钢铁热处理

第六章钢铁热处理钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的热处理工艺——退火、正火、淬火、回火钢的表面热处理及化学热处理概述一、什么叫热处理将固态金属或合金通过加热、保温和冷却的方式来改变其组织结构以获得预期的性能的加工工艺。●普通热处理：退火、正火、淬火、回火；●表面热处理：表面淬火、化学热处理；●特殊热处理：真空热处理、可控气氛热处理热处理目的：改善性能。（工业上热处理应用率达到60－100％）热处理特点：固态相变第一节钢在加热时的组织转变一、转变温度固态相变同样需要一定的过冷度（降温）或过热度（升温），因此，加热转变实际发生温度在平衡临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在平衡临界点之下。•Ac1、Ac3、、Accm为升温引起的奥氏体化温度上移线•Ar1、Ar3和Arcm则为降温时奥氏体分解温度的下移线•A1、A3、Acm、为平衡条件下合金获得奥氏体的温度线。为了对钢进行热处理，必须首先将钢加热到单相A区，然后进行适当的冷却以获得特定的结构和性能。A二、奥氏体的形成根据Fe-Fe3C相图，钢在加热时发生向奥氏体的转变，此转变过程称奥氏体化。●共析钢：P→A●亚共析钢：P+F→A+F→A●过共析钢：P+Fe3CⅡ→A+Fe3CⅡ→A热处理时应进行适当时间的保温。保温的目的是使工件各部分温度一致，组织转变充分均匀。LFe3C930C三、奥氏体化过程以共析钢(Wc＝0.77%)为例，共析钢在室温下的组织为层片珠光体，在加热到Ac1以上，其将转变为A，这一过程称为奥氏体化，这一过程是形核与长大过程。1.在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核心；2.奥氏体同时消耗两相来长大；F晶格转变（BCCFCC），渗C体溶解；3.随后残余渗碳体的溶解；4.奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均成分。两个过程：晶格变化；C的扩散四、奥氏体晶粒度及其影响因素1.奥氏体晶粒度1)实际晶粒度指在某一具体热处理条件下（如加热温度、保温时间）所得到的晶粒大小。它决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程。2)本质晶粒度不同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不一样，为比较不同钢的晶粒长大倾向，将不同的钢加热到930±10℃，保温8小时得到的实际晶粒度作为该钢的本质晶粒度。本质晶粒度是一材料特性，表示的是钢在奥氏体化时奥氏体晶粒的长大倾向。晶粒易长大的称本质粗晶粒钢，晶粒不易长大的称本质细晶粒钢。奥氏体的晶粒大小对热处理后的性能影响巨大2.奥氏体实际晶粒度的影响因素1)加热速度加热速度愈快，完成奥氏体转变用时间就愈短，形核率就愈高，最终晶粒尺寸较细小。2)保温温度、保温时间温度愈高，时间愈长，奥氏体晶粒就愈粗大。3)原始组织固相转变具有组织的遗传性。珠光体片层愈细小，奥氏体的晶粒就愈细小。4)合金元素(成分)①碳含量：C增加，A转变加快，晶粒的长大倾向增加；②合金元素：碳化物形成元素(Ti、V、Ta、Nb、Zr、W、Mo、Cr)和碳结合力强，阻碍碳的扩散和奥氏体晶粒生长；第二节钢在冷却时的组织转变等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行等温转变TTT曲线（Temperature－Time—Transformation）：在某一温度下A转变量与时间的关系的曲线。连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温)，使奥氏体在连续降温的过程中转变。CCT曲线（ContinuousCoolingTransformation）：在连续冷却过程中，A转变量与时间的关系曲线。一、冷却方式（两种方式）：将钢加热到A区后，要通过冷却获得不同的组织结构→不同性能→不同用途TTT曲线CCT曲线二、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（TTT）的获得过冷奥氏体等温转变图，也称TTT曲线，或C曲线。它综合反映了过冷奥氏体在不同温度下等温转变的开始和终了时间及转变产物之间的关系。钢在奥氏体化后，当温度降低到Ar1以下，此时奥氏体并不立即转变，要经历一段时间后，才开始转变。把这种存在于Ar1温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。A1、过冷奥氏体：2、TTT曲线（C曲线）的建立1）将共析钢加热奥氏体化（A），在Ar1温度以下选择一系列等温时间；2）将A化的共析钢快冷到不同温度下保温，记录在各温度下的转变量与保温时间的关系－转变动力学曲线，3）确定在不同温度下转变开始的时间a1，a2,a3…,和转变终了的时间b1b2,b3…，(时间a1,a2,…称为转变的孕育期,在不同的温度下具有不同的孕育期）4）将转变开始点和转变终了点分别连接起来，即得到TTT曲线，如右图所示。应形状“C”，所以，也称为C曲线。AP时间3、C曲线的特征（右下图为共析钢的C曲线）（1）在Ar1线温度以上，奥氏体稳定，不会发生转变。（2）在Ar1线以下，C曲线以左区域为过冷A区，转变终了线以右的区域为转变产物区，两条线之间为转变过渡区。（3）不同温度等温对应的孕育期不同，在C曲线“鼻尖”处的孕育期最短，鼻尖以上（Ar1以下），随温度↓→孕育期↓，因为形核驱动力大，但在鼻尖以下，随温度↓→孕育期↑这是因为尽管驱动力大，但原子扩散缓慢（受温度影响）。A+MAr1A转变同时受原子扩散（正比于温度）和转变驱动力（正比于过冷度）的共同影响。A+MAr1（4）当冷速很快，绕过C曲线的鼻尖，奥氏体快速冷却到Ms以下，则发生马氏体转变，Ms为马氏体转变开始线，Mf为马氏体转变终了线，两线之间为奥氏体＋马氏体两相混合区。三、过冷奥氏体的转变产物及性能1.珠光体型转变区温度：Ar1－550℃产物（相）：F＋Fe3C机械混合物形貌：片层结构，Fe3C片层分布在鉄素体基体上，类似于共析钢的组织。随着转变温度的降低，片间距愈细。依据F/Fe3C的片层大小，分为：珠光体（粗）索氏体（细）屈氏体（托氏体）（很细）三类组织转变区珠光体型转变区贝氏体型转变区马氏体型转变区1.共析钢珠光体型转变区性能：不同类型的珠光体由于层片间距不同，力学性能在一个较大范围内变化，总体趋势是随着片间距的减小，材料的强度和硬度增高。转变特点：AP转变过程是经过Fe、C充分扩散形成F和Fe3C2、贝氏体型转变区（中温转变区）1、转变特点当转变温度在C曲线的“鼻尖”以下（500℃以下），相变的驱动力较大（热力学），但温度较低，原子扩散减慢（动力学）。这时，相变仅依靠小原子碳的扩散进行（Fe不扩散），扩散发生在小范围内，所以将发生混合型相变（半扩散），即贝氏体(Bainite)转变。根据转变温度的高低，贝氏体转变又分为：上贝氏体转变（“鼻尖”到350℃）下贝氏体转变（350℃到MS点)上贝氏体转变下贝氏体转变过冷A转变为Fe3C与含过饱和C的铁素体的机械混合物——贝氏体2.贝氏体的形状和性能B上：在A晶界上首先析出F，周围富C区形成Fe3C，呈羽毛状B下：首先在A晶界上形成F，沿一定晶面呈竹叶状生长，碳化物在F晶内析出，呈（或凸镜状）。名称符号形成温度形貌性能上贝氏体B上550℃~350℃羽毛状HRC40~50,韧性差下贝氏体B下350℃~Ms竹叶状HRC50~55,韧性好B下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高强韧性的工件（如模具等）。A晶界350C以上350C以下B下生长上贝氏体显微组织实例性能特点：通常上贝氏体中的Fe3C粗大，较脆，且韧性低，工业生产中的机械零件应避免获得这种组织。下贝氏体显微组织实例性能特点：下贝氏体有较高的强度和硬度，还有较好的韧性，即有较好的综合力学性能。在生产实际中这是一种常用的状态。三、马氏体型转变区(针对共析钢）1．形成奥氏体急冷至Ms（约230℃）线以下，过冷度极大，相变驱动力极大，奥氏体极快地由fcc变成bcc（），碳原子来不及扩散，形成碳在α–Fe中的过饱和间隙固溶体，即马氏体。马氏体转变是非扩散型转变马氏体转变的临界冷却速度2．转变特点1)速度非常快形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大，一般认为是以声速发展。（驱动力很大）2)无扩散型转变Fe、C均不扩散，马氏体和奥氏体成分相同。3)体积膨胀马氏体转变会引起体积急剧膨胀（C的过饱和固溶体）4）需连续冷却：若在Ms－Mf之间等温，M转变停止，不同于AP、B的转变1)转变不完全存在残余奥氏体（简记为A残），C含量越高，过冷奥氏体越稳定，其Ms、Mf点亦越低，残余奥氏体量也愈多。3．马氏体的形态决定于奥氏体的含碳量：●C＞1.0wt%：形成针状马氏体M针；●C＜0.2wt%:形成板条状马氏体M板条；●0.2wt%＜C＜1.0wt%:形成混合马氏体。板条马氏体的形态（低C马氏体）马氏体内有大量位错，也称为“位错马氏体”性能：具有较高的强度和韧性，即良好的综合力学性能。如0.2%C钢淬火后，HRC50、b＝1500MPa、ak＝150－180J/cm2。一个A晶粒内可形成几个不同位向的M群片状马氏体的形态（高C马氏体）不管是板条马氏体还是片状马氏体，都具有相当高的硬度（HRC50），其原因是：C在F中的过饱和固溶→晶格畸变→固溶强化→高硬度。马氏体高硬度的原因：在一个原奥氏体晶粒中，首先形成一个贯穿整个晶粒的马氏体片，以后形成的马氏体片存在于马氏体和奥氏体之间或马氏体片之间。最后的三角区为残余奥氏体。马氏体中有大量挛晶，也称“挛晶马氏体”性能：片状马氏体具有高的硬度和强度（HRC60），但塑性和韧性很低（ak＝1J/cm2）M生长四、影响C曲线的因素1．C含量的影响亚共析钢：随着含碳量的增加，C曲线右移，即转变的孕育期和转变时间都加长。原因：C使奥氏体更稳定。过共析钢：随着含碳量的增加，C曲线左移，即转变的孕育期和转变时间都减少。原因：过共析钢先析出的碳化物会促使奥氏体的分解。C曲线是指导钢的热处理工艺的依据，因此了解影响C曲线的因素至关重要2．加热温度和保温时间T↑，t↑→Fe3C溶解充分，晶粒粗大（晶界减小）→A稳定→C曲线右移。3．合金元素的影响除Co以外，几乎所有元素都会使C曲线右移。原因：因为大部分合金元素能提高奥氏体的稳定性,其中弱碳化物形成元素比强碳化物形成元素更能稳定奥氏体。此外，大量合金元素的加入，还会改变C曲线的形状（如出现双C曲线对应多个相变）。五、过冷奥氏体的连续冷却曲线1.CCT(ContinuousCoolingTransformation)曲线奥氏体的连续冷却曲线是描述奥氏体在连续冷却过程中转变量（体积分数）与时间的关系，显然与冷却速度有关。2.曲线的建立方法：一般用膨胀法或热分析法将钢奥氏体化后，以不同的冷却速度冷却到室温，测量出奥氏体的开始转变和转变结束的时间，标注在温度－时间坐标图中，分别用线连结开始点和终了点，所得到的曲线就得到CCT曲线。右图为一碳钢对应的CCT曲线。Ps线为开始转变线，Pf线为终止转变线。3.碳钢的CCT曲线特点（1）CCT曲线的相区和关键线、点•在A1线以下，Ps以左：为过冷奥氏体。Pf以右：为转变产物区（P型）；Ps－Pf之间：P型＋奥氏体区•kk’为过冷奥氏体向珠光体（型）转变的终止线，在KK’以下区域，A将终止向P转变，部分过冷A将保持到Ms点，发生马氏体转变。•Ms——马氏体转变开始线，Mf——马氏体转变终了线•Vk：连续冷却条件下获得“完全”马氏体的临界冷去速率（还有部分A残余）。•Vk1：当冷速小于Vk1将获得全部珠光体（型）。•Vk—Vk1之间：得到P＋M＋A残余混合物。（2）TTT图和CCT比较•TTT图位于CCT图左上方，表明连续冷却的孕育期大于等温转变的孕育期。•由TTT图确定的马氏体转变的临界冷却速率大于由CCT图确定的速率，即以TTT临界冷速连续冷却时，可保证获得最多的马氏体。•CCT图只有类似于TTT图的上半部分（没有下部分）。因此，连续冷却时不可能得到贝氏体组织。第三节钢的热处理工艺一、退火定义：将钢（材料）加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(例如：随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做“退火”。作用：消除残余内应力、改变组织的形态。钢在加热到奥氏体区后，在不同的温度等温或以不同冷却速率连续冷