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1、第五章钢的热处理 改善钢的性能 主要有两条途径 一是合金化 这是下几章研究的内容 二是热处理 这是本章要研究的内容 第5章钢的热处理 热处理 heattreatment 将固态金属或合金在一定介质中加热 保温和冷却 以改变整体或表面组织 从而获得所需材料性能的工艺过程 为简明表示热处理的基本工艺过程 通常用温度 时间坐标绘出热处理工艺曲线 5 1概述 什么是热处理 在机床制造中约60 70 的零件要经过热处理 在汽车 拖拉机制造业中需热处理的零件达70 90 热处理是一种重要的加工工艺 在制造业被广泛应用 模具 滚动轴承100 需经过热处理 总之 重要零件都需适当热处理后才能使用 5 1概述
2、热处理的重要性 热处理区别于其他加工工艺如铸造 压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能 而不改变其形状 铸造 轧制 适用于固态下发生组织转变的材料 不发生固态相变的材料不能用热处理来强化 5 1概述 热处理的特点及适用范围 热处理原理 描述热处理时钢中组织转变的规律 热处理工艺 根据热处理原理制定的温度 时间 介质等参数 5 1概述 热处理的分类 根据加热 冷却方式及钢组织性能变化特点不同 将热处理工艺分类如下 普通热处理 表面热处理 热处理 退火正火淬火回火 表面淬火 感应加热 火焰加热等 化学热处理 渗碳 渗氮 碳氮共渗等 5 1概述 热处理的分类 预备热处理 为随后的加工 冷拔
3、 冲压 切削 或进一步热处理作准备的热处理 最终热处理 赋予工件所要求的使用性能的热处理 5 1概述 预备热处理与最终热处理 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 铁碳相图中PSK GS ES线分别用A1 A3 Acm表示 实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象 5 1概述 临界温度与实际转变温度 加热是热处理的第一道工序 加热分两种 一种是在A1以下加热 不发生相变 另一种是在临界点以上加热 目的是获得均匀的奥氏体组织 称奥氏体化 钢坯加热 5 2钢的加热转变 第一步奥氏体晶核形成 首先在 与Fe3C相界形核 第二步奥
4、氏体晶核长大 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大 第三步剩余Fe3C溶解 铁素体的成分 结构更接近于奥氏体 因而先消失 残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失 第四步奥氏体均匀化 Fe3C溶解后 其所在部位碳含量仍很高 通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀 奥氏体化也是形核和长大的过程 分为四步 现以共析钢为例说明 5 2钢的加热转变 1 奥氏体形成过程 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同 但由于先共析 或二次Fe3C的存在 要获得全部奥氏体组织 必须相应加热到Ac3或Accm以上 5 2钢的加热转变 1 奥氏体形成过程 珠光体向奥氏体转变完成时 奥氏体的晶粒很细小
5、称此为起始晶粒度 随着加热温度升高和保温时间延长 会出现晶粒长大现象 在给定温度下的奥氏体晶粒度称为实际晶粒度 把钢加热到930 10 保温8h 冷却后测得的晶粒度定为本质晶粒度 有些钢其奥氏体晶粒随温度的升高迅速长大 这种钢称为本质粗晶粒钢 有些钢其奥氏体晶粒长大倾向较小 只有加热到较高温度 930 950 以上 时 才显著长大 本质细晶粒钢 5 2钢的加热转变 2 奥氏体晶粒大小及其影响因素 奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响 奥氏体晶粒均匀细小 热处理后钢的力学性能提高 粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂 5 2钢的加热转变 2 奥氏体晶粒大小及其影响因素 5 3
6、钢的冷却转变 稳定的奥氏体区 过冷奥氏体区 A向产物转变开始线 A向产物转变终止线 A 产物区 产物区 A1 550 高温转变区 P转变区 550 230 中温转变区 贝氏体 B 转变区 230 50 低温转变区 马氏体 M 转变区 Ms Mf 共析钢C曲线 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 过冷奥氏体在A1到550 间将转变为珠光体类型组织 铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物 转变温度越低 层间距越小 根据片层厚薄不同 又细分为珠光体 P 索氏体 S 和屈氏体 T 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 珠光体转变 形成温度为A1 650 片
7、层较厚 500倍光镜下可辨 用符号P表示 光镜下形貌 电镜下形貌 三维珠光体如同放在水中的包心菜 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 珠光体转变 珠光体 形成温度为650 600 片层较薄 800 1000倍光镜下可辨 电镜形貌 光镜形貌 用符号S表示 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 珠光体转变 索氏体 形成温度为600 550 片层极薄 电镜下可辨 用符号T表示 电镜形貌 光镜形貌 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 珠光体转变 屈氏体 托氏体 珠光体 索氏体 屈
8、氏体三种组织无本质区别 只是形态上的粗细之分 因此其界限也是相对的 片间距越小 钢的强度 硬度越高 塑性和韧性略有改善 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 珠光体转变 扩散型的形核 长大过程 通过碳 铁原子的扩散和晶体结构的重构来实现 渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成 在长大过程中 其两侧奥氏体的含碳量下降 促进了铁素体形核 两者相间形核并长大 形成一个珠光体团 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 珠光体转变 转变过程 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 珠光体转变 转
9、变过程 贝氏体转变也是形核和长大的过程 贝氏体转变属半扩散型转变 即只有碳原子扩散而铁原子不扩散 根据其组织形态不同 贝氏体又分为上贝氏体 B上 和下贝氏体 B下 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 贝氏体转变 上贝氏体转变过程 当转变温度较高 550 350 时 条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长 随铁素体条伸长和变宽 其碳原子向条间奥氏体富集 最后在铁素体条间析出Fe3C短棒 奥氏体消失 形成B上 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 贝氏体转变 上贝氏体 B上在光镜下呈羽毛状 在电镜下为不连续棒状的渗碳
10、体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 贝氏体转变 上贝氏体 下贝氏体转变 当转变温度较低 350 230 时 铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状 由于碳原子扩散能力低 其迁移不能逾越铁素体片的范围 碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 贝氏体转变 下贝氏体 光镜下 电镜下 在光镜下 B下呈针状 在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 贝氏
11、体转变 下贝氏体 上贝氏体强度与塑性都较低 无实用价值 下贝氏体除了强度 硬度较高外 塑性 韧性也较好 即具有良好的综合力学性能 是生产上常用的强化组织之一 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 贝氏体的机械性能 强化钢的重要途径之一 非扩散型转变 马氏体组织 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织 碳在 Fe中的过饱和固溶体 马氏体转变时 奥氏体中的碳全部保留到马氏体中 铁原子微调整 使原来奥氏体的面心立方晶格改组成体心立方晶格 5 3钢的冷却转变 1 过冷
12、奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体的形成 板条状 针状 形态取决于奥氏体的含碳量 1 0 时 针状马氏体 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体的形态 板条马氏体 立体形态为细长的扁棒状 在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织 每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列 一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束 光镜下 电镜下 在电镜下 板条内的亚结构主要是高密度的位错 1012 cm2 又称位错马氏体 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体的形
13、态 在光镜下 针状 竹叶状 凸透镜状 在电镜下 亚结构主要是孪晶 高碳针状马氏体又称孪晶马氏体 电镜下 光镜下 针状马氏体 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体的形态 马氏体的硬度主要取决于其含碳量 含碳量增加 其硬度增加 当含碳量大于0 6 时 其硬度趋于平缓 合金元素对马氏体硬度的影响不大 高硬度 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体的性能 主要原因是过饱和碳引起的晶格畸变 即固溶强化 转变过程中的大量晶体缺陷和引起的组织细化 过饱和的碳以弥散碳化物的形式析出 塑韧性比较
14、 高针状马氏体的塑性和韧性均很差 低碳板条马氏体的塑性和韧性好 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体的性能 a 非扩散型铁和碳原子都不扩散 转变形成碳在 铁中的过饱和固溶体 因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体转变的特点 b 共格切变性由于无扩散 晶格转变是以切变机制进行的 使切变部分的形状和体积发生变化 引起相邻奥氏体随之变形 在预先抛光的表面上产生浮凸现象 马氏体转变切变示意图 马氏体转变产生的表面浮凸 5 3钢的冷却转变 1 过冷
15、奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体转变的特点 c 降温形成 马氏体转变开始的温度称上马氏体点 用Ms表示 马氏体转变终了温度称下马氏体点 用Mf表示 只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变 在Ms以下 随温度下降 转变量增加 冷却中断 转变停止 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体转变的特点 d 形成速度极快马氏体形成速度极快 瞬间形核 瞬间长大 当一片马氏体形成时 可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹 e 转变不彻底即使冷却到Mf点 也不可能获得100 的马氏体 总有部分奥氏体未能转变而残留下来 称
16、残余奥氏体 用A 或 表示 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 马氏体转变的特点 材料大师 徐祖耀 1921年出生于浙江宁波 上海交通大学教授 1995年当选为中国科学院院士 2000年获何梁何利奖 材料相变 率先在我国开展纳米材料相变的研究 我国研究开发形状记忆材料的先驱者 材料热力学研究和教材建设的倡导人和执行者 金属学原理 培育了建国后第一代材料工作者 马氏体相变与马氏体 材料热力学 材料科学导论 和 相变原理 等著作培养了我国几代材料科学家 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 共析钢等温转变产物的组织和特性 马氏体转变 a 含碳量 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 影响过冷奥氏体等温转变的因素 共析钢中奥氏体最稳定 C曲线最靠右边 亚共析钢和过共析钢的C曲线相对共析钢C曲线全部左移 a 含碳量 5 3钢的冷却转变 1 过冷奥氏体的等温转变 影响过冷奥氏体等温转变的因素 除钴以外 所有合金元素使C曲线右移 非碳化物形成元素 硅 镍 铜 右移 不改变形状 强碳化物形成元素 铬 钼 钨 钒 钛 右移 改变形状
