工程材料第2版 教学课件 ppt 作者 崔占全 孙振国 第四节,钢的热处理

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1、1、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.,为简明表示热处理 的基本工艺过程，通 常用温度时间坐标 绘出热处理工艺曲线。,第四节 钢的热处理,热处理分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称 热处理原理。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、 介质等参数称热处理工艺。,一、钢在加热时的组织转变,加热是热处理的第一道工序。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。,(一) 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：,

2、(1) 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 (2) 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和 Fe3C方向长大。 (3) 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。,(4) 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。,亚共析钢和过共析钢的奥 氏体化过程与共析钢基本相 同。但由于先共析 或二次 Fe3C的存在，要获得全部 奥氏体组织，必须相应加热 到Ac3或Accm以上.,(二) 奥氏体晶粒长大及其控制,1. 晶粒大小的表示方法(可用平均直径来表示) 通常

3、分为8级，1级最粗，8级最细。 2. 奥氏体晶粒度的概念 奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度,此时晶粒 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，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过 程与再结晶晶粒长大过程相同。 在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。 加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。,3、奥氏体晶粒大小的控制 加热温度和保温时间: 加热温 度高、保温时间长, 晶粒粗大. 加热速度: 加热速度越快,过热 度越大, 形核率越高, 晶粒越细.,钢的化学成分 阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、 Mo、Cr等碳化物形成元素和 非碳化物形

4、成元素Al。 （4）原始组织,（二）过冷奥氏体等温转变曲线和连续冷却转变曲线,过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。,两种冷却方式示意图 1等温冷却 2连续冷却,二、 钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体的等温转 变图是表示奥氏体急速 冷却到临界点A1 以下 在各不同温度下的保温 过程中转变量与转变时 间的关系曲线.又称C 曲线、S 曲线或TTT曲 线。,1. 共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线(C曲线),(Time-Temperature-Transformation diagram),A1-Ms 间及转 变开始线以左的 区域为过冷奥氏 体区。 转变终了线以 右及Mf以下为转 变产物区。

5、 两线之间及Ms 与Mf之间为转变 区。,2）C 曲线的分析 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。 孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小. 孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的 温度为550。 在鼻尖以上, 温度较高，相变驱动力小. 在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏 体稳定性增加。, C曲线明确表示 了过冷奥氏体在不同 温度下的等温转变产 物。,2. 过冷奥氏体连续冷却转变图 过冷奥氏体连续冷却转变图又称 CCT(Continuous-Cooling-Transformation diagram)曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体 的转变量获得的。,1、共析钢的CCT曲线

6、共析钢的CCT曲线没 有贝氏体转变区，在珠 光体转变区之下多了一 条转变中止线。 当连续冷却曲线碰到 转变中止线时，珠光体 转变中止，余下的奥氏 体一直保持到Ms以下转 变为马氏体。,图中的Vk 为CCT 曲线的临界冷却速 度，即获得全部马 氏体组织时的最小 冷却速度. Vk 为TTT曲线的 临界冷却速度. Vk 1.5 Vk 。,2、过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区, 但比共析 钢CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。由于Fe3C的 析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高. 3、亚共析钢CCT 曲线有贝氏体转变区，还多AF 开始线, F析出使A含碳量升高, 因而Ms 线右端下降

7、.,(二) 珠光体转变 1、珠光体的组织形态 过冷奥氏体在 A1到 550间将转变为珠光体类型组 织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据 片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体., 珠光体： 形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可 辨，用符号P表示., 索氏体,形成温度为650-600, 片层较薄，800-1000 倍光镜下可辨，用符 号S 表示。,电镜形貌, 托氏体 形成温度为600- 550，片层极薄，电 镜下可辨，用符号T 表 示。,珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只 是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。,2. 珠光体的力学性能 片间距越小，钢

8、的强度、硬度越高，塑性和韧性略有改善。,3 . 珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。,珠光体转变是 扩散型转变。, 马氏体转变 当奥氏体过冷到Ms以下将 转变为马氏体类型组织。 马氏体转变是强化钢的重 要途径之一。 马氏体的晶体结构 碳在-Fe中的过饱和固溶 体，用M表示。,马氏体组织,马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.,马氏体具有体心正方晶格（a=bc） 轴比c/a 称马氏体的正方度。 C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。 当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.,2、马氏体的组织形态 马氏体的形态分板条 和针状两类。 C%0.25%时，板条马 氏

9、体 在光镜下板条马氏体 为一束束的细条组织。 板条内的亚结构主要是 高密度的位错，又称位 错马氏体。,C%1.0%C时 针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的 片状。显微组织为针状。 在电镜下，亚结构主要是 孪晶，又称孪晶马氏体。,2. 马氏体的性能 高硬度是马氏体性能的主要特点。 马氏体的硬度主要取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬度增加。,当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。 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作用。 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针 状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和

10、韧性.,3. 马氏体转变的主要特点 马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是： 无扩散性,铁和碳原子 都不扩散，因 而马氏体的含 碳量与奥氏体 的含碳量相同。,(2) 在一个温度范围内进行的 马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示.,马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示. 只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。 在Ms以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断,转变 停止。,(3) 转变不完全,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。,(四) 贝氏体转变 1、贝氏体的组织形态 过冷奥氏体在550- 2

11、30 (Ms)间将转变为贝氏 体类型组织，贝氏体用符号 B表示。 根据其组织形态不同，贝 氏体又分为上贝氏体(B上)和 下贝氏体(B下)., 上贝氏体 形成温度为550-350。 在光镜下呈羽毛状. 在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界 向晶内平行生长的铁素体条之间。,下贝氏体 形成温度为350-Ms。 在光镜下呈竹叶状。,在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内。,上贝氏体强度与塑性都较低。 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。,2. 贝氏体的力学性能,1. 马氏体的分解 100回火时，碳的偏聚。 100-250加

12、热时， 马氏体将发生分解,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。,透射电镜下的回火马氏体形貌,三、 钢在回火时的组织转变,2、残余奥氏体转变,200-300时, 由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下 降, Ms 上升，A 分解为-碳化物和饱合铁素体，即M回。,3、碳化物的转变,发生于250-400，此时，-碳化物溶解于F中，并从 铁素体中析出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。,回火索氏体,4. 碳化物的聚集长大和铁素体的

13、回复再结晶(400 以上),400以上, Fe3C开 始聚集长大。 450 以上铁素体 发生多边形化. 这种在多边形铁素 体基体上分布着颗粒 状Fe3C的组织称回火 索氏体，用S回表 示。,四、 钢的退火与正火,机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预,备热处理机加工最 终热处理。 退火与正火主要用于 预备热处理，只有当工 件性能要求不高时才作 为最终热处理。,（一）退火与正火,1. 退火,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

14、作组织准备。,真空退火炉,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。 完全退火,将工件加热到 Ac3+3050保温 后缓冷的退火工 艺，主要用于亚 共析钢 ., 等温退火 亚共析钢加热到Ac3+3050, 共析、过共析钢加热 到Ac1+3050，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下 停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件 在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢., 球化退火 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。,它是将工件加热到 Ac1+ 30-50 保温后缓 冷，或者加热后冷却 到略低于 Ar1 的温度下 保温，使珠光体中

15、的 渗碳体球化后出炉空 冷。主要用于共析、 过共析钢。,球化退火的组织为铁素体基 体上分布着颗粒状渗碳体的 组织，称球状珠光体, 用P球表 示。,球状珠光体,对于有网状二次渗碳体的 过共析钢，球化退火前应先 进行正火，以消除网状.,（4）扩散退火（均匀化退火）,铸锭或铸件在凝固过程中不可避免的要产生枝晶 偏析等化学成分不均匀现象，为达到化学成分的均 匀化，必须对其进行扩散退火。 特点：加热温度高(一般在Ac3或Acm以上 150300)，保温时间长(10h以上)。,（5）去应力退火,用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的 残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形 和开裂。 特点：工件随

16、炉缓慢加热至500600 ，经一段 时间保温后随炉缓慢冷却至300200 以下出炉。,冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适 当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒。 目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工 及成形性能。 特点：加热温度通常比理论再结晶温度高 100150 ，通常在去应力退火温度之上。,（6）再结晶退火,2. 正火 正火是将亚共析钢加热到 Ac3+30 50，共析钢加 热到Ac1+3050，过共析 钢加热到Accm+30 50保 温后空冷的工艺。 正火比退火冷却速度大。,正火温度,正火的目的 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。 要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火 或正火,高碳钢用球化退火.,（二）淬火,淬火是将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温后以大于