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1、第五章 钢铁热处理,2,利用加热、保温、冷却的方法，改变材料的组织与结构，达到改变材料性能的工艺过程称为热处理。,合适的热处理是让材料达到希望的性能，有时是为了便于进行加工，有时让材料满足工作条件的要求。是合理使用材料、充分发挥材料潜力必不可少方法。虽热处理过程中材料处于固态下，但内部都有不同程度的固态转变发生。,概述,意义：,3,第一节 钢在加热时的组织转变,一、转变温度,对应铁碳相图中的线,这些温度点是平衡转变温度，在固态转变中，转变实际发生需要一定的过冷或过热下，显然加热转变的实际发生温度在临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在临界点之下。,AC1、AC3、Accm表示加热时的转变温度
2、Ar1、Ar3、Arcm表示冷却时的转变温度,4,二、奥氏体的形成过程,以共析钢(Wc0.77%)为例，原始组织为层片珠光体。,在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核心；奥氏体是同时消耗两相来长大；实际上总是铁素体先消失，随后残余渗碳体的溶解；奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均成分，随后所含其它合金元素经扩散达到成分均匀；亚(过)共析钢中过剩相的溶解(温度达到AC3或Accm以上)。,5,三、影响奥氏体转变的因素,加热温度 加热温度越高，提高原子活动迁移能力，自由能差(动力)大，奥氏体化的进程也越快。加热速度 材料处于连续加热，奥氏体化的时间自然短，但是均匀化程度差。含碳量 随碳量的增加，
3、渗碳体与铁素体的界面数量也多，转变速度加快。但过共析钢中，二次渗碳体的溶解要求更高的温度，碳量的增加达到均匀化时间会增加。合金元素 碳化物形成元素与碳的结合力高于铁，会阻碍碳的扩散迁移；在碳化物消失后，合金元素自己扩散达到均匀，达到均匀奥氏体化的时间要大大延长。原始组织 珠光体的层片越细，界面数量多，扩散的距离小，转变速度加快，片状珠光体的转变速度高于球化珠光体。,6,四、奥氏体晶粒度及其影响因素,1.奥氏体晶粒度,奥氏体的晶粒度指奥氏体的晶粒尺寸大小，对热处理后的性能有重要影响。在热处理过程中，以后所得到的组织都是有奥氏体转变的产物，奥氏体的晶粒细小，所得到的组织也就细小，通常其力学性能也优
4、越。,描述奥氏体晶粒度有以下三种不同的概念：,1) 起始晶粒度 刚刚完成奥氏体化的晶粒大小称为起始晶粒度，原珠光体的层片本身细小，所有的钢这时都是非常细小、均匀的。实际工程意义不大。2) 实际晶粒度 在具体的加热温度、保温时间的条件下获得的晶粒大小。它决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程。,7,3) 本质晶粒度 不同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不一样，按冶金部标准，将钢加热到93010，保温8小时得到的实际晶粒度作为该钢的本质晶粒度。,本质晶粒度是一材料特性，表示的是钢在奥氏体化时奥氏体晶粒的长大倾向。其结果小于4级的钢成为本质细晶粒钢。并不是本质细晶粒钢奥氏体化得到的晶粒一定细小
5、，通常加热温度在930以下，本质细晶粒钢奥氏体化得到的晶粒比本质粗晶粒钢细小，超过这个温度或工艺处理不当，结果可能完全相反。,8,2.影响奥氏体晶粒度的因素,加热速度 速度快用的时间少，转变在较高温度，形核率高，最终晶粒尺寸较细小。 保温温度愈高，保温时间长，奥氏体长大速度快，长大的时间多，晶粒变粗；原始组织，固相转变组织的遗传性，珠光体细小，奥氏体的晶粒也细小；片状比球状细小，非平衡组织往往也可得到细小的奥氏体晶粒。 合金元素(成分) 含碳量增加，奥氏体转变加快，生长时间多，奥氏体晶粒的长大倾向增加；碳化物形成元素(Ti、V、Ta、Nb、Zr、W、Mo、Cr)和碳结合力强，阻碍碳的扩散可阻碍
6、奥氏体晶粒生长；不和碳作用而溶入基体元素(Si、Ni、Cu)对奥氏体晶粒生长无明显的影响；Co、P、Mn对奥氏体晶粒的长大有加速作用。,9,第二节 钢在冷却时的组织转变,钢奥氏体化后，从高温冷却到A1以下，此时奥氏体并不立即转变，而处于热力学不稳定状态，把这种存在于A1温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变。,引言,(1) 过冷奥氏体,10,(2) 冷却方式,等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行转变。连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温)，使奥氏体在连
7、续降温的过程种转变。,11,一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立,过冷奥氏体等温转变图，也称TTT(Time-Temperature- Transformation)曲线，或C曲线。它综合反映了过冷奥氏体在不同温度下等温转变的开始和终了时间及转变产物之间的关系。,(1) 测定不同等温温度下共析钢过冷奥氏体的转变量与时间的关系曲线转变的动力学曲线。快冷到某温度下保温，过冷奥氏体要经过一段时间bs后才开始转变，这个时间称为转变的孕育期。随后随着时间的延长，转变量不断增加。经过时间bf后全部转变完毕。,12,(2) 将各不同等温温度下测得的转变开始时间和终了时间标注在温度时间(对数)坐标系中，并分
8、别把开始点和终了点连接起来，便得到过冷奥氏体等温转变的开始线和终了线。曲线形状与字母“C”相似，故又称为C曲线。,13,TTT曲线特征,在共析钢的等温冷却转变曲线(TTT曲线)，有一个孕育期最短的点，大约在550附近，这个点又称为C曲线的“鼻尖”。随温度降低，鼻尖上部因动力加大而转变速度加快；下部因降低原子活动能力而减慢。当快速冷却的温度低于某一临界值Ms后，孕育期消失，到达Ms立即发生转变，转变的方式发生了变化，Ms温度称为马氏体点。,14,二、珠光体型转变,1.珠光体的形成,首先在奥氏体晶界处形成Fe3C的核心，然后不断长大，周围奥氏体将发生晶格改组转变为铁素体，铁素体的生成促使渗碳体的长
9、大和形核，长大的渗碳体可以分枝，它们共同生长的结果便得到层片的分布。在一个奥氏体晶粒中可能有数处形核，各自分别发展成不同的领域，直到奥氏体完全消失。,15,2. 转变产物,过冷奥氏体按珠光体型方式发生转变，通常所得产物为铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，随着转变温度的降低，片间距愈细。采用特殊的方式冷却，也可能得到点状(小球)的渗碳体均匀分布在铁素体的基体上。,片状珠光体,粒状珠光体,16,(a)珠光体 3800,(b) 索氏体 8000,(c)屈氏体 8000,珠光体型组织,17,3. 珠光体的性能,不同类型的珠光体由于层片间距不同，力学性能在一个较大范围内变化，总体趋势是随着片间距的减小
10、，材料的强度和硬度呈现上升；其塑性和韧性以索氏体为最高，它的组织比珠光体细小且分布均匀，而屈氏体因层片的细小，塑性相铁素体的可变形范围小，强度最高，但塑性却下降了。,18,三、贝氏体型转变,1. 基本特点,在C曲线“鼻尖”处(550)至Ms点之间，过冷奥氏体等温转变的产物是Fe3C与碳过饱和铁素体的两相机械混合物，称为贝氏体(Bainite)，记作B。由于贝氏体型转变温度区间较低，故属于半扩散型相变，Fe原子不能扩散，只是C原子有一定的扩散能力。550350，羽毛状，上贝氏体350Ms， 针叶状，下贝氏体,19,2. 上贝氏体转变,在“鼻尖”到350的温度范围内等温，这时铁从fcc向bcc结构
11、转变的趋势相当大，这时碳有一定的扩散能力。在奥氏体晶界上含碳量较低处，优先生成铁素体晶核，然后向晶内长大。在铁素体长大时，多于的C原子向周围的奥氏体扩散使其富碳，当铁素体片间的奥氏体含碳量增大到一定程度时，便从中析出小条或小片状Fe3C，断续地分布于平行而密集的铁素体片之间，形成羽毛状上贝氏体。,20,在碳钢中，上贝氏体的力学性能指标并不好，强度和硬度不太高，而韧性很低，工业生产中一般不用这种组织的材料来制造机械零件。,性能特点：,21,3. 下贝氏体转变,在350到MS点(约230)的温度区间，转变的趋势更大，但碳的扩散迁移能力又进一步减慢。转变过程：铁素体晶核首先在奥氏体晶界处生成，然后沿
12、一定晶面呈针叶状生长。由于下贝氏体的转变温度区间较低，C原子不能长距离扩散而只能在铁素体片内沿一定晶面以极细小的碳化物(-Fe2.4C) 沉淀析出。,22,下贝氏体有较高的强度和硬度，还有一定的韧性，即有较好的强韧性配合，或称有良好的综合力学性能。在生产实际中这是一种常用的状态，但为了完成下贝氏体转变，不能直接冷却到室温，需要保温设备，并且转变时间长，生产的效率不高。,性能特点：,23,四、马氏体型转变,1. 转变过程,当钢很快冷却到MS(共析钢约为230)以下，这时碳的可迁移能力也很低，在巨大的转变驱动力作用下，铁以切变的方式进行从fcc到bcc的晶格改组，形成了碳在铁素体中的过饱和固溶体，
13、成为“马氏体”。,由于大量碳的过饱和，将会给这时的铁素体带来巨大的晶格畸变。马氏体的晶格点阵严格说来已经不是体心立方，而是体心正方，即晶格常数在一个方向被拉长。如果拉长的方向的晶格常数为c，另两个方向相等为a，对于马氏体来说，c/a的值一般在11.05之间。,24,2转变特点,速度非常快 钢从奥氏体向马氏体的转变速度非常快，几乎无法测量，一般认为是以声速发展。转变数量不决定于保温时间，而取决于冷却到的温度 当奥氏体迅速冷却到MS温度以下，立即发生相应的马氏体转变，继续停留尽管还存在未转变完的奥氏体，但马氏体的数量并不再增加；而是随着温度的降低，马氏体的数量不断增加，一直到某一温度Mf以后，马氏
14、体的数量不再增加了。因此，把 MS 温度称为钢的马氏体点，即过冷奥氏体开始发生马氏体转变的温度，把温度 Mf 称为马氏体转变的结束温度。转变不能进行到底 就是冷却到Mf温度以下，钢中总有一定数量的奥氏体存在不能转变，这部分奥氏体成为残余奥氏体，通常简记为A残 或A。一般钢的 Mf 温度在室温以下，快速冷却到室温的钢中必然存在一定数量的残余奥氏体。,25,3. 马氏体的形态,快速冷却得到的马氏体，随着原奥氏体中的含碳量的不同，转变产物的组织形态也不相同，主要有两大类：板条马氏体和片(针)状马氏体。,26,板条马氏体 奥氏体中的含碳量较低时，指小于0.3wt%时，形成的马氏体为板条状，也称为低碳马
15、氏体。组织形貌为一个原奥氏体晶粒可以有几个板条束，在板条束中有时又可以分成几个平行的板条块，在板条内分步着稠密的平行的马氏体板条。稠密的板条之间是一层连续的高度变形的极薄的奥氏体薄膜(约20nm)，马氏体内有大量位错。,27,得到的低碳板条马氏体过饱和度不大，位错的强化结构有较高的强度和韧性，具有良好的综合力学性能。如0.2%C淬火后，HRC50、 b1500MPa、 ak150180J/cm2。,特点：,28,片状马氏体 奥氏体的含碳量大于1.0时，得到的马氏体形状呈针片状或竹叶状，故称为片状马氏体，其立体形态是双凸透镜片状，所以又称为透镜马氏体或高碳马氏体。在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一
16、个贯穿整个晶粒的马氏体片，以后形成的马氏体片尺寸受到限制，在已经存在的马氏体和奥氏体晶界或马氏体片之间，越后形成的马氏体片越小。马氏体片之间互不平行，最后的三角区为残余奥氏体。,29,得到的高碳片状马氏体过饱和度大，严重的晶格畸变产生大的内应力，大片之间易产生显微裂纹。片状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。HRC60、 ak 1J/cm2。,性能特点：,30,五、影响C曲线的因素,1. 含C量的影响,钢的碳含量偏离共析点成分，平衡转变时存在先共析相的析出转变，在C曲线的上方有一条先共析相析出线，上趋近于Ac3或Accm，下到C曲线的鼻尖处，如图所示。在亚共析钢中为铁素体的开始析出线，而过共析钢则为二次渗碳体的开始析出线。,31,2. 加热温度和保温时间,奥氏体中的含碳量对C曲线有明显的影响，注意奥氏体的含碳量和钢的含碳量在转变的过程中是不一致，如钢的含碳量各不相同，但缓慢冷却到A1温度，奥氏体的含碳量均向S点看齐。与共析钢相比，在亚共析钢中，随着含碳量的增加，C曲线右移，即转变的孕育期和转变时间都加长；在过共析钢中，随着含碳量的增加，C曲线也左移，即转变的孕育期和转变时间都减少，先析出的碳化物会促使奥氏体的分解，所以共析钢的奥氏体是最稳定的。在一般的碳钢中，鼻子处的孕育期仅不到一秒钟。,
