钢的热处理原理及工艺

第一章钢的热处理原理•热处理概论•钢在加热时的转变•钢在冷却时的转变•钢在回火时的转变第1节热处理概念与固态相变一、热处理的概论1.概念热处理是将金属材料在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。2.发展•公元前770～前222年，中国人发现，铜铁的性能会因温度而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。•公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。•三国蜀人蒲元曾为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。•中国出土的西汉中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15%～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。•1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织。•法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论•以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。3.热处理的作用（1）热处理的目的改变钢的内部结构，以改善钢的性能。（2）热处理的作用1)提高钢的力学性能，延长机器零件的使用寿命。2)消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，使钢的组织和性能更均匀。3)使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。4.金属热处理工艺简介热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程。•加热燃料：煤、油、电加热温度生氧化、脱碳保护•冷却四把火：退火、正火、淬火、回火•化学热处理、表面热处理、形变热处理5.热处理与相图原则上，只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者发生类似纯铁的同素异构转变，即固态相变发生的合金才能进行热处理强化。6.钢的临界温度Ac1：加热时珠光体转变为奥氏体的开始温度；Ar1：冷却时奥氏体转变为珠光体的开始温度；Ac3：加热时游离铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar3：冷却时奥氏体析出游离铁素体的开始温度；Accm：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度；Arcm：冷却时奥氏体析出二次渗碳体的开始温度。第2节钢在加热时的相变热处理通常由加热、保温和冷却三个阶段组成。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化。一、奥氏体1.奥氏体的结构：定义：C溶于γ–Fe形成的间隙式固溶体。1)C原子位于γ–Fe八面体间隙处2)C原子进入γ–Fe点阵间隙引起点阵膨胀；C%增加，奥氏体点阵常数增大，奥氏体的最大溶C量(溶解度)为2.11%3)C原子在奥氏体中分布是不均匀的，存在浓度起伏；二、共析钢奥氏体的形成过程二、共析钢奥氏体的形成过程珠光体向奥氏体的转变包括以下四个阶段：奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化。（1）奥氏体形核A形核（2）奥氏体的长大奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解、碳在奥氏体和铁素体中的扩散以及铁素体继续向奥氏体转变而进行的。1）C原子的扩散∆Cr↔k∆Cr↔αdCdxA长大2）奥氏体晶格改组一般认为：①平衡加热过热度很小时，通过Fe原子子扩散完成晶格改组。②当加热过热度很大时，晶格改组通过Fe原子切变完成。2）奥氏体晶核的长大速度奥氏体晶核向铁素体和渗碳体两侧推移速度是不同的。780℃时，8.1402.041.089.067.633CCvvCFeCFe表明：相界面向α一侧推移速度比向Fe3C一侧的推移速度快14.8倍。通常情况下，片状珠光体的α片厚度比Fe3C片厚度大7倍。所以奥氏体等温形成时，总是α先消失，剩余Fe3C。3)残余Fe3C溶解α→γ结束后，还有相当数量的Fe3C尚未溶解，这些Fe3C称为残余Fe3C。4）奥氏体均匀化在原来Fe3C部位，C%较高，而原来α部位C%较低，必须经过适当保温后，奥氏体中的C%才能均匀。残余Fe3C溶解A均匀化共析碳钢A形成过程示意图A长大残余Fe3C溶解A均匀化A形核1.奥氏体晶核的形成2.奥氏体晶核的长大3.残余渗碳体的溶解4.奥氏体成分的均匀化二、亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程•亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个P→A的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。•对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，P→A，在AC1～AC3的升温过程中，先共析的F逐渐溶入A。•对于过共析钢，平衡组织是Fe3CⅡ+P，当加热到AC1以上时，P→A，在AC1～ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。三、影响奥氏体等温形成速度的因素（1）加热温度和保温时间的影响图1.7珠光体向奥氏体转变动力学珠光体向奥氏体转变开始铁素体已全部转变为奥氏体残余奥氏体溶解完毕奥氏体已经均匀化1）加热温度必须高于A1温度，珠光体才能向奥氏体转变，转变前有一段孕育期。温度越高，孕育期越短。2）转变温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需要的时间越短。3）为了获得相同的奥氏体状态，既可以通过低温长时间加热得到，也可由高温短时间加热得到。（2）加热速度的影响图1.7珠光体向奥氏体转变动力学加热速度越快，孕育期越短，奥氏体开始转变的温度与转变终了温度越高，转变所需的时间也就越短。（3）原始组织的影响(1)原始组织越细，奥氏体化越快；(2)原始组织为片状珠光体时，奥氏体形成速度比粒状珠光体时快。（4）合金元素的影响C%：随着含碳量的增加，奥氏体形成速度加快。但渗碳体溶解及奥氏体均匀化时间增加。(i)影响C在奥氏体中的扩散速度Cr、Mn、W、V等强碳化物形成元素降低C在奥氏体中的扩散速度，大大减慢奥氏体形成速度。Si、Al、Mn等元素对C在奥氏体中的扩散能力影响不大。Co、Ni等非碳化物形成元素提高C在奥氏体中的扩散速度，加快奥氏体的形成速度。(ii)改变钢的临界点和C在奥氏体中的溶解度，改变钢的过热度，影响奥氏体的形成过程。(iii)在合金钢的平衡组织中，碳化物形成元素集中在碳化物中，非碳化物形成元素集中在铁素体中，奥氏体形成后C和合金元素在奥氏体中的分布极不均匀，增加奥氏体均匀化时间。四、奥氏体晶粒大小及其影响因素(一)奥氏体晶粒度奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分8级评定，1级最粗，8级最细。若晶粒度在10以上则称“超细晶粒”。奥氏体晶粒度有三种，即起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。1.起始晶粒度：（1）定义：奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。（2）影响因素1）增大形核率和增大加热速度，都可使奥氏体的起始晶粒细化，但进一步提高加热温度或在高温下长时间保温，奥氏体晶粒粗化。2）如果晶界上存在难溶化合物质点，能阻碍晶粒继续长大。要使晶粒进一步长大，只有提高加热温度，使难溶质点溶入奥氏体。2.本质晶粒度（1）定义：根据标准试验方法(YB27—64)，经930℃±10℃，保温3~8小时后测得奥氏体晶粒大小。晶粒度大小在5~8级为本质细晶粒钢，1~4级为本质粗晶粒钢。本质晶粒度表明了奥氏体晶粒长大倾向，是实际晶粒度的特殊情况。钢的本质晶粒度与钢的化学成分和冶炼条件有关。如用铝脱氧的钢，可形成弥散的AlN质点，阻止晶粒长大，这种钢为本质细晶粒钢。图1.9奥氏体晶粒长大示意图随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大，称为本质粗晶粒钢。在930℃以下随温度升高，奥氏体晶粒长大速度很缓慢，称为本质细晶粒钢。（2）本质晶粒度的测定1）渗碳法：将试样加热到930℃±10℃，渗碳8小时获得不低于1mm的渗层，缓冷后在渗层的过共析钢部分形成网状Fe3C，借助于网状Fe3C进行晶粒度评定。2）氧化法：将样品抛光，在无氧化条件下加热930℃±10℃，使晶粒充分长大，然后在氧化气氛下短时间氧化，由于晶界比晶内容易氧化，冷却后试样抛光和腐蚀，即可把氧化的晶界网清晰地显示出来进行晶粒度评定。3.实际晶粒度（1）概念：经热处理后获得的实际奥氏体晶粒大小。实际晶粒一般总比起始晶粒大。实际晶粒度除了与钢的本质晶粒长大倾向有关外，它主要决定于具体的加热温度和保温时间。（三）奥氏体晶粒长大原理奥氏体晶粒长大在一定条件下是一个自发过程。晶粒长大动力和阻力相互作用使晶界推移，实现奥氏体晶粒长大。（四）影响奥氏体晶粒长大的因素1.加热温度和保温时间：加热温度越高、保温时间越长，奥氏体晶界迁移速度越大，其晶粒越粗大。2.加热速度：加热速度快，可获得细小的起始晶粒度。3.化学成分：⑴C%的影响。C%高，C在奥氏体中的扩散速度以及Fe的自扩散速度均增加，奥氏体晶粒长大倾向增大。C%超过一定量时，由于形成Fe3CⅡ，阻碍奥氏体晶粒长大。⑵合金元素影响(i)强碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔点较高，它们弥散分布在奥氏体中阻碍奥氏体晶粒长大；(ii)非碳化物形成元素Si、Ni等对奥氏体晶粒长大影响很小。(iii)Mn、P、C、N等元素溶入奥氏体后削弱铁原子的结合力，加速铁原子扩散，促进奥氏体晶粒长大。4.钢的原始组织的影响钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，奥氏体的起始晶粒度越小。五、过热现象1.过热：由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时间过长等)而引起实际奥氏体晶粒粗大，在随后的淬火或正火得到十分粗大的组织，从而使钢的力学性能严重恶化，此现象称为过热。通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织(非平衡组织则难以消除)。高速钢的过烧组织特征是碳化物沿晶界呈网状分布9CrNi3Mo钢锻件过热组织100×2.过烧由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时间过长等)而引起奥氏体晶界熔化的现象称为过烧。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织。高速钢严重过烧的金相组织×500特征是出现呈鱼骨状的莱氏体GCr15SiMn钢锻件过烧组织100×第3节钢的冷却一、概述1.两种冷却方式：连续冷却、等温冷却2.临界转变温度：奥氏体在临界转变温度以上稳定，不会发生分解；奥氏体在临界转变温度以下不稳定，冷却时要发生分解。加热保温连续冷却等温冷却温度温度3.过冷奥氏体：在临界转变温度以下存在但不稳定，将要发生转变的奥氏体。4.过冷奥氏体的分解也是一个点阵重构和碳的扩散过程。（1）过冷奥氏体缓慢冷却，分解的过冷度很小，得到近于平衡的珠光体组织。（2）冷却速度较快时，可把过冷奥氏体过冷到较低温度，碳原子尚可扩散，铁原子不能扩散，得到贝氏体组织。（3）更快速的冷却，奥氏体迅速过冷到不能进行扩散分解，得到马氏体组织。Figure8.TTTDiagramandmicrostructuresobtainedbydifferenttypesofcoolingratesAustenitePearliteMartensiteBainite二、过冷奥氏体等温转变冷却图_金相法：珠光体、贝氏体、马氏体等具有不同的形貌–硬度法：与金相法配合使用–磁性法：奥氏体—顺磁性，转变产物—居里值以下为铁磁性–电阻法：电阻与晶体缺陷浓度有关，测定开始线十分有效–膨胀法：奥氏体比容最小2、奥氏体等温转变图-C曲线奥氏体等温转变图的形状象英文字母C，因此称“C”曲线或“TTT”图。其形状见右图。“C”曲线有三个转变区珠光体区：Ar1-550ºC贝氏体区:550ºC-Ms马氏体转变区：Ms-Mf五条线：Ar1线第一条“C”曲线第二条“C”曲线Ms和Mf图1.12共析碳钢C曲线Mf3TTT曲线的影响因素•成分影响•加热条件•原始组织•塑性变形•亚共析钢：C%↑，右移。•过共析钢：C%↑，左移。•共析钢：C曲线最靠右，最稳定，但易粗化。（1）成分影响•Me(Co、Al以外)均使C曲线右移•非（或弱）碳化物形成元素Co、Ni、Mn、Si、Cu及B，使C曲线右移但不分离，Si使鼻子温度上移，其它使之下移。•碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti、Nb，Me%↑，两组C曲线逐渐分离，使珠光体的鼻子温度上升，而使贝氏体的鼻子温度下降，Cr、Mn使贝氏体转变线强烈右移，而Mo、微量B则使珠光体线强烈右移。合金元素只有溶入到奥氏体中，才能对过冷奥氏体转变产生重要影响。（2）加热条件温度升高，时间延长，A晶粒粗化，成分均匀，有利于先共析F、K的溶解，增加稳定性，C曲线左移