机械工程材料-ch4钢的热处理

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1、,山东农业大学专业基础课程,主讲：田富洋,机械工程材料,Mechanical Engineering Materials Science,第四章 钢的热处理 ( Heat Treatment of Steel ),概述 钢在加热时的转变 钢在冷却时的转变 钢在回火时的转变,热处理概述,1.热处理的定义:,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.热处理的分类,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

2、形成 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,一.转变温度( transformation temperature ),二、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。,A,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,

3、影响奥氏体形成的因素,4、合金元素：合金元素可以改变钢的临界温度， 影响碳的扩散速度，从而限制奥氏体的形成 速度。,2、加热速度：速度越大，奥氏体形成时间越短。,3、钢中碳的质量分数：质量分数越多，相界面 增多，则有利于奥氏体的形成。,1、加热温度：温度越高，奥氏体形成速度越快。,三. 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,一) 奥氏体晶粒度: 1.起始晶粒度: 珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。 2.实际晶粒度: 热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。 3.本质晶粒度: 度量钢本身晶粒在930 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。,标准晶粒度等级,钢的本质晶粒度示意图,二) 奥氏体晶粒大小对钢的

4、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 工件产生较大的变形甚至开裂。,三）影响奥氏体晶粒长大的因素,（3）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。,（1）加热温度和保温时间: 加热温度高、保 温时间长, 晶粒粗大.,（2）加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细.,第二节 钢在冷却时的组织转变,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,钢在热处理时的冷却方式,一.过冷奥氏体的等温冷却转变,一) 建立

5、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,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,A1,二) 共析碳钢 TTT 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) 转变产物的组织与性能,1.珠光体型 ( P

6、) 转变 ( A1550 ) :,A1650 : P ; 1527HRC; 片间距为0.60.7m ( 500 )。,650600 : 细片状P-索氏体(S); 片间距为0.20.4m (1000); 2738HRC。,600550:极细片状P-托氏体(T); 片间距为0.2m ( 电镜 ); 3843HRC。,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 ( 550230 ) :,550350: B上; 4045HRC;,上贝氏体转变过程,上贝氏体组织金相图,2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550230 ) :,350230: B

7、下; 5060HRC;,下贝氏体组织金相图,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。,3.马氏体型 ( M ) 转变 ( 230 -50 ) :,1)定义:马氏体是一种碳在 Fe中的 过饱和固溶体。,2)马氏体形成: 在一个温度范围内连续冷却完成; 转变速度极快,即瞬间形核与长大; 无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ), M与原A的成分相同,造成晶格畸变。 转变不完全性,3)马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作 用,使 Fe晶格由面心立方变成体心 正方晶格。,4)马氏体的组织形态: 板条状

8、- 低碳马氏体(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。,低碳板条状马氏体组织金相图,4)马氏体的组织形态: 针、片状 - 高碳马氏体(1%C); 66HRC左右 ; 1%。,高碳针片状马氏体组织金相图,5）马氏体转变的基本特征,由于马氏体转变的无扩散性，因而马氏体的化学成分与母相奥氏体完全相同。显然，马氏体是碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体。造成晶格的严重畸变，成为具有一定正方度（c/a）的体心正方晶格 。,过冷奥氏体向马氏体的转变，必须在不断降温条件下转变才能继续进行，冷却过程中断，转变立即停止。,马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变马氏

9、体转变是，通过切变和原子的微小调整来实现相向相转变的。,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。,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,6)马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的碳浓度。,三、 影响 TTT 曲线形状 与位置的因素,1.奥氏体中含碳量的影响:,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。,亚共析钢的TTT曲线,P + F,S + F,T,B,M + A残,过共析钢的TTT

10、曲线,P + Fe3C,S + Fe3C,T,B,M + A残,亚共析钢随着含碳量的增加C曲线向右移动 过共析钢随着含碳量的增加C曲线向左移动,2.奥氏体中含合金元素的影响: 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, 提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而 使 TTT曲线向右移。,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,四.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 - continuous C - cooling T - tran

11、sformation,一) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,二) 共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,三)在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用,V1 = 5.5/s : 炉冷 ; P,V2 = 20/s : 空冷 ; S,V3 = 33/s : 油冷;T+M+A残,V4 138/s : 水冷 ; M+A残,第三节 钢的退火与正火,预备热处理 : 退火 ; 正火,最终热处理 : 淬火 ; 回火,一般零件生产的工艺路线:,一.钢的退火(Annealing of steel),一)定义: 把零件加温到临界温度以上 3050,保温一段时间,然后 随炉冷却

12、。,二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。,三) 种类,退火,重结晶 退 火,低温 退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化 退 火,等温球化 退 火,1. 完全退火 将亚共析钢加热至Ac3以上2030，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为完全退火。 完全退火的目的为： (1) 消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织； (2) 消除铸、锻件中存在的内应力，降低硬度，便于切削加工。 完全退火只适用于亚共析钢，不适用于过共析钢。,2. 不完

13、全退火 将亚共析钢在Ac1Ac3之间或过共析钢在Ac1Accm之间两相区加热，保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺，称为不完全退火。 不完全退火的目的是：改善珠光体组织，消除内应力，降低硬度以便切削加工。 亚共析钢不完全退火的温度一般为740780，其优点是加热温度低，操作条件好，节省燃料和时间。,3. 球化退火 将过共析钢加热在Ac1上，保温后，当冷却到Ar1下缓慢冷却的热处理工艺，称为不完全退火 球化退火是一种将钢中渗碳体或碳化物由片状变为粒状，均匀分布在铁素体基体上的热处理工艺。主要用于过共析钢，是一种不完全退火。 球化退火的目的是：消除钢中的片状珠光体，代之以粒状珠光体。,经球化退火后的

14、组织有以下优点：由片状珠光体变为粒状珠光体，可降低钢的硬度，改善其切削加工性能；粒状珠光体加热时奥氏体晶粒不易长大，允许有较宽的淬火温度范围，淬火时变形开裂倾向小，能获得最佳的淬火组织，即马氏体片细小，残余奥氏体量少，并保留有一定量均匀分布的粒状碳化物。,4. 扩散退火 扩散退火是通过高温长时间加热，使合金元素扩散均匀，以消除或减弱枝晶偏析的热处理工艺。主要用于合金钢锭或铸件。 扩散退火温度通常为11001200，保温时间为1015小时。 5. 软化退火 软化退火是消除钢锭或合金结构钢锻轧钢材内应力，降低其硬度的热处理工艺。 软化退火温度通常为650720，保温后出炉空冷。,6. 再结晶退火

15、再结晶退火是将冷加工后的钢材加热至T再Ac1之间，通常为650700，使变形晶粒恢复成等轴状晶粒，从而消除加工硬化的热处理工艺。,四) 常用的工艺参数:,二.钢的正火( Normalizing of steel ),一)定义: 把零件加温到临界温度以上 3050,保温一段时间,然后 在空气中冷却。,二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。,三) 工艺参数及目的:,目的：亚共析钢细化晶粒，消除组织中的缺陷，其珠光体片层较细，钢的强度和硬度提高，过共析钢正火的目的主要是抑制或消除网状渗碳体,四) 工艺参数:,四)热处理后的组织:S (Wc=0.61.4%) S+F (Wc0.6%),五) 应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3C。 2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。,一、定义: 把零件加温到临界温度以上 30 50,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。,二、目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。获得优异 的综合性能，或者某些特殊 的物理和化学性能。,第四节 钢的淬火,三、 工艺参数:,四、热处理后的组织 :,M+F