工程材料学4

东北大学1第四章钢的热处理合金化热处理：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。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%改善钢的性能热处理制造业广泛应用总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理模具、滚动轴承100%需经过热处理东北大学2第四章钢的热处理热处理特点：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。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。热处理原理：描述热处理时钢的组织转变规律；热处理工艺：根据热处理原理制定的对材料或工件进行热处理的温度、时间、介质等参数。钢的热处理的主要内容：东北大学34.1钢的热处理原理钢在加热时的转变钢在冷却时的转变加热是热处理的第一道工序热处理的准备阶段冷却是热处理重要的工序。不同的冷却过程转变产物不同，最终组织和性能不同东北大学44.1.1钢在加热时的转变加热分两种：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，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。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滞后现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。东北大学54.1.1钢在加热时的转变加热至Ac1以上，珠光体处于不稳定状态，铁素体和渗碳体界面上原子排列纹乱，碳浓度不均，能量较高，奥氏体晶核优先在晶界上形成。形核共析钢奥氏体化的转变过程碳原子、铁原子不断扩散，渗碳体不断溶入奥氏体，铁素体不断转变成奥氏体。即奥氏体界面不断向铁素体和渗碳体推移，晶核核长大1.奥氏体的形成过程东北大学64.1.1钢在加热时的转变残余渗碳体溶解铁素体转变为奥氏体比渗碳体溶入奥氏体的速度快，铁素体首先消失，随着时间延长残余渗碳体逐渐溶入奥氏体中。成分均匀化渗碳体全部溶入奥氏体后，奥氏体成分仍然是不均匀的，原来渗碳体位置碳浓度仍然很高，延长保温时间或继续升温，获得成分均匀奥氏体。东北大学7（a）加热温度与保温时间加热温度越高，晶粒长大速度越快，最终晶粒尺寸越大。当温度一定时，随保温时间延长，晶粒不断长大。但随时间延长，长大速度越来越慢，最终趋于某一稳定尺寸。4.1.1钢在加热时的转变2．奥氏体晶粒大小及其影响因素（b）钢的成分C元素：在一定含C量范围内，奥氏体中碳含量增加，C在奥氏体中扩散速度及铁的自扩散速度均增大，晶粒长大倾向增大；碳量超过共析成分，碳以未溶碳化物的形式存在，奥氏体晶粒长大受阻碍，晶粒长大倾向减小。合金元素：适量Ti、V、Nb、Zr元素形成稳定碳化物阻止晶粒长大；Al以氧化铝形式弥散分布在晶界细化晶粒；Mn、P元素固溶在奥氏体中削弱铁原子间作用力，加速铁原子的扩散，促进晶粒长大。东北大学84.1.1钢在加热时的转变（c）加热速度加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度越大，则奥氏体起始晶粒越细小。采用快速加热是生产上获得超细晶粒的重要方法之一。（d）钢的原始组织钢的原始组织越细，碳化物分散度越大，二相界面体积分数越多，奥氏体晶核可能的形核位置数目增多，奥氏体晶粒越细小。东北大学94.1.2钢在冷却时的转变过冷奥氏体：奥氏体在临界点以上为稳定相，不会发生转变，冷至临界点以下将处于不稳定状态，奥氏体将发生分解转变。处于临界点以下尚未发生分解转变的奥氏体称为过冷奥氏体。1．过冷奥氏体高温转变过冷奥氏体在A1至550℃区间分解转变，转变产物为珠光体类型组织，为扩散型转变。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，又分为珠光体、索氏体和托氏体。珠光体：形成温度为A1-650℃，片层较厚；索氏体：形成温度为650-600℃，片层较薄；托氏体：形成温度为600-550℃，片层极薄..一、过冷奥氏体的等温转变东北大学104.1.2钢在冷却时的转变珠光体索氏体屈氏体珠光体（P）：0.6-1.0μm索氏体（S）：0.2-0.3μm屈氏体（T）：0.1-0.15μm片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。东北大学114.1.2钢在冷却时的转变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。珠光体团与其它珠光体团相遇并占有整个奥氏体，珠光体转变结束，得到片状的珠光体组织。渗碳体奥氏体贫碳铁素体形核奥氏体富碳东北大学124.1.2钢在冷却时的转变转变温度550℃－350℃区间的产物称为上贝氏体，光镜下呈羽毛状。2、过冷奥氏体中温转变过冷奥氏体在550℃-Ms点之间等温分解转变，转变产物为贝氏体，为半扩散半切变的转变。转变特点：奥氏体晶界向晶内生长。铁素体过饱和，板条间断续渗碳体。东北大学134.1.2钢在冷却时的转变转变温度350℃－Ms区间的产物称为下贝氏体。转变特点：奥氏体晶界、奥氏体晶内某些位向。形状成细小针状。碳原子仅能在铁素体针片内扩散，在某些位向上以碳化物形式弥散析出。转变特点：上贝氏体和下贝氏体均为铁素体和渗碳体的混合物。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。东北大学144.1.2钢在冷却时的转变3、过冷奥氏体低温转变奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体转变。马氏体是碳在α-Fe中过饱和固溶体，具有高的硬度和强度，马氏体相变是金属材料主要强化方法之一。马氏体针片从母相奥氏体界面或晶内某些特定位向以切变转变的形式形成。东北大学154.1.2钢在冷却时的转变马氏体的晶体结构马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a称马氏体的正方度,C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C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。马氏体的形态东北大学164.1.2钢在冷却时的转变⑴无扩散⑵切变晶格转变是以切变机制进行的。⑶降温形成马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示。⑷高速长大马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。⑸转变不完全当含碳量达0.5%后，马氏体转变后残余奥氏体含量显著，量随含碳量增加，残余奥氏体含量增加。马氏体转变的特点东北大学174.1.2钢在冷却时的转变二、过冷奥氏体的等温转变图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、TTT曲线。东北大学184.1.2钢在冷却时的转变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东北大学194.1.2钢在冷却时的转变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。东北大学204.1.2钢在冷却时的转变3、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。东北大学214.1.2钢在冷却时的转变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；某些合金对珠光体转变与贝氏体转变具有不同的延缓作用，使C曲线出现两个“鼻子”。东北大学224.1.2钢在冷却时的转变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；某些合金对珠光体转变与贝氏体转变具有不同的延缓作用，使C曲线出现两个“鼻子”。东北大学234.1.2钢在冷却时的转变过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT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。三、过冷奥氏体连续冷却转变图a）炉冷：珠光体转变b）空冷：索氏体转变c）油冷（Vk′冷速Vk）：先发生屈氏体转变后相变终止，剩余过冷奥氏体冷至Ms以下发生马氏体转变；d）水冷（冷速Vk）：马氏体转变。东北大学244.2钢的热处理工艺退火钢加热至某一温度，充分保温后，炉冷。正火将钢件加热至Ac3或Accm以上30－50℃，经充分保温后空冷。淬火将钢件加热至相变点以上，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却的工艺。回火钢加热至A1以下某温度，保温后，冷却至室温的热处理工艺为回火。东北大学254.2.1退火①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备。③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。退火目的：退火工艺种类：完全退火等温退火球化退火扩散退火去应力退火再结晶退火东北大学264.2.1退火加热至AC3以上20-30℃，充分保温后随炉冷却或炉冷至500-600℃后空冷，退火组织为铁素体＋珠光体。目的：1）通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，提高性能；2）中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能;3）消除内应力。只适用于亚共析钢，对过共析钢完全退火会造成Fe3CⅡ沿晶界析出并形成网状，使韧性下降。（1）完全退火（重结晶退火）东北大学274.2.1退火加热至AC3以上20-30℃，充分保温后随炉冷却或炉冷至500-600℃后空冷，退火组织为铁素体＋珠光体。目的：1）通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，提高性能；2）中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能;3）消除内应力。只适用于亚共析钢，对过共析钢完全退火会造成Fe3CⅡ沿晶界析出并形成网状，使韧性下降。（1）完全退火（重结晶退火）东北大学28奥氏体化后快速冷至中温区再经恒温处理，使其发生珠光体转变，然后再以稍快方式冷却的一种工艺。等温退火组织与硬度比完全退火更为均匀。目的：与完全退火相同,能获得均匀的预期组织。等温温度一般靠近“TTT”曲线鼻子温度，因此温度过冷奥氏体分解转变孕育期最短，转变所需时间最短。对于过冷奥氏体稳定的钢种，等温退火可显著缩短退火周期。（2）等温退火工艺曲线4.2.1退火东北大学29使钢中渗碳体球化的一种热处理工艺，主要应用于过共析钢和共析钢。加热温度略高于Ac1，组织为铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎）需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。（3）球化退火一般分普通球化退火和等温球化退火二种。4.2.1退火东北大学30加热至Ac3或Accm以上150-300℃，保温10-15h，炉冷。常应用于铸锭、