第6章-(工程材料)-钢的热处理原理

第六章钢的热处理1概述定义：钢的热处理(heattreatment)是指将钢在固态下采用适当的方式进行加热(heating)、保温和冷却(cooling)，通过改变钢的内部组织结构而获得所需性能的工艺方法。三个阶段：钢的热处理工艺都包括加热、保温和冷却。热处理工艺曲线：温度——时间曲线应用：通过适当的热处理，不仅可以提高钢的使用性能，改善钢的工艺性能，而且能够充分发挥钢的性能潜力，提高机械产品的产量、质量和经济效益。分类：整体热处理：退火，淬火，正火，回火表面热处理：表面淬火，表面化学热处理按阶段分类：预备热处理和最终热处理两类。定义：由Fe-Fe3C相图可知，钢在平衡条件下的固态相变点分别为A1、A3和Acm。而将在加热时实际的相变点分别称为Ac1、Ac3、Accm，在冷却时实际的相变点分别称为Ar1、Ar3、Arcm。如图5.2所示。2钢在加热时的组织转变2.1奥氏体的形成过程将共析钢加热至Ac1温度时，便会发生珠光体向奥氏体的转变，其转变过程也是一个形核和和长大的过程，一般可分为四个阶段。钢坯加热1．奥氏体晶核的形成奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的两相界面上形成。2.奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成后，依靠铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，奥氏体晶核不断向铁素体和渗碳体二个方向长大。与此同时，新的奥氏体晶核也不断形成并随之长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。3．残余渗碳体的溶解在奥氏体的形成过程中，当铁素体全部转变为奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解（称为残余渗碳体），随着保温时间的延长，残余渗碳体将不断溶入奥氏体中，直至完全消失。4．奥氏体成分均匀化当残余渗碳体溶解后，奥氏体中的碳成分仍是不均匀的，在原渗碳体处的碳浓度比原铁素体处的要高。只有经过一定时间的保温，通过碳原子的扩散，才能使奥氏体中的碳成分均匀一致。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程:与共析钢基本相同，但是需要加热至Ac3或Accm温度以上，才能得到单相奥氏体组织，即完全奥氏体化。2.2奥氏体晶粒的大小及其影响因素奥氏体晶粒的大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。1．奥氏体的晶粒度国家标准GB6394-86将奥氏体标准晶粒度分为00，0，1，2，……，10等十二个等级，其中常用的为1～8级。1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒。2．影响奥氏体晶粒大小的因素（1）加热温度和保温时间加热温度增加,加热时间延长，奥氏体晶粒会自发地长大。2．影响奥氏体晶粒大小的因素（2）钢的成分奥氏体中碳含量的增加，晶粒的长大倾向也增加；锰和磷促进奥氏体晶粒长大碳以未溶碳化物的形式存在时，则有阻碍晶粒长大的作用。钢中能形成稳定碳化物、氧化物或氮化物的元素，有利于获得细晶粒3钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却连续冷却两种冷却方式示意图1——等温冷却2——连续冷却3.1过冷奥氏体的转变产物的组织与性能孕育期：A在A1温度以下开始发生结构转变需要的时间。过冷奥氏体：在A1温度以下暂时存在的不稳定的奥氏体。组织转变三种类型：珠光体型转变贝氏体型转变马氏体型转变1．珠光体型转变温度：A1～550℃转变过程：课堂练习：文字描述珠光体转变过程。转变产物：铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状组织。分类：珠光体、索氏体和托氏体符号：P、S、T性能比较：2．贝氏体型转变温度范围：550℃～Ms。转变过程：课堂练习：绘制B上组织示意图。指出相结构名称。与P性能进行比较。转变产物：由含碳过饱和的铁素体和弥散分布的渗碳体组成的组织，称为贝氏体(bainite)，用符号B来表示。分类：上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。转变组织：B上=过饱和F片+Fe3c断续片B下=F过饱和+碳化物分布B上照片光镜下电镜下B下照片3．马氏体型转变温度范围：在Ms温度以下转变组织：碳在α-Fe中溶解而形成的过饱和固溶体，称为马氏体(martensite)，用符号M表示。组织形态分类：板条马氏体(lathmartensite)针片状马氏体(acicularmartensite)板条状Ms(低碳时)组织示意图（板书）光镜下电镜下针状Ms（高碳时）组织示意图（板书）马氏体的力学性能：板条马氏体具有较高硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的良好的综合力学性能。针片状马氏体具有比板条马氏体更高的硬度，但脆性较大，塑性和韧性较差。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%（3）马氏体型转变的特点①一定温度范围内②非扩散型转变③速度极快，瞬间形核，瞬间长大，其线长大速度接近于音速。④具有不完全性。转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火举例：共析钢平衡组织从室温加热A化，保温后等温冷却到室温，经历了一个热循环。问：原始组织是什么？冷却后可能变成哪几种组织？性能与原始组织比较有何差异？热循环有何意义？3.2过冷奥氏体的转变曲线分类：等温转变曲线和连续冷却曲线。1．过冷奥氏体的等温转变曲线(isothermalcoolingtransformationcurve)定义：过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量之间的关系曲线。称为“C曲线”，也称为“TTT”曲线。共析钢的C曲线：线及其分区的认识非共析钢的C曲线：多了一条先析相的析出线位置也相对左移左移的影响：转变加快；举例：亚共析钢平衡组织从室温加热A化，保温后550ºC以上等温冷却后再冷到室温，经历了一个热循环。问：原始组织是什么？冷却后可能变成哪几种组织？性能与原始组织比较有何差异？热循环有何意义？2．过冷奥氏体的连续转变曲线(continuouscoolingtransformationcurve)定义：钢经奥氏体化后，在不同冷却速度的连续冷却条件下，过冷奥氏体的转变时间、转变温度与产物之间关系的曲线。曲线：图中Ps、Pf线分别为珠光体转变开始和转变终了线，Pk为珠光体转变中止线。当冷却曲线碰到Pk线时，奥氏体向珠光体的转变将被中止，剩余奥氏体将一直过冷至Ms以下转变为马氏体组织。特点：与等温转变图相比，珠光体转变开始线和转变终了线的位置均相对右下移，只有C形曲线的上半部分，没有中温的贝氏体型转变区。课堂练习：平衡组织的共析钢通过加热A化后等温和连续冷却，可以获得哪几种组织？应用价值如何？谢谢！