《机械工程材料与热加工工艺》第四章钢的热处理

第四章钢的热处理热处理的作用和重要性•钢在加热时组织的转变•钢在冷却时组织的转变•钢的整体热处理工艺•钢的表面热处理和化学热处理工艺•热处理工艺的应用概述1、钢的热处理定义: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。时间温度临界温度热加保温冷却2.热处理的主要目的:改善材料的使用、工艺性能。3.热处理的特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸。4.按目的、加热条件和特点不同热处理分为热处理整体热处理表面热处理(表面淬火)退火;正火;淬火;回火;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•奥氏体晶粒的长大及其影响因素一、转变温度图4-2加热和冷却时Fe-Fe3C相图上各相变点的位置实际加热和冷却时的相变点：平衡时——A1A3Acm加热时——Ac1Ac3Accm冷却时——Ar1Ar3Arcm•加热工序的目的：得到奥氏体P(F+Fe3C)→A结构体心复杂面心含碳量0.770.02186.690.77二、奥氏体的形成过程(以共析钢为例)•可见:珠光体向奥氏体转变,是由成分相差悬殊、晶格截然不同的两相混合物转变成单相固溶体的过程。因此在奥氏体的形成过程必定发生晶格重构和铁、碳原子的扩散。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；为形核提供了良好的条件。FFe3CAA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的转变和Fe3C的不断溶解来完成的。A向F和Fe3C两个方向长大。未溶Fe3CAF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Fe3CA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。AA均匀化亚共析钢和过共析钢的A形成过程与共析钢基本相似，不同之处在于亚共析钢和过共析钢需加热到Ac3或Accm以上，才能获得单一的奥氏体组织，这个过程称为完全奥氏体化。三、奥氏体晶粒的长大及其影响因素1．奥氏体晶粒的长大由于奥氏体在铁素体与渗碳体相界面上形核，形成的晶核多，因而刚完成珠光体向奥氏体的转变时奥氏体的晶粒是比较细小的。但是如果在形成奥氏体后继续升高温度，或者是在高温长时间保温，就会引起奥氏体晶粒长大。由于晶粒粗大，往往使钢的强韧性恶化，特别是冲击韧性将明显下降，韧脆转变温度相应升高，脆性倾向加大。因此，钢在加热时应严格控制加热规范，以获得细小而均匀的奥氏体晶粒。2.奥氏体晶粒度:•晶粒度——晶粒大小的量度。•晶粒的大小通常用晶粒度级别指数来表示;奥氏体的晶粒度一般分为8级，l－4级为粗晶粒，5－8级为细晶粒。•奥氏体实际晶粒度：是指钢在具体热处理或热加工条件下获得的奥氏体晶粒度;它的大小决定了钢件热处理或热加工后室温组织的晶粒大小，直接影响到钢件的力学性能。因此，在钢材验收、零件技术要求、热加工工艺评定、产品质量分析中所规定的“晶粒度检验”一般都是指依据GB／T63941986检验钢的奥氏体实际晶粒度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。2）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。但当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。3）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。3.奥氏体晶粒大小的控制第二节钢在冷却时的转变•过冷奥氏体的等温冷却转变•过冷奥氏体的连续冷却转变热加保温时间温度临界温度A1连续冷却等温冷却在热处理生产中，常用的冷却方式：等温冷却和连续冷却。一、过冷奥氏体的等温冷却转变(一)过冷奥氏体等温转变图(C曲线）的建立现以金相硬度法测定共析钢过冷奥氏体等温转变为例，来说明等温转变图的建立过程。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。过冷奥氏体的等温转变：指钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的某温度区间内等温时。过冷奥氏体所发生的转变。共析钢C曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1（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A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;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。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf（三）转变产物的组织和性能A1~650℃层片状珠光体25HRC1、珠光体型转变—高温转变（A1~550℃）650℃~600℃细片状珠光体（索氏体S）25HRC~35HRC600℃~550℃极细片状珠光体（托氏体T）35HRC~42HRC珠光体性能：珠光体片越细→HB↑，σb↑且δ↑，αk↑珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌索氏体形貌像托氏体形貌像电镜形貌光镜形貌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）强度低，塑性、韧性差；硬度40~50HRC条状FFe3C它是通过奥氏体晶格改组为过饱和的铁素体,并在铁素体条间析出渗碳体而形成.上贝氏体组织金相图350~Ms黑色针叶状下贝氏体（B下）强度、塑性、韧性均高于上贝氏体，硬度50~60HRC针叶状铁素体Fe3C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。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γ-Fe向α-Fe的晶格转变。固溶在奥氏体中的碳全部保留在α-Fe晶格中，形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称其为马氏体（M）(230～-50℃)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，集体地作一定距离的移动,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，过饱和碳使α-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。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（Ms～Mf）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。2、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)30～50HRCδ=9～17%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)60～65HRCδ≈1%高碳片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉强度σb(Mpa)1800140010006002003、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。（四）影响C曲线的因素1、奥氏体中含碳量的影响:亚共析钢的C曲线FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf过共析钢的C曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf与共析钢C曲线比较：1)亚共析钢的等温转变图随着含碳量的增加C曲线位置往右移，过共析钢的等温转变图随着含碳量的增加C曲线位置往左移，故在碳钢中以共析钢等温转变图的鼻尖离温度坐标最远，其孕育期最长，过冷奥氏体也最稳定2)亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体，在转变为珠光体类型组织之前，分别先有铁素体和渗碳体析出。这样，在亚共析钢等温转变图上多一条先共析铁素体析出线，在过共析钢等温转变图上多一条先共析渗碳体析出线。3)随着含碳量的增加，Ms、Mf线下降,因而残余奥氏体量随着奥氏体含碳量的增加而增多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：向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢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。Vk´（M临界冷却速度）时间t温度℃A1Pf（P转变终了线）Ps（P转变开始线）A+PK（P转变中止线）MsMf水冷油冷Vc炉冷空冷二、过冷奥氏体的连续冷却转变1.过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)共析碳钢C曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线C曲线1)同一成分的钢的CCT曲线位于C曲线右下方。要获得同样的组织，连续冷却转变比等温转变的温度要低些，孕育期要长些。2)连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变。3)连续冷却时，转变时在一个温度范围内进行的，转变产物的类型可能不只一种，有时是几种类型组织的混合。2.C曲线在连续冷却转变中的应用•V1(炉冷)：A→P（170～220HBS）•V2(空冷)：A→S（25～35HRc）•V3(油冷)：A→T+M（45～55HRc）•V4(水冷)：A→M+A′（55～65HRc）•Vk’：临界冷却速度•估计Vk=1.5Vk’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;回火典型零件的制造过程：铸/锻→预备热处理→粗加工→最终热处理→精加工预备热处理目的：消除前道工序的缺陷，为后续工序作组织准备最终热处理目的：满足使用性能要求1、退火：将钢加热到适当温度（临界温度以上30～50℃），保温一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。2、目的——为最终热处理作好组织准备1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；2）细化晶粒，消除组织缺陷；3）消除残余内应力。一、钢的退火3、分类