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第四章热处理的基本知识改善和提高合金性能的方法虽然很多,但主要是通过调整化学成分、控制冶金质量、冷热加工变形和热处理这四条途径实现的。热处理可以消除上一工序所产生的缺陷并为下一工序创造条件。更重要的是通过热处理的加热、冷却可使组织结构发生变化,发挥合金元素的固溶作用,进而提高合金的性能。热处理可分为淬火、正火、退火和回火等工艺。3.1铁碳平衡相图及其简介•状态图是状态图的一部分,实用的合金钢和铸铁以及以钢为基本成分的合金钢都以这部分状态图为其分析基础。•纯Fe在凝固温度以下有同素异构转变:•1538℃1394℃912℃•Lδ-Feγ-Feα-Fe•其中和为体心立方结构,为面心立方结构。CFeFe3CFeCFeFeFeFe钢中共有五个相:(1)1536℃以上为钢水液相(L);(2)1392℃至熔点是体心立方的δ-Fe;对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响,故不作为铁碳合金的基本相。(3)奥氏体(简称γ或A):奥氏体是727℃以上的平衡相;也称高温相.碳溶于面心立方α-Fe的间隙固溶体,在1148℃时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%C,随着温度降低,碳在γ—Fe中的固溶度下降,在727℃时是0.77%。奥氏体硬度低、塑性高;•(4)铁素体(α或F):碳溶于体心立方α-Fe的间隙固溶体。纯铁素体的碳含量低(最大为0.02),而在室温时固溶度几乎为零.所以强度和硬度不高,但塑性和韧性比较好。铁素体是9l2℃以下的平衡相,也称作常温相。•(5)渗碳体[C]:钢中的Fe3C相,渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。它的晶体结构复杂属于复杂八面体结构,属于正交系,分子式为Fe3C,含碳量6.69%,它硬度很高,塑性极差,是钢中主要强化相。•从液相析出的Fe3C称为一次渗碳体[C1];从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体[C2];从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体[简称C3]。1.特性点•纯铁的熔点“A”为1538℃;•一次渗碳体的熔点“D”为1227℃,含6.69%C;•铸铁共晶点“C”为1148℃,含碳量4.3%;•“E”点(1148℃)是碳在奥氏体中的最大溶度为2.11%C,也是钢与铁的分界线,低于2.11%C者为钢,高者为铸铁;•“P”点是碳在铁素体中的最大溶解度,含量为0.021C;“S”为共析点,参数为727℃,0.77%C。•“Q”为碳在室温下铁素体中的最大溶解度•“G”为α-Fe和γ-Fe的转变点(9120C)2.特性线1.ABCD线为液相线;2.AHJECF线为固相线;3.ES线是碳在奥氏体中的溶解度线,当碳含量超过此线时,多余的碳以渗碳体形式从奥氏体中析出,二次渗碳体;4.GS线是冷却时,奥氏体转变为铁素体的开始线(Aγ3),同时也是加热时(AC3Aγ3)铁素体转变为奥氏体的终了线;5.GP线是冷却时,奥氏体转变为铁素体的终止线6.PQ线是碳在铁素体中溶解度线,当超过此线时,Fe3C从铁素体中析出;7.水平线HJB线是包晶线,LB+δHγJ8.水平线ECF线是共晶线:(形成莱奥氏体)LcγE+Fe3C9.水平线PSK线是共析线。γSαP+Fe3C共析混合物(αP+Fe3C)统称为珠光体3.典型合金结晶过程及室温组织钢和铸铁按照组织的不同,习惯将钢和铸铁分为共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁等六种典型合金。(一)共析钢①称为共析钢,其含碳量为0.77%。当温度在l点以上时,合金为液相;温度降至1点时,开始从液相中析出奥氏体,温度降至l一2点之间时,从浓相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不断减少,固相奥氏体不断增加,当温度降至2点时,合金全部结晶成奥氏体,温度降至2—3点之间时,合金为单相奥氏体,奥氏体组织不变。温度降至3点,即共析点3时,含碳量0.77%的奥氏体在727℃温度下发生共析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02%的铁素体F和渗碳体Fe3C的共析组织,即珠光体P。共析钢组织转变示意图杠杠定律设Cx成分的合金总质量量为1,t℃时液相L的质量为wl,固相α的质量为wα,则:wl=1一wα即:Wl+Wα=1WlCl+WαCα=1CxacabCCCCWLLXacbcWWLα1abbcWWLWLWα(二)亚共析钢•含碳量低于0.77%的钢均称为亚共析钢。亚共析钢组织转变示意图(三)过共析钢•含碳量在0.77-2.11%均统称为过共析钢。过共析钢组织转变示意图(四)共晶白口铁•含碳量大于2.11%的含碳合金,称为铸铁或生铁。按照铁碳相图结晶规律得到平衡组织的铸铁,称为白口铁,因其断口为亮白色而得名。•合金④称为共晶白口铁,含碳量为4.3%,莱氏体.共晶白口铁组织转变示意图(五)亚共晶白口铁(六)过共晶白口铁4、含碳量对铁碳合金组织和机械性能的影响★含碳量小于0.02%的铁碳合金称为工业纯铁,它的机械性能与铁素体基本相同,有良好的塑性和韧性,较低的强度与硬度。★当含碳量为0.77%时,组织为珠光体;在亚共析钢中,组织铁素体+珠光体;而在过共析钢中,组织则为珠光体+渗碳体。含碳量增加后,碳钢的强度和硬度升高,而塑性和韧性则下降。当含碳量超过了0.9%后,由于游离状态的二次渗碳体自晶界析出,这些硬而脆的网状渗碳体,降低了晶界之间的结合力,反而使碳钢的强度逐渐下降。当含碳量大于1.4%后,在工程上已很少应用。3.2铁-Fe3C平衡图的应用1.合理选材压力容器、锅炉钢选碳含量小于0.25%的塑性、韧性好的碳钢;重要的地脚螺栓、轴、齿轮等需要强度、韧性都较好的碳含量0.3~0.5%的钢;类弹簧需要含碳0.5%~0.75%的钢;而工具、模具、轴承类则需要0.8~1.3%的钢2.在热处理方面的应用热处理的淬火、常化和退火等工艺选择主要由铁碳相图确定。2.在铸造、锻压轧制方面的应用3.碳钢在平衡状态下的组织转变过程F(铁素体)=珠光体含量P=100%-74%=26%%74%1000218.077.020.077.0•4.铁碳合金的成分—组织—性能的关系碳钢工程上使用的碳钢一般是指含碳量不超过1.4%,且含有锰、硅、疏、磷等杂质的铁碳合金。碳钢的分类、编号和用途1.分类:★按碳含量分:a)低碳钢:含碳量≤0.25%;b)中碳钢:含碳量在0.25%——0.6%之间;c)高碳钢:含碳量大于0.6%;★按钢的质量分为:a)碳素结构钢:用于制造工程构件(铁塔、锅炉支架、厂房钢结构、起重设备和工程机械结构.水冷壁管、风管、输粉管道)及机械零件(轴、齿轮、螺栓、螺母等)。一般为低、中碳钢。b)碳素工具钢;用于制造各种工具、刀具、摸具、轴承等。一般属于高碳钢。2)碳钢的编号及用途碳素结构钢:★甲类钢(A类钢):这类钢按机械性能供应,不保证化学成分。编号方法分为7级;甲1、甲2、甲3、…甲7(或A1、A2、A3……A7);钢号数字越大,强度越高,塑性越低。甲类钢常用作普通螺栓、螺母、钢板、钢管等。★乙类钢(B类钢);这类钢按化学成分供应、不保证机械性能。编号方法分为7级;乙1、乙2、乙3.…乙7,(或B1、B2、B3、……B7)。编号数字越大,碳含量越高。★特类钢(C类钢):供应时既保证机械性能又保证化学成分。编号方法分为4级,特2、特3、特4、特5,(或C2、C3、C4、C5)。优质碳素结构钢★正常含锰量的优质碳素结构钢:含锰量≤0.8%;编号用两位数字表示,数字表示含碳量的万分之几,例如20号钢、45号钢即表示含碳量为0.20%、0.45%。钢号从05、08、10、15、20……直到85。★优质含锰量的优质碳素结构钢:含锰量在0.7%——1.2%之间;编号方法是在正常含锰量优质碳素结构钢钢号的后面加写Mn(或锰)表示,如20Mn(20锰)或65Mn(65锰)。碳素工具钢碳素工具钢的含碳量一般在0.65%一1.3%之间。编号方法是用字母T(或碳)加数字表示,数字表示含碳量的千分之几。如T8、T12表示含碳量为0.8%、1.2%。若为高级优质碳素工具钢,则在钢号后面加写A字(或高字),如T8A、Tl2A3.3钢在加热时的组织转变钢的热处理是指将钢在固态范围内进行加热、保温和冷却,以改变钢的内部组织,从而获得所需要性能的一种工艺。钢在实际加热和冷却时,钢中的相转变不能完全按Fe—Fe3C平衡状态图中的A1、A3、和Acm进行,而是要发生一定的滞后现象。在实际加热时,各临界点的位置分别为AC1,AC3和ACcm。在实际冷却时,各临界点的位置分别为Ar1、Ar3和Arcm。1.奥氏体的形成(四个步骤:奥氏体形核、奥氏体长大,残余渗碳体溶解、奥氏体均匀化)2.奥氏体晶粒的长大•奥氏体在珠光体层间形核后,起初因晶核多,晶粒比较细小,但随着温度增高或时间加长,会自动引起奥氏体晶粒长大。细晶钢、晶界多、位向差大,因此强度高,塑韧性好,而且淬火时也不宜开裂。所以热处理时应严格控制奥氏体化温度,以免晶粒长大。3.奥氏体晶粒度晶粒度:晶粒的大小本质晶粒度:不同的钢奥氏体晶粒加热时长大的倾向不同,评定奥氏体晶粒在加热时长大倾向的标准。•奥氏体晶粒的大小分为8级;1-4级为粗晶粒,5-8级为细晶粒,9-10级为超细晶粒。晶粒尺寸越小即越细化,金属室温强度越高,塑性也越好?原因:1)因为在外力作用于多晶体时,由于各晶粒位向不同,作用于各晶粒滑移系上的分切应力就不同。处于有利位向的晶粒,其滑移面上的分切应力将首先达到临界值,应该滑移。但由于它受到周围不利于滑移的晶粒的阻碍而不能立即滑移,要求它的变形必须和周围晶粒相互配合,否则将破坏晶粒间的连续性,导致材料断裂,所以,多晶体的变形较单晶体困难。各晶粒之间位向差越大,其阻碍也越大。这种相邻晶粒间的互相制约便使强度提高。2)多晶体晶界上的原子排列紊乱,聚集着较多的杂质原子,阻碍位错运动,加之晶界两边晶粒位向不同,其滑移系的空间方位也不同,因而造成晶界处“位错塞积”,从而提高了变形抗力。晶粒尺寸越小晶界越多,位错运动的阻力就越大。所以.晶粒尺寸越小,金属室温强度就越高。•3)晶粒尺寸越小,在一定体积内的晶粒数越多,在同样变形量下,变形分散在更多晶粒内进行,而且每个晶粒的变形也较均匀,不会产生过分的应力集中,而导致过早开裂。另外,晶粒越细小,晶界曲折多,不利于裂纹扩展,所以断裂前可承受较大的塑性变形,因而塑性好。3.4钢在冷却时的组织转变改变钢的组织结构的有效方法是热处理,因为通过不同冷却方式可以使同一成分的钢得到不同的组织结构,进而表现出不同的性能。尽管热处理的冷却方法很多,但从相变过程来看,分为等温转变和连续冷却转变两种。3.41过冷奥氏体的等温转变[C曲线]1.珠光体转变区(高温转变区)过冷奥氏体在A1至550℃范围内,将分解为珠光体型组织(P)。2.贝氏体转变区(中温转变区)550-240℃之间等温,过冷奥氏体将转变为贝氏体。•共析钢大致在350℃为界,高于此温的分解产物呈羽毛状组织,称此为上贝氏体。低于350℃的产物,组织呈针状,叫作下贝氏体。下贝氏体的强度、硬度和塑韧性均高于上贝氏体。3.马氏体转变区(低温转变区)由于温度低(240-50℃),铁和碳的原子扩散困难,所以马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。碳含量愈高,晶格畸变量愈大,马氏体是强化金属的主要途径之一。马氏体有两种组织形态:一种是针状高碳马氏体;另一种是低碳板条马氏体。●.马氏体的晶体结构钢中的马氏体是碳在α一Fe中的过饱和固溶体。高碳马氏体的晶体结构为体心立方晶格。针状高碳马氏体,因在马氏体针条内充满细小的孪晶亚结构,所以,也称孪晶马氏体;另一种是低碳板条马氏体,因在板条马氏体内有大量位错,所以也称位错马氏体。由于板条马氏体位错密度高以及它又把奥氏体晶粒分割成很多小晶区,使组织大大细化,所以强度效应大。另外,过饱和的碳除了可使马氏体固溶强化外,回火时析出的碳化物因呈弥散状态,所以既有析出强化作用,又有改善韧性的功能。因此板条马氏体打破了马氏体硬而脆的观念,是获得良好力学性能的综合强化手段。3.42过冷奥氏体连续冷却曲线(CCT曲线)
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