第六章-金属热处理及材料改性-PPT精品

第六章金属热处理及材料改性第一节钢在加热时的转变第二节过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能第三节过冷奥氏体转变曲线图第四节钢的退火和正火第五节钢的淬火第六节钢的回火第七节钢的表面处理和化学热处理第八节热处理技术条件及工序位置第九节高聚物的改性第十节材料的复合强化第十一节材料的表面处理技术•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.为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。•根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理—渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等第一节钢在加热时的转变•加热是热处理的第一道工序。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。钢坯加热一、奥氏体的形成过程（一）基本过程奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：•第一步奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。•第二步奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大。•第三步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。•第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。温度，℃共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）共析钢奥氏体化过程•（二）影响珠光体向奥氏体转变的因素•1、温度•T↑原子扩散能力↑，A中C的浓度梯度↑，A形成速度↑•2、C含量•亚共析钢C↑，F和Fe3C界面总量↑，有利于加速A形成•3、P粗细•P组织↓，A形成速度↑，层片状较粒状P截面↑易形成A二、奥氏体晶粒长大及其影响因素•1、奥氏体晶粒长大•奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度,此时晶粒细小均匀。•随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。温来判断。晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。通常将钢加热到94010℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室•2、影响奥氏体晶粒长大的因素•⑴加热温度和保温时间:加热温度高、保温时间长,晶粒粗大.•⑵加热速度:加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细.⑶合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。析出颗粒对黄铜晶界的钉扎Nb/%奥氏体晶粒尺寸/μmNb、Ti对奥氏体晶粒的影响•促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。•⑷原始组织:平衡状态的组织有利于获得细晶粒。•奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。箱式可控气氛多用炉真空热处理炉第二节过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能•冷却是热处理更重要的工序。•处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。•现以共析钢为例说明：•一、珠光体的组织形态及性能•过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合珠光体索氏体托氏体物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体.•⑴珠光体：•形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.•⑵索氏体•形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。•⑶托氏体•形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。•二、贝氏体的组织形态及性能•过冷奥氏体在550℃-230℃(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。•根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下).上贝氏体下贝氏体•⑴上贝氏体•形成温度为550-350℃。•在光镜下呈羽毛状.•在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。光镜下电镜下•⑵下贝氏体•形成温度为350℃-Ms。•在光镜下呈竹叶状。光镜下电镜下在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60º角。•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。上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体•三、马氏体类型组织形态与性能•马氏体的形态分板条和针状两类。•⑴板条马氏体•立体形态为细长的扁棒状•在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。光镜下电镜下•每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。•在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，=1012/cm2,又称位错马氏体。SEMTEM•⑵针状马氏体•立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。•在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。电镜下电镜下光镜下•⑶马氏体的形态主要取决于其含碳量•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。马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1..2%C45钢正常淬火组织•先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小.原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏体.•⑷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。当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%•马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。•马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.针状马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌过冷奥氏体转变产物（共析钢）转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火•过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。两种冷却方式示意图1——等温冷却2——连续冷却第二节过冷奥氏体转变曲线图•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、S曲线或TTT曲线。一、过冷奥氏体的等温转变图(Time-Temperature-Transformationdiagram)•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。2、过冷奥氏体转变产物的形成过程（1）珠光体的形成过程在C曲线“鼻尖”上部为P相变区，P形成伴随两个过程同时进行碳和铁原子的扩散——生成高碳Fe3C和低碳F晶格重构——由面心立方A转变为体心立方F和复杂晶格Fe3C（2）贝氏体的形成过程C曲线下部区域为B相变区。B相变时只发生碳原子扩散，铁原子不扩散，过冷A—贫碳区、孕育F晶核、F含C↑，C从F向A扩散形成Fe3C。（3）马氏体的形成过程M相变是非扩散性的，因冷速过冷度极大，碳原子无扩散能力，故A将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体→M•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。Cr对C曲线的影响•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。除Co和Al外,所有合金元素都使Ms与Mf点下降。推杆式电阻炉•⑵奥氏体化条件的影响•奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。•使用C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响.二、过冷奥氏体连续转变曲线图•也称CCT图，可用金相、膨胀和磁性法测得•用膨胀法测定：将一组试样经奥氏体化后用不同冷速连续冷却，用高速膨胀仪测出转变开始和终了的温度、时间，并记录最终所得组织及硬度。将同性质转变开始点与终了点连成曲线，便成CCT图。Vk为临界冷速Vk’Vk共析钢的CCT曲线第四节钢的退火与正火•机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预备热处理→机加工→最终热处理。退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。一、退火•将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺叫做退火。•1、退火目的⑴调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。⑵消除内应力，防止加工中变形。⑶细化晶粒，为最终热处理作组织准备。真空退火炉•2、退火工艺•退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。•⑴完全退火将工件加热到Ac3+30~50℃保温后缓冷的退火工艺，主要用于亚共析钢.•⑵等温退火•亚共析钢加热到Ac3+30~50℃,共析、过共析钢加热到Ac1+30~50℃，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢.高速钢等温退火与普通退火的比较•⑶球化退火•球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。它是将工件加热到Ac1+30-50℃保温后缓冷，或者加热后冷却到略低于Ar1的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。主要用于共析、过共析钢。•球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体,用P球表示。球状珠光体对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状.•二、正火•正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到Accm+30~50℃保温后空冷的工艺。•正火比退火冷却速度大。•1、正火后的组织：●0.6%C时，组织为F+S；●0.6%C时，组织为S。正火温度•2、正火的目的•⑴对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。•⑵对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。•⑶普通件最终热处理。要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火.热处理与硬度关系合适切削加工硬度第五节钢的淬火•淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺.淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能.真空淬火炉一、钢的淬火工艺•1、碳钢•⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+30