工程材料及热加工―钢的热处理原理

钢的热处理原理一、概述二、钢的热处理原理一、概述1、定义：将钢在固态下通过不同的加热、保温、冷却来改变金属整体或表层的组织，从而改善和提高其性能的一种热加工工艺。工艺曲线：2、目的：•充分发挥材料的性能潜力。•调整材料的工艺性能和使用性能。3、分类：•普通热处理：整体穿透加热•表面热处理：表层的成分、组织、性能•特殊热处理：形变热处理、真空热处理二、钢的热处理原理1、钢的临界温度铁碳合金相图中组织转变的临界温度A1、A3、Acm是在极其缓慢的加热和冷却条件下测定的。而在热处理中，加热和冷却并不是极其缓慢的，和相图的临界温度相比发生一定的滞后现象，也就是通常所说的需要有一定的过热和过冷，组织转变才能充分进行。与相图上A1、A3、Acm相对应，通常把实际加热时的临界温度用Ac1、Ac3、Accm表示，把实际冷却时的临界温度用Ar1、Ar3、Arcm表示。2、钢在加热时的组织转变钢的热处理首先是加热，使钢奥氏体化，随后才能通过不同的冷却方式使其转变为不同的组织和性能。其奥氏体化的程度以及晶粒的大小对冷却过程及最终组织性能都将产生极大的影响。2.1奥氏体的形成（以共析钢为例，说明奥氏体的形成过程。）2.1.1奥氏体形核：奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体相界面处形成。这是由于此处原子排列紊乱，位错、空位浓度较高，容易满足形成奥氏体所需的能量和碳浓度所致。2.1.2奥氏体长大：奥氏体晶核形成之后，它一面与渗碳体相接，另一面与铁素体接。这使得在奥氏体中出现了碳的浓度梯度，即奥氏体中靠近铁素体一侧含碳量较低，而靠近渗碳体一侧含碳量较高,引起碳在奥氏体中由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。随着碳在奥氏体中的扩散，破坏了原先相界面处碳浓度的平衡，即造成奥氏体中靠近铁素体一侧的碳浓度增高，靠近渗碳体一侧碳浓度降低。为了恢复原先碳浓度的平衡，势必促使铁素体向奥氏体转变以及渗碳体的溶解。这样，奥氏体中与铁素体和渗碳体相界面处碳平衡浓度的破坏与恢复的反复循环过程，就使奥氏体逐渐向铁素体和渗碳体两方向长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。2.1.3剩余渗碳体溶解：铁素体消失以后，随着保温时间延长或继续升温，剩余渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使奥氏体的碳浓度逐渐接近共析成分。这一阶段一直进行到渗碳体全部消失为止。2.1.4奥氏体成分均匀化：当剩余渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的，原来存在渗碳体的区域碳浓度较高，只有继续延长保温时间，才能得到成分均匀的单相奥氏体。2.2奥氏体晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要影响。通常，粗大的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的组织，其力学性能指标较低。2.2.1奥氏体晶粒度的概念。奥氏体晶粒的大小是用晶粒度来度量的。晶粒度的评定一般采用比较法，即金相试样在放大100倍的显微镜下，与标准的图谱相比。晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。2.2.2影响晶粒长大的因素。•a.加热温度和保温时间:温度的影响最显著。在一定温度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大。•b.加热速度:实际生产中经常采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒。因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细，加之在高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大。•c.钢的化学成分:⑴随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向增大。⑵加入适量能形成难熔中间相的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb等，能强烈阻碍奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒的目的。3、钢在冷却时的转变当奥氏体被冷至A1线以下不同温度处发生转变时，由于冷却过程为非平衡过程，因此不能依据铁碳相图来判定和分析其组织转变。其转变产物随转变温度和冷却速度的不同而不同，性能也有很大的差别。常用等温转变曲线和连续转变曲线来说明这一规律。3.1过冷奥氏体等温转变使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到A1线以下一定的温度，然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。3.1.1过冷奥氏体等温转变曲线(TTT曲线)•奥氏体等温转变曲线反映了奥氏体在冷却时的转变温度、时间和转变量之间的关系。它是在等温冷却条件下，通过实验的方法（金相法）绘制的。•该曲线颇似“C”，故简称C曲线。•简介试验过程。3.1.2过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能⑴珠光体型转变：（A1～550℃）•转变特点：扩散型相变。•组织：珠光体是铁素体和渗碳体两相的机械混合物。其组成相通常呈片层状。根据珠光体片间距的大小，可将珠光体类型组织分为三种:①珠光体:片间距约为450~150nm，形成于A1~650℃范围内。在光学显微镜下可清晰分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。②索氏体:片间距约为150~80nm，形成于650~600℃范围内。只有在800倍以上光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。③屈氏体:片间距约为80~30nm，形成于600~550℃范围内。在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。•比较：珠光体、索氏体、屈氏体之间无本质区别，其形成温度也无严格界线，只是其片层厚薄和间距不同。•性能：珠光体类组织的机械性能主要取决于片层间距的大小。通常情况下，片层间距愈小，其强度、硬度愈高，同时塑性、韧性也有所改善。⑵贝氏体型转变：（550℃～Ms）•定义：贝氏体(B)是含碳过饱和铁素体和渗碳体或碳化物的混合物。•转变特点：半扩散型相变。•组织：由于转变温度的不同，贝氏体有两种基本形态。a.上贝氏体:在550~350℃温度区间转变为上贝氏体。上贝氏体的特点是铁素体呈大致平行的条束状，自奥氏体晶界的一侧或两侧向奥氏体晶内伸展。渗碳体分布于铁素体条之间。在光学显微镜下观察呈羽毛状。b.下贝氏体:下贝氏体在350℃~Ms温度区间形成。典型的下贝氏体是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。在光学显微镜下呈黑色针状或竹叶状。•性能：上贝氏体的强度和韧性均较低（铁素体条粗大，它的塑变抗力低；渗碳体分布在铁素体条之间，易于引起脆断），下贝氏体不但强度高，而且韧性也好（铁素体细小、分布均匀；在铁素体内又析出细小弥散的碳化物）。⑶马氏体型转变•定义：是指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相变，转变产物称为马氏体，马氏体是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体，记为M。•转变特点：⑴无扩散性：⑵降温转变:过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度用Ms表示。而马氏体转变的终了温度用Mf表示。马氏体转变量是在Ms~Mf温度范围内，通过不断降温来增加的。由于多数钢的Mf在室温以下，因此钢快冷到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏体，记为Ar。•组织形态：钢中马氏体的形态很多，其中板条马氏体和片状马氏体最为常见。⑴板条马氏体:低碳钢＜0.2﹪中的马氏体组织是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成，故称为板条马氏体。板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错，故又称为位错马氏体。b.片状马氏体:在高碳钢（＞1.0﹪）中形成的马氏体完全是片状马氏体。在显微镜下观察时呈针状或竹叶状。片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。•性能特点⑴硬度和强度:钢中马氏体力学性能的显著特点是具有高硬度和高强度。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。通常情况下，马氏体的硬度随含碳量的增加而升高。⑵塑性和韧性:主要取决于马氏体的亚结构。片状马氏体脆性较大，其主要原因是片状马氏体中含碳量高，晶格畸变大；同时马氏体高速形成时互相撞击使得片状马氏体中存在许多显微裂纹。而板条马氏体有相当高的塑、韧性。3.1.3影响C曲线的因素•含碳量•合金元素3.2过冷奥氏体的连续冷却转变在实际生产中，往往采取连续冷却，即温度、时间不断变化。过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)