您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 公司方案 > 第一章金属固态相变概论
钢的热处理HeatTreatmentofSteel王建刚1.热处理的定义(什么是热处理?):金属或合金在固态下于一定介质中加热到一定温度,保温一定时间,以一定速度冷却下来的一种综合工艺。一、热处理的作用TtT保温t保温V冷却V加热四个重要参数V加热、T保温、t保温、V冷却三个基本过程:加热、保温、冷却绪论热处理概述例:45#钢,840℃加热,不同方式冷却冷却方式随炉冷却空气冷却油冷水冷却HRC15~1818~2440~5052~60组织P+FP+F(少)组织细M+PM应用广泛—汽车零件80%;工模具、轴承100%均需热处理2.热处理的作用(为什么要进行热处理?)•提高材料的机械性能,延长机器零件的使用寿命。钳工用的錾子-不热处理,使用时刃口很快卷刃。刃口局部加热到一定温度,保温以后水冷,即使用锤子经常敲打,也不易发生卷刃和崩裂。降低结构重量,节省材料和能源。•消除缺陷(defect)、残余应力(residualstress),细化晶粒(refinedgrain),消除偏析(segregation),使钢的组织和性能更加均匀。•改善金属的切削加工性(machinability)。如高速钢(highspeedsteel)制钻头,必须经预先热处理,改善组织,降低硬度(hardness)(达到207~255HBW),这样才能进行机加工。加工后的钻头必须经最终热处理,提高钻头的硬度(达到60~65HRC)和耐磨性。•提高工件表面的抗磨损(wear)、耐腐蚀(corrosionresistance)等特殊物料化学性能。•制定正确的热处理工艺规范,保证热处理质量,必须了解钢在不同加热和冷却条件下的组织变化规律。钢中组织转变的规律,就是热处理的原理。1、普通热处理:退火(annealing)、正火(normalizing)、淬火(quenching)、回火(tempering)2、表面热处理:感应加热(inductionheating)、火焰加热(flameheating)、电接触加热、电解加热3、化学热处理:渗碳(carburization)、氮化(nitrogenization)、碳氮共渗(carbonitriding)3.热处理的种类二、热处理与相图(phasediagram)•钢为什么可以进行热处理?•是不是所有金属材料都可以进行热处理呢?1.热处理的条件(1)有固态相变(2)加热时溶解度显著变化的合金2.相图α+LL+βα+βαLβACDBEFF’GE’LL+γγα+γγ+βα+βL+β为什么钢能热处理?共析钢(eutectoidsteel)①γα+Fe3C共析转变-相变②C溶解度显著变化在通过GS线(A3线)或ES线(Acm线)时,分别从奥氏体中析出铁素体和渗碳体。所以钢可以进行热处理,热处理温度区间A1<T<TNJEFLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%6.69FeTJNHA1→Fe3C铁碳相图PSK线(A1线)实际上,钢进行热处理时组织转变并不按相图上所示的平衡温度进行,通常有不同程度的滞后现象,即实际转变温度要偏离平衡的临界温度。图中表示钢加热和冷却速度对临界温度的影响。•在研究钢的相变和制定热处理工艺时,不仅要考虑温度的因素,还必须考虑时间和速度的影响。如钢从奥氏体状态以不同的速度冷却时,将形成不同的产物,获得不同的组织和性能。缓慢冷却时,相变温度高,碳、铁原子扩散充分,形成珠光体组织。较快冷却时,相变温度低,铁原子扩散困难而碳原子尚能进行扩散,形成贝氏体。更快速度冷却时,相变温度更低,碳、铁原子扩散困难,形成马氏体。箱式电阻炉Chamberelectricfurnace台车式电阻炉连续式热处理炉第一章金属固态相变概论Chapter1Solid-statePhaseTransformationofMetal主要内容•1.金属固态相变的主要类型•2.金属固态相变的主要特点•3.固态相变时的形核•4.固态相变时的晶核长大•5.固态相变动力学重点引言•固态金属(纯金属、合金)在温度(Temperature)和压力(Pressure)改变时,组织结构(Microstructure)发生的变化—固态相变掌握固态相变规律→控制相变过程→获得预期的组织、性能控制加热(Heat)、保温(HeatPreservation)、冷却(Cooling)等热处理(HeatTreatment)•成分(Composition)相似、结构(Microstructure)相同的物质—相(Phase),固溶体(SolidSolution)和金属间化合物(IntermetallicCompound)。γ-Fe→α-Fe—相变(phasetransformation)。从高温到低温奥氏体相向铁素体相转变就是相变相变前的相状态称为旧相或母相;相变后的相状态称为新相。•组织是一种结合形态。比如共晶组织(Eutecticstructure),就是共晶转变是同时析出的两种相结合形成的一种形态。(显微镜下观察)相与相变§1-1金属固态相变的主要类型•根据外界条件不同而引起的变化,大体上分为两大范畴:•一、平衡转变(EquilibriumTransformation)固态金属在缓慢加热或冷却时发生的能获得符合相图所示平衡组织的相变。•二、不平衡转变(Non-equilibriumTransformation)固态金属在快速加热或冷却时,由于平衡转变受到抑制,可能发生某些不平衡转变而得到在相图上不能反映的不平衡(或介稳)组织。平衡转变主要有以下几种:同素异构转变(AllotropicTransformation)和多形性转变(PolymorphousTransformation).平衡脱溶沉淀共析转变(eutectoidtransformation)包析转变(peritectoidtransformation)调幅分解(spinodaldecompositon)有序化转变(orderingtransformation)1.1.1、平衡转变纯金属在一定的温度和压力下,由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异构转变。若在固溶体(solidsolution)中发生这种结构的转变,则称为多形性转变。如钢在冷却时由奥氏体(Austenite)中析出先共析铁素体(Ferrite)的过程。结合Fe--Fe3C讲解。(一)同素异构转变和多形性转变1.1.1、平衡转变铁碳合金(iron-carbon)相图LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld’A+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLd’L+Fe3CILd+Fe3CILd’+Fe3CI(二)平衡脱溶转变高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程特点:(a)新相的成分和结构始终与母相的不同;(b)母相不会消失。钢在冷却时,由奥氏体析出二次渗碳体(secondarycementite)的过程;由铁素体析出三次渗碳体的过程。可发生脱溶转变的合金1.1.1、平衡转变(三)共析转变合金冷却时,由一个固相同时析出两个不同固相的过程称为共析转变钢中的珠光体(pearlite)相变(四)调幅分解由一种高温固溶体,冷至某一温度范围,分解为两种与原固溶体结构相同,而成分不同的微区的转变称为调幅分解α→α1+α21.1.1、平衡转变(五)有序化转变固溶体中,各组元的相对位置从无序过渡到有序的过程,称为有序化转变。Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变特点:(a)新形成的微区之间无明显的界面和成分的突变;(b)通过上坡扩散(uphilldiffusion),最终使均匀固溶体变为不均匀固溶体。1.1.1、平衡转变铁碳合金中的不平衡转变伪共析转变(PseudoEutectoidTransformation)马氏体转变(MartensiteTransformation)贝氏体转变(BainiteTransformation)块状转变(MassiveTransformation)不平衡脱溶沉淀(Precipitation)1.1.2、不平衡转变(一)伪共析转变接近共析点成分的合金,过冷到共析点以下发生共析转变的过程铁素体和渗碳体的相对量随奥氏体的含碳量而变,故称为伪共析体图1-2Fe-Fe3C相图的伪共析区1.1.2、不平衡转变(二)马氏体相变钢在快冷时,若能避免其发生扩散型转变,则将无需原子的扩散,以一种切变共格的方式实现点阵的改组,而转变为马氏体(三)块状转变在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相同而形貌呈块状的α相的过程1.1.2、不平衡转变(四)贝氏体相变在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间(中温),铁原子不能扩散,碳原子可以扩散过冷奥氏体转变为由铁素体和渗碳体组成的非层片状组织—贝氏体(五)不平衡脱溶转变在等温条件下,由过饱和固溶体中析出第二相的过程析出相为非平衡亚稳相马氏体回火析出碳化物1.1.2、不平衡转变时效合金:能够发生时效现象的合金称为时效型合金或简称为时效合金。成为这种合金的基本条件:一是能形成有限固溶体;二是其固溶度随着温度的降低而减小。速冷1.1.2、不平衡转变结构变化:同素异构转变、多形性转变、马氏体转变成分变化:调幅分解有序程度变化:有序化转变一般为结构与成分均变化共析转变、贝氏体转变固态相变的实质•由于相变是在固态这一特定条件下进行,故有其自身的一些特点:•一、相界面(PhaseInterface)•二、两相间的晶体学(Crystallography)关系(取向关系(OrientationRalationship)与惯习面(HabitPlane))•三、应变能(Strainenergy)•四、晶体缺陷(crystaldefect)的作用•五、形成过渡相(TransientPhase)§1.2金属固态相变的主要特点(一)共格界面(Coherentinterface)两相界面上的原子排列完全匹配,即界面上的原子为两相所共有,孪晶面(twinningplane)界面能(interfacialenergy)很小,弹性应变能(elasticstrainenergy)大;错配度δ越大,弹性应变能越大。1.2.1、相界面共格:δ0.05新、旧固相之间存在界面,按错配度(mismatch)δ分为共格(coherency)、半共格和非共格,δ反映了新旧相之间的适应性。aaa(三)非共格界面两相界面完全不匹配,即存在大量缺陷的界面,为很薄的原子层不规则排列的过渡层,界面能较高,弹性应变能低。(二)半共格界面相界面上分布若干位错(dislocation),界面上的两相原子部分地保持匹配,弹性应变能降低。1.2.1、相界面半共格:0.05δ0.25非共格:δ0.251.2.2、两相间的晶体学关系•惯习面:为降低界面能,新相在母相一定晶面上形成,该晶面称为惯习面,用母相的晶面指数(crystalfaceindex)表示。•位向关系:低指数、原子密度大、匹配较好的晶面、晶向(crystalorientation)相互平行。•钢中马氏体转变时,新相与母相的晶体学关系:{111}γ//{110}α’110γ//111α’新旧相共格(半共格):必然存在一定晶体学位相关系新旧相存在位相关系:不一定共格(半共格)新旧相不存在位相关系:必然不共格(半共格)大小共格半共格非共格1.2.3、应变能共格应变能:固态相变时新相与母相界面上的原子由于要强制性地匹配,以建立共格或半共格联系,在界面附件区域内将产生应变能,也称共格应变能。比容(specificvolume)差应变能:由于新相和母相的比容不同,故新相形成时的体积变化将受到周围母相的约束而产生弹性应变能,也称比容差应变能。晶体(crystal)内存在不同缺陷:空位(vacancy)、位错(dislocation)、晶界(grainboundary)和亚晶界(subboundary)等。缺陷附近→点阵畸变(lattic
本文标题:第一章金属固态相变概论
链接地址:https://www.777doc.com/doc-3825567 .html