《航空材料》第四章　钢的热处理

《《航空材料》第四章　钢的热处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《航空材料》第四章　钢的热处理（116页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、/第四章 钢的热处理,钢在加热时组织的转变 钢在冷却时组织的转变 钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理和化学热处理工艺 热处理新技术简介 热处理工艺的应用,概 述,1、热处理的定义: 钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺过程。,2.热处理的主要目的:改变钢的性能。,3.热处理的应用范围:整个制造业。,4.按目的、加热条件和特点不同热处理分为,热处理,普 通 热处理,表 面 热处理,退火;正火; 淬火;回火;,表面淬火,化 学热处理,感应加 热淬火,火焰加 热淬火,渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;,/第一节 钢在加热时的组织转变,转变温度奥氏体的形成奥氏体

2、晶粒度及对力学性能的影响,/一、转变温度,图5-1 加热和冷却时Fe-Fe3C相图上各相变点的位置,在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm 有一定的偏离。 通常加热用 Ac1、Ac3、Accm 表示， 冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。,/二、奥氏体的形成过程,1、奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核易于在F和Fe3C渗碳体相界面上形成。这是因为在两相的相界上原子排列不规则，空位和位错密度高；成分不均匀，处于F和Fe3C的中间值，为形核提供了良好的条件。,A形核,/2、奥氏体晶核的长大 奥氏体形核后逐渐长大，晶核的长大是依靠与其相邻的F向A的转

3、变和Fe3C的不断溶解来完成的。A向F和Fe3C两个方向长大。,F向A转变和Fe3C溶解,/3、残余渗碳体溶解 在奥氏体形成过程中，铁素体比渗碳体先消失，因此奥氏体形成之后，还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长，继续不断地溶入奥氏体，直至全部消失。,残余Fe3C溶解,/4.奥氏体均匀化 渗碳体完全溶解后，开始时奥氏体中碳的浓度分布并不均匀 ,原先是渗碳体的地方碳浓度高，原先是铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。,A,A 均匀化,/亚共析钢和过共析钢的A形成过程与共析钢进本相似， 不同之处在于亚共析钢和过共析钢需加热到Ac3或Accm以上，才

4、能获得单一的奥氏体组织，这个过程称为完全奥氏体化。,/三、影响奥氏体转变的因素1.加热温度和加热速度的影响提高加热T，将加速A的形成。随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高（Ac1越高），形成所需的时间缩短。 2.化学成分的影响随着钢中含碳量增加，铁素体和渗碳体相界面总量增多，有利于奥氏体的形成。 3.原始组织的影响,由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成，所以原始组织越细，相界面越多，形成奥氏体晶核的“基地”越多，奥氏体转变就越快。,/三. 奥氏体晶粒的长大及其影响因素,1、晶粒大小的表示方法,金属组织中晶粒的大小通常用晶粒度级别指数来表示,晶粒度的测定方法：比较法、面积法、截点法

5、；晶粒度的数值表示方法：晶粒度级别指数、单位体积晶粒数、晶粒公称直径等8种,GB6394-86金属平均晶粒度测定法,/2、奥氏体晶粒度的概念:,起始晶粒度：实际晶粒度：本质晶粒度：,珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶粒的大小。 一般比较细小而均匀,热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。 一般比起始晶粒度大,某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向， 不是晶粒大小的实际度量。,/加热温度与奥氏体晶粒长大的关系,不同成分的钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向不同。,/3、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,1）奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。 2）粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件

6、产生较大的变形甚至开裂。,1）合理选择并严格控制加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将随之长大。温度愈高，晶粒长大愈明显。在一定温度下，保温时间愈长，奥氏体晶粒也越粗大。 3）合理选择原始组织随着钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向也增大。当wc1.2%时，奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体能阻碍晶粒的长大，故奥氏体实际晶粒度较小。2）加入一定量的合金元素若碳以未溶的碳化物形式存在，则它有阻碍晶粒长大的作用。锰和磷是促进奥氏体晶粒长大倾向的元素。,/4、奥氏体晶粒大小的控制,/第二节 钢在冷却时的转变,钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变,/一、钢在热处理时

7、的冷却方式,在热处理生产中，常用的冷却方式：等温冷却和连续冷却。,等温冷却转变使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。连续冷却转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变,二、过冷奥氏体的等温冷却转变,（一） 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 - TTT曲线 ( C 曲线 ),T - time T - temperature T - transformation,/过冷奥氏体在相变温度A1以下，未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体。 钢在连续冷却或等温冷却条件下，其组织转变不能用Fe-Fe3C相图分析。为了研究奥氏体在不同冷却条件下组织转变规律，测定

8、并绘制了过冷奥氏体等温转变图和连续冷却转变图。（过冷奥氏体转变的规律）,/共析钢 C曲线建立过程示意图,A1,/（二）共析碳钢 C曲线的分析,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,A1550;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。,550230;中温转变 区; 半扩散型转变;贝氏体( B ) 转变区;,230 - 50; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。,/（三）转变产物的组织和性能,A1 650 片层珠光体 25HRC,1、珠光体型转变高温转变（A1 550 ）,650 600 细片状珠光体（索氏体 S）

9、25HRC30HRC,600 550 极细片状珠光体（托氏体 T）35HRC40HRC,/珠 光 体 形 貌 像,/索 氏 体 形 貌 像,/托 氏 体 形 貌 像,/2.贝氏体型 ( B ) 转变 中温转变( 550 MS ),在550 MS 温度范围内，因转变温度较低，原子的活动能力较弱，过冷奥氏体虽然仍分解成渗碳体和铁素体的混合物，但铁素体中溶解的碳已超过正常的溶解度，转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体的混合物，称为贝氏体（B）,根据组织形态和转变温度不同，贝氏体一般可分为上贝氏体和下贝氏体两种,/550 350 羽毛状上贝氏体（B上） 40 50HRC,/上

10、贝氏体组织金相图,/350 Ms 黑色针叶状下贝氏体（B下） 45 55HRC/,与B上比较， B下具有良好的综合力学性能， 在生产中常用等温淬火来获得B下组织,/下贝氏体组织金相图,/3、马氏体型 ( M ) 转变 (Ms Mf),当奥氏体快速过冷至马氏体点（Ms）以 下时则发生马氏体转变。与前两种转变不同， 马氏体转变是在一定温度范围内（Ms Mf之 间）连续冷却时完成的。,/（四） 影响 TTT 曲线的因素,1、奥氏体中含碳量的影响:,1）亚共析钢过冷奥氏体的等温转变 亚共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢C曲线不同的是：在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。亚共析钢随着

11、含碳量的减少，C曲线位置往右移，同时Ms、Mf线住上移。 亚共析钢的过冷奥氏体等温转变过程与共析钢类似，只是在高温转变区过冷奥氏体将先有一部分转变为铁素体，剩余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。,/亚共析钢的TTT曲线,P + F,S + F,T,B,M + A残,/2）过共析钢过冷奥氏体的等温转变 过共析钢过冷奥氏体的C曲线的上部为过冷奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。当加热温度为AC1以上3050 时，过共析钢随着含碳量的增加， C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移。过共析钢的过冷奥氏体在高温转变区， 将先析出Fe3CII，其余的过冷奥氏体再转变为珠光体型组织。,/过共析钢

12、的TTT曲线,P + Fe3C,S + Fe3C,T,B,M + A残,/2、合金元素的影响除Co、Al (2.5% ) 外，所有合金元素溶入奥氏体中，会引起：,/3、加热温度和保温时间的影响加热温度越高，保温时间越长，碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀；同时晶粒也越大，晶界面积则减少。这样，会降低过冷奥氏体转变的形核率，提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而使 C曲线向右移。,/三、过冷奥氏体的连续冷却转变,（一） 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线 - CCT 曲线,C - continuousC - coolingT - transformation,/共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,P

13、f （P转变终了线）,Ps （P转变开始线）,A+P,K（P转变中止线）,Ms,Mf,/（二）马氏体型转变 ( 230 -50 ) :,马氏体转变在低温（Ms点以下）进行，由于过冷度很大，奥氏体向马氏体转变时难以进行铁、碳原子的扩展，只发生了-Fe向-Fe的晶格转变。固溶在奥氏体中的碳全部保留在-Fe晶格中，形成碳在-Fe中的过饱和固溶体，称其为马氏体（M）,/1、 马氏体转变特点 1）无扩散型转变铁、碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面，集体地（不改变相互位置关系）作一定距离的移动（不超过一个原子间距）， 使面心立方晶格改组为体心立方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中，

14、过饱和碳使-Fe 的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。,2）转变时体积发生膨胀马氏体的比容比奥氏体的比容大，转变时体积要膨胀，引起淬火工件产生相变内应力， 严重时导致工件变形和开裂。,/3）M形成速度很快，瞬间完成形核、长大 奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。高碳马氏体的长大速度约为 （1 1.5）105cm/s，每个马氏体片形成的时间极短，大约只需10-7s。,4）转变是在一定温度范围内（MsMf）连续冷却过程中进行的随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，如果冷却在中途中停止，则奥氏体向马氏体转变也停止。,/5） 马氏体转变是不彻底的总要残留少量奥氏体。残余奥氏体

15、的含量与Ms、Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则Ms、Mf越低，残余A含量越高。只在碳质量分数少于0.6%时， 残余奥氏体可忽略。A残的存在不仅降低淬火钢的硬度和耐磨化，而且在工件长期使用过程中，由于A残会继续变成M，使工件尺寸发生变化。,/奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,/奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,/3、马氏体的组织形态（板条状和片状）1）板条状马氏体组织 - 低碳马氏体 (0.2%C )3050HRC = 917%,/低碳板条状马氏体组织金相图,/2）片状马氏体组织 - 高碳马氏体 (1%C)66HRC左右 1%,/高碳片状马氏体组织金相图,/4、马氏体的性能主要取决于马氏体中的碳浓度。,低碳板条状M不仅具有较好的强度和硬度，而且还具有较好的塑形和韧性。 高碳片状M的强度很高，但塑形和韧性很差。,/（三） 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F，在中温转变区会有少量B上产生。如油冷的产物为F + T + B上 + M，但F和B上量很少，有时可忽略。,/（四） 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 过共析钢过冷A在高温区，将首先析出Fe3C，而后转变为其它组织。由于A中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括A残。与共析钢一样，其冷却过程中无B转变。,