工程材料-第四章-钢的热处理

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1、工 程 材 料,材料工程学院,第四章 钢的热处理,工程材料第4章,学习内容,工程材料第4章,4.1 热处理的概念与分类,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。,只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,只适用于在固态下能够发生相变的材料,工程材料第4章,4.1 热处理的概念与分类,工程材料第4章,4.1 热处理的概念与分类,工程材料第4章,4.2 钢的加热转变,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。,奥氏体化也是形核和长大的过程，分为形核、长大、溶解、均匀化四步,

2、工程材料第4章,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。,4.2 钢的加热转变,工程材料第4章,4.2 钢的加热转变,工程材料第4章,4.2 钢的加热转变,晶粒长大控制,奥氏体化刚结束时，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，这是一个自发的过程。,奥氏体晶粒粗大

3、，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。,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,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。,冷却方式,转变产物,等温转变和连续冷却转变两种。,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,过冷奥氏体在 A1到 550间将转变为珠光体类型组织。 珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。 根据片层厚薄不同,珠光体又细分为珠光体、索氏体和托氏体

4、。,光镜下形貌,电镜下形貌,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,珠光体的形态与性能,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,珠光体转变属于扩散型转变，首先形成渗碳体晶核。,珠光体的转变特点,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,贝氏体转变,过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为贝氏体类型组织，用B表示。 贝氏体是在铁素体的基体上弥散分布着渗碳体。 根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上，羽毛状)和下贝氏体(B下，针状)。,上贝氏体,下贝氏体,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,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

5、的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。,上贝氏体形成温度为550-350。在光镜下呈羽毛状。 下贝氏体形成温度为350-Ms。在光镜下呈竹叶状。,贝氏体的形态,贝氏体的性能,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,下贝氏体形成过程,贝氏体转变属半扩散型转变，转变时过冷奥氏体先形成过饱和固溶的铁素体。,上贝氏体形成过程,贝氏体的转变特点,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。,碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。,马氏体的形态分板条和针状两类,板条马氏体的立体形态为细长的扁棒状在光镜下为一束束的细条组织。,针状马氏体的立体形态为双凸透镜

6、形的片状。显微组织为针状。,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,马氏体的形态主要取决于其含碳量。C%小于0.2%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0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。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,马氏体形态与含碳量的关系,马氏体的形态,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,马氏体的性能,高硬度是马氏体性能的主要特点。,马氏体硬度、韧性与含碳量的关系,马氏体的硬度主要取决于其含碳量。合金元素对马氏体硬度的影响不大。,马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。,此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化

7、作用。,针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.,马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。,工程材料第4章,4.3 钢的冷却转变,马氏体的转变特点,无扩散性,共格切变性,转变伴随着体积的变化， 转变速度快 会产生浮凸现象。,降温形成,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,转变不完全,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。,铁和碳原子都不扩散， 形成过饱和的-Fe固溶体。,工程材料第4章,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,Vk,Vk,200,100,P,均匀A,细A,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+

8、A,M+A,淬火,(水冷),工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺叫做退火。,退火目的 调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力，防止加工中变形。 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。,退火工艺 退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。,退火组织：P+F，P，P+Fe3C,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,球化退火 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。 主要用于共析、过共析钢。,球状珠光体,填空 亚共析钢退火后的组织是（），相是（） 共析钢退火后

9、的组织是（），相是（） 过共析钢退火后的组织是（），相是（）,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,正火温度,正火比退火冷却速度大，在空气中冷却（空冷）。,正火目的 对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。 普通件最终热处理。,正火组织： 0.6%C时，组织为F+S； 0.6%C时，组织为S 。,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能.,淬火组织： 亚共析钢：马氏体+残余奥氏体 共析钢：马氏体+残余奥氏体 过共析钢：马氏体+残余奥氏体+渗碳体,淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大

10、于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,淬火温度,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,淬火介质,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。,常用淬火介质是水和油。 水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。,油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。,熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间，用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。 聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.,工程材料第4章,4.4 钢

11、的普通热处理,淬火方法,1单液淬火法：简单 2双液淬火法：水淬油冷，油淬空冷等，冷却理想，技术要求高，适用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件 3分级淬火法： Ms附近的盐浴或碱浴，减少内应力，用于小尺寸工件 4等温淬火法：稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织。,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,45钢(含0.45%C)正常淬火组织,淬火工艺,钢在淬火前应为退火或正火组织 过共析钢应进行球化退火处理 钢经淬火后应立即进行回火,淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质.,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,淬透性是指钢在

12、淬火时获得淬硬层深度的能力。 淬透性大小用规定条件下淬硬层深度来表示。,淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)的深度。 淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.,淬透性取决于临界冷却速度Vk， Vk越小，淬透性越高。 淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。,淬透性,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。,回火的目的,1、减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂,2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,3、稳定尺寸。淬火M和A都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使

13、M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。 4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。,未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,工程材料第4章,回火分类与工艺,4.4 钢的普通热处理,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,回火时组织转变,马氏体的分解：从马氏体中析出-碳化物(- FeXC)，使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。,残余奥氏体分解为- 碳化物和过饱和铁素体，即M回。,-碳化物转变为Fe3C：M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体，用T回表示。,Fe3C聚集长大和铁素体多边形化，形成回火索氏体,工程材料第4章,4.4 钢的普通热处理,回火脆性,淬火钢的韧性并不总是随回火温度升高而提高。,在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称回火脆性。,第一类回火脆性 又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250-350回火时出现的脆性。 消除措施：回火时应避开这一温度范围。,第二类回火脆性 又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650范围内回火后缓冷时出现的脆性.回火后快冷不出现，是可逆的。 消除措施：回火后快冷。,加入合金元素W (约1%)、 Mo(约0.5%)。,