第三章1)钢的热处理——加热和冷却的组织变化

1第3章钢的热处理3.1钢在加热时的组织转变3.2钢在冷却时的组织转变3.3钢的普通热处理3.4钢的表面热处理2热处理是指将钢在固态下加热到预定的温度，保温一段时间，然后以预定的方式冷却到室温，来改变其内部组织结构，以获得所需性能的一种热加工工艺。特点：改变钢的内部组织，而不改变其形状和尺寸。分类：普通热处理（退火、正火、淬火、回火）；表面热处理（表面淬火、化学热处理）；其他热处理加热冷却保温过程：33.1钢在加热时的组织转变4A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm两种加热：1.临界温度线以下的加热；2.临界线以上的加热。53.1.1奥氏体化过程：奥氏体晶核长大奥氏体晶核形成残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化6加热时由{铁素体+渗碳体}转变为奥氏体的过程。涉及晶格改组和Fe、C原子的扩散过程。遵循形核、长大规律。2．共析钢奥氏体化温度Ac1温度。1）、共析钢的奥氏体化1．奥氏体化7a.形核：优先在相界[F，Fe3C]b.长大：c.渗碳体完全溶解：d.碳的均匀化：3．共析钢奥氏体化过程F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)→A(Fcc,0.77)示意82）、亚(过)析钢的奥氏体化亚析钢过析钢P+F→AP+Fe3C→AAc1Ac3Ac1Accm93.1.2、奥氏体晶粒大小及控制表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度、面积、体积或晶粒度级别表示。1．晶粒度102．起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏体晶粒随温度的升高而迅速长大→本质粗晶钢奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质细晶钢（见下图）起始晶粒度：P→A结束时的晶粒度；实际晶粒度：钢在某一具体处理过程中所得奥氏体晶粒的大小；11本质细晶粒和本质粗晶粒（示意图）123、影响奥氏体化的因素a．加热温度T↑→A化速度↑(因为过热度↑、D↑、形核孕育期↓）V↑→转变开始温度↑，转变时间↓；V↓↓，转变时间↑↑↑，接近平衡转变b．加热速度13c．含碳量C%↑→Fe3C↑→/Fe3C界面多→形核核心多→转变快d．合金元素a.Cr、Mo、W、Mn、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，形成碳化物，阻碍碳扩散，↓奥氏体形成速度；b.Co、Ni非碳化物形成元素，↑奥氏形成速度；c.Al、Si影响不太。e．原始组织片状，片间距小→相界面多→碳弥散度大→碳原子扩散距离短→奥氏体形核长大快；片状粒状。144．奥氏体晶粒度的控制a.加热工艺合理的加热温度（见下图）与保温时间。b.钢的成分——合金化i.A中C%↑→晶粒↑ii.合金元素%↑→晶粒↓碳化物形成元素：形成稳定碳化物阻碍扩散，细化晶粒；Al：形成氧或氮化合物于晶界，使形核率↑且C扩散受阻→本质细晶钢；Mn、P等：促进长大。15161.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响173.1.3、钢在加热时常见的缺陷及防止措施1．常见缺陷氧化；脱碳；过热；过烧2．防止措施在真空中加热；可控气氛加热；盐浴加热；183.2钢在冷却时的组织转变1连续处理2等温处理过冷奥氏体的连续冷却转变影响C曲线的因素过冷奥氏体的等温转变19A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm20共析钢等温转变图（C曲线）（a）不同等温下的等温转变动力学曲线（b）等温转变图（C曲线）一、过冷奥氏体的等温转变1．共析钢过冷A等温转变曲线（TTT图、C曲线）获得：冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间T---timeT---temperatureT---transformationC---Shape2122特点：i.A1（727度）以上：A稳定ii.A1（727度）以下：过冷A不稳定，iii.C曲线有一最小孕育期（550度）：1：T↓，A—P的驱动力提高2：T↓—D↓iiii.转变开始线与转变终了线23稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。A+产2．共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征24A1——鼻子温度（550℃）A过冷→P（S，T）索氏体，屈氏体。P的形成取决于形核、长大速率。T↓，形核，长大↑。T↓→600℃，D↓，长大慢→层间距薄、短扩散型相变，综合性能好。HB较低，韧性好。T↓→HB↑，强度↑（1）高温转变区PST25A1～650℃:P;5～25HRC;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。26珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌27光镜形貌电镜形貌索氏体形貌像28屈氏体形貌像电镜形貌光镜形貌29（2）中温区转变贝氏体转变550℃~230℃（Ms）A过冷→B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。550℃~350℃上贝氏体半扩散型，Fe不扩散羽毛状（见下图）碳化物在F间，韧性差350℃~Ms下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状（见下图）碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好B上B下30B上=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状B下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状31上贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图32a.转变产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。使α-Fe晶格发生变化。b.实质：T低—C无法扩散→非扩散性晶格切变(见下图)→过饱和C的铁素体。（3）低温区转变马氏体转变，MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，属于非扩散型转变。A过冷→M+A'残余33由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。34奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响35奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响36d.M的组织形态板条状--低碳马氏体(＜0.23%C);30～50HRC;δ=9～17%。C%0.23%，板条状M板C%1.0%，针/片状马氏体M针37针、片状--高碳马氏体(＞1.0%C);66HRC左右;δ≈1%。高碳针片状马氏体组织金相图38e.M的性能马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉强度σb(Mpa)180014001000600200主要取决于马氏体中的碳浓度。39M转变的特征：①无扩散性；②瞬时性；③存在Ms,Mf；④不完全性；⑤体积膨胀。403．共析钢等温转变组织——性能的关系转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性提高。B上（羽毛状）：强度、韧性差；B下（针状）：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能。硬度高C%↑→HRC↑针/片状马氏体（高C%），硬而脆，塑、韧性差；板条状（低C%），强度高，塑性、韧性好。（1）珠光体型（2）贝氏体（3）马氏体414．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线在C曲线左端多一条曲线。亚：先析出F，过：先析出Fe3C碳含量对碳钢C曲线的影响42二、影响C曲线的因素C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。A中C%↑→C曲线右移.对亚共析钢：钢中C%↑，A中C%↑→C曲线右移对过共析钢：一般在AC1以上A化，钢中C%↑，未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移；当温度超过Accm时，Fe3C全溶解，C曲线右移共析钢：C曲线最靠右边，稳定性最高，孕育期最长。1．含碳量下图：碳含量对碳钢C曲线的影响43碳含量对碳钢C曲线的影响44除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性——C曲线右移非碳化物形成元素，Si、Ni、Cu,不改变C曲线形状，使右移强碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V、Nb、Ti,改变C曲线形状并右移除Co、Al外，均使Ms、Mf下降，残余A↑2．合金元素，（Co%↑→左移）（见下图）A化温度↑或加热时间↑（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A稳定性↑，孕育期延长，C曲线右移3．加热温度和加热时间45合金元素对碳钢C曲线的影响（a）Ni的影响（b）Cr的影响（c）W的影响A1Ms含Cr合金钢MsA1向右移向下移除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中，会使:46三、过冷奥氏体的连续冷却转变（CCT曲线）Ps：A→P开始线Pf：A→P终止线K：珠光体型转变终止线Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）→M最小冷速Vk’：下临界冷速→完全P最大冷速1．过冷奥氏体的连续冷却转变图C---continuousC---coolingT---transformation47（1）CCT位于TTT曲线右下方，A→P转变温度低一些，t长一些（2）CCT无A→B转变CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析2．连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较48（1）根据工件的组织与性能要求，确定热处理工艺。（2）为了获得M，确定工件淬火时的临界冷速。（3）可以指导连续冷却操作。（4）选择钢材的依据。钢号不同，C曲线不同。（5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。3．C曲线的应用V1：炉冷（退火）PV2：空冷，S，TV3：空冷，S，TV4：油冷，T+M+A'V5：M+A'49共析钢的等温转变和连续转变曲线的比较及转变组织50作业：术语：珠光体，奥氏体，铁素体，渗碳体，莱氏体，晶粒度简答题：1、碳在Fe-C合金中有哪些存在方式？2、液态Fe-C合金中析出石墨的过程分为哪几个阶段？3、简述钢的奥氏体化过程，以及影响奥氏体化的因素。4、影响奥氏体的晶粒度的因素有哪些？如何控制奥氏体的晶粒度。5、简述过冷奥氏体等温转变产物及特征，与性能关系怎样？6、简述马氏体转变的特征。7、简述影响C曲线的因素。8、简述C曲线和CCT曲线的区别。