工程材料课件第五章钢的热处理

第五章钢的热处理改善钢的性能的主要途径：1、调整钢的化学成份，即合金化，第六章内容。2、钢的热处理，本章讲。热处理：钢在固体下通过加热、保温、冷却的方法，改变钢的组织结构，获得所需要的性能的一种加工方法。加热保温冷却保温时间温度原始组织结构热处理组织结构时间热处理的分类：热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热渗碳氮化其它其它第一节钢在加热时的转变钢加热到A1（PSK）以上时都将发生P→A，但是，亚共析钢需加热到A3（GS）以上，过共析钢需加热到Acm（ES）以上才能完全奥氏体化。这种转变是一种扩散型的转变。一、奥氏体的形成通常A1、A3或Acm加热时用AC1、Ac3或Accm表示，冷却时用Ar1、Ar3或Arcm表示。A1Ar1AC1AcmArcmAccmA3Ac3Ar3AFPF+PP+Fe3CIIA+Fe3CIIA+F温度含碳量FeGPSEK第三步：残余渗碳体溶解通过碳原子的扩散，使铁素体向奥氏体转变，和渗碳体溶解来完成。第二步：奥氏体的长大。形核部位在铁素体和渗碳体的相界面处。第一步：奥氏体晶核的形成。（一）基本过程下面以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。第四步：奥氏体均匀化1、加热温度和加热速度加热温度高，加热速度快，转变速度快。原因：碳原子扩散能力大，碳浓度差大加速奥氏体的形成。（二）影响珠光体向奥氏体转变的因素亚共析钢与过共析钢奥氏体的形成过程，在以上步骤后,当加热到AC3和Accm以上时铁素体将全部转变为奥氏体，渗碳体将全部溶入奥氏体。3、化学成分含碳量增加，转变速度快。原因：渗碳体增加F/Fe3C相界面增多，奥氏体的形核部位增加。大部分合金元素减慢奥氏体的形成速度原因：主要是减慢碳在奥氏体中的扩散速度。2、原始组织原始组织越细，转变速度快。原因：F/Fe3C相界面增多，奥氏体的形核部位增加。二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素（一）奥氏体晶粒度的概念根据奥氏体的形成过程和晶粒长大的情况，奥氏体的晶粒度可有三种定义：1、起始晶粒度：珠光体刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。一般较小。2、本质晶粒度：通常采用标准实验方法：把钢加热到930℃10℃，保温3-8小时侯测定其奥氏体晶粒的大小。根据标准晶粒度等级图谱评级，1－4级为本质粗晶粒钢，5－8为本质细晶粒钢。如下图：本质晶粒度只反应了钢在930℃以下的奥氏体晶粒长大的倾向性。3、实际晶粒度：具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。实际晶粒度直接影响钢的性能，比起始晶粒度大。实际加热温度越高，保温时间越长，奥氏体的实际晶粒度越粗大，钢的机械性能越下降。第二节钢在冷却时的转变获得细小均匀的奥氏体晶粒仅是热处理的第一步，钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键步骤，它将最终决定钢的使用性能。钢在加热后的冷却方式有两种，如图：奥氏体冷至临界温度以下处于不稳定的状态，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在不同过冷度下分别可转变为珠光体（P）、贝氏体(B)、马氏体(M)。一、过冷奥氏体等温转变曲线图将共析钢的过冷奥氏体在A1以下某一温度进行等温转变，测定过冷奥氏体转变开始的时刻及终了的时刻，分别将其时刻点用光滑的曲线连接起来，在温度时间坐标上，可得到两条曲线，如图：A1550600650MsMf350A过冷A过冷APSTB上B下M+A’转变开始线转变终了线A+P型A+B型时间共析碳钢的C曲线℃等温转变曲线图又称C曲线或TTT曲线。图形分析：A1是奥氏体和珠光体共存温度，左线为转变开始线，右线为转变终了线。开始线左方是过冷奥氏体区（A），终了线右方是转变产物区（P、B），两线中间是转变进行区（A＋P或B）。MS是马氏体转变或形成的开始温度，Mf是马氏体转变或形成的终止温度，中间为马氏体转变区。A1550600650MsMf350A过冷A过冷APSTB上B下M+A’转变开始线转变终了线A+P型A+B型时间共析碳钢的C曲线℃奥氏体转变有孕育期，在鼻尖处孕育期最短。从上到下可分为珠光体、贝氏体和马氏体转变三个区。(一)过冷奥氏体的转变产物及性能1、珠光体型组织温度区间：C曲线鼻尖上部（A1-550℃）。A1550600650MsMf350A过冷A过冷APSTB上B下M+A’转变开始线转变终了线A+P型A+B型时间共析碳钢的C曲线℃转变过程：通过形核和长大来完成。铁素体和渗碳体交替互相促进形核并长大。如图：转变特点：1）扩散型转变、碳原子和铁原子的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体。2）晶格的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方的铁素体和复杂晶格的渗碳体。组织特点：层片状的铁素体与渗碳体的机械混合物。贫碳A富碳AFe3CFA晶界Fe3CP团根据片间距的大小珠光体类型组织分三类:1,珠光体（P），形成温度A1－650℃，最粗.2,索氏体（S），形成温度650℃－600℃，较细3,屈氏体（T），形成温度600℃－550℃，最细性能：与片层间距与有关，其强度和硬度关系如下：珠光体索氏体屈氏体2、马氏体类型组织马氏体（M）：含过饱和碳的α固溶体。温度区间：Ms–Mf特点：①马氏体的转变从Ms点开始，随温度下降，数量不断增加，Mf点温度终止，转变量最多。A1550600650MsMf350A过冷A过冷APSTB上B下M+A’转变开始线转变终了线A+P型A+B型时间共析碳钢的C曲线℃③MS和Mf由奥氏体的含碳量及合金元素含量决定，不受冷却速度的影响，例如含碳量增加，MS和Mf点降低。②马氏体转变不完全，有残余奥氏体存在，用A’或A残表示。④非扩散型的转变，在极大的冷速下，极大的过冷下，铁、碳原子无扩散的可能，奥氏体直接转变成含碳过饱和的α固溶体。马氏体的含碳量与原奥氏体的含碳量相同。1、板条马氏体（低碳马氏体，位错型马氏体）奥氏体含碳量小于百分0.3时形成板条马氏体，显微组织为一束束细条状组织，亚结构为高密度位错。因为碳的过饱和程度小和高密度位错，性能，韧性和塑性较好。马氏体类型：2、片状马氏体（高碳马氏体，孪晶马氏体），显微组织为双凸透镜状，亚结构主要是孪晶。因为碳的过饱和程度大和孪晶，性能，韧性和塑性差。产生的条件：0.3%C，板条马氏体，1.0%C片状马氏体，中间，混合型。获得马氏体是强化钢材的主要方法之一。随含碳量的增加，马氏体硬度增加。贝氏体(B)特点:半扩散型转变，碳原子扩散，铁原子不扩散。过饱和的铁素体和渗碳体组成。转变温度：550℃-Ms温度范围内3、贝氏体类型组织A1550600650MsMf350A过冷A过冷APSTB上B下M+A’转变开始线转变终了线A+P型A+B型时间共析碳钢的C曲线℃（一）上贝氏体（B上）形成温度550℃－350℃。组织特征：从晶界向晶内生长的成束的铁素体条，渗碳体以不连续的短杆状分布于铁素体条之间。典型组织：具有羽毛状的特征。（二）下贝氏体（B下），形成温度350℃－MS，组织特征：片状铁素体和其内部沉淀碳化物。典型组织，具有黑针状特征。机械性能：下贝氏体的强度、塑性、和韧性高于上贝氏体。原因，上贝氏体形成温度高，铁素体条宽，渗碳体分布条状铁素体晶界。下贝氏体位错密度高，碳化物于晶内析出。贝氏体类型：碳钢中，共析钢过冷奥氏体最稳定（随含碳量的增加，亚共析钢的C曲线右移，过共析钢的C曲线左移）。亚共析钢的C曲线与过共析钢的C曲线比共析钢的C曲线左上方多一条先共析线。（二）影响C曲线的因素C曲线的位置和形状十分重要，决定奥氏体的等温转变速度；转变产物的性质；钢的淬透性；指导热处理工艺的制定。影响因素主要有：1、碳的影响2、合金元素的影响除Co以外，所有的合金元素溶入奥氏体后，都增大其稳定性，使C曲线右移。某些碳化物形成元素改变C曲线的形状。3、加热温度和保温时间的影响随加热温度的提高和保温时间的延长，C曲线右移。特点：共析钢CCT图位于TTT图右下方。PS和PZ分别表示A→P转变开始线和终了线。K表示中止线。冷却曲线碰到K线过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保持到MS点以下转变为马氏体。二、过冷奥氏体连续转变曲线在生产实践中，奥氏体大多数在连续冷却中转变，因此需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图）。临界冷却曲线（VK）：在CCT图上获得全部马氏体的最小冷却速度。与VK相对应称VK’为TTT图的临界冷却速度，显然，VK’VK通过C曲线可以定性分析连续冷却条件下的组织转变规律。如图：3、细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能。作为最终热处理或为最终热处理作好组织上的准备。第三节钢的退火和正火退火和正火:将钢加热、保温后在炉内缓冷（退火）或空冷（正火）的操作。主要目的：1、调整钢件硬度（HB160-230）以便进行机械加工。2、消除残余应力以防钢件的变形和开裂。主要应用：亚共析成份的各类碳钢和合金钢的铸、锻、焊接件的热处理，降低硬度，以便切削。常作为不重要零件的最终热处理或某些重要零件的预先热处理。一、完全退火完全退火：（又称重结晶退火）：将钢件加热到AC3以上30℃－50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至500℃以下出炉在空气中冷却。组织：铁素体与珠光体的平衡组织。目的：降低硬度，改善切削加工性能细化晶粒，均匀组织，不适用于低碳钢和过共析钢。二、等温退火：将某些合金钢件加热到AC3以上30℃－50℃保温奥氏体后以较快速度冷却到C曲线鼻尖处，进行等温转变，然后空冷到室温，得到适合切削加工的索氏体，缩短退火时间。如高速钢的退火。应用：过共析碳钢及合金工具钢，使其组织由层片状和网状渗碳体变为粒状。主要目的降低硬度，改善切削加工性，为以后淬火作好组织准备。对网状渗碳体严重者可先进行一次正火。三、球化退火：使钢在AC1-Accm之间长期保温，后缓慢冷却，使碳化物球化，获得球化组织的热处理工艺。组织：粒状珠光体。由粒状渗碳体和铁素体组成的珠光体组织。主要用于消除铸造件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件的残余应力。四、去应力退火去应力退火（又称低温退火）：将钢件缓慢加热到500℃－650℃（AC1）,长期保温后，随炉缓冷到200℃－300℃出炉。（3）普通结构件的最终热处理，提高普通零件的机械性能。五、钢的正火正火：将钢件加热到Ac3或Accm以上30－50℃保温后从炉中取出，在空气中冷却。与退火的区别，冷却速度较快，组织较细。主要应用：（1）改善低碳钢或低合金结构钢的切削加工性，低碳钢或低合金结构钢退火后硬度低，切削易粘刀，正火后提高硬度，便于切削加工。（2）用于过共析钢，消除网状渗碳体，为球化退火作好准备。目的：为了获得马氏体，提高钢的强度、硬度等机械性能，是强化钢材常用的手段，与回火配合获得所需要的性能。第四节钢的淬火与回火一、钢的淬火（一）淬火的目的淬火：将钢加热到AC3或AC1以上30℃－50℃，保温后以大于Vk的速度冷却得到马氏体的热处理工艺。过共析钢在AC1＋30－50℃。得到均匀细小的马氏体和粒状碳化物的混合组织。淬火温度过高，马氏体粗大；变形严重；开裂倾向大；残余奥氏体增加，硬度和耐磨性下降。温度低，得到非马氏体组织，硬度不足。对合金钢加热温度可以高一些。（二）淬火温度的选择亚共析钢在AC3＋30－50℃，得到细小的马氏体组织，温度过高，得到粗大马氏体，钢件易变形，甚至开裂。温度低，出现铁素体，硬度不足，强度不高。要求：即得到马氏体又不产生变形和开裂，理想的冷却介质是在650℃－550℃冷却速度快，其余温度冷却速度慢。常用介质有：水、盐水、油。（三）淬火冷却介质（四）常用淬火方法1单液淬火法工件在一种介质中连续冷却到室温的操作方法。如水淬，油淬。2双液淬火法在Ms以上，在冷却能力较强的介质中冷却，接近Ms时转入冷却能力较弱的介质中冷却，如水淬油冷法，以防在马氏体相变时开裂。3分级淬火法热浴淬火法，使工件先在稍高于Ms（150℃－260℃）的硝盐或碱浴中冷却，减小表面和心部温差后，再取出在空气中冷却。减小钢的内应力，变形，适用于小件，复杂件。组织：获得马氏体和残余奥氏体。4等温淬火法将钢件淬入稍高于MS温度的硝盐浴或碱浴中，保温足够时间，使其发生下贝氏体转变，随后在空气中冷却。组织：获得下贝氏体