金属材料概论第六章-1

学习内容：第一节概述第二节钢的加热组织转变第三节钢的冷却组织转变第四节钢的整体热处理工艺学习内容：一、热处理的概念和作用二、热处理的分类三、钢的相变点（临界温度）一、热处理的概念和作用热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一端时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。时间温度加热保温冷却目的：改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能①通过适当的热处理可显著提高钢的机械性能，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，组织均匀③使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀特殊物理化学性能二、热处理的分类1、整体热处理：指对热处理件进行穿透性加热，以改善整体的组织和性能的处理工艺。2、表面热处理：指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。（一）按照国家标准分为：退火、正火、淬火、淬火＋回火、调质表面淬火＋回火、物理气相沉积、化学气相沉积3、化学热处理：将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺:主要有渗碳、渗氮、碳氮共渗（一）按照国家标准分为：（二）根据热处理工艺在生产工艺流程中的位置和作用不同可分为：1、最终热处理：指在生产工艺流程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理。2、预先热处理：指为达到工件最终热处理的要求而获得需要的预备组织或改善工艺性能所进行的预先热处理。中间热处理举例：某钢制零件的生产工艺路线：备料铸造或锻造（铸件或锻件）预备热处理退火或正火切削加工最终热处理精机械加工装配机械产品三、钢的相变点（临界温度）钢在加热或冷却时可发生类似纯铁的同素异构转变发生固态相变钢可以进行热处理金属或合金在加热或冷却过程中发生相变的温度——临界点PSK线(A1)共析钢发生P与A之间的相互转变GS线(A3)亚共析钢发生先共析F完全溶入A或先共析F开始从A中析出的转变ES线(Acm)过共析钢发生先共析渗碳体完全溶入A或开始从A中析出转变A1、A3、Acm称为钢在缓慢加热和冷却过程中组织转变的相变点平衡条件钢在热处理时出现滞后现象——实际转变温度偏离平衡临界温度过热度（加热时）和过冷度（冷却时）温度差Ac1、Ac3、Accm：实际加热条件下的相变点Ar1、Ar3、Arcm：实际冷却条件下的相变点A1、A3、Acm：平衡条件下的相变点加热和冷却时碳钢的相变点在Fe-Fe3C相图上的位置奥氏体化：钢进行热处理时首先要加热，使其全部或部分转变为奥氏体组织，并使成分均匀化。这种转变称为“奥氏体”化。加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀化程度及晶粒大小直接影响到钢冷却后的组织和性能!γ727一、奥氏体化过程及影响因素转变反应式：ACFeFCCCAc面心立方正交晶格体心立方%77.0%69.6%0218.013晶格改组和Fe、C原子的扩散过程遵循形核、长大规律（一）奥氏体的形成共析钢中奥氏体的形成四个基本过程奥氏体的形核奥氏体长大剩余奥氏体溶解奥氏体成分均匀化1·奥氏体的形核a奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体的相界面上形成。(相界上原子排列紊乱,缺陷较多,能量较高,碳含量介于F与Fe3C之间)A奥氏体晶粒长大AA①渗碳体的溶解②碳在A和F中的扩散③F继续向A转变进行∵CA-Fe3CCA-FA中出现碳浓度梯度→C在A总不断由高浓度向低浓度扩散2·奥氏体的长大bFe3CFe3CF碳浓度珠光体片间距ACA-Fe3CCA-F破坏平衡→促使F向A转变及渗碳体的溶解破坏平衡恢复平衡F全部转变为A奥氏体长大Fe3CFe3CF碳浓度珠光体片间距ACA-Fe3CCA-FA3·剩余渗碳体的溶解c∵F向A转变的速度渗碳体向A的溶解←渗碳体的结构和含碳量与A差别很大∴在F全部消失后仍有部分渗碳体尚未溶解，需要采用延长保温时间使残余渗碳体不断溶入A，直至全部消失为止。4·奥氏体成分均匀化渗碳体完全溶解后,A中碳浓度的分布不均匀。原先渗碳体的地方碳浓度较高，铁素体的地方碳浓度较低;只有继续延长保温时间，通过碳原子的扩散,奥氏体成分均匀化亚共析钢室温组织：P+FT加热Ac1→P转变为A；提高加热温度和延长保温时间→过剩F转变为A;T加热Ac3→F完全消失，生成细小的A颗粒（二）珠光体向奥氏体转变的影响因素1·加热温度随加热温度↑→碳原子扩散速度↑，奥氏体中碳浓度梯度大→奥氏体化速度加快加热速度↑，过热度↑，发生转变的温度越高，转变温度范围越宽，奥氏体完成转变所需时间越短2·加热速度原始珠光体中的渗碳体为层片状比粒状更容易形成奥氏体，因为它们的相界面积较大，形成奥氏体晶核的几率高。3·原始组织钢中的碳含量↑，奥氏体形成速度越快→C%↑，铁素体和渗碳体的相界面增加，使形核率↑。4·钢的成分二、奥氏体晶粒大小及其控制钢加热时,奥氏体晶粒的大小直接影响到热处理后钢的性能→奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度、塑性和韧性均较高。（一）奥氏体晶粒度衡量晶粒大小的尺度描述方法：以单位面积内晶粒的数目或以每个晶粒的平均面积与平均直径来描述奥氏体晶粒大小。实际生产中：采用金相组织放大100倍与八级晶粒度标准金相图片相比较的方法测量确定晶粒度级别NN↑,单位面积内晶粒数越↑，晶粒尺寸越小八级奥氏体晶粒度标准粗晶粒细晶粒（二）奥氏体晶粒的大小的控制奥氏体实际晶粒细小=冷却后转变产物的组织细小强度、塑性和韧性↑冷脆转变温度↓需获得细小而均匀的奥氏体晶粒保证热处理产物质量（二）奥氏体晶粒的大小的控制加热温度越↑、保温时间越↑，奥氏体晶粒长得越↑；奥氏体长大过程1·加热温度和保温时间原子在晶界附近的扩散过程2·加热速度加热速度越↑过热度越↑，奥氏体的实际形成温度越↑，形核率长大速度获得细小的起始晶粒生产上采用短时快速加热工艺是获得超细化晶粒的重要手段之一3·钢的化学成分①一定含碳量范围内，C%↑，晶粒长大倾向↑C在奥氏体中扩散速度↑当含碳量超过一定量后→C以未溶碳化物的形式存在→作为第二相阻碍晶粒长大→减少奥氏体晶粒长大倾向②Al：钢中的Al能形成难溶的AlN质点在晶界上弥散析出→阻碍加热时奥氏体晶界的迁移，细化晶粒（Al%:0.02%~0.04%）③Ti,Zr,V,Nb等：在钢中能形成高熔点的弥散碳化物和氮化物→阻碍晶粒长大3·钢的化学成分