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1、,工程材料,海洋科学与技术学院 贾 非,Dalian University of Technology,第3章 钢的热处理和表面改性,15:26,主 要 内 容,钢在热处理时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变 钢的热处理工艺对组织和性能的影响钢的退火和正火钢的淬火钢的回火 钢的表面处理强化钢的表面热处理强化钢的化学热处理强化钢的表面处理改性,15:26,1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.,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。,在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。 在汽车、拖拉机
2、制造业中需热处理的零件达70-80%。,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。,2、热处理特点: 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,3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,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热处理原理。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。,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：
3、,5、预备热处理与最终热处理 预备热处理为随后的加工（冷拔、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.,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。 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30-50/h 的速度加热或冷却时测得的.,6、临界温度与实际转变温度,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，因此将加热时的实际转变温度,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，
4、目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。,钢坯加热,一、奥氏体的形成过程 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：,第一步 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大。 第三步 残余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 奥氏体成分均匀化：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。,共析钢奥氏体化过程,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析 或二次Fe3C的存在，要获得全
5、部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上.,奥氏体加热到Ac1点以上某一温度，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一定时间才开始形成，这段时间称为孕育期。 形成奥氏体晶核需要原子的扩散，扩散需要一定的时间。 随着温度的升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。 加热温度越高，原始组织越细小，奥氏体形成速度越快。 加热速度越大，过热度越大，发生转变的温度越高，转变的温度范围越宽，转变速度越快。,1、奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度,此时晶粒细小均匀。 随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。 在给
6、定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。 加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。,前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。,通常将钢加热到940 10奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。 晶粒度为1-4 级的是本质粗晶粒钢，5-8 级的是本质细晶粒钢。,2、影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间: 加热温度高、保温时间长, 晶粒粗大. 加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细.,合金元素： 阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。,析出颗粒对黄铜晶界的钉扎,促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、
7、N。 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,冷却是热处理更重要的工序。 过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。,过冷奥氏体的转变,过冷奥氏体的转变有等温转变和连续冷却转变两种。,两种冷却方式示意图 1等温冷却 2连续冷却,过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过程中转变
8、量与转变时间的关系曲线.又称C 曲线、S 曲线或TTT曲线。, 过冷奥氏体的等温转变,(Time-Temperature-Transformation diagram),1、C曲线的建立 以共析钢为例： 取一批小试样并进行奥氏体化. 将试样分组淬入低于A1 点的不同温度的盐浴中,隔一定时间取一试样淬入水中。,测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。 将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度时间坐标中，并分别连线。 转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。,A1-Ms 间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。 转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。 两线之间
9、及Ms与Mf之间为转变区。, 珠光体转变 1、珠光体的组织形态及性能 过冷奥氏体在 A1到 550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合,物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体., 珠光体： 形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示., 索氏体,形成温度为650-600,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S 表示。, 托氏体 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,珠光体、索氏体、屈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、
10、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。,2、珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。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,长大，形成一个珠光体团。 珠光体转变是扩散型转变。,氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并,珠光体转变, 贝氏体转变 1、贝氏体的组织形态及性能 过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。 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)., 上贝氏体 形成温度为550-350。 在光镜下呈羽毛状. 在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。,下贝
11、氏体 形成温度为350-Ms。 在光镜下呈竹叶状。,光镜下,电镜下,在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。,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。,2、贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形核和长大的过程。 发生贝氏体转变时,首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。,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
12、Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上 。,上贝氏体转变过程,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，晶格类型改变是通过切变实现的。,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。,下贝氏体转变, 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。 马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 1、马氏体的晶体结构 碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。,马氏体组织,马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.,马氏体具有体心正方晶格（a=
13、bc） 轴比c/a 称马氏体的正方度。 C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。 当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.,2、马氏体的形态 马氏体的形态分板条和针状两类。 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。 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。, 针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。 在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。,电镜下,电镜下,光镜下, 马氏体的形态主要取决于其含碳量
14、 C%小于0.6%时，组织几乎全部是板条马氏体。 C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体. C%在0.61.0%之间为板条与针状的混合组织。,先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小.,45钢正常淬火组织,原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。 当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏体.,3、马氏体的性能 高硬度是马氏体性能的主要特点。 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。,马氏体强化的
15、主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.,4、马氏体转变的特点 马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是： 无扩散性,铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。, 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。, 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
16、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。,高速长大 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。 转变不完全,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，称残余奥氏体，用A 或表示。,Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。 马氏体转变后，A 量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A量才显著。,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,C 曲线的分析 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。 孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小. 孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550。,在鼻尖以上, 温度较高，相变驱动力小. 在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。 C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。,3、影响C 曲线的因素 成分的影响 含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms 与Mf 点随含碳量增加而下降。 与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。,
