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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。第5章 金属热处理及表面处理技术本章学习要求( 本课程的重点章节之一) 1. 了解本质晶粒度与实际晶粒度的含义, 控制晶粒度大小的因素; 钢在加热和冷却过程中产生的缺陷; 2. 熟悉钢在加热和冷却时组织转变的机理; 3. 掌握各种热处理的具体工艺过程; 本章学习重点 钢在加热时组织转变的过程中及影响因素; 共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌, 性能特点。 非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C典线的因素; 奥低体连续冷却转变曲线的特点, 冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响;
2、各种热处理的定义、 目的、 组织转变过程, 性能变化, 用途和适用的钢种、 零件的范围。学习方法指导 u 演绎法 ”铁碳碳相图、 C曲线”钢在加热和冷却时组织转变的机理和产物” ”各种热处理方法” 。 u 联想展开法围绕”钢的成份-组织-性能”间的关系, 理解”退火、 正火、 淬火、 回火及表面热处理的目的、 工艺及应用”。金属热处理基本概念 钢的热处理, 就是经过加热、 保温和冷却, 使钢材内部的组织结构发生变化, 从而获得所需性能的一种艺方法。 并不是所有的金属材料都能进行热处理, 在固态下能够发生组织转变, 这是热处理的一个必要条件。金属热处理类型退火、 正火、 淬火、 回火及表面热处理
3、第1节 钢加热时的组织转变l 奥氏体的形成( 晶格改组和Fe, C原子的扩散过程) 共析钢奥氏体化温度Ac1温度: F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (Fcc, 0.77) 共析钢奥氏体化过程( 遵循形核、 长大规律) ( 1) 奥氏体形核 奥氏体晶核首先在铁素体相界面处形成。( 2) 奥氏体长大 形成的奥氏体晶核依靠铁、 碳原子的扩散, 同时向铁素体和渗碳体两个方向长大, 直至铁素体消失。( 3) 残余渗碳体溶解 残余的渗碳体随着加热和保温时间的延长, 不断溶入奥氏体, 直到全部消失。( 4) 奥氏体成分的均匀化,经过碳原子的扩散, 形成成分较为均匀的奥氏体.l 碳及合金
4、元素对加热转变的影响1除Mn、 Ni等以外, 升高钢的临界点, 因此合金钢的加热温度高于碳钢。2除了Co等外, 减慢碳在奥氏体中的扩散速度, 保温的时间长。3.除了Mn、 P等以外, 阻碍奥氏体晶粒的长大, 细化晶粒( 特别是与碳结合力较强的所谓形成碳化物一类的元素, 如Cr、 W、 Mo、 V、 Ti、 Zr、 Nb等) 。.l 奥氏体晶粒的长大及影响因素 晶粒度: 表征晶体内晶粒大小的量度, 一般见长度, 面积, 体积或晶粒度级别表示。 起始晶粒度、 实际晶粒度、 本质晶粒度 珠光体刚转变为奥氏体时, 一般情况下其晶粒是细小的, 这时的晶粒大小称之为起始晶粒度。 本质晶粒度: 钢奥氏体晶粒
5、长大的倾向。 奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大本质粗晶钢 奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时, 才迅速长大本质细晶钢 奥氏体晶粒度的控制 加热工艺 加热温度, 保温时间 钢的成分合金化A中C%晶粒长大 MxC%粒长大( 碳化物形成元素 细化晶粒 Al本质细晶钢Mn 、 P促进长大l 加热时常见的缺陷 过热(excessive heating)钢在加热时, 由于加热温度过高或加热时间过长, 引起奥氏体晶粒粗大的现象。 过烧(burnt)钢在加热时, 由于加热温度过高, 造成晶界氧化或局部熔化的现象。 氧化由于铁和空气中的氧等化合形成氧化皮, 从而使工件表面粗糙不平, 影响零件的精度。 脱碳钢件表
6、面的碳被烧掉, 因而使其含碳量降低, 这不但影响热处理后钢件表面的硬度, 并将显著降低零件的疲劳强度, 因而切削工具和一些重要的零件是不允许热处理时发生严重脱碳的.第2节 钢在冷却时的转变l 过冷奥氏体等温转变曲线( C曲线) 的建立 经过热分析、 膨胀分析、 磁性分析和金相分析等方法, 测出在不同温度下过冷奥氏体发生相变的开始时刻和终了时刻, 并标在温度-时间坐标上, 将所有转变开始点和转变终了点分别连接起来, 便得到了该钢种的过冷奥氏体等温转变曲线。由于曲线的形状很象英文字母”C”, 故称C曲线。A1以上: A稳定A1以下: A不稳定, 过冷C曲线有一最小孕育期: 1: T, AP的驱动力
7、F提高2: TDD( 扩散) l 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能共析钢的过冷奥氏体在个不同的温度区间, 能够发生三种不同的转变: 高温转变区: 在A1点至C曲线鼻尖区间的高温转变, 其转变产物是珠光体( P) , 故又称为珠光体型转变( 包括珠光体P、 索氏体S和屈氏体T) ; 中温区转变: 在C曲线鼻尖至Ms线区间的中温转变, 其转变产物是贝氏体( B) , 故又称为贝氏体型转变( 包括上贝氏体B上和下贝氏体B下) ; 低温区转变: 在Ms至Mf线之间的转变, 称低温转变, 其转变产物是马氏体M) , 故又称为马氏体型转变。 珠光体转变 一种扩散型相变A1鼻子温度( 5500C) A过冷
8、P( S, T) 索氏体, 屈氏体。P的形成取决于生核, 长大速率。T, 生核, 长大。T6000C, D, 长大慢层间距薄, 短扩散型相变, 综合性能好, HB较低, 韧性好。THB, 强度 贝氏体转变-半扩散型相变( 550230 ( MS) ) A过冷B, 碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。550350上贝氏体半扩散型, Fe不扩散羽毛状碳化物在F间, 韧性差350MS下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状碳化物在F内, 韧性高, 综合机械性能好工业生产中, 常采用等温淬火来获得下贝氏体, 以防止产生上贝氏体。 马氏体转变-非扩散型转变MSMf之间一个温度范围内连续冷却完成的
9、。a. A过冷M+A残余b. 转变产物: 马氏体M, 碳在-Fe中的过饱和固溶体。C%1.0%, 针状M, 硬而脆, 塑、 韧性差c. 实质: T低C无法扩散非扩散性晶格切变过饱和C的铁素体。d. M转变的特征, 无扩散性 瞬时性 存在Ms,Mf 不完全性 体积膨胀马氏体(martensite)是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过冷奥氏体冷至MS线以下便发生马氏体转变( 共析钢的MS约为230) 。由于转变温度低, 铁原子和碳原子都不能扩散, 奥氏体向马氏体转变时只发生-Fe-Fe的晶格改组, 因此这种转变称为非扩散型转变。马氏体实质上是碳在-Fe中的过饱和固溶体。马氏体转变时, 体积会发生膨胀,
10、 钢中含碳量越高, 马氏体中过饱和的碳也越多, 奥氏体转变为马氏体时的体积膨胀也越大, 这就是高碳钢淬火时容易变形和开裂的原因之一。马氏体转变特点( 1) 降温形成 马氏体转变是在MSMf温度范围内, 不断降温的过程中进行的, 冷却中断, 转变也随即停止, 只有继续降温, 马氏体转变才能继续进行。( 2) 高速形核和长大 当奥氏体过冷至MS点温度以下时, 不需要孕育期, 马氏体晶核瞬间形成, 并以极快的速度迅速长大。( 3) 马氏体转变的不完全性 常温条件下马氏体转变不能进行彻底.l 影响过冷奥氏体等温转变的因素 C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性( 与奥氏体的化学成分和加热时的状态) 。
11、C曲线的形状位置, 不但对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义, 而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。 A成分 含碳量( 含碳量的变化对C曲线形状无影响) A中C%C曲线右移。对亚共析钢: 钢中C%, A中C%C曲线右移对过共析钢: 一般在AC1以上A化, 钢中C%, 未溶Fe3C有利于形核C曲线左移共析钢: C曲线最靠右边, 稳定性最高。 合金元素( 除Co%左移外) 除Co以外, 所有合金元素溶入A中, 增大过冷A稳定性C曲线右移非碳化物形成元素, Si,Ni, Cu, 不改变C曲线形状强碳化物形成元素, Cr,Mo,W,V, Nb, Ti, 改变C曲线形状除Co,Al 外,
12、 均使Ms,Mf 下降, 残余A A化条件的影响 加热温度和时间A化温度, 时间A稳定性, C曲线右移( 成分均匀, 晶粒大, 未溶碳化物少, 形核率降低) l 过冷奥氏体的连续冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变图PS: AP开始线Pf: AP终止线K: 珠光体型转变终止线Vk: 上临界冷却速度( 马氏体临界冷却速度) M最小冷速Vk: 下临界冷速完全P最大冷速 连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较( 1) CCT位于TTT曲线右下方 AP转变温度低一些, t长一些( 2) CCT无AB转变CCT测定困难, 常见TTT曲线定性分析 C曲线的应用( 1) 根据工件要求, 确定热处理工艺。( 2)
13、 确定工件淬火时的临界冷速。( 3) 能够指导连续冷却操作V1:炉冷( 退火) PV2: 空冷, S, TV3: 空冷, S, TV4: 油冷, T+M+AV5 : M+A( 4) 选择钢材的依据( 5) C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。第3节 钢的退火与正火工艺退火和正火都是获得珠光体型组织( 亚共析钢为F+P, 共析钢为P, 过共析钢为Fe3C+P) , 但由于正火冷速稍快, 获得的组织细密, 珠光体层片也较薄, 因此硬度也比退火稍高。( 观看视频) l 退火 ( 将钢件加热到适当温度, 保温一定时间, 然后缓慢冷却的热处理工艺。) 完全退火加热温度: Ac3以上20-30度组织:
14、P+F目的: 细化, 均匀化粗大、 不均匀组织接近平衡组织调整硬度切削性消除内应力应用范围: 亚共折钢, 共析钢, 不适用于过共析钢。 球化退火( 不完全退火) 加热温度: Ac1以上20-40度应用范围: 过共析钢, 共析钢组织: 球状P( F+球状Cem) 目的: 使Cem球化HRC, 韧性切削性为淬火作准备 扩散退火( 均匀化退火) 1050-1150, 10-20h, P+F或P+Fe3CII目的: 消除偏析后果: 粗大晶粒( 应用完全退火消除) 再结晶退火( 无相变) 加热温度: Ac1以下50-150度, 或T再+30-50度目的: 消除加工硬化 去应力退火500-650( 无相变) l 正火 ( 空冷) 加热温度: AC3或Accm+30-50 组织: S+( F或Fe3C) 应用: ( 1) 作最终热处理, 普通结构钢零件目的: a.细化A晶粒, 组织均匀化b. 减了亚共析钢中F%P%, 细化强度, 韧性, 硬度( 2) 预
