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第九章钢的热处理原理第1章金属的晶体结构第2章纯金属的结晶第3章二元合金的相图与结晶第4章铁碳合金§1铁碳合金的组元及基本相§2Fe-Fe3C相图分析§3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织§4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响§5钢中的杂质元素及钢锭组织第5章三元合金相图第6章金属及合金的塑性变形与断裂第7章金属的回复与再结晶第8章扩散第4章铁碳合金Fe-Fe3C相图1、铁的同素异晶转变三种同素异晶状态:-Fe、-Fe和-Fe1)1538℃,结晶为体心立方-Fe2)1394℃,-Fe面心立方-Fe,A4转变,平衡临界点称为A4点3)912℃,-Fe体心立方-Fe,A3转变,平衡临界点称为A3点4)912℃以下,结构不再发生变化5)770℃,A2-Fe有磁无磁转变,居里点6)727℃,A1转变,共析转变7)230℃,A0转变,渗碳体磁性转变点2、Fe-C合金中的相铁素体(F)-C溶于-Fe形成的固溶体;奥氏体(A)-C溶于-Fe形成的固溶体;渗碳体-C与Fe形成的复杂结构的化合物(Fe3C);石墨(C)。3、渗碳体wC6.69%,重要基本相。具有很高硬度,约800HB。塑性很差,延伸率近于零。低温具有一定的铁磁性。230℃是渗碳体的磁性转变温度称为A0转变。熔点为1227℃。Fe温度/℃wC/%ABCDFESGPQJNKFe3CHLFe3CIIIPFe3CIIIPFe3CIIPFe3CIILdFe3CIILdFe3CIPLdFe3CIILdFe3CILdLFe3CI5、含碳量对平衡组织的影响6、铁碳合金的成分与组织的关系1)从相组成角度看,铁碳合金在室温下的平衡组织=铁素体+渗碳体。2)从组织组成角度看,含碳量的变化,要以引起组织的变化,随着含碳量的增加,铁碳合金的组织变化顺序为:F→F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld→Ld→Ld+Fe3CⅠ①工业纯铁:wC0.0218%;②共析钢:wC=0.77%;③亚共析钢:0.0218%wC0.77%;④过共析钢:0.77%wC2.11%;⑤共晶白口铸铁:wC=4.3%;⑥亚共晶白口铸铁:2.11%wC4.3%;⑦过共晶白口铸铁:4.3%wC6.69%7、铁碳合金的力学性能铁素体---软韧相渗碳体---硬脆相珠光体---强度、硬度较高,塑性较差。平衡结晶形成的珠光体机械性能:强度:FP(P球P片)Fe3C;Fe3C为强化相塑(韧)性:FP(P球P片)Fe3C随wC↑,合金的强度↑,塑(韧)性↓若片层间距减小,则P的强度和塑(韧)性提高若Fe3CII呈网状,合金的强度和塑(韧)性明显降低第九章钢的热处理原理?改变铁碳合金力学性能的基本方法之一1、热处理概述2、钢在加热时的转变3、钢在冷却时的转变4、钢在回火时的转变9.1钢的热处理概述一、热处理的作用热处理:将钢在固态下加热到预定的温度,并在该温度下保持一段时间,然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。热处理目的:改变钢的内部组织结构,以改善钢的性能。热处理的应用范围:整个制造业。热处理的分类:热处理整体热处理表面热处理退火、正火表面淬火化学热处理淬火、回火预备热处理:为随后冷拔、冷冲压和切削加工或最终热处理作组织准备的热处理。最终热处理:在工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后进行的赋于工件所需使用性能的热处理。热处理原理:钢中组织转变的规律。钢的加热转变珠光体转变马氏体转变贝氏体转变回火转变热处理工艺:根据热处理原理制订的具体加热温度、保温时间、冷却方式等参数。二、热处理与相图1、金属材料进行热处理的前提条件加热或冷却时发生溶解度显著变化或者有固态相变发生2、钢的固态转变平衡临界温度:A1:共析钢PSK线A3:亚共析钢GS线Acm:过共析钢ES线平衡临界温度:在非常缓慢加热或冷却条件下钢发生的组织转变。(1)热力学上近于平衡时的铁碳合金固态转变(2)实际生产中的铁碳合金固态转变组织转变滞后Ac1Ar1Ac3Ar3AccmArcmAc1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度;Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度;Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度;Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度;Accm——加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度;Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。(3)钢热处理应考虑的因素1)温度2)时间与速度为什么?转变过程原子迁移过程,迁移需要时间转变不充分非平衡组织。钢从奥氏体状态以不同速度冷却时,将发生1)珠光体转变2)贝氏体转变3)马氏体转变三、固态相变的特点1、相变阻力大原因:固态相变导致应变能的额外增加;原子扩散更为困难。2、新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系{110}//{111},111//1103、母相晶体缺陷对相变起促进作用4、易于出现过渡相四、固态相变的类型根据固态相变过程中生核和长大的特点分为三类:1、扩散型相变:珠光体转变和奥氏体转变2、非扩散型相变,或切变型相变:马氏体转变3、过渡型相变:贝氏体转变9.2钢在加热时的转变奥氏体化过程:钢加热获得奥氏体的转变过程。研究意义:?P234。钢加热的目的:获得均匀、细小的奥氏体晶粒。一、共析钢奥氏体的形成过程四个阶段:1、奥氏体形核2、奥氏体长大3、剩余渗碳体溶解4、奥氏体均匀化1、奥氏体形核形核位置:成分起伏、结构起伏和能量起伏(1)铁素体/渗碳体相界(2)珠光体群边界(3)铁素体亚晶界2、奥氏体长大(1)渗碳体的溶解(2)碳在奥氏体和铁素体中的扩散(3)铁素体向奥氏体转变铁素体/奥氏体相界面碳浓度差(C--C-)渗碳体/奥氏体相界面碳浓度差(CC--C-C)铁素体向奥氏体转变的速度远比渗碳体溶解速度快得多。3、渗碳体溶解4、奥氏体成分均匀化铁素体消失后,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,使奥氏体的碳浓度逐渐趋于共析成分。原来是渗碳体的区域碳浓度较高,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。亚共析钢:Ac1以上,PA,Ac1~Ac3,先共析FA过共析钢:Ac1以上,PA,Ac1~Accm,先共析Fe3CA二、影响奥氏体形成速度的因素A形成过程=形核+长大=原子迁移左起:第一条线:P向A转变开始线第二条线:P向A转变终了线第三条线:剩余Fe3C溶解终了线第四条线:A均匀化完成线1)A形成需要孕育期等温温度,原子扩散速度,孕育期。如,740℃,10s开始转变,800℃,瞬间转变便开始。2)A形核、长大所需时间较短,剩余Fe3C溶解所需时间较长,A均匀化所需时间更长。3)过共析钢的Fe3C溶解和A均匀化所需的时间更长。实际生产:连续加热。V1和V2的区别。原始组织越细,A形成速度越快!每组曲线:左边一条线是转变开始线右边一条线是转变终了线淬火状态A形成速度最快球化退火态A形成速度最慢(1)含碳量的影响:含碳量,A形成速度(2)合金元素的影响:合金元素影响C在奥氏体中的扩散速度1)碳化物形成元素(Cr、Mo、W、V、Ti等)减小C在A中扩散速度,减慢A形成速度。2)非碳化物形成元素(Co、Ni等)增加C在A扩散速度,加快A形成速度。3)Si、A1、Mn等元素不影响C在A中扩散速度,不影响A形成速度。(2)合金元素的影响:合金元素改变了钢的临界温度1)降低A1点的元素(Ni、Mn、Cu等)相对增大过热度,将增大A形成速度。2)提高A1点的元素(Cr、Mo、W、V、Si等)相对地降低过热度,将减慢A形成速度。三、奥氏体晶粒大小及其影响因素1、奥氏体晶粒度奥氏体晶粒的大小晶粒大小的表示方法:晶粒平均体积平均直径单位体积内的晶粒数通常做法:与标准金相图片相比较,来确定晶粒度的级别。l4级:粗晶粒58级:细晶粒8级以外:超粗或超细晶粒奥氏体晶粒度:(1)起始晶粒度A转变刚完成,其晶粒边界刚相互接触时的A晶粒大小。(2)实际晶粒度钢在某一具体的热处理或热加工条件下获得的A的实际晶粒的大小。实际晶粒一般总比起始晶粒大。(3)本质晶粒度据标准试验方法(YB27-64),在(930±10)℃保温38h后测定的A晶粒大小。晶粒度为14级:本质粗晶粒钢晶粒度为58级:本质细晶粒钢。晶粒度的测定方法:930±10℃保温3~8小时(100×)本质粗本质细2、影响奥氏体晶粒大小的因素(1)加热温度与保温时间加热温度,晶粒长大,A晶粒越粗大。保温时间,晶粒不断,但随保温时间,晶粒长大速度越来越慢,且不会无限制地长大下去。(2)加热速度加热速度,A化实际温度高,A形核率大于长大速度,获得细小的起始晶粒。生产中:快速加热+短时保温。(3)化学成分含碳量:增加,Fe、C扩散速度增大,A晶粒长大倾向增加。当超过A饱和碳浓度以后,由于出现了残余渗碳体,产生机械阻碍作用,晶粒长大倾向减小。合金元素:Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素,形成难溶碳化物,阻止A晶粒长大,在一定温度下晶粒不易长大。(4)钢原始组织原始组织越细,碳化物弥散度越大,A晶粒越细小。实际生产:快速加热,短时间保温。多次快速加热-冷却!!!!!9.3钢在冷却时的转变钢的性能最终取决于A冷却转变后的组织。为什么要研究钢在冷却时的转变过程?不同冷却条件下转变规律不同正确制定钢的热处理冷却工艺获得预期的性能过冷A:在临界温度A1以下处于不稳定状态的A。两种冷却方式:1)等温冷却:恒温转变。2)连续冷却:连续转变。过冷A转变:点阵重构和碳的扩散过程1)珠光体型转变:缓冷,过冷度很小C、Fe原子能扩散炉冷退火空冷正火2)贝氏体转变:较快冷,过冷度较大C原子可扩散,Fe原子不能扩散3)马氏体转变:快速冷,过冷度很大Fe、C原子不能扩散分解低温Ms点以下水冷淬火影响钢等温冷却的因素:温度时间连续冷却较复杂,在一个温度范围,过冷度不断变化,获得粗细或类型不同的混合组织。一、共析钢过冷A等温转变曲线等温转变动力学曲线:反映过冷A在不同过冷度下的等温转变过程:转变开始和转变终了时间转变产物类型以及转变量与时间、温度等之间关系C-曲线TTT曲线1、过冷A等温转变曲线建立金相-硬度法:①共析钢φ10×1.5mm圆片试样3组,每组试样10个。②将1组奥氏体化后的试样置于600℃恒温浴槽中冷却,停留不同时间后逐个取出,并迅速淬入盐水中激冷,使尚未转变的A转变为M。M量=未转变过冷A量。③用金相法确定600℃,保持一定时间后的转变产物类型和转变量。④用2、3组试样测量400℃、700℃的转变。⑤将开始点和终了点都绘在温度-时间半对数坐标系中。⑥将开始点和终了点分别连线。2、过冷A等温转变曲线分析临界点A1:水平虚线,A与P的平衡温度M转变开始线:水平线MsM转变终了线:水平线Mf过冷A转变开始线过冷A转变终了线A稳定区:Al线以上M转变区:Ms线~Mf线过冷A转变区:开始线~终了线转变产物区:终了线右侧过冷A区:Al线以下,Ms线以上,纵坐标以右,开始线以左过冷A处于亚稳定状态共析钢C-曲线由上至下可为三个区:1)A1~650℃,过冷度小,片间距0.6~1.0m,500×以上光学显微镜能分辨其片层状形态,粗珠光体P。2)650~600℃,片间距0.25~0.3m,800~1500×光学显微镜能分辨出,铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠,细珠光体(索氏体)S。珠光体转变:1)550~350℃,上贝氏体,过饱和片状F+渗碳体珠光体转变:2)350℃~Ms,下贝氏体,过饱和针状F+弥散-Fe2.4C孕育期:在A1温度以下,过冷A转变开始线与纵坐标之间的水平距离.表示过冷A的稳定性。550℃:共析钢孕育期最短,转变速度最快。C-曲线鼻子:孕育期最短,C-曲线向左凸,过冷A转变终了线与孕育期的变
本文标题:第9章-钢的热处理原理
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