第二讲 钢的相变与金相

CaterpillarConfidential:GreenCMT钢材及其热处理培训（二）钢的相变与金相李延明（PakLi）CaterpillarConfidential:Green自我介绍李延明（PakLi)天津，已婚。一个女儿。14年的国营公司理化实验室工作经历10年卡特彼勒工作经历1亚实履带实验室工程师，主管2卡特高级材料技术部研发工程师，从事失效分析，模拟仿真，热处理支持3亚实履带高级工程师，热处理实验室技术支持。4卡特彼勒全球采购，供应商开发工程师，热处理供应商审核，5卡特中国材料技术中心第一个员工。金属工程主管。CaterpillarConfidential:Green目标问题：•什么是钢铁中的相以及相变•钢材的奥氏体化以及各种显微组织的形成•钢材的基本热处理•显微组织形态及性能CaterpillarConfidential:Green相与组织相相相相•合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。•相的分类：固溶体和金属化合物（渗碳体Fe3C）组织组织组织组织由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、多相合金。金属中的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织显微组织显微组织显微组织。CaterpillarConfidential:Green固溶体无论置换固溶无论置换固溶无论置换固溶无论置换固溶体体体体，，，，还是间隙还是间隙还是间隙还是间隙固溶体固溶体固溶体固溶体，，，，由于由于由于由于溶质原子的存溶质原子的存溶质原子的存溶质原子的存在都会使晶格在都会使晶格在都会使晶格在都会使晶格发生畸变发生畸变发生畸变发生畸变，，，，使使使使其性能不同于其性能不同于其性能不同于其性能不同于原纯金属原纯金属原纯金属原纯金属CaterpillarConfidential:GreenFe-C二元相图二元相图二元相图二元相图δδδδ-Feγγγγ-FeAustenite奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体αααα-FeFerrite铁素体铁素体铁素体铁素体Fe3CCementite渗碳体渗碳体渗碳体渗碳体α-Feγ-Feδ-FeBCC912℃℃℃℃FCC1394℃℃℃℃BCC纯铁的同素同素同素同素异异异异晶晶晶晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。A1线是共析转变开始线A3线是合金冷却时铁素体从奥氏体中开始析出线Acm线是碳在奥氏体中的固溶线CaterpillarConfidential:Green典型晶格•FCC•面心立方•BCC•体心立方•Orthorhombic•structure•正斜方晶结构MartensiteBCT体心正方CaterpillarConfidential:Green等温转变曲线（TTT）•1080钢•等温转变曲线•C0.79wt%•Mn0.76wt%•900°C奥氏体化•奥氏体晶粒度6级CaterpillarConfidential:Green钢材的四种基本热处理•热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。•加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。•另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。•冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。•金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。•1.退火：将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺；•2.正火：将工件加热至Ac3或Accm以上30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火；•3.淬火：将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺；•4.回火：将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。CaterpillarConfidential:Green退火（Annealing）•退火和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。•目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。•退火工艺随目的之不同而有多种，如重结晶退火（完全或不完全退火）、等温退火、均匀化退火、球化退火、去除应力退火、再结晶退火，以及稳定化退火、磁场退火等等。•CaterpillarConfidential:Green•完全退火：将工件加热到Ac3+（30～50℃），保温后缓冷的退火工艺，完全退火主要用于亚共析钢，使中碳以上的钢软化以便于切削加工，并消除内应力。•等温退火：将亚共析钢加热到Ac3+（30～50℃），将共析钢、过共析钢加热Ac1+（30～50℃），保温后快冷到Ar1以下的某一温度，并在此温度下停留，待相变完成后出炉空冷的退火工艺。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。•球化退火：使高碳钢中渗碳体球状化的退火工艺，将工件加热到Ac1+（30～50℃）充分保温后缓冷，或者加热后冷却到略低于Ar1的温度下保温，从而使珠光体中的渗碳体球状化的退火工艺。球化退火主要用于共析钢和过共析钢，目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并为后续热处理作组织准备。球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称为球状珠光体（如下图所示）。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，在球化退火前先进行正火，以消除网状渗碳体。CaterpillarConfidential:Green正火（Normalizing）•正火是将亚共析钢加热到Ac3+30～50℃，过共析钢加热到Accm+30～50℃，保温后空冷的热处理工艺。•由于正火比退火冷却速度大，因而正火组织比退火细，强度和硬度也比退火组织高，当碳钢的含碳量小于0.6%，正火后组织为铁素体加索氏体，当含碳量大于0.6%时，正火后组织为索氏体。•对于低、中碳钢的亚共析钢而言，正火的目的与退火的目的相同，即调整硬度，便于切削加工；细化晶粒，为淬火作组织准备；消除残余内应力。对于过共析钢而言，正火是为了消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。对于普通结构件而言，正火可增加珠光体量并细化晶粒，提高强度、硬度和韧性，作为最终热处理。•从改善切削加工性能的角度出发，低碳钢宜采用正火；中碳钢既可采用退火，也可采用正火；过共析钢在消除网状渗碳体后采用球化退火。CaterpillarConfidential:Green典型金相组织及其碳含量与硬度关系热处理前钢中组织热处理前钢中组织热处理前钢中组织热处理前钢中组织：：：：•铁素体（ferrite）•渗碳体(cementite)•珠光体(pearlite)热处理中与后钢中组织热处理中与后钢中组织热处理中与后钢中组织热处理中与后钢中组织：•奥氏体(austenite)•贝氏体(bainite)•马氏体(martensite)•回火马氏体(temperedmartensite)CaterpillarConfidential:Green（1）铁素体CaterpillarConfidential:Green•1045钢炉中退火1020钢焊接热影响区•块状铁素体针状铁素体CaterpillarConfidential:Green（2）魏氏组织•1030钢钢钢钢•从锻造温度从锻造温度从锻造温度从锻造温度空冷空冷空冷空冷•金相组织金相组织金相组织金相组织：：：：•块状体素体块状体素体块状体素体块状体素体•魏氏组织魏氏组织魏氏组织魏氏组织•针状体素体针状体素体针状体素体针状体素体CaterpillarConfidential:Green•1095钢钢钢钢•1050°C奥氏体化奥氏体化奥氏体化奥氏体化•740°C保温保温保温保温1.3小时小时小时小时•水中淬火水中淬火水中淬火水中淬火•金相组织金相组织金相组织金相组织：：：：晶界分布的渗碳体晶界分布的渗碳体晶界分布的渗碳体晶界分布的渗碳体珠光体块珠光体块珠光体块珠光体块马氏体马氏体马氏体马氏体•渗碳体渗碳体渗碳体渗碳体(3)先共析渗碳体CaterpillarConfidential:Green(4)珠光体•1095钢钢钢钢•955°C奥氏体化奥氏体化奥氏体化奥氏体化•炉中冷却炉中冷却炉中冷却炉中冷却•金相组织金相组织金相组织金相组织：：：：珠光体珠光体珠光体珠光体珠光体珠光体珠光体珠光体CaterpillarConfidential:Green球状珠光体CaterpillarConfidential:Green(5)贝氏体CaterpillarConfidential:Green上贝氏体•1095钢钢钢钢•950°C奥氏体化奥氏体化奥氏体化奥氏体化，，，，保温保温保温保温1小时小时小时小时•400°C等温淬火等温淬火等温淬火等温淬火，，，，保保保保温温温温20s•水中淬火水中淬火水中淬火水中淬火•金相组织金相组织金相组织金相组织：：：：上贝氏体上贝氏体上贝氏体上贝氏体CaterpillarConfidential:Green下贝氏体•1095钢钢钢钢•950°C奥氏体化奥氏体化奥氏体化奥氏体化，，，，保温保温保温保温1小时小时小时小时•270°C等温淬火等温淬火等温淬火等温淬火，，，，保温保温保温保温10分钟分钟分钟分钟•水中淬火水中淬火水中淬火水中淬火•金相组织金相组织金相组织金相组织：：：：下贝氏体下贝氏体下贝氏体下贝氏体CaterpillarConfidential:Green（6）马氏体•15B40钢钢钢钢•端淬试验端淬试验端淬试验端淬试验J1位置位置位置位置•金相组织金相组织金相组织金相组织：：：：马氏体马氏体马氏体马氏体马氏体马氏体马氏体马氏体CaterpillarConfidential:Green（7）马氏体的回火组织--4130钢--880°C奥氏体化，120分钟--120°C回火，120分钟--金相组织：回火马氏体英文中，并不区分马氏体的回火组织名称，使用统一的名称：TemperedMartensiteCaterpillarConfidential:GreenCaterpillarConfidential:Green残余奥氏体•4144钢钢钢钢•渗碳渗碳渗碳渗碳+淬火淬火淬火淬火•图中所示为齿轮图中所示为齿轮图中所示为齿轮图中所示为齿轮齿尖处齿尖处齿尖处齿尖处•碳含量过高导致碳含量过高导致碳含量过高导致碳含量过高导致过多的残余奥氏过多的残余奥氏过多的残余奥氏过多的残余奥氏体体体体CaterpillarConfidential:Green