散，因此马氏体的碳含量与奥氏体的碳含量相同。 由于共格切断改性没有扩散，晶格转移通过切断机制进行。 使剪切变形部分的形状和体积发生变化，使相邻的奥氏体变形，在预先研磨的表面上发生浮起现象。 降温后马氏体相变开始的温度用马氏体点、Ms表示，马氏体相变结束的温度用马氏体点、Mf表示，在Ms以下时会发生马氏体相变。 在Ms以下，随着温度的下降，转移量增加，冷却中断，转移停止。 高速生长马氏体的形成速度极快，瞬间形成核，瞬间生长。 如果形成一片马氏体，则由于碰撞作用而形成的

16、马氏体有可能产生裂纹。 相变不完全，冷却到Mf点也不能得到100%的马氏体，整体上奥氏体的一部分不能相变，称为残留奥氏体，用a或表示。 Ms、Mf与冷速无关，主要依赖于奥氏体中的合金元素含量(包含碳含量)。 马氏体相变后，a量随着碳含量的增加而增加，碳含量达到0.5%时，a量变得显着。 过冷却奥氏体相变生成物(共析钢)、过冷却奥氏体连续冷却相变图过冷却奥氏体连续冷却相变图也称为CCT (continuous-cooling-transformationdiagram )曲线，以不同的冷速度过冷却奥氏体的相变量1、共析钢的CCT曲线共析钢的CCT曲线上没有贝氏体相变区，珠光体相变区下增加了一条转

17、移中止线。 连续冷却曲线碰到相变中止线时珠光体相变被中止，剩馀的奥氏体相变到Ms以下。 图中的Vk是CCT曲线的临界冷却速度，即得到马氏体组织整体时的最小冷却速度. Vk是c曲线的临界冷却速度. Vk 1.5 Vk。 CCT曲线位于TTT曲线的右下方。 CCT曲线很难得到，TTT曲线很容易测量。 用TTT曲线定性地说明连续冷却时的组织变化。 方法将连续冷却曲线绘制在c曲线上，在与c曲线交点的位置说明最终相变产物。p、均匀a、细a、p、退火、(炉冷)、(正火、(空冷)、s、淬火、(油冷)、T M A、M A、淬火、(水冷)、45钢850油冷组织，2、过共析钢CCT曲线上也没有贝氏体相变区，但AF

18、e3C相变起始线比共析钢CCT曲线多一条。 由于Fe3C的析出，奥氏体中的碳含量降低，因此Ms线的右端上升。 3、亚共析钢CCT曲线中有贝氏体相变区，AF起始线也多，由于f析出，a含量上升，因此Ms线的右端下降。 钢的退火和正火，机械零件的一般加工技术，在坯料(铸造、锻造)前，准备了热处理加工的最终热处理。 退火和正火主要用于预热处理，只有在工件性能要求不高时才进行最终热处理。 另一方面，退火，把钢加热到适当的温度保温，然后慢慢冷却(炉冷)的热处理过程称为退火。 1 .调整退火的目的、硬度，便于切削加工。 适合加工的硬度是170-250HBS。 消除内部应力，防止加工中的变形。 将晶粒微细化，为最终热处理做组织准备。 真空退火炉、2、退火工艺退火种类很多，常用的是完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、脱应力退火、再结晶退火。 完全退火是将工件加热到Ac3 3050并保温后再退火的退火过程，主要是亚共析钢.等温退火亚共析钢加热到Ac3 3050，共析过共析钢加热到A