铁碳合金相图与热处理

11铁碳合金的基本组织1.1.铁素体：碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。强度和硬度低，塑性和韧性好。纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变。同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下：温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在912~1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe。1.2.奥氏体：碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性，高温组织，在大于727℃时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。碳的原子半径较小，在α-Fe和γ-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成间隙固溶体。碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。2铁碳合金状态图1.3.渗碳体：铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。用Fe3C表示A121.4.珠光体：F与Fe3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。1.5.莱氏体：A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。在HJB水平线（1495℃）发生包晶转变：转变产物是γ。此转变仅发生在含碳0.09~0.53%的铁碳合金中。ECF水平线（1148℃）发生共晶转变：转变产物是γ和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite），用符号Ld或Le表示。含碳2.11~6.69%的铁碳合金都发生此转变。在PSK水平线（727℃）发生共析转变：转变产物是α和Fe3C的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度（727℃）。ABCD线：液相线，液相冷却至此开始析出，固相加热至此全部转化为液体。AHJECF线：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相至此开始转化。GS线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为A3（727℃~912℃）温度。A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A。ES线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为Acm（727℃~1148℃）温度。低于此温度时，γ中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CI。PQ线：碳在α中的溶解度线。α从727℃冷却下来时，也将析出Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CII。ECF线：共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。2.1状态图主要点线、主要点2.2铁碳合金分类2.2.1钢含C量0.0218～2.11%：共析钢含C量0.77%；亚共析钢0.0218-0.77%；3过共析钢0.77-2.11%。2.2.2白口铸铁2.11-6.69%；共晶白口铸铁4.3%，亚共晶白口铸铁2.11-4.3%；过共晶白口铸铁4.3-6.69%。2.3铁碳合金相图的作用：2.3.1在铸造方面：选择合适的浇铸温度，流动性好。2.3.2在煅造方面：选择合适的温度区，奥氏体区。2.3.3在热处理方面：退火，正火，淬火等。2.4碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响。一、含碳量对平衡组织的影响。室温下，铁碳合金均由+Fe3C两相组成。随含碳量不同，可分为七个典型组织区。二、含碳量对机械性能的影响珠光体P：为F+Fe3C的混合物，呈层片状，由于Fe3C的强化作用，珠光体性能较好。亚共析钢：由F+P组成，随碳量增加，珠光体量增加，强度性能提高；过共析钢：P+Fe3C(II)组成，当含碳量1%，Fe3C(II)断续分布在晶界处，强度提高；当含碳量1%，Fe3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性能下降。莱氏体：硬而脆。Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。3热处理热处理可以改善锻、轧、铸毛坯组织的退火或正火，齿轮箱体消除焊接应力退火和降低工件硬度改善切削加工性能的退火等。也可以是使机械零件性能达到规定技术指标的最终工序，如经淬火加高温回火，使机械零件获得极为良好综合力学性能，例如渗碳齿轮的整个加工工序是：锻造-退火-粗加工-探伤-正火-精加工-渗碳、淬火、回火-喷丸-（磨齿）。由此可见，热处理同其他工艺过程密切，在机械零件加工制造过程中具有十分重要的地位和作用。1.1钢的退火和正火的定义和目的：退火是一般是将钢件加热到临界温度以上适当温度，保温适当时间后缓慢冷却，以获得接近平衡的珠光体组织的热处理工艺。图2为GCr15钢等温球化退火典型工艺。正火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acm（过供析钢）以上40~60℃或更高温度，保温适当时间达到完全奥氏体和奥氏体均匀化后，一般在自然通风的自然环境下以较快冷却速度冷却，亚共析钢正火处理后的组织是细珠光体和铁素体，共析钢和过供析钢正火后是单一细珠光体。焊接件通4过正火可以改善焊缝及热影响区的组织和性能。图3为20CrMnTi正火工艺。5由退火和正火的热处理工艺可知，正火的冷却速度比退火快，所以相同钢材正火比退火（主要指完全退火）后获得的珠光体组织较细，钢的强度与韧性、硬度也较高。退火和正火是应用非常广泛的热处理，在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火和正火经常作为预先热处理工序。机器零件的毛坯一般是轧材、锻件、铸件或焊接件等，毛坯料内部常出现各种组织缺陷，如组织不均匀性、晶粒粗大、成分偏析、带状组织等，这些缺陷不仅影响以后各种冷热加工的进行，还会降低零件的最终性能。退火和正火用于毛坯的预先热处理，可以达到以下目的：1.1.1消除或改善毛坯料的各种组织缺陷。1.1.2获得最有利于切削加工的组织与硬度。1.1.3改善组织中相的形态与分布,细化晶粒,为最终热处理(淬火回火)作好组织上准备。1.1.4消除或降低内应力，以防后继工序加工后变形或开裂倾响。退火和正火经常作为预先热处理工序外，在一些普通铸钢件、焊接件、以及某些不6重要的热加工工件上，还作为最终热处理工序，以改善组织，稳定尺寸。1.2退火和正火的正确选用在生产上对退火和正火工艺的选用，应根据钢种、前后连接的冷、热加工工艺、以及最终零件使用条件等来进行。根据钢中含碳量不同，一般按如下原则选用：1.2.1低碳钢（≤0.25%C）这类钢主要应解决塑性过高造成粘刀而不易切削加工的问题，故采用正火为宜。通过正火使组织均匀，硬度适当提高而易于切削。例如对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。1.2.2中碳钢（0.25%~0.55%C）这类钢一般采用正火，其中含碳量0.25%~0.35%的钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工硬度。对含碳量较高的钢，硬度虽稍高（200HBS），但由于正火生产率高，成本低，操作简便，仍采用正火，只有对合金元素含量较高的钢，因正火后硬度过高，使切削加工困难，才采用完全退火。1.2.3高碳钢（＞0.55%C）这类钢一般采用退火最为适宜，因为含碳量较高，正火后硬度太高，不利于切削加工，而退火后的硬度正好适宜于切削加工。此外，这类钢多在淬火、回火状态下使用，因此一般工序安排是以退火降低硬度，然后进行切削加工，最终进行淬火、回火。当钢中含有较多合金元素时，上述原则就不适用（由于合金元素强烈地改变了过冷奥氏体连续冷却转变曲线），例如低碳合金钢18Cr2Ni4WA没有珠光体转变，即使在极缓慢的冷却速度下退火，也不可能得到珠光体类型组织。一般需用高温回火来降低硬度，以便切削加工。2、钢的淬火钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。为了消除淬火钢的残余应力，得到不同强度，硬度和韧性配7合的性能，需要配以不同温度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬火、回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理是赋予钢件最终性能的关键工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。2.1淬火的定义和目的把钢加热到奥氏体化温度，一般亚共析钢需要加热到Ac3以上30~50℃，过供析钢需要加热到Ac1以上30~50℃，保温一段时间后，然后以大于临界冷却速度进行冷却（冷却介质可以是水、油、聚合物、空气等），这种热处理操作称为淬火。钢件淬火后获得马氏体或下贝氏体组织。图4为渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺。淬火的目的一般有：2.1.1提高工具、渗碳工件和其他高强度耐磨机器零件等的强度、硬度和耐磨性。例如高速工具钢通过淬火回火后，硬度可达63HRC，且具有良好的红硬性。渗碳工件通过淬火回火后，硬度可达58~63HRC。2.1.2结构钢通过淬火和高温回火（又称调质）之后获得良好综合力学性能。例如汽车半轴经淬火和高温回火（280~320HB）及外圆中频淬火后，不仅提高了花键耐磨性，而且使汽车半轴承受扭转、弯曲和冲击载荷能力（尤其是疲劳强度和韧性）大为提高。淬火时，最常用的冷却介质是水、盐水、碱水和油等。通常碳素钢用水冷却，水价廉易得，合金钢用油来冷却，但对要求高硬度的轧辊采用盐水或碱水冷却，辊面经淬火后硬度高而均匀，但对操作要求非常严格，否则容易产生开裂。82.2钢的淬透性2.2.1淬透性的基本概念所谓钢材的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度大小的能力（即钢材淬透能力），其大小用钢在一定条件下（顶端淬火法）淬火获得的有效淬硬层深度来表示，淬透性是每种钢材所固有的属性，淬硬层愈深，就表明钢的淬透性愈好,例如45、40Cr、42CrMo钢三种试样，按相同条件淬火后（油冷却），经检测45钢能被淬透的最大直径（称临界直径）φ10mm；40Cr钢能被淬透的最大直径φ22mm;42CrMo钢能被淬透的最大直径φ40mm。实际工件的有效淬硬深度与钢的淬透性、工件尺寸及淬火介质的冷却能力等许多因素有关，例如，同一钢种在相同介质中淬火，小件比大件的淬硬层深；同一钢种相同尺寸时，水淬比油淬的淬硬层深。同一种钢，其成分和冶炼质量必然在一定范围内波动，因而有关手册上所提供的某钢号的淬透性曲线往往不是一条线，而是一个范围，称淬透性带。图1为40Cr钢的淬透性带。从上所述，钢材的淬透性包含两方面内容，一是钢材的淬透能力，它主要是保证不同大小齿轮的心部硬度，以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求；二是淬透性带宽度，要求尽可能小的淬透性带宽度波动，以有利于齿轮热处理变形的控制。德国大众、日本小松等国外几大公司对齿轮钢材的淬透性带宽≤8HRC，我国的GB/T5216标准规定的钢材的淬透性带宽为12HRC，2002年在“中国齿轮行业钢材采购通则（试行）”中要求齿轮钢材的淬透性带宽为7HRC。2.2.2、淬透性的表示方法钢的淬透性值可用J（HRC/d）表示，其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。例如淬透性值J9（42/5）表示距水冷端5mm处试样硬度值为42HRC；淬透性值J（30~35/10）表示距水冷端10mm处试样硬度值为30~35HRC。对淬透性值有具体要求的钢应根据GB/T5216-2004《保证淬透性结构钢》标准的规定订货，其钢号最后用H表示，例如42CrMoH。3、钢的回火3.1回火的定义和目的钢淬火后必须经过回火，回火是指将淬火钢加热到Ac1（钢件加热时的临界点）以下的某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理工艺，见图4。回火的目的：3.1.1降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。3.1.2获得工艺所要求的力学性能。淬火工件的硬度高且脆性大，通过适当回火可调整硬度，获得所需要的塑性、韧性。3.1.3稳定工件尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是非