机械制造基础-钢的热处理-加热和冷却过程

钢的热处理1、定义：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。§1钢的热处理定义机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。模具、滚动轴承100%需经热处理。热处理特点：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。2、热处理的意义3、热处理分类预备热处理—为随后的加工或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间4、热处理工艺分类如下（根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同）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[重点掌握]1.钢在加热时组织转变的过程中及影响因素；2.共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。3.奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响；4.各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和使用的钢种、零件的范围。§2钢在加热时的转变加热目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。钢坯加热钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。临界温度与实际转变温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。第一步奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核。第二步奥氏体晶核长大：A晶核通过碳原子的扩散向F和Fe3C方向长大。第三步残余Fe3C溶解:铁素体因而先消失。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：通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。一、奥氏体的形成过程（现以共析钢为例）：共析钢奥氏体化过程亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同，但由于先共析F或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上.二、奥氏体晶粒长大及其影响因素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。三、奥氏体晶粒大小及控制1、晶粒度概念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。细化A晶粒途径：快速加热，短时保温一、钢在热处理时的冷却方式热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却§3钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体的等温冷却转变1、建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线(C曲线，形状像C)(Time-Temperature-Transformationdiagram)共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1过冷奥氏体区转变产物区转变区时间温度A1MSMfA过冷APBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线2、钢在冷却时的转变随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变。珠光体转变贝氏体转变和马氏体转变（1）珠光体转变根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体。三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。（2）贝氏体转变贝氏体用符号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）。上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体具有良好的综合力学性能。上贝氏体下贝氏体（3）马氏体转变马氏体的晶体结构碳在α-Fe中的过饱和固溶体称马氏体,用符号M表示。马氏体组织FCCBCT铁原子马氏体的形成碳原子马氏体的形态C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时则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。0.45%C0.2%C1..2%C马氏体形态与含碳量的关系马氏体的性能高硬度是马氏体组织性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%3、共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf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非扩散型针状60-65淬火M板MS~Mf板条状50淬火四、过冷奥氏体连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。共析钢CCT曲线(Continuous-Cooling-Transformation)P均匀A细AP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间650℃600℃550℃五、影响TTT曲线形状与位置的因素1、奥氏体中含碳量的影响•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。过共析钢亚时间温度A12.奥氏体中含合金元素的影响•除Co外,凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移；•除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,都使Ms与Mf点下降。向右移向下移MsA1P均匀A细AP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间650℃600℃550℃小结小结热处理过程共析钢冷却转变亚共析钢冷却转变用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变炉冷空冷油冷水冷PST+M+A’M+A’