碳钢的热处理

一、热处理的作用1、什么是热处理？零件的加工过程为：下料→锻造（或铸造）→热处理→成形加工→热处理→精加工→包装。第一道热处理是为了便于后续机加工和为后续热处理做组织准备，满足的是零件加工的工艺性能；第二道热处理使零件具有高的机械性能（硬度、韧性、耐磨性等），赋予零件最终的使用性能。概述热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却，以获得需要的组织结构与性能的一种热加工工艺。概述概述因此，加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。热处理的过程：任何热处理都要经过加热、保温和冷却三个过程，它可以用热处理工艺曲线表示。热处理的目的：主要是改变钢的组织结构，使其具备工程技术上所需要的性能，包括工艺性能与使用性能。正确的热处理工艺还可以消除钢材经铸造、锻造、焊接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，使组织和性能更加均匀。概述热处理的种类按工艺流程可分为：预备热处理和最终热处理。预备热处理：为随后冷拔、冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理。一般预备热处理可获得工程上所要求的工艺性能。最终热处理：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。通过对工件进行最终热处理可显著提高其机械性能，延长零件的使用寿命，从而充分挖掘材料的潜力，节约材料和能源。概述概述例如:用高速钢（W18Cr4V）制造钻头或车刀，其工艺流程如下：锻造→球化退火→机加工→淬火、回火→精加工（磨）。其中球化退火可改善锻件毛坯组织，降低硬度（达到HB207-255，相当于HRC17-25)，这样才能进行切削加工，达到工艺性能要求。—预备热处理其中淬火+回火，它可提高钻头的硬度（达到HRC60-65）、耐磨性和红硬性，可以切削加工其它金属，达到工程所要求的使用性能。—最终热处理概述二、热处理与相图钢为什么可进行热处理？热处理后为什么能获得前面所述的效果？是不是所有金属材料都能进行热处理呢？这些问题与合金相图有关。原则上只有在加热或冷却时有固态相变发生的合金或溶解度发生显著变化的合金才能进行热处理。在固态下不发生相变的纯金属、某些单相合金等不能用热处理手段强化，只能采用加工硬化的方法。概述①位于F点以左的合金：例如：某二元合金系相图如右图在固态加热或冷却过程中均无相变发生。-不可热处理。②成分在FF′之间的合金：α相自t1温度缓慢冷至DF时，β相又开始析出，继续冷却B在α相中的溶解度又会发生显著变化，这一过程为固态相变的平衡脱溶沉淀。如果合金从t1温度时的α相状态快速冷却，会得到过饱和到α′固溶体，这一过程为固态相变的不平衡脱溶沉淀（固溶处理）。-可热处理概述③成分位于D点以右的合金：α固溶体在温度变化时溶解度发生显著变化。-可热处理④如果相图α相中的溶解度曲线DF变成垂直线DF′：溶解度不随温度变化，所有合金在固态下均无相变发生。-所有成分的合金不可热处理因为钢在加热或冷却过程中越过临界温度就要发生固态相变，所以能进行热处理。如能根据其变化规律，采取特定的加热和冷却方法，控制相变过程，便可获得所需的组织、结构和性能。概述Fe-Fe3C相图目的：通过加热使原始组织转变为奥氏体；将钢加热至Ac3或Ac1以上，获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。钢热处理加热的临界温度为727℃。钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm有一定的偏离。通常加热用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢的临界点：概述•对于加热：实际加热条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；•对于冷却：实际冷却条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。•这个温差叫滞后度：加热转变→过热度冷却转变→过冷度过热度或过冷度随加热或冷却速度的增大而增大。实际相变温度与理论转变温度之间的关系平衡临界温度：A1、A3、Acm实际加热临界温度：Ac1、Ac3、Accm实际冷却临界温度：Ar1、Ar3、Arcm概述奥氏体的形成过程（奥氏体的形成机理）以共析钢为例说明奥氏体的形成过程,可用下式表示：α+Fe3C加热1CAγωc=0.0218%ωc=6.69%ωc=0.77%…化学成分变化体心立方复杂斜方面心立方…晶体结构变化奥氏体的形成要靠①碳的扩散重新分布和②铁素体向奥氏体的晶格重组来完成。奥氏体的形成也是通过形核和长大方式进行的，符合相变的普遍规律。共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成：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、奥氏体的形核奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成（特别是在与晶界相连的α/Fe3C界面上）。因为在相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，处于能量较高的状态，容易获的奥氏体形成所需的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。珠光体群边界也可能成为奥氏体的形核部位。（一）奥氏体的形成1.奥氏体晶核的形成奥氏体的晶核易于在渗碳体相界面上形成。这是因为在两相的相界上为形核提供了良好的条件。奥氏体晶粒长大是通过：①铁素体与奥氏体之间的点阵重构②渗碳体的溶解③碳在奥氏体中的扩散等过程进行的铁素体全部转变为奥氏体时，可以认为，奥氏体长大即完成2.奥氏体晶核的长大A形核后,由于A与Fe3C形界处的含C量不同。将引起A中C的扩散。通过Fe、C原子的扩散和Fe原子的晶格改组,A向F和Fe3C两个方向长大。3、剩余渗碳体溶解奥氏体的长大阶段随着铁素体全部转变为奥氏体即结束，此时仍有部分渗碳体尚未溶解，Fe3C为γ形成的遗留相。随着保温时间延长或继续升温，剩余在奥氏体中的渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使γ的碳浓度趋于共析成分。一旦渗碳体全部消失，这一阶段便告结束。3.残余渗碳体溶解在奥氏体形成过程中,铁素体比渗碳体先消失,因此奥氏体形成之后,还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长,继续不断地溶入奥氏体,直至全部消失。4、奥氏体成分均匀化剩余渗碳体全部溶解时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。继续延长保温时间或继续升温，通过碳原子的扩散，奥氏体碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀单相的奥氏体。至此，奥氏体形成过程全部完成。4.奥氏体均匀化渗碳体完全溶解后奥氏体中碳的浓度分布并不均匀,原先是渗碳体地方碳浓度高,原先铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温,通过碳的扩散,使奥氏体成分均匀化。（二）影响奥氏体转变的因素1.加热温度和加热速度的影响提高加热温度，将加速A的形成。随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高(AC1越高),形成所需的时间缩短。2.化学成分的影响随着钢中含碳量增加,铁素体核渗碳体相界面总量增多,有利于奥氏体的形成。3.原始组织的影响由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成,所以原始组织越细,相界面越多,形成奥氏体晶核的＂基地＂越多,奥氏体转变就越快。奥氏体的形成过程（三）奥氏体晶粒大小及其控制1.奥氏体晶粒大小一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8级，1～4级为粗晶粒度，5～8级为细晶粒度。五、影响奥氏体形成速度的因素1、加热温度的影响加热温度是影响奥氏体形成速度的主要因素。加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越短。2、原始组织的影响钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。3、化学成分的影响（1）含碳量的影响。钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。（2）合金元素的影响。首先，Me改变了碳在奥氏体中的扩散速度→改变γ的形成速度。其次，Me改变了钢的临界温度→改变γ转变时的ΔT→改变驱动力ΔGv→改变γ的形成速度。第三，合金钢γ均匀化过程除C的均匀化外，还包括Me的均匀化→∵Me的扩散速度慢→∴Me减慢了γ的形成速度。结论：合金钢奥氏体化要比碳钢缓慢得多。3.奥氏体晶粒大小的控制（1）合理选择加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将之间长大。温度愈高,晶粒长大于愈明显。在一定温度下,保温时间愈长,奥氏体晶粒也越粗大。（2）加入合金元素奥氏体中的含碳量增高时,晶粒长大的倾向增多。若碳以未溶的碳化物形式存在,则它有阻碍晶粒长大的作用。（3）合理选择原始组织钢在冷却时的组织转变冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。钢在冷却时的组织转变当温度在A1以上时,奥氏体是稳定的。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变。连续冷却转变——使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变等温冷却转变——使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。§5.2钢在冷却时的组织转变碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。共析钢过冷A的等温转变曲线图（1）高温转变（珠光体型转变）在A1～550℃之间,过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织,此温区称珠光体转变区。珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物,渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)。奥氏体向珠光体的转变为扩散型的形核、长大过程,是通过碳、铁的扩散和晶体结构的重构来实现的。2.过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能A1~650℃片层珠光体25HRC650℃~600℃细珠光体（索氏体S）25HRC~30HRC600℃~550℃极细珠光体（托氏体T）35HRC~40HRC(a)珠光体3800倍(b)索氏体8000倍(c)屈氏体8000倍(2)中温转变在550℃～Ms之间,过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织,此温区称贝氏体转变区。贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变，铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力。过冷奥氏体在550℃～350℃之间转变形成的产物称上贝氏体（上B)。上B呈羽毛状,小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。40HRC~45HRC(a)光学显微照片500×(b)电子显微照片5000×上贝氏体形态在350℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物(Fe2.4C)沿一定方向分布分布在F片之上，50HRC~55HRC。光学显微照片500倍(b)电子显微照片12000倍下贝氏体形态上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。这种下贝氏体应用广泛。共析钢不同转变温度转变产物的硬度和冲击韧度二、过冷奥氏体的连续冷却转变1.共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织(2)马氏体转变特点过冷A转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在Ms～Mf之间,该温区称马氏体转变区。①过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面,集体地(不改变相互位置关系)作一定距离的移动(不超过一个原子间距)，使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度c/a。马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使α-Fe的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。②马氏体的形成速度很快奥氏