第三章-钢的热处理原理与工艺

陶静梅_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.-1-第三章钢的热处理原理与工艺引言：1.同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大，原因是不同热处理后的内部组织截然不同。2.热处理工艺or制度选择要根据材料的成分。3.热处理工艺中三大基本要素：加热、保温、冷却①加热：临界点A1以下加热，不分手组织变化；临界点A1以上加热，获得均匀的奥氏体组织。②保温：热处理的中间工序，既要保证工件烧透，又要防止脱碳氧化。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。③冷却：冷却是热处理最终&最重要工序。4.基本类型①普通热处理：退火、正火、淬火、回火；②表面热处理：感应加热表面淬火、火焰……、电接触……、渗碳、丹华、碳氮共渗；③其他热处理：可控气氛热处理、真空……、变形……。一、钢在加热时的组织转变奥氏体化：钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体的过程。1.奥氏体的组织结构●奥氏体的组织：由等轴状的多边形晶粒所组成，晶内常可出现相变孪晶。●晶体结构：FCC，碳溶于γ-Fe八面体间隙的中心。由于C原子半径大于八面体间隙，晶格畸变致使C在A中的最大溶解度仅为2.11%，同时C在A中存在C的浓度起伏。注：合金元素Mn、Si、Cr、Ni、Co是置换固溶体，C是间隙固溶体。●奥氏体的存在形式高温：钢中高温稳定相；室温：在钢中加入足够量的能扩大γ相区的元素，可使A在室温称为稳定相。●奥氏体的力学性能：硬度、屈服强度均不高；塑性好，度按照加工常要求在A稳定存在的高温区域进行。●奥氏体的物理性能：FCC为最密排的点阵结构，A比容最小；A导热性差，加热速度不宜过大，避免热应力过大引起工件变形；A线膨胀系数大；单相A具有耐腐蚀性；具有顺磁性；A中Fe原子自扩散激活能大。2.奥氏体的形成2.1形成条件加热or冷却时会有滞后（热滞/冷滞）现象，速度越快滞后越明显。加热的临界点角标c：Ac1、Ac3、Accm，冷却角标r：Ar1、Ar3、Arcm。陶静梅_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.-2-驱动力：新旧两项自由能之差。2.2形成机制奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体均匀化（1）奥氏体形核地点：F与Fe3C的交界面原因：①浓度起伏：界面两边的C浓度差最大；②结构起伏：界面上原子排列叫不规则；③能量起伏：界面上杂质及缺陷较多，且界面本已存在，此处形核只是将原来的变为新的。（2）奥氏体长大奥氏体不断向两侧扩展长大（铁、碳区域缩小），直至铁素体消失。片状珠光体受C在A中的扩散控制；粒状珠光体受C在F的扩散控制。（3）剩余渗碳体溶解Fe3C与A界面上的C浓度差大，且Fe3C本身晶体结构复杂，所以F转变速度高于Fe3C溶解速度，需要一段时间溶解。（4）奥氏体均匀化原Fe3C部位的C含量高，原F部位的C含量低。3.影响奥氏体形成速度的因素3.1加热温度的影响①加热温度越高，起始晶粒度越细。—→T↑，扩散↑，形核速度增量＞长大速度增量。②加热温度越高，残余碳化物数量越多。—→向F界面推动速度＞向Fe3C界面推动。3.2碳含量的影响①C↑，A形核速度↑。—→F与Fe3C的相界面面积↑，原子扩散系数↑。②C↑，A均匀时间↑。—→碳化物数量↑。3.3原始组织的影响①片状珠光体比粒状更易形成A。—→片状珠光体相界面大，Fe3C薄片状易溶解。②片间距↓，A形成速度↑。—→相界面↑，浓度梯度↑，扩散距离↓。3.4合金元素的影响Co、Ni：扩大C扩散速度，加快A形成；Cr、Mo、V：与C亲和力大，形成难溶化合物，降低C扩散速度，减慢A形成；Si、Al、Mn：不影响。由于合金元素扩散速度慢，所以加热温度高，保温时间更长。4.奥氏体晶粒长大及其控制4.1奥氏体晶粒度的概念A晶粒越细，钢热处理后强度↑，塑性↑，冲击韧性↑。晶粒度（N）：12Nn，n为放大100时视野中1平方英寸内的晶粒数；302Nn，n0为实际1平方毫米内的晶粒数；晶粒度一般分为八级。1~4级：粗晶粒度；5~8:级：细晶粒度；＞8级：超细晶粒度；＜1级：超粗晶粒度。4.2影响晶粒度长大的因素（1）加热温度：T↑，扩散↑，d↑；陶静梅_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.-3-（2）保温时间：t↑，d↑，影响程度不如温度；（3）加热速度：v↑，ΔT↑，形核率↑，起始d↓；（4）化学成分：①含C量的影响（几字形）：在一定C含量范围内，C↑，扩散↑，d↑；超过后，C以未溶碳化物形式存在，长大受第二相阻碍，d↓；②合金元素的影响：不改变A形成机制，但改变临界点位置，影响C扩散，形成碳化物or氧化物，影响A长大。强烈阻止A长大的元素：Al、V、Ti、Zr、Nb、Ta，钉扎晶界，d↓；中等程度………………：W、Mo、Cr；稍微……………………：Ni、Co、Cu、Si；促进……………………：P、Mn，d↑；（5）原始组织：主要影响起始晶粒度。原始组织越细，碳化物弥散度↑，A起始晶粒↓。4.3细化措施加热温度、保温时间、原始组织、合金元素、重结晶处理。重结晶：将固体金属及合金在加热or冷却通过相变点时，从一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程。（重结晶：有晶体结构转变，再结晶：无晶体结构转变。）二、钢的过冷奥氏体转变动力学图●冷却是刚热处理最关键的工序，决定钢的组织和性能。分为：等温冷却、连续冷却。等温冷却：将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下某一温度保温，进行等温转变；连续冷却：将奥氏体化的钢连续冷却到室温使其在不同温度下进行转变。●过冷奥氏体：A冷至临界温度以下，处于热力学不稳定状态。分解过程：晶格改组、C原子扩散再分配。转变类型：珠光体型转变（扩散型转变）、贝氏体…（半扩散…）、马氏体…（无扩散…）1.过冷奥氏体等温转变曲线1.1相关概念定义：过冷A向其他组织转变的转变量与等温保温时间的关系曲线，又称为TTT曲线（TimeTemperatureTransformation）orC曲线orIT曲线。Ms线：过冷A转变为马氏体的开始温度；Mf线：…………………………终了温度；孕育期：组织转变开始之前的等温时间。孕育期越长，则过冷A越稳定，“鼻尖”部分孕育期最短，过冷A稳定性最差。区域划分：珠光体型转变（鼻尖以上）、贝氏体……（鼻尖至Ms线）、马氏体……（Ms以下）1.2为何不同温度下过冷A稳定性？过冷度较小时，由于过冷A和P之间的自由能之差较小，过冷A比较稳定，孕育期很长，转变温度需要总时间也很长；温度下降，过冷度↑，新旧相之间的自由能差不断增大，过冷A的稳定性最低，孕育期最短，转变速度最快；继续降低温度，原子扩散能力起主导作用，温度↓，扩散越困难，过冷A的孕育期和转变时间逐渐增大。1.3影响C曲线位置和形状的因素（1）含碳量的影响●亚/过共析钢的C曲线正有先共析相析出线；●共析钢的过冷A最稳定，C曲线最靠右；陶静梅_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.-4-●亚：C↑，稳定性↑，曲线右移；●过：C↑，稳定性↓，曲线左移。（2）合金元素的影响●所有溶于A的合金元素均增加过冷A的稳定性，使C曲线右移。（除Co和W(Al)2.5%）；●强碳化物形成元素使C曲线形状发生变；●碳化物形成元素只有溶于A中才能增强稳定性，否则未溶碳化物，非自发形核促进转变，曲线左移。（3）温度与保温时间的影响A化时，T↑or保温t↑，C曲线右移。●原因：A晶粒越粗大，晶界越少，A成分趋于均匀，未溶碳化物数量↓，转变形核率↓，即过冷A稳定性↑。●注：对贝氏体转变影响不大。（4）塑性变形的影响①对珠光体转变的影响：塑变↑A晶粒↓，亚结构密度↑铁、碳原子扩散↑转变速度↑C曲线左移位错↑非自发形核率↑②对贝氏体转变的影响：高温减慢/右移，低温加速/左移2.过冷奥氏体连续冷却转变曲线实际生产中较多情况是连续冷却，因此对过冷A连续冷却转变曲线的研究更有意义。CCT曲线：ContinuousCoolingTransformation2.1测定方法：线膨胀法or金相——硬度法。2.2相关说明●冷却曲线：代表不同冷却速度；●冷去曲线与终了线相交处标注的数字：以该冷却速度冷至室温相应的组织所占体积百分数。●MS线右侧为斜线：P、B转变提高A中的含碳量，导致MS点下降。●冷却曲线终端的数值：以该速度冷却时获得的诗文组织的硬度（维氏HVor洛氏HRC）。●临界冷却速度：使过冷A不析出相应组织的最低冷却速度。表示方法：与相应组织转变开始先相切的冷却曲线对应的速度。意义：过冷A的转变过程和转变产物取决于冷却速度。●临界淬火速度vc：钢冷却速度大于某一临界值，使冷却过程中不发生分解获得完全马氏体组织。表示方法：大于上述各组织临界冷却速度的最小值。简化：C曲线鼻尖相切的冷却速度为vc。意义：vc是得到完全妈事的最低冷却额速度，代表钢接受淬火的能力，决定淬透层厚度。3.过冷奥氏体连续冷却转变曲线与等温转变曲线的比较（1）CCT曲线坐在C曲线右下方。—→A连续冷却转变温度低，孕育期长。（2）共析钢的CCT图没有中温的贝氏体转变区。（3）CCT曲线较难测定，一般用过冷A的C曲线分析CCT的过程和产物。三、珠光体转变与钢的退火和正火1.珠光体的组织形态和力学性能珠光体：F与Fe3C组成的双向组织，光学显微镜下呈珍珠般光泽，由过冷A在A1至550℃形成。陶静梅_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.-5-分类：片状珠光体、粒状珠光体。1.1片状珠光体①基本概念●组成：相间的F和Fe3C片。●珠光体团：若干大致平行的F与Fe3C片组成的一个珠光体领域。●片间距S0：珠光体中F与Fe3C片厚之和。片厚取决于过冷度：ΔT↑，转变温度↓，C原子扩散能↓，S0↓；ΔT↑，提供自由能↑，增加界面能↑，S0↓。②片间距与力学性能的关系●珠光体团直径&片间距↓，强度、硬度以及塑性↑。原因：（1）片间距↑，每个铁素体中位错塞积数↑，渗碳体是脆性相易导致整体脆断，强度↓；（2）片间距↓，塞积位错可切过Fe3C薄片引起滑移产生塑变，使薄片产生弯曲，塑性↑。●片间距↑，冲击韧性先↓后↑。原因：S0↓，强度↑，冲击韧性↓；渗碳体片↓，弯曲变形塑性↑，冲击韧性↑。两矛盾综合结果。●提高珠光体的机械性能，采用等温处理以获得片层厚度较为均匀的珠光体。1.2粒/球状珠光体①基本概念●定义：在铁素体集体中分布着颗粒状渗碳体的组织。●获得方法：球化退火。●分类：粗粒状珠光体、粒状珠光体、细粒状珠光体、点状珠光体。②与片状珠光体相比●粒状强度、硬度↓：界面少；●粒状塑性↑：铁素体连续分布，渗碳体呈颗粒状分散在F基体上，对位错运动的阻碍小。1.3特殊形态的珠光体加入合金元素时，碳化物形成元素的原子M可能取代渗碳体中部分铁原子，形成(Fe,M)3C合金渗碳体，即特殊碳化物。2.珠光体转变机制2.1珠光体转变的热力学条件●驱动力：P与A的自由能差。●所需过冷度小的原因：（1）T高，原子能长距离扩散；（2）晶界形核，形核所需驱动力小。●自由能曲线：（1）A1温度，三相有一条公切线，即自由能差为零，无相变驱动力。（2）A1温度以下有三条公切线，代表三组混合相自由能，F与Fe3C最低，A可以转变成双向组织。2.2片状珠光的形成机制两个过程：点阵重构、碳的扩散形核位置：A晶界处、晶体缺陷密集区域、A晶粒内（C浓度不均匀，有未溶渗碳体）领先相：随相变温度、成分差异而不同。—→共析：渗碳体；亚共：铁素体；过共：渗碳体。具体转变过程（受C扩散控制）：A境界上形成一小片Fe3C晶核—→Fe3C长大从周围吸取C原子，出现贫碳A区—→贫碳A区中形成α晶核，在Fe3C两侧的A晶界—→纵深发展，长成片状—→α外侧出现富陶静梅_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.-6-碳A区—→如此往复，协调合作，相互激励2.3粒状珠光体形成机制A晶界形核—→片状A晶内形核—→粒状形成条件：保证Fe3C的核能在A晶内形成—→（工艺）普通球化退火、等温球化退火特定的A化工艺：A化处理温度很低，保温时间极短；特定的冷却