哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件-第八章--钢的热处理原理

第八章钢的热处理原理本章目的：1阐明钢的热处理的基本原理；2揭示钢在热处理过程中工艺－组织－性能的变化规律；本章重点：（1）C曲线的实质、分析和应用；（2）过冷奥氏体冷却转变及回火转变的各种组织的本质、形态和性能特点；(3)马氏体高强度高硬度的本质一热处理的定义及作用1热处理的定义：金属或合金在固态下于一定介质中加热到一定温度，保温一定时间，以一定速度冷却下来的一种综合工艺。TtT保温t保温V冷却V加热2热处理工艺曲线四个重要参数：V加热、T保温、t保温、V冷却三个基本过程：加热、保温、冷却§8-1热处理概述2热处理的意义及作用意义：应用广泛、效果显著：汽车零件80%；工模具、轴承100%例：45#钢，840℃加热，不同方式冷却冷却方式随炉冷却空气冷却油冷水冷却HRC15~1818~2440~5052~60组织P+FP+F（少）组织细M+PM作用：（1）显著提高材料的使用性能（2）改善加工性能（切削、热处理）。二热处理的条件(1)有固态相变(2)加热时溶解度显著变化的合金。α+LL+βα+βαLLL+γγα+γγ+βα+βL+β为什么钢能热处理?①α→γ固态相变﹄有相变重结晶②C溶解度显著变化﹄可固溶强化热处理温度区间：A1＜T＜TNJEF热处理第一步—加热奥氏体化LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%6.69FeTJNHA1→Fe3C铁碳相图§8-2钢在加热时的转变一奥氏体形成的机理1奥氏体组织结构和性能①定义：C及合金元素固溶于面心立方结构的γ-Fe中形成的固溶体。C溶于γ相八面体间隙中，R间隙=0.535A﹤Rc=0.77A→γ晶格畸变，并非所有晶胞均可溶碳，1148℃→2.5个晶胞溶一个C原子。②性能：顺磁性；比容最小；塑性好；线膨胀系数较大2奥氏体化中成分组织结构的变化以共析钢为例F+Fe3C→A(727℃)成分(C%)0.02186.690.77结构体心立方复杂斜方面心立方说明奥氏体化中须两个过程：①C成分变化：C的扩散②铁晶格改组：Fe扩散3奥氏体形成热力学条件热力学条件:T﹥A1原因：以珠光体与奥氏体的体积自由能之差来提供驱动力以克服新相晶核的表面能及弹性能FTFPFAA1影响过热度主要因素:V加热V加热↑，过热度⊿T↑；⊿TT实际——存在过热度⊿T:T实际-T理论A1Ac1Ar1SAccmAcmArcmAc3A3Ar3同理，冷却过程的固态相变需过冷度钢的热处理中六个重要的温度参数：A1A3Acm；Ac1Ac3Accm——加热过程Ar1Ar3Arcm——冷却过程4奥氏体形成过程（共析钢）（4）奥氏体中C的扩散均匀化。(万秒)（3）剩余Fe3C的溶解；(千秒)（2）奥氏体向F及Fe3C两侧长大(几百秒)四个阶段：（1）奥氏体在F—Fe3C界面上形核（10秒）*任何固态相变均需形核与长大过程*形核需要“三个起伏条件”：成分起伏、结构起伏、能量起伏——故晶界或缺陷处易形核5亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程亚共析钢：F+P→F+A→A过共析钢：Fe3C+P→Fe3C+A→A例：球化退火，要求获得粒状珠光体→要求A中C不均匀→控制第三、四阶段*奥氏体化的目的：获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒*实际热处理中须控制奥氏体化程度。三奥氏体晶粒度及影响因素1奥氏体晶粒度概念奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业上一般分为8级。1-4级粗(0,-1)，5-8级细，8级以上极细;计算式：n=2N-1N：晶粒度级别n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数(100X)。标准晶粒度级别图标准晶粒度级别图奥氏体有三种不同概念的晶粒度(1)初始晶粒度：奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。——通常极细小(2)实际晶粒度：具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小①与具体热处理工艺有关：热处理温度↑，时间↑，晶粒长大。②与晶粒是否容易长大有关———引入本质晶粒度概念（3）本质晶粒度指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度和本质细晶粒度。测定方法：加热至930±10℃，保温8h，若A晶粒1-4级：本质粗晶粒度钢，5-8级：本质细晶粒度钢。关于本质晶粒度概念的要点：①表征该钢种在通常的热处理条件下A晶粒长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小；②本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大，本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小；而与具体的热处理工艺有关。③本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关机理：难溶粒子的机械阻碍作用Al脱氧镇静钢含V、Ti、Nb、Zr钢机理：难溶粒子的机械阻碍作用例如：AlN、VN、TiN、NbN、ZrN本质细晶粒钢本质粗晶粒钢④是确定热处理工艺参数以及热处理质量的重要依据“过热”：热处理加热中A晶粒显著粗化本质粗晶粒钢：须严格控制加热T、t——需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢例如：渗C用钢20MnVB,20CrMnTi——本质细晶粒度钢2影响奥氏体晶粒长大的因素①加热温度和保温时间T↑、t↑，A晶粒长大；T的影响远大于t1250℃1050℃900℃保温时间t晶粒度②加热速度——常规加热速度下影响不大——快速加热，短时保温的超细化工艺如高频加热，激光加热等③成分强烈阻碍：Al、V、Ti、Zr、Nb原因：机械阻碍理论——形成难溶碳、氮化物中等阻碍：Cr、W、Mo促进长大：Mn、P、溶入A的C┖降低铁原子的结合力，促进铁的扩散§8-3钢在冷却时的转变冷却过程——热处理工艺的关键部分，对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用，不同的冷却速度获不同的组织与性能。1高温转变产物——Fe、C均扩散亚共析钢：F+P;共析钢：P；过共析钢：P+Fe3C┗珠光体类型化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现——扩散类型2中温转变产物——Fe不扩散，C部分扩散α(C过饱和的）+Fe3C的机械混合物┗贝氏体类型(B)化学成分的变化靠扩散实现晶格类型的转变非扩散性——半扩散性3低温转变产物Fe、C均不扩散——非扩散型得C在α-Fe中的过饱和固溶体┗马氏体——马氏体类型(M)热处理的两种冷却方式：等温冷却——过冷奥氏体等温转变动力学曲线连续冷却——过冷奥氏体连续转变动力学曲线一过冷奥氏体等温转变动力学曲线(Temperature-Time-Transformation)TτA1MsMfA→MM+ARA过冷A→BA→PAPB700500200τ孕HRC1540455560110102103104105过冷奥氏体与奥氏体的区别——C曲线产物：P：珠光体B：贝氏体M：马氏体鼻点2要点;①不同温度下转变产物不同；高温转变产物(A1~550℃)：珠光体(P)——扩散型中温转变产物(550℃~MS)：贝氏体(B)—半扩散型低温转变产物(MS~Mf)：马氏体(M)——非扩散型②存在孕育期——过冷奥氏体等温分解所需的准备时间——代表A过冷稳定性。③存在鼻点：——孕育期最短，A过冷最不稳定；④T转↓，产物硬度↑。⑤马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织，非等温转变产物。将其画入，使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用亚共析钢、过共析钢C曲线：亚共析钢、过共析钢C曲线：以珠光体转变为例：亚共析钢珠光体型转变式：A→F先共析+P过共析钢珠光体型转变式：A→Fe3C先共析+P①多一条先共析相析出线；②先共析相量随转变温度下降而减少，鼻点温度以下无先共析相析出。——转变温度的降低会抑制先共析相的析出；当转变温度足够低，先共析相的析出被完全抑制——由非共析成分获得的共析组织称为伪共析体二影响C曲线的因素与奥氏体状态有关1化学成分（1）含碳量：理论：奥氏体中C%↑，C曲线右移。F相难析出，珠光体转变难进行，实际；亚共析钢：C%↑，C曲线右移；过共析：C%↑，左移；未溶Fe3C↑指溶入奥氏体中的C0.9%C0.9C+0.5Mn0.9C+1.2Mn0.9+2.8MnTτTτ0.5C0.5C+2%Cr0.5C+4%Cr0.5C+8%Cr（2）合金元素①除Co、Al（WAl2.5%）外，其它合金元素随Me%↑，C曲线右移——须溶入A中TτMsCo,AlNi,Si,Cu,MnSiNi,Cu,MnCo,Al外所有合金元素非碳化物形成元素：只改变C曲线位置Co,Al,Ni,Cu,Si强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb等的影响：改变C曲线位置和形态Tτ中强碳化物形成元素Cr的影响强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb等的影响②碳化物形成元素改变C曲线位置和形状Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等；③对Ms点的影响：Co、Al使Ms↑，其它合金元素使Ms↓2奥氏体组织：愈细，成分及组织愈不均匀，未溶第二相愈多——左移。T↑、t↑，晶粒粗大，成分、组织均匀，A稳定性↑——右移。其它：应力和塑性变形三过冷奥氏体连续冷却转变曲线(ContinousCoolingTransformation---CCT)Vc：连续冷却中全部A过→M的最小V冷——临界淬火速度——上临界冷却速度VC′：连续冷却中全部A过→P的最大V冷—下临界冷却速度①：P；②：M；③：P+M共析碳钢TTT与CCT曲线A1MsMfTτC′CVcVc′MM+PP共析碳钢CCT曲线共析碳钢TTT曲线PSPk①②③Vc′′冷却速度对转变产物类型的影响：可用VC、VC′判断。当VVC时，A过冷→M；当VVC′时，A过冷→P；当VC′VVC时，A过冷→P+M**实际中由于CCT曲线测量难，可用TTT曲线代替CCT曲线作定性分析，判断获得M的难易程度。**连续冷却的VC值是等温冷却C曲线中与鼻点相切的VC的1.5倍，故可用等温冷却C曲线中VC代替或估算.四钢的珠光体转变1珠光体的组织形态片状珠光体与球(粒)状珠光体(1)片状珠光体按层片间距不同又分为：粗珠光体：S0=0.6-1.0μm，索氏体（S）：S0=0.25-0.3μm，屈氏体(T)：S0=0.1-0.15μm┗取决于过冷度：过冷度△T↑，S0↓Fe3CFS0B上B下珠光体晶团球（粒）状珠光体珠光体的形态取决于加热时奥氏体化的程度┗奥氏体成分较均匀时→片状；不均匀时→球（粒）状F/Fe3C相界面多少Fe3C形态分布；P粒的HB、σb﹤P片；P粒的ψ、δ﹥P片真实应变ε×1002：粒状珠光体1：片状珠光体真实应力σ204060802004006008002珠光体的性能S0550600650700转变温度，℃00.20.4HRC20304050σb6080100120Ψ030503伪共析组织通过加快钢冷却速度，可获得强硬度较好的伪共析组织(1)定义：偏离共析成分的A过冷形成的珠光体。(2)形成条件：下图红线区GSEG′E′αγα+Fe3Cx1x2A3AcmA1Twc(3)应用：①亚共析钢热轧后即水冷或喷雾冷却，↓F先%，↑P%，↑σb；②↑V冷，（正火代替退火），抑制Fe3C先，消除网状渗碳体。五钢的马氏体转变VVK转变式：A(f.c.c,0.77C%)→M(b.c.corb.c.t,0.77C%)﹂只有晶格改组而无成分变化1马氏体晶体结构马氏体：C在α-Fe中的过饱和固溶体。单相亚稳正方度：c/a----c/a=1+0.046C%α马氏体：体心立方,C%0.1%，c/a=1体心正方,0.2%~1.4%,c/a1另：体心斜方,C%1.4%,c/a1,b/a1bac2马氏体组织特征(1)板条状马氏体①单元体(单晶体)板条状②组合特征：0.1~0.3μm10μm马氏体束一些位向相同的板条晶构成马氏体束；原奥氏体晶粒中含3~5个位向不同的M束—块状马氏体主要存在于低碳钢中(C%0.2%)——低碳马氏体形成温度较高——高温马氏体⑵片状马氏体组织形态及特点：①单元体：片状，中间厚、两边薄—凸透镜状或针状；②组合特征：Ⅰ片与片之间不平行，约呈60°；Ⅱ晶粒大小不等，先大后小，先形成的M片贯穿A晶粒；③亚结构：平行的细小孪晶——孪晶马氏体。∟形成的温度较低——低温马氏体高碳钢中常出现——高碳马氏体孪晶⑶其它形态马氏体闪电状、蝴蝶状等(4)工业用钢中淬火马氏体金相形态①低碳钢：C0.2%,全部板条②中碳钢：0.3~0.6%，板+片；③