热处理原理

1材料的热处理HeatTreatmentofSteel2热处理指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的工艺包含热处理原理和热处理工艺两部分内容：描述热处理时钢中组织转变的规律称为热处理原理根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称为热处理工艺3热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用在机床制造中约60~70%的零件要经过热处理在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70~80%模具、滚动轴承100%需经过热处理——总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。4热处理工艺的三大基本要素：加热、保温、冷却热处理的基本要素——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。——这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。5区别于铸造、压力加工等其它加工工艺的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变形状只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化热处理特点6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由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30~50℃/h的速度加热或冷却时测得的铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时临界温度与实际转变温度7第一节钢在加热时的转变钢坯加热加热是热处理的第一道工序，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8奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核奥氏体晶核长大：奥氏体晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大残余Fe3C溶解：的成分、结构更接近，因而先消失；残余Fe3C随保温时间延长继续溶解至消失一、奥氏体的形成过程（以共析钢为例）9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成分趋于均匀11亚共析钢和过共析钢奥氏体化过程与共析钢基本相同但由于先共析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12二、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，这也是一个自发过程晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同13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142.影响奥氏体晶粒长大的因素1）加热温度高、保温时间长，晶粒粗大2）加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细3）合金元素：阻碍A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促进A晶粒长大的元素：Mn、P、C、N15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析出颗粒对黄铜晶界的钉扎奥氏体晶粒尺寸/m16三、钢的加热缺陷1）氧化：加热时的氧化性气氛（如空气、气氛中O2、CO2、H2O等）氧化钢铁，在工件表面形成FeO、Fe2O3、Fe3O4等氧化物——氧化将导致钢的烧损加大，而且使零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的还严重影响后序热处理质量。2）脱碳：钢加热过程中脱碳，即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象——由于脱碳使钢件表面含碳量下降，导致机械强度下降，特别是疲劳强度下降，耐磨损性能降低。173）过热：加热温度比正常温度偏高，出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大，即晶粒变粗——使得钢的塑性、韧性、强度降低，同时变形加大，还可能导致热处理裂纹、使工件报废。4）过烧：加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象——使工件很脆，如果锻造一锻即裂，过烧的工件只能报废，无法挽救，因而是致命性的。181）真空加热：工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向加热缺陷的防止办法——但真空加热用的设备投资大，工艺成本较高。2）保护气氛加热：加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳、不增碳、不氧化的气氛下加热——但需要一套制取可控气氛的发生装置，由于成本较高，原材料来源不广泛限制了它的应用。193）盐浴加热：工件置于一熔化了的中性盐液中加热，盐液进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化——问题主要是粘在工件上的盐难以清洗洁净，清洗不干净会导致储存及应用过程易于长锈。20第二节钢在冷却时的转变一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程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。21（一）珠光体转变1.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物根据片层厚薄不同，又分为珠光体、索氏体和托氏体22（1）珠光体光镜下形貌电镜下形貌三维珠光体如同放在水中的包心菜形成温度为A1~650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示23（2）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表示电镜形貌光镜形貌24（3）托氏体电镜形貌光镜形貌形成温度为600~550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示25珠光体、索氏体、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26珠光体转变也是形核和长大的过程2.珠光体转变过程渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进铁素体形核两者相间形核并长大，形成一个珠光体团珠光体转变是扩散型转变28（二）贝氏体转变上贝氏体下贝氏体过冷奥氏体在550~230℃（Ms）间将转变为贝氏体组织，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）1.贝氏体的组织形态及性能29（1）上贝氏体光镜下电镜下形成温度为550~350℃在光镜下呈羽毛状在电镜下不连续棒状Fe3C分布于自晶界向晶内平行生长的铁素体条之间30（2）下贝氏体光镜下电镜下在电镜下细片状碳化物分布于铁素体针内，并与针长轴方向呈55~60º角形成温度为350℃~Ms在光镜下呈竹叶状31上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值下贝氏体强度、硬度较高，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能上贝氏体下贝氏体——是生产上常用的强化组织之一。贝氏体组织的透射电镜形貌32贝氏体转变也是形核和长大的过程发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的2.贝氏体转变过程33当转变温度较高（550~350℃）时条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长随铁素体条伸长和变宽，碳原子向条间奥氏体富集最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上34当转变温度较低（350~230℃）时铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出35（三）马氏体转变马氏体组织马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织马氏体转变是强化钢的重要途径之一1.马氏体的晶体结构碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示36马氏体具有体心四方晶格（a=b≠c）轴比c/a称为四方度C%越高，四方度越大，四方畸变越严重当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格37马氏体的形态分板条和针状两类光镜下电镜下2.马氏体的形态（1）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38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SEMTEM39（2）针状马氏体电镜下电镜下光镜下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400.45%C0.2%C1.2%C（3）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——主要取决于含碳量。4145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423.马氏体的性能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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43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444.马氏体转变的特点铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与的含碳量相同马氏体转变也是形核和长大的过程，其主要特点是：（1）无扩散性（2）共格切变性由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的，使切变部分的形状和体积发生变化引起相邻随之变形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象46K-S关系由于转变时新相和母相始终保持切变共格性因此马氏体转变后新相和母相之间存在一定的结晶学位向关系：｛110｝’//｛111｝；111’//11047（3）降温形成马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf表示只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止48（4）高速长大’（5）转变不完全残余奥氏体，用A’或’表示马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称49Ms、Mf与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）马氏体转变后，A’量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A’量才显著含碳量对马氏体转变温度的影响含碳量对残余奥氏体量的影响50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51二、过冷奥氏体转变图过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种52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又称为C