机械工程材料_沈莲_03章_钢的热处理

SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第三章钢的热处理HEATTREATMENTOFSTEEL热处理是改善金属材料性能的一种重要加工工艺。钢的热处理：通过对钢件加热、保温、冷却的方法，改变钢件的内部组织和性能的一种工艺操作。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料钢的热处理主要有普通热处理（退火、正火、淬火、回火）和表面热处理（表面淬火和表面化学处理）。大部分钢的热处理，如退火、正火、淬火等，都是单相奥氏体区的临界点以上，用来获得全部或部分晶粒细小的奥氏体组织，然后根据不同的冷却方式，奥氏体转变为不同组织，从而使钢具有不同的性能。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第一节钢在加热时的转变TRANSFORMATIONOFSTEELASBEINGHEATED加热保温的目的：获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料加热是热处理的第一道工序。生产中有两种本质不同的加热，一种是在A1（727℃）温度以下加热；另一种是在A1温度以上加热。由Fe-Fe3C相图可知，任何成分的钢加热到A1温度以上时，都会发生珠光体向奥氏体的转变。将共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热到A1、A3、Acm以上时，都完全转变为单相奥氏体，这种加热转变称为奥氏体化。加热的目的是为了获得奥氏体组织，并利用加热规范控制奥氏体晶粒的大小。一、奥氏体的形成SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料1.共析钢的奥氏体形成过程当将共析钢加热至略高于A1温度时，发生珠光体向奥氏体的转变。这一过程也是以形核和长大的方式进行的，其基本过程包括形核、长大、残留渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化四步。图3-1共析钢的奥氏体形成示意图SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料奥氏体形成速度与加热温度、加热速度及钢的原始组织有关。加热温度越高，过热度越大，奥氏体晶核数越多，同时碳的扩散速度越快，则奥氏体晶核的长大速度越大，因此奥氏体形成速度越快。加热速度越快，发生转变的温度越高，转变的温度范围越宽，完成转变所需的时间也越短，因此提高加热速度可加速珠光体向奥氏体的转变过程。另外，原始组织中铁素体和渗碳体的相界面越多，奥氏体形成速度越快。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料2.亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程亚共析钢和过共析钢在完成珠光体向奥氏体的转变之后，还要发生先共析铁素体转变为奥氏体和先共析渗碳体溶入奥氏体的过程，最终通过扩散运动达到单相奥氏体成分均匀化。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料奥氏体转变刚完成时，其晶粒是比较细小的。如果继续升高温度或在较高温度下长时间保温，则奥氏体晶粒会自发地合并成较大的晶粒，发生奥氏体晶粒长大。加热温度越高，保温时间足够长，则晶粒长得越大。1.奥氏体的实际晶粒度加热温度一定时，随保温时间延长，晶粒会不断地长大，但当保温时间足够长之后，奥氏体晶粒就几乎不再长大而趋于相对稳定。二、奥氏体晶粒的大小SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料若加热时间很短，即使在较高的加热温度下，也能得到细小的奥氏体晶粒。这种在具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为奥氏体的实际晶粒度。它对钢冷却后的组织和性能有明显影响。对同一种钢而言，当奥氏体晶粒细小时，冷却后的组织也细小，其强度较高，塑性、韧性较好。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的力学性能降低，特别是韧性下降，甚至导致淬火时形成裂纹。过热：当加热时奥氏体晶粒大小超过规定尺寸时，就成为一种加热缺陷，称之为“过热”。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料不同牌号的钢，其奥氏体晶粒的长大倾向是不同的。有些钢的奥氏体晶粒随加热温度升高会迅速长大；而有些钢的奥氏体晶粒则不容易长大，只是加热到更高温度时才开始迅速长大。一般把前者称为“本质粗晶粒钢”，把后者称为“本质细晶粒钢”。2.奥氏体的本质晶粒度通常用铝脱氧的钢或含有Nb、Ti、V等元素的钢都是本质细晶粒钢，这是由于这些元素容易形成AlN、Al2O3、NbC、TiC、VC等不易溶解的小粒子，分布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒的长大。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料通常用铝脱氧的钢或含有Nb、Ti、V等元素的钢都是本质细晶粒钢，这是由于这些元素容易形成AlN、Al2O3、NbC、TiC、VC等不易溶解的小粒子，分布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒的长大。但是当加热温度很高时，这些化合物会聚集或溶解消失，从而失去阻碍晶界迁移的作用，奥氏体晶粒便会突然长大。而用Si、Mn脱氧的钢则为本质粗晶粒钢，由于其晶界不存在细小化合物粒子，随加热温度的升高，奥氏体晶粒很容易长大。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料钢的本质晶粒度只表示钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小，并不表示奥氏体实际晶粒大小。但钢的本质晶粒度在热处理生产中具有重要意义。因为有些热处理工艺需要在高温下进行长时间加热才能实现，例如渗碳处理需要在900~950℃温度下5~8h，这就必须采用本质细晶粒钢来获得细小的奥氏体晶粒。此外，焊接本质细晶粒钢时，其焊缝热影响区的过热程度要比本质粗晶粒钢轻微得多。因此，凡是需要经热处理或焊接的零件一般尽量选用本质细晶粒钢，可以减小过热倾向。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料钢在加热时的缺陷还有“氧化”和“脱碳”。采用脱氧良好的盐浴加热或采用高温短时快速加热等方法可使氧化和脱碳程度减轻。但防止氧化和脱碳的根本办法是采用真空热处理或可控气氛热处理。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第二节奥氏体转变图TANSFORMATIONDIAGRAMOFAUSTENITE钢经加热和保温转变为奥氏体后，将其冷却到临界点（A1、A3、Acm）以下，奥氏体并不立即发生转变而是处于热力学不稳定状态，通常将这种在临界点以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料一、奥氏体等温转变图1.奥氏体等温转变图测定原理图3-3共析钢C曲线测定原理示意图薄片试样：101.5mmmmSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料首先将共析钢制成d10mm×1.5mm的薄片试样，分为几组，每组数个试样，把它们同时加热到A1温度以上某一温度，使之得到均匀的奥氏体，然后将各组试样分别迅速放入A1温度以下不同温度的恒温盐浴中保温，同时记录时间，每隔一定时间取出一块试样，立即淬入水中。然后在显微镜下观察其组织，找出各个等温温度下的转变开始时间和转变终了时间，并画在“温度-时间”坐标系中，将所有的转变开始点和转变终了点分别连接起来，便形成了奥氏体转变开始线和转变终了线，称为奥氏体等温转变图。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料2.奥氏体等温转变图分析A1～550℃珠光体型转变550℃～Ms(约230℃)贝氏体型转变Ms(约230℃)马氏体型转变SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料3.过冷奥氏体等温转变过程及产物（1）珠光体型转变：是一个形核和长大的过程。图3-5珠光体形成示意图SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料A1～650℃珠光体(P)—粗片状铁素体与渗碳体交替排列的混合物。650～600℃索氏体(S)—细片状铁素体与渗碳体交替排列的混合物。600～550℃托氏体(T)—极细片状铁素体与渗碳体交替排列的混合物。等温温度越低，转变速度越快，珠光体片层越细。显然，珠光体片层越细，其强度硬度越高，同时塑性、韧性也有所增加。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料不同等温温度形成的珠光体显微组织(a)655℃(b)600℃(c)534℃SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（2）贝氏体型转变贝氏体（B）——过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。550~350℃：上贝氏体350℃~Ms：下贝氏体SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料上贝氏体形成示意图上贝氏体：相互平行的过饱和铁素体片与分布在片间的断续细小渗碳体组成的羽毛状混合物。脆性大性能差。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料上贝氏体的显微组织(a)光镜×500SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料上贝氏体的显微组织(b)扫描电镜×10000SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料下贝氏体：针叶状的过饱和铁素体与分布在其中的极细小的渗碳体粒子组成的混合物。脆性小性能好。下贝氏体形成示意图SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料下贝氏体的显微组织(a)光镜×500SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料下贝氏体的显微组织(b)扫描电镜×10000SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（3）马氏体型转变马氏体（M）——碳在中的过饱和铁素体。T230℃：马氏体（M）高碳马氏体Fe1.0%Cw片（针）状，硬而脆。低碳马氏体0.25%Cw板条状，强而韧。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料高碳马氏体形成示意图SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料冷却到下列不同温度形成高碳马氏体的过程(a)24℃(b)-60℃(c)-100℃SCHO