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1、Think quality think Ipsen,IPSEN INDUSTRIES FURNACES (SHANGHAI) LTD. 易普森工业炉（上海）有限公司,钢的热处理原理及常用热处理工艺介绍 Oct 9th 2008,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,2,Overview,前言 晶体的基本结构 钢的热处理原理 常规热处理工艺介绍,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,3,前言,金属热处理的意义,金属热处理的本质,结构、组织和性能的含义,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,4,No.1
2、 金属热处理的意义,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,5,No.2 金属热处理的本质,构成,决定,热处理工艺的本质：通过改变材料的相结构或组织组成，达到改变材料性能的目的！,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,6,结构：构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，它表明材料最基本的构成方式。常见的相结构有奥氏体相、铁素体相、渗碳体相Fe3C等.,No.3 结构、组织和性能的含义,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,7,组织：指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌-通常称为
3、显微组织。组织是由一个或多个相结构构成的,No.3 结构、组织和性能的含义,共析钢的室温组织,金属中常见组织： 共析组织或珠光体 共晶组织 亚共析组织 亚共晶组织 马氏体组织 贝氏体组织,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,8,No.3 结构、组织和性能的含义,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,9,No.3 结构、组织和性能的含义,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,10,2. 晶体的基本结构,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,11,晶体与非晶体的区别,晶
4、体中原子按一定规则周期性重复排列，而非晶体原子则是原子排列短程有序或无序； 晶体有固定的熔点，非晶体则只有软化温度（如玻璃，松香）； 晶体材料各向异性，非晶体材料各向同性；,晶体,非晶体,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,12,金属中常见的晶格类型,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,13,常见的体心立方结构的金属有Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,14,常见的面心立方结构的金属有Al、Cu、Ni和-Fe等约20种,Oct 9th 2008,Zhong
5、 Yuanlong/ Mech.,15,常见的密排立方结构的金属有Mg、Zn、等。,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,16,实际金属中的晶体结构,Add your title in here,实际金属一般都为多晶体结构,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,17,实际金属中的晶体结构,多晶体示意图,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,18,实际金属中的晶体结构,Add your title in here,实际金属晶体中都存在晶体缺陷,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/
6、Mech.,19,点缺陷,在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,20,点缺陷,由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。 晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。,Oct 9th 2008,Z
7、hong Yuanlong/ Mech.,21,线缺陷位错,晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,22,线缺陷晶界和亚晶界,实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，（该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在
8、高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,23,合金的晶体结构,由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金 组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元 合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,24,合金的晶体结构,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,25,合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。
9、 按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。,固溶体,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,26,置换固溶体,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,27,间隙固溶体,不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,28,金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不
10、同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物 金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。,金属化合物,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,29,3. 钢的热处理基本原理,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,30,相图的基本含义及基本构成 铁碳合金相图的基本原理,合金相图的基本知识,Oct 9
11、th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,31,相图的基本含义及构成,相图是表示合金系中在平衡条件下不同温度、成分下各相之间关系的图解，有称之为平衡状态图,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,32,相图的基本含义及构成,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,33,相图的基本含义及构成,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,34,铁碳合金相图的基本原理,普通碳钢和铸铁是铁碳合金，合金钢和合金铸铁实际上是加入合金元素的铁碳合金。因此，为了认识铁碳合金的本质并了解铁碳合金的成分、组织和
12、性能之间的关系，以便在生产中合理地使用，首先必须了解铁碳合金的相图。,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,35,铁碳合金系的组元和基本相,纯铁相,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,36,铁碳合金系的组元和基本相,2. 铁素体组织：碳在-Fe中形成的间隙固溶体,碳在-Fe中最大溶碳量 0.0218 %c,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,37,铁碳合金系的组元和基本相,3. 奥氏体组织：碳在-Fe中形成的间隙固溶体,碳在-Fe中最大溶碳量 2.11%c,Oct 9th 2008,Zhong
13、Yuanlong/ Mech.,38,铁碳合金系的组元和基本相,3. 渗碳体组织：碳和Fe中形成的间隙化合物,含碳量 6.69 %c,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,39,Fe-Fe3C合金系平衡相图,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,40,Fe-Fe3C合金系的平衡结晶过程及组织,1. 共析转变,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,41,Fe-Fe3C合金系的平衡结晶过程及组织,1. 共析转变,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,42,Fe-Fe3C合
14、金系的平衡结晶过程及组织,1. 亚共析转变,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,43,Fe-Fe3C合金系的平衡结晶过程及组织,2. 亚共析转变,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,44,Fe-Fe3C合金系的平衡结晶过程及组织,3. 过共析转变,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,45,Fe-Fe3C合金系的平衡结晶过程及组织,2. 亚共析转变,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,46,Fe-Fe3C合金系的平衡结晶过程及组织,碳含量碳钢机械性能的影响,Oc
15、t 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,47,钢的加热转变原理,钢的加热转变奥氏体转变,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,48,固态相变的主要特点,相变驱动力：新相与母相的自由能差！ 固态相变的过程：形核和核长大的过程 相界面存在晶体学上匹配程度不同，造成界面能量的差异 相变过程中原子强制进行晶体学匹配而产生应变能 晶体缺陷带来的畸变能,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,49,奥氏体的长大过程,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,50,钢的冷却转变原理,根据碳原子
16、扩散能力，钢的冷却转变大致可以划分为三类： 珠光体型转变（退火或正火工艺）碳和铁原子有足够时间和能力进行扩散 贝氏体转变(等温淬火工艺）碳原子有一定的扩散能力，Fe原子不能扩散 马氏体转变（常规淬火工艺）奥氏体不能进行碳原子的扩散分解,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,51,过冷奥氏体等温转变TTT,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,52,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,53,Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,54,珠光体型转变( A1550 ),A1650 : P ; 525HRC; 片间距为0.60.7m ( 500 ),Oct 9th 2008,Zhong Yuanlong/ Mech.,55,珠光体型转变( A1550 ),650600 : 细片状P-索氏体(S); 片间距为0.20.4m (1000) 2536HRC,
