机械工程材料第五章改善钢的组织与性能的基本途径

第一节冶金质量对钢性能第二节碳钢的热处理第三节钢的合金化基本要求第五章改善钢的组织与性能的基本途径第一节冶金质量对钢性能的影响钢的冶金质量：钢在冶炼、浇注及压力加工后的质量。主要包括:(1)所含杂质元素；(2)非金属夹杂物；(3)钢锭的宏观组织及压力加工后的组织缺陷。一、杂质元素对钢材性能的影响钢中常存元素：Mn，Si，S，P，O，H，N等。Mn和Si：(1)炼钢脱氧剂；(2)溶于铁，有固溶强化作用；(3)Mn可减轻S的有害作用。S：(1)不溶于Fe，而与铁形成化合物FeS；(2)FeS与Fe形成低熔点共晶物，且分布于晶间，温度较高时，钢材表现出热脆性。(3)Mn和S的亲和性更大，可消除热脆性，同时增加钢材的切削性能。P：(1)α-Fe中最大溶解度为1.2%；(2)易偏析形成Fe3P，可是钢的强度提高，但增加脆性；(3)Fe3P使脆性转折温度急剧升高，引起钢的冷脆性。(4)增加P含量可增加切削性；(5)与Cu同时存在时可提高耐蚀性。O、N和H：(1)O和N溶入固体降低钢的冲击韧性并急剧提高脆性转折温度；(2)微量的H引起氢脆；存在形式：游离气态、固溶体或化合物。钢中白点二、非金属夹杂物对钢材性能的影响非金属夹杂物的来源：(1)冶炼、浇注过程中的物理化学反应生成物；(2)浇注过程中因侵蚀剥落形成的炉渣及耐火材料。非金属夹杂物的主要类型：氧化物和硫化物。对钢材性能的影响：与基体弹塑性变形不协调而引起应力集中，脆性夹杂物边缘出现疲劳裂纹，从而降低钢强度。三、钢锭的宏观组织根据脱氧程度分：镇静钢、沸腾钢和半镇静钢镇静钢：(1)Mn、Al、Si脱氧的钢(2)包括表面细晶区、柱状晶区和内部等轴晶区(3)晶粒下沉形成下部锥体(4)偏析形成V型偏析和逆V型偏析(5)存在缩孔、缩松和气泡集中缩孔缩孔缩松沸腾钢(1)仅用Mn脱氧；(2)氧含量高，生成CO而使钢液沸腾；(3)气泡量和偏析较镇静钢严重；(4)集中缩孔少。半镇静钢用Mn、Al脱氧，质量介于镇静钢和沸腾钢机械性能要求高时，用镇静钢；要求塑性好时，可用沸腾钢，如冷冲压汽车壳体、油箱等四、钢的分类按照化学成分：碳钢与合金钢碳钢：1、低碳钢Cwt.%0.25%;2、中碳钢0.30%Cwt.%0.55%;3、高碳钢Cwt.%0.6%。合金钢：1、低合金钢合金元素含量小于5wt.%;2、中合金钢合金元素含量为5-10wt.%;3、高合金钢合金元素含量大于10wt.%;按用途分1、结构钢：构件及机器零件用钢；2、工具钢：刃具钢、模具钢和量具钢；3、特殊用途钢：不锈钢、耐磨钢、耐热钢等。按冶炼方法分：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。按质量等级分(根据S和P含量)1、普通钢：P为0.045-0.085%；S为0.055-0.065%；2、优质钢：P为0.035-0.04%；S为0.03-0.04%；3、高级优质钢：P为0.03-0.035%；S为0.02-0.03%。第二节碳钢的热处理钢的热处理：将钢在固态下以一定的方式进行加热、保温，然后采取合适的方式冷却，让其获得所需要的组织结构和性能的工艺。通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间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。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。模具、滚动轴承100%需经过热处理。重要零件都需适当热处理后才能使用。热处理特点:区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等，只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理—渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示退火：将工件加热到高于AC3或AC1温度以上，保温一定时间，随后以足够缓慢的速度冷却，使钢得到接近平衡组织的热处理工艺。目的：⑴调整硬度，便于切削加工。⑵消除内应力，防止加工中变形。⑶细化晶粒，为最终热处理作组织准备。真空退火炉根据加热温度不同退火分为完全退火和不完全退火。完全退火：加热到AC3以上，得到均一奥氏体组织后再缓冷转变为珠光体组织的过程。不完全退火：加热到AC1以上，得到奥氏体加未溶碳化物或铁素体，再缓冷进行组织转变的过程。球化退火将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。球化退火目的：使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。球化退火主要适用于过共析钢球状珠光体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。与片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。正火：将钢加热到AC3或Accm以上，保温一定时间，在静止的空气中冷却，得到细珠光体类型组织的热处理工艺。正火温度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。热处理与硬度关系合适切削加工硬度正火的目的⑴对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。调整硬度利于切削、消除内应力、细化晶粒。球状珠光体⑵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。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能。淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间，以一定的速度冷却，得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。根据加热温度不同淬火分为完全淬火和不完全淬火。完全淬火：加热到Ac3以上，进行淬火的过程。不完全淬火：加热到Ac1以上，得到奥氏体加未溶碳化物或铁素体，再淬火的过程。螺杆表面的淬火裂纹回火是指将淬火钢重新加热到相变点以下的某温度保温后冷却的工艺。回火的目的：(1)减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂。(2)获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。(3)稳定尺寸。表面淬火：将钢件表面层加热到临界点以上温度并急速冷却。表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。轴的感应加热表面淬火火焰加热感应加热化学热处理：将钢件置于一定介质中加热、保温，使介质中活性原子渗入工作表层，以改变表层的化学成分组织，具有某些特殊的机械和物化性能。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。一、碳钢加热时的组织转变碳钢加热时的组织转变以共析钢为例αFe3CAAc10.02wt.%C体心立方6.69wt.%C复杂斜方0.77wt.%C面心立方第一步奥氏体晶核形成及长大：首先在与Fe3C相界形核，晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大。奥氏体的形成也是形核和长大的过程，分为三步。第二步残余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。第三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。温度，℃共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。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。加热到Ac1以上的过程是珠光体向奥氏体转变的过程，属扩散性转变。奥氏体1、起始晶粒度：在奥氏体形成刚结束时，即晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小；2、实际晶粒度：钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒大小；3、本质晶粒度：钢在一定条件下奥氏体晶粒的长大倾向性。奥氏体晶粒大小对热处理后零件性能影响较大，一般希望得到细小的奥氏体晶粒。4567本质细晶粒钢：晶粒长大倾向性小。本质粗晶粒钢：晶粒长大倾向性大。本质细晶粒钢在加热到临界点Ac1以上直到930oC，晶粒未显著长大。本质粗晶粒钢在加热到临界点Ac1后，晶粒开始不断长大。奥氏体晶粒评定标准1-8级，1级最粗，8级最细。奥氏体化刚结束时的晶粒细小均匀。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。奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒越大，由其转变成的珠光体也越粗大。影响奥氏体晶粒长大的因素⑴加热温度和保温时间:加热温度高、保温时间长,晶粒粗大；⑵加热速度:加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细,长时间保温会导致晶粒粗大；⑶合金元素:一些合金元素形成的碳化物、氮化物或氧化物阻碍奥氏体长大，如氧化铝。⑷原始组织:平衡状态的组织有利于获得细晶粒。二、冷却时的组织转变热处理冷却时的组织转变是指过冷奥氏体的转变。处于临界点Ar1以下的奥氏体称过冷奥氏体。随过冷度不同，过冷奥氏体将转变为不同形态的组织。Ar1珠光体索氏体屈氏体贝氏体马氏体650600500350230共析钢不同过冷奥氏体转变珠光体索氏体屈氏体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、索氏体和屈氏体㈠珠光体转变过冷奥氏体在Ar1到550℃左右间将转变为珠光体类型组织。珠光体、索氏体、屈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。光镜下形貌电镜下形貌⑴珠光体：形成温度为Ar1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示⑵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。电镜形貌光镜形貌电镜形貌光镜形貌⑶屈氏体形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。片间距bHRC片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变过程上贝氏体下贝氏体㈡贝氏体转变过冷奥氏体在550℃-230℃(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)。光镜下电镜下⑴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。光镜下电镜下⑵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，并与铁素体针长轴方向呈55-60º角。上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体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。发生贝氏体转变时,在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。贝氏体转变过程贝氏体转变也是形核和长大的过程。贝氏体转变属半扩散型转变。上贝氏体转变过程当转变温度较高（550-350℃)时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上。下贝氏体转变当转变温度较低（350-230℃)时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。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。㈢马氏体转变