钢材的热处理(材料学专业完善课件教程)

第五章钢的热处理第五章钢的热处理热处理：通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改善其内部组织结构，以获得所需要性能的一种加工工艺。Tt随炉冷却空冷油冷加热保温（１）钢筋绕成弹簧状；（２）加热钢筋至红热，急剧冷却；（３）将（２）钢筋再次加热（温度相对低）冷却。弹簧热处理过程为什么弹簧状钢筋加热到红热急冷后变得又硬又脆？为什么再次加热和冷却后变得刚柔相济，成为真正的弹簧？热处理热处理原理热处理原理热处理工艺加热转变→奥氏体转变冷却转变珠光体转变贝氏体转变马氏体转变常见热处理工艺普通热处理表面热处理退火淬火（Zhan通蘸）正火回火表面淬火化学热处理实际生产中的临界点§5.1钢在加热时的转变§5.2钢在冷却时的转变§5.3钢的退火和正火§5.4钢的淬火§5.5钢的回火§5.6钢的表面淬火§5.7钢的化学热处理第五章钢的热处理§5.1钢在加热时的转变§5.1钢在加热时的转变一、奥氏体的形成过程共析钢的奥氏体形成过程：奥氏体的形核奥氏体晶核的长大残余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化晶体结构的改变：bcc→fccFe、C原子的扩散亚共析钢的A化：P→A后，先共析F溶解过共析钢的A化：P→A后，Fe3CⅡ溶解§5.1钢在加热时的转变二.、影响奥氏体形成速度的因素奥氏体形成速度与加热温度、加热速度、钢的成分以及原始组织等有关。加热温度越高，奥氏体形成速度越快加热速度越快，奥氏体形成速度越快含碳量增加，利于奥氏体加速形成合金元素显著影响奥氏体的形成速度组织（珠光体）越细，奥氏体形成速度越快钴、镍等↑；铬、钼、钒等↓；硅、铝、锰等－。§5.1钢在加热时的转变三、奥氏体晶粒大小及其影响因素1.奥氏体晶粒度：起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度奥氏体形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小特定条件下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性，并不代表具体的晶粒大小特定条件930±10℃，保温8h倾向性本质粗晶粒钢（Mn，Si）本质细晶粒钢（Al）§5.1钢在加热时的转变温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显。晶界上存在未溶的碳化物时，会对晶粒长大起阻碍作用，使奥氏体晶粒长大倾向减小。合金元素，也影响奥氏体晶粒长大，除锰、磷外几乎所有合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大。2.影响奥氏体晶粒长大的因素§5.1钢在加热时的转变返回§5.2钢在冷却时的转变§5.2钢在冷却时的转变1.奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即发生转变呢？2.不同的冷却速度是否也得到同一种的组织呢？§5.2钢在冷却时的转变过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。临界点以下不稳定将要发生转变冷却方式：等温冷却方式和连续冷却方式。转变产物组织性能均匀，研究领域应用广等温冷却方式连续冷却方式转变产物为粗细不匀甚至类型不同的混合组织，实际生产中广泛采用高温转变：A1~550℃过冷A→P型组织中温转变：550℃~MS过冷A→贝氏体(B)低温转变：MS~Mf过冷A→马氏体(M)一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线A1Tt转变开始线转变终了线C曲线：形状似CTTT曲线：Time，Temperature、Transformation§5.2钢在冷却时的转变01时T/℃M+A'A1100200300400500600700800-100100101010102345AMsMf过冷AA→MA→下BA→S转变开始转变结束A→上BA→TA→PM下B上BTSP5~25HRC25~35HRC35~40HRC40~50HRC50~60HRC60~65HRC孕育期：过冷奥氏体等温转变开始所经历的时间，反映了过冷奥氏体的稳定性§5.2钢在冷却时的转变珠光体贝氏体马氏体二、过冷奥氏体转变及其产物的组织形态与性能1.珠光体转变和珠光体的组织形态与性能在A1～550℃之间，过冷奥氏体（A）→珠光体（P：F+Fe3C）过冷奥氏体向珠光体转变，是通过形核和长大的过程来完成的；珠光体转变是一个扩散型转变（Fe、C原子都进行扩散）；§5.2钢在冷却时的转变1）珠光体转变特征共析钢成分易在奥氏体晶界处形核先、过共析钢在先析相上形核Fe原子的扩散，完成γ相（面心立方）向α相（体心立方）的转变C原子的扩散，γ相→α相过程中多余的C原子以Fe3C形式析出F渗碳体片间距：相邻两片渗碳体中心之间的距离一般情况下，珠光体为片状铁素体和片状渗碳体相间分布的层状组织，称为片状珠光体；2）珠光体的组织形态与性能随着转变温度的降低，片间距减小，强硬度提高，塑韧性也有改善按照片间距的大小，可将片状珠光体分为珠光体P，索氏体S和托氏体T（屈氏体），片间距P﹥S﹥T；珠光体P3800×索氏体S8000×屈氏体T8000ק5.2钢在冷却时的转变转变温度（℃）片间距（nm）硬度（HRC）珠光体（P）720～680250～19005～25索氏体（S）680～60080～25025～35托氏体（T）600～55030～8035～40相同成分条件下，粒状珠光体的强硬度较低，塑韧性较好片状珠光体粒状珠光体§5.2钢在冷却时的转变除片状珠光体外，还存在球状（粒状）珠光体渗碳体呈细小的粒状或球状分布在铁素体基体上返回2.马氏体转变和马氏体的组织形态与性能马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变，转变产物称为马氏体。在Ms点以下，过冷奥氏体（A，γ相）→马氏体（M，α相）马氏体转变的无扩散性马氏体转变的瞬时性，转变速度很快（低碳马氏体100mm/s）1）马氏体转变特征§5.2钢在冷却时的转变Fe原子通过切变和原子的微小调整来实现结构的转变（fcc→bcc）；C原子不扩散，保留在α相中；马氏体转变过程中出现表面浮凸效应。马氏体转变的不彻底性，马氏体转变具有很大的体积效应，造成较大的内应力马氏体转变的可逆性M转变在不断的降温过程中形成，至Mf温度，M转变终止，但仍保留部分残余奥氏体；一般生产中快速冷却的室温（Ms和Mf温度之间），保留更多的残余奥氏体，高碳钢可达10-15%；存在残余奥氏体，对材料的稳定性有很大影响。某些铁或非铁合金，马氏体重新加热时可直接转变成奥氏体或母相；淬火钢加热过程中马氏体会首先发生分解，观察不到可逆性马氏体是C在a-Fe中过饱和间隙固溶体，过饱和的C原子处在体心立方的八面体间隙中，体心立方→体心正方，具有一定的正方度2）马氏体的晶体结构及组织形态铁原子碳原子可能位置铁原子的振动范围C%0.25%，板条M（位错M）C%1.0%，针状M（孪晶M）C%=0.25~1.0%时，混合M板条M每个单元呈窄而细长的板条，许多板条总是成群地、相互平行地连在一起针状M（凸透镜状）空间形态为双凸透镜片状，相邻的马氏体片一般不互相平行，而是呈一定交角分布§5.2钢在冷却时的转变钢中马氏体的形态主要为板条状和针片状马氏体其它形态的马氏体蝶状马氏体：蝴蝶形断面的细长条片薄片状马氏体：立体组织薄片状，显微组织细长的带状ε马氏体：具有密排六方结构的马氏体较高的强度和硬度，C%↑→M硬度↑低碳M塑韧性较好，高碳M，塑韧性差，并且存在显微裂纹。尽可能细化奥氏体粒度，是细化马氏体晶粒提高马氏体韧性的有效手段时效强化§5.2钢在冷却时的转变3）马氏体的性能固溶强化亚结构强硬度高3.贝氏体转变和贝氏体的组织形态与性能钢的过冷奥氏体在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以上的温度范围内，发生一种半扩散型相变，称之为贝氏体转变。转变产物贝氏体，通常用字母B表示。1）贝氏体转变特征在珠光体和马氏体转变温度之间，过冷奥氏体（A，γ相）→贝氏体（B，α相+碳化物）半扩散型转变，介于珠光体和马氏体转变之间；贝氏体形成时会产生表面浮凸§5.2钢在冷却时的转变Fe原子不扩散，切变完成晶格改组；C原子扩散，析出碳化物2）贝氏体的形貌及性能（上贝氏体、下贝氏体）上贝氏体形貌：羽毛状，由成束的、大体上平行的板条状铁素体和条间的呈粒状或条状的渗碳体所组成的非片层状组织。上贝氏体性能：强度和韧性差光学显微照片1300×电子显微照片5000×45钢，上B+下B，×400§5.2钢在冷却时的转变下贝氏体——针片状，铁素体针片内规则地分布着细片状碳化物。下贝氏体强度、硬度、塑性、韧性均高于上贝氏体，具有良好的综合机械性能F针内定向分布着细小碳化物颗粒电子显微照片12000×T8钢，下B，黑色针状光学显微照片×400§5.2钢在冷却时的转变三、影响过冷奥氏体等温转变的因素1.含碳量的影响：亚共析钢的C曲线随着含碳量的增加右移，过共析钢的C曲线随着含碳量增加左移；2.合金元素的影响：除钴以外所有的合金元素溶入奥氏体中都能增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移；合金碳化物降低奥氏体的稳定性，使C曲线左移；3.奥氏体化过程越充分，奥氏体越稳定，使C曲线右移。01时间/sT/℃A1100200300400500600700800-100100101010102345AA→BA→PBPM+A'MfMs01时间/sT/℃100200300400500600700800-100100101010234AA→BA→PBP+FM+A'A3A→FA+FMfMsA101时间/sT/℃A1100200300400500600700800-100100101010235AMsMfA→BA→PBP+Fe3CⅡM+A'AcmA→Fe3CⅡA+Fe3CⅡ104§5.2钢在冷却时的转变四、过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）PST+M+A'M+A'连续冷却过程不会发生贝氏体转变；存在转变终止线KK’连续冷却，产物不可能是单一均匀物质§5.2钢在冷却时的转变返回§5.3钢的退火和正火§5.3钢的退火和正火铜棒Ø24mm如何消除拉拔过程中的硬化现象？电缆线Ø0.15mm切削件的硬度在170～230HB范围内，切削性能较好。刀具具有较高的韧性时，不容易发生崩刃。切削件的硬度如何调整？刀具如何才能具有较高的韧性？季裂加工过程（铸、锻、焊、切削）产生的内应力如何消除加工过程中产生的内应力？§5.3钢的退火和正火在实际的制造过程中，常见的工艺路线如：退火和正火是应用最为广泛的热处理工艺！！为什么将其安排在铸/锻造与切削加工之间呢?为什么退火与正火有着非常广泛的应用?§5.3钢的退火和正火在铸造/锻造/焊接之后，钢件中不但残留有铸造或锻造应力，而且还往往存在着成分和组织上的不均匀性，因而机械性能也不均匀，还会导致以后淬火时的变形和开裂。也会存在硬度偏高或偏低的现象，严重影响后续的切削加工性能。经过退火和正火后，便可得到细而均匀的组织，并消除应力，改善钢件的机械性能并为随后的淬火作了准备经过退火与正火后，钢的组织接近于平衡组织，其硬度适中，有利于下一步的切削加工。如果工件的性能要求不高时，退火或正火常作为最终热处理。§5.3钢的退火和正火•一.钢的退火完全退火等温退火球化退火去应力退火扩散退火•二.钢的正火•三.退火和正火的选择§5.3钢的退火和正火•定义：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（炉冷、坑冷、灰冷），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。•目的：减轻钢的成分及组织的不均匀性，细化晶粒，调整硬度，消除内应力，为淬火作组织准备返回§5.3钢的退火和正火名称由来：经历完全奥氏体化过程问题2：奥氏体区的温度区间很大，如果你是热处理工程师，你认为完全退火应该具体在哪一个温度段保温？问题1:在相图的哪一个区域可以获得完全奥氏体组织？完全退火的目的：①细化、均匀化，粗大、不均匀组织②得到接近平衡组织→调整硬度→切削性③消除内应力§5.3钢的退火和正火加热温度：Ac3以上20-30度温度过高：奥氏体晶粒粗大，综合机械性能下降（霍尔佩奇公式）温度过低：不能得到均匀的单相奥氏体，温度较低热处理效率低。§5.3钢的退火和正火答：完全退火不能用于过共析钢，因为加热到Accm以上再缓慢冷却时会得到平衡组织，即在晶界处析出网