第二章钢的热处理.

机械工业出版社第二章钢的热处理一、钢在加热时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变三、退火与正火四、淬火六、金属的时效七、表面热处理与化学热处理八、热处理新技术简介九、热处理工艺应用五、回火第一节钢在加热时的组织转变大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间,使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织,但奥氏体一般不是人们最终需要的组织,而是在随后的冷却中,采用适当的冷却方法,获得人们需要的其他组织,如马氏体、贝氏体、托氏体、索氏体、珠光体等组织。金属材料在加热或冷却过程中,发生相变的温度称为临界点(或相变点)。铁碳合金相图中A1、A3、Acm是平衡条件下的临界点。铁碳合金相图中的临界点是在缓慢加热或缓慢冷却条件下测得的,而在实际生产过程中,加热过程或冷却过程并不是非常缓慢地进行的,所以,实际生产中钢铁材料发生组织转变的温度与铁碳合金相图中所示的理论临界点A1、A3、Acm之间有一定的偏离,如图2-2所示。实际生产过程中钢铁材料随着加热速度或冷却速度的增加,其相变点的偏离程度将逐渐增大。为了区别钢铁材料在实际加热或冷却时的相变点,加热时在“A”后加注“c”,冷却时在“A”后加注“r”。因此,钢铁材料实际加热时的临界点标注为Ac1、Ac3、Accm;钢铁材料实际冷却时的临界点标注为Ar1、Ar3、Arcm。一、奥氏体的形成以共析钢(w(C)=0.77%)为例,其室温组织是珠光体(P),即由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)两相组成的机械混合物。铁素体为体心立方晶格,在A1点时w(C)=0.0218%;渗碳体为复杂晶格,w(C)=6.69%。当加热到临界点A1以上时,珠光体转变为奥氏体(A),奥氏体是面心立方晶格,w(C)=0.77%。由此可见,珠光体向奥氏体的转变,是由化学成分和晶格都不相同的两相,转变为另一种化学成分和晶格的过程,因此,在转变过程中必须进行碳原子的扩散和铁原子的晶格重构,即发生相变。图2-2实际加热(或冷却)时,铁碳研究结果证明:奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体的转变可以分为四个阶段:奥氏体形核、奥氏体核长大、残余渗碳体继续溶解和奥氏体化学成分均匀化。图2-3为共析钢奥氏体形核及其长大过程示意图。(1)奥氏体晶核形成共析钢加热到A1时,奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体的相界面上形成,这是由于相界面的原子是以渗碳体与铁素体两种晶格的过渡结构排列的,原子偏离平衡位置处于畸变状态,具有较高的能量;另外,渗碳体与铁素体的交界处碳的分布是不均匀的,这些都为形成奥氏体晶核在化学成分、结构和能量上提供了有利条件。(2)奥氏体晶核长大奥氏体形核后,奥氏体核的相界面会向铁素体与渗碳体两个方向同时长大。奥氏体的长大过程一方面是由铁素体晶格逐渐改组为奥氏体晶格;另一方面是通过原子扩散,即渗碳体连续分解和碳原子扩散,逐步使奥氏体晶核长大。(3)残余渗碳体溶解由于渗碳体的晶体结构和碳的质量分数与奥氏体差别较大,因此,渗碳体向奥氏体中溶解的速度必然落后于铁素体向奥氏体的转变速度。在铁素体全部转变完后,仍会有部分渗碳体尚未溶解,因而还需要一段时间继续向奥氏体中溶解,直至全部渗碳体溶解完为止。(4)奥氏体化学成分均匀化奥氏体转变结束时,其化学成分处于不均匀状态,在原来铁素体之处碳的质量分数较低,在原来渗碳体之处碳的质量分数较高。因此,只有继续延长保温时间,通过碳原子的扩散过程才能得到化学成分均匀的奥氏体组织,以便在冷却后得到化学成分均匀的组织与性能。亚共析钢(0.0218%≤w(C)0.77%)和过共析钢(0.77%w(C)≤2.11%)的奥氏体形成过程基本上与共析钢相同,不同之处是在加热时有过剩相出现。由铁碳合金相图可以看出,亚共析钢的室温组织是铁素体和珠光体;当加热温度处于Ac1~Ac3时,珠光体转变为奥氏体,剩余相为铁素体;当加热温度超过Ac3以上,并保温适当时间时,剩余相铁素体全部消失,得到化学成分均匀单一的奥氏体组织。同样,过共析钢的室温组织是渗碳体和珠光体,当加热温度处于Ac1~Accm时,珠光体转变为奥氏体,剩余相为渗碳体;当加热温度超过Accm以上,并保温适当时间时,剩余相渗碳体全部消失,得到化学成分均匀单一的奥氏体组织。二、奥氏体晶粒长大及其控制措施钢铁材料中奥氏体晶粒的大小将直接影响到其冷却后的组织和性能。如果奥氏体晶粒细小,则其转变产物的晶粒也较细小,其性能(如韧性和强度)也较高;反之,转变产物的晶粒粗大,其性能(如韧性和强度)则较低。将钢铁材料加热到临界点以上时,刚形成的奥氏体晶粒一般都很细小。如果继续升温或延长保温时间,便会引起奥氏体晶粒长大。因此,在生产中常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的长大。1.合理选择加热温度和保温时间奥氏体形成后,随着加热温度的继续升高,或者是保温时间的延长,奥氏体晶粒将会不断长大,特别是加热温度的提高对奥氏体晶粒的长大影响更大。这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的,而扩散速度是随加热温度的升高而急剧加快的。因此,合理控制加热温度和保温时间,可以获得较细小的奥氏体晶粒。2.选用含有合金元素的钢碳能与一种或数种金属元素构成金属化合物(或称为碳化物)。大多数合金元素,如铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)等,在钢中均可以形成难溶于奥氏体的碳化物,如Cr7C3、W2C、VC、Mo2C、VC、TiC、NbC、ZrC等,这些碳化物弥散分布在晶粒边界上,可以阻碍或减慢奥氏体晶粒的长大。因此,含有合金元素的钢铁材料可以获得较细小的晶粒组织,同时也可以获得较好的使用性能。另外,碳化物硬度高、脆性大,钢铁材料中存在适量的碳化物可以提高其硬度和耐磨性,满足特殊需要。评价奥氏体晶粒大小的指标是奥氏体晶粒度。一般根据标准晶粒度等级图(图2-4)确定钢的奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8个等级,其中1~4级为粗晶粒;5~8级为细晶粒。第二节钢在冷却时的组织转变一、冷却方式同一化学成分的钢材,加热到奥氏体状态后,若采用不同的冷却速度进行冷却时,将得到形态不同的各种室温组织,从而获得不同的力学性能,和连续冷却转变曲线见表2-2。这种现象已不能用铁碳合金相图来解释了。因为铁碳合金相图只能说明平衡状态时的相变规律,如果冷却速度提高,则脱离了平衡状态。因此,认识钢铁材料在冷却时的相变规律,对理解和制定钢铁材料的热处理工艺有着重要意义。钢铁材料在冷却时,可以采取两种转变方式:等温转变和连续冷却转变,如图2-5所示。钢铁材料在一定冷却速度下进行冷却时,奥氏体需要过冷到共析温度A1以下才能完成转变。在共析温度A1以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体,也称亚稳奥氏体,它有较强的相变趋势,可以转变为其他组织。二、过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变是指工件奥氏体化后,冷却到临界点(Ar1或Ar3)以下的某一温度区间内等温保持时,过冷奥氏体发生的相变。1.过冷奥氏体等温转变图以共析钢为例,如图2-6所示,将具有不同过冷度的过冷奥氏体进行等温转变,分别测定过冷奥氏体转变开始和转变终止的时间,并标注在温度-时间坐标中,然后分别将转变开始点和转变终止点连接起来,即可得到过冷奥氏体转变开始曲线和过冷奥氏体转变终止曲线。由于曲线像英文字母“C”,故又称为C曲线。图2-6共析钢过冷奥氏体等温转变曲线奥氏体等温转变图中过冷奥氏体转变开始曲线以左部分为过冷奥氏体区,过冷奥氏体在此区域处于等温转变的孕育期,尚未发生转变。过冷奥氏体转变终止曲线以右部分为过冷奥氏体转等温转变完成区。过冷奥氏体转变开始曲线和过冷奥氏体转变终止曲线之间的区域是过冷奥氏体正在发生转变区。A1线以上的区域是稳定的奥氏体区。奥氏体等温转变图下面的水平线称为Ms线,是奥氏体连续快冷时过冷奥氏体直接向马氏体转变的开始线,Ms线下方的水平线Mf线是过冷奥氏体向马氏体转变的终止线。从奥氏体等温转变图可以看出,奥氏体等温转变图左中部突出的“鼻尖”部位(约550℃)是过冷奥氏体等温转变孕育期最短的部分,在“鼻尖”附近,过冷奥氏体转变最快,同时也说明过冷奥氏体在“鼻尖”附近最不稳定。而在“鼻尖”的上下部位,过冷奥氏体的孕育期增大,过冷奥氏体转变放慢,同时过冷奥氏体的稳定性增大。2.过冷奥氏体等温转变产物和性能由奥氏体等温转变图可以看出,奥氏体在A1以下不同温度进行等温转变时,会产生不同的等温转变产物。以共析钢为例,根据转变产物的组织特征,可划分为高温转变区(珠光体型转变区)、中温转变区(贝氏体型转变区)和低温转变区(马氏体型转变区)。表2-3是共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能。三、过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变是指工件奥氏体化后以不同冷却速度连续冷却时过冷奥氏体发生的转变。1.过冷奥氏体连续冷却转变图实际生产中,钢铁材料的冷却一般是连续进行的,如钢件退火时是炉冷、正火时是空冷、淬火时是水冷等。因此,认识过冷奥氏体连续冷却转变图具有实际指导意义。图2-7所示是共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线。从图中可以看出,共析钢在连续冷却转变过程中,只发生珠光体转变和马氏体转变,没有贝氏体转变。珠光体转变区由三条线构成:Ps线是过冷奥氏体向珠光体转变开始线;Pf线是过冷奥氏体向珠光体转变终了线;K线是过冷奥氏体向珠光体转变终止线,它表示冷却曲线碰到K线时,过冷奥氏体向珠光体转变即停止,剩余的过冷奥氏体一直冷却到Ms线以下时会发生马氏体转变。如果过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度是vk,则称vk是获得马氏体组织的临界冷却速度。钢在淬火时的冷却速度必须大于vk。2.过冷奥氏体连续冷却转变产物由于连续冷却转变是在一个温度范围内进行,其转变产物往往不是单一的,根据冷却速度的变化,转变产物有可能是P+S、S+T或T+M等。第三节退火与正火退火与正火是钢铁材料常用的两种基本热处理工艺方法,主要用来处理毛坯件(如铸件、锻件、焊件等),为以后的切削加工和最终热处理做组织准备,因此,退火与正火通常又称为预备热处理。对一般铸件、锻件、焊件以及性能要求不高的工件来讲,退火和正火也可作为最终热处理。一、退火退火是将工件加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的是消除钢铁材料的内应力;降低钢铁材料的硬度,提高其塑性;细化钢铁材料的组织,均匀其化学成分,并为最终热处理做好组织准备。根据钢铁材料化学成分和退火目的不同,退火通常分为:完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、均匀化退火等。在机械零件的制造过程中,一般将退火作为预备热处理工序,并安排在铸造、锻造、焊接等工序之后,粗切削加工之前,用来消除前一工序中所产生的某些缺陷或残余内应力,为后续工序做好组织准备。部分退火工艺的加热温度范围如图2-8所示。部分退火工艺曲线如图2-9所示。图2-8部分退火工艺加热温度范围示意图图2-9部分退火工艺曲线示意图1.完全退火完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却,获得接近平衡组织的退火。完全退火后所得到的室温组织是铁素体和珠光体。完全退火的目的是细化组织,降低硬度,提高塑性,消除化学成分偏析。完全退火主要用于亚共析钢(0.0218%≤w(C)0.77%)制作的铸件、锻件、焊件等,其加热温度是Ac3以上30~50℃。而用过共析钢(0.77%w(C)≤2.11%)制作的工件不宜采用完全退火,因为过共析钢加热到Accm线以上后,二次渗碳体(Fe3CⅡ)会以网状形式沿奥氏体晶界析出(图2-10),使过共析钢的强度和韧性显著降低,同时也使零件在后续的热处理工序(如淬火)中容易产生淬火裂纹。2.球化退火球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火。球化退火得到的室温组织是铁素体基体上均匀分布着球状(或粒状)碳化物(或渗碳体),即球状珠光体组织。如图2-11所示,在工件保温阶段,没有溶解的片状碳化物会自发地趋于球状(球体表面积最小)化,并在随后的缓冷过程中,最终形成球状珠光体组织,如图2-12所示。球化退火的加热温度在Ac1上下20~30℃温度区间交替加热及冷却或在稍低于Ac1温度保温,然后缓慢冷