第3章钢的热处理

第3章钢的热处理改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化，这是下几章研究的内容；二是热处理，这是本章要研究的内容。3.1钢在加热时的转变3.2钢在冷却时的转变3.3钢的退火与正火3.4钢的淬火3.5钢的回火3.6钢的表面热处理概述1、热处理:是指将钢在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构,获得所需要性能的一种工艺。为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。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。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。滚动轴承2、热处理特点:热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是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3、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。4、热处理分类热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：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。(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织按照加热、冷却方式等不同，将热处理工艺分类如下：表面淬火—感应加热、火焰加热、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5、预备热处理与最终热处理预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理。预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。因加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30-50℃/h的速度加热或冷却时测得的。6、临界温度与实际转变温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；3.1钢在加热时的转变加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，以获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。钢坯加热一、奥氏体的形成过程奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：第一步奥氏体晶核形成:首先在与Fe3C相界形核.第二步奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大。第三步残余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。第四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。共析钢奥氏体化过程亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析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。二、奥氏体晶粒大小及其控制1、奥氏体晶粒长大奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。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。在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。2、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:速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细。⑶钢的化学成分：碳含量：在一定范围内，随着奥氏体中碳含量增加，晶粒长大倾向增大，但碳量超过一定值后，碳能以未溶碳化物状态存在，反使晶粒长大倾向减小合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。A晶粒大小（实际晶粒度），直接影响冷却后所得的组织和性能。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。加热时常见的缺陷过热：晶粒粗大，可以消除；(完全退火、等温退火或正火)过烧：晶界局部熔化，无法消除；氧化：脱碳：3.2钢在冷却时的转变冷却是热处理更重要的工序。处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。等温冷却：冷到Ar1线以下保温一段时间后再冷却到室温。连续冷却：由加热温度连续冷到室温。两种冷却方式示意图1——等温处理2——连续冷却A1过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线，又称C曲线、S曲线或TTT曲线。一、过冷奥氏体的等温转变曲线A11、C曲线的建立（以共析钢为例：）⑴取一批小试样并进行奥氏体化。⑵将试样分组淬入低于A1点的不同温度的盐浴中，隔一定时间取一试样淬入水中。⑶测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。⑷将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度—时间坐标中，并分别连线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。A1-Ms间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体5506502s10s5s2s5s10s30s40s2、C曲线的分析⑴转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550℃。在鼻尖以上，温度较高，相变驱动力小；在鼻尖以下，温度较低，扩散困难，从而使奥氏体稳定性增加。⑵C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。3、过冷奥氏体的转变产物随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。现以共析钢为例说明：㈠珠光体转变过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组织，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。⑴珠光体：形成温度为A1-650℃，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。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。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。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.。㈡贝氏体转变1、贝氏体的组织形态及性能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)。⑴上贝氏体形成温度为550-350℃，在光镜下呈羽毛状。⑵下贝氏体形成温度为350-230℃(Ms)，在光镜下呈竹叶状。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，是生产上常用强化组织之一。上贝氏体下贝氏体㈢马氏体转变当奥氏体过冷到230℃(Ms)以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。1、马氏体的晶体结构碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）马氏体组织2、马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状两类。⑴板条马氏体：细条组织。⑵针状马氏体：组织为针状。马氏体的形态主要取决于其含碳量：C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体;C%大于1.0%时，几乎全部是针状马氏体;C%在0.2~1.0%之间为板条与针状的混合组织。马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1..2%C板条马氏体量C，%3、马氏体的性能高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加;当含碳量大于0.6%时,其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体的塑性和韧性较好。4、马氏体转变的特点(1)无扩散性:铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。(2)降温形成:马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示。马氏体转变终了的温度称下马氏体点，用Mf表示。只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。Ms、Mf与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。(3)高速长大:马氏体形成速度极快，易产生裂纹和开裂。(4)转变不完全:即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A’或’表示。马氏体转变后，A’量随含碳量的增加而增加。当含碳量达0.5%后，A’量才显著。含碳量对马氏体转变温度的影响含碳量对残余奥氏体量的影响过冷奥氏体转变产物（共析钢）转变类型转变产物形成温度，℃显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火4、影响C曲线的因素⑴成分的影响①含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms与Mf点随含碳量增加而下降。与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。②合金元素的影响除Co外,凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。除Co和Al外，所有合金元素都使Ms与Mf点下降。⑵奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。使用C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。二、过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。共析钢CCT曲线过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线1、共析钢的CCT曲线共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区；在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。图中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度.Vk为C曲线的临界冷却速度。Vk1.5Vk.Vk’Vk时间/s共析钢的CCT图共析温度连续冷却转变曲线完全退火正火等温转变曲线油淬水淬M+A’M+T+A’SP200100CCT曲线位于C曲线右下方。CCT曲线获得困难,C曲线容易测得，可用C曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却