2017年首钢杯轧钢工培训(金属学)-5钢的热处理（PPT84页)

碳素钢的热处理首钢技师学院回主页回目录第五讲碳素钢的热处理§5-1钢在加热及冷却时的组织转变§5-2钢的热处理工艺学习指导学习重点：知道钢在加热和冷却时的组织如何进行相互转变的（即热处理原理），钢在淬火后的回火组织转变原理；知道退火、正火、淬火与回火等热处理办法的基本概念和基本工艺。学习难点：钢在加热和冷却时的组织转变以及淬火后的回火组织转变的原理；首钢技师学院回主页回目录§5-1钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变三、钢在回火时的转变首钢技师学院回主页回目录概念－通过钢在固态下加热、保温和冷却这一过程，改变其组织形态，从而获得所需要的性能的工艺被称为“钢的热处理”。通过热处理可以充分发挥钢材的潜力，提高和改善钢的性能，降低工件的重量，节约材料，降低成本，延长钢材的使用寿命。钢的热处理分为：退火、正火、淬火、回火（普通热处理）和表面热处理五种基本方法。首钢技师学院回主页回目录一、钢在加热时的组织转变1、共析钢的奥氏体化2、奥氏体晶粒的长大及其控制首钢技师学院回主页回目录1、共析钢的奥氏体化碳素钢在室温条件下组织基本上是由“铁素体+渗碳体”两个相所组成，只有在奥氏体组织状态下才能通过不同的冷却方式使钢转变成不同的组织，进而获得不同的力学性能。首钢技师学院回主页回目录珠光体=铁素体+渗碳体奥氏体共析碳钢的奥氏体化－“形核与核的长大”首钢技师学院回主页回目录奥氏体的形成1234⑴奥氏体形核－钢在加热到A1时，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成，因为此处能量较高。首钢技师学院回主页回上页奥氏体晶核形成⑵奥氏体晶核长大－奥氏体形核后的长大是新相奥氏体的相界面同时向铁素体和渗碳体两个方向同时推移的过程；同时存在铁素体晶格改变成奥氏体晶格和渗碳体的溶解。首钢技师学院回主页回上页奥氏体晶粒长大⑶残余渗碳体的溶解－渗碳体晶格较复杂，其溶解速度小于铁素体晶格向奥氏体晶格的转变；在铁素体全部消失后，仍需一段时间才能完成渗碳体的全部溶解。首钢技师学院回主页回上页未溶解的渗碳体⑷奥氏体成分均匀化－继续延长保温时间，通过碳原子的扩散能得到化学成分均匀的奥氏体组织，为冷却后得到良好的组织状态打下基础。首钢技师学院回主页回上页奥氏体晶粒2、奥氏体晶粒的长大及控制⑴奥氏体晶粒的长大－奥氏体刚刚完成转变时的晶粒是细小的晶粒，称为“奥氏体原始晶粒度”。随时间的延长和温度的升高，大晶粒将小晶粒“吞并”，以获取更小的晶界表面积使晶界表面能降低，奥氏体组织处于更加稳定的状态。在某一个加热条件下实际获得的奥氏体晶粒称为“奥氏体实际晶粒度”。首钢技师学院回主页回目录⑵奥氏体晶粒度－奥氏体晶粒的大小采用晶粒度表示。按GB6394－86规定，标准晶粒度分为10级。其中1～4级称为粗晶粒，5～8级称为细晶粒，9级以上称为超细晶粒。首钢技师学院回主页回目录1级3级2级5级4级7级6级8级⑶奥氏体晶粒度对钢在室温下组织和性能的影响奥氏体晶粒细小时，冷却转变物组织也细小，其强度、塑性和韧性都比较高，冷脆性转变温度较低；奥氏体晶粒粗大时，冷却后转变产物组织也粗大，钢的力学性能下降，淬火时易变形，甚至开裂。首钢技师学院回主页回目录1级7级⑷奥氏体晶粒度的控制a冶炼。冶炼时添加铌（Nb）、钒（V）、钛（Ti）、锆（Zr）等化学元素；b加热时间和加热温度。加热温度越高、加热时间越长奥氏体晶粒越大；c加热速度。加热温度一定时，加热速度越快，过热度越大，奥氏体形核率越高，起始晶粒越小；同时加热速度快，晶粒也来不及长大。首钢技师学院回主页回目录二、钢在冷却时的组织转变1、过冷奥氏体的等温转变2、马氏体转变首钢技师学院回主页回目录钢经过加热获得奥氏体组织后，在不同的冷却条件下进行冷却，可使钢获得不同的力学性能。在热处理工艺中常采用等温冷却和连续冷却两种冷却方式。首钢技师学院回主页回目录等温冷却－将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下的某一个温度保温，进行等温转变，然后再冷却到室温。等温淬火、等温退火属于此类情况。临界点时间温度加热保温冷却首钢技师学院回主页回目录连续冷却－奥氏体化的钢随时间增加ΔT，温度下降Δt，普通淬火、正火、退火等工艺中的冷却属于此种冷却。临界点时间温度加热保温冷却首钢技师学院回主页回目录⑴过冷奥氏体－奥氏体在临界点A1以下是不稳定的，必定要发生变化，但并不是一冷到A1温度以下时就立刻发生转变，在转变前需要停留一定的时间，这段时间称为孕育期。在A1温度以下暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。首钢技师学院回主页回目录临界点A1时间温度加热保温冷却过冷奥氏体⑵过冷奥氏体的等温转变－将高温奥氏体迅速冷却到低于A1的某一个温度，保持恒温，让过冷奥氏体在此温度完成其转变的过程。临界点A1时间温度加热保温冷却过冷奥氏体等温转变首钢技师学院回主页回目录⑶等温转变曲线建立和分析首钢技师学院回主页回目录视频演示等温转变曲线的五条线示意图首钢技师学院回主页回目录A1线转变开始线转变终了线马氏体转变开始线马氏体转变终了线等温转变曲线的六个区示意图首钢技师学院回主页回目录视频演示奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体与转变产物共存区转变产物区马氏体与残余奥氏体共存区马氏体区⑷过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能共析钢的过冷奥氏体在冷却过程中会发生三种不同的转变，即：珠光体型转变，贝氏体型转变和马氏体型转变。首钢技师学院回主页回目录珠光体型转变贝氏体型转变马氏体型转变过冷奥氏体视频演示①珠光体型转变转变温度范围为A1～5000C，又叫高温转变，是由奥氏体向珠光体的转变，产物形态多数为片状，特殊情况下为粒状。首钢技师学院回主页回目录珠光体索氏体屈氏体温度时间500过冷奥氏体的转变温度对珠光体的形成过程和组织有明显的影响，转变温度越低，即过冷度越大，珠光体中的铁素体和渗碳体片越薄，表明珠光体越细；强度、硬度越高，塑性和韧性也较好。从粗到细其产物分别称为：珠光体、索氏体、屈氏体。首钢技师学院回主页回目录②贝氏体型转变转变温度范围：5000C～Ms线（对共析钢为2300C）又叫中温转变。5000C～3500C生上贝氏体（B上）3500C～Ms产生下贝氏体（B下）首钢技师学院回主页回目录视频演示500上贝氏体下贝氏体贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体（或碳化物）组成的两相混合物，根据转变温度和铁素体与渗碳体分布形态不同，分为上贝氏体和下贝氏体两种。首钢技师学院回主页回目录贝氏体的性能a硬度比珠光体、索氏体、屈氏体都高。bB下与B上相比，不但硬度、强度高，而且塑性、韧性也好（为获得B下，可采用等温淬火工艺）。2、马氏体型转变当冷却速度大于临界冷却速度，奥氏体化后的钢被迅速过冷至Ms线以下，将发生一个由奥氏体向高硬度相的转变，被称为马氏体转变。转变温度范围：共析钢的Ms～Mf温度范围是2300C～－500C，因此又称为低温转变。首钢技师学院回主页回目录冷却曲线马氏体区马氏体转变的特点：1、低温转变马氏体转变是奥氏体必须快速冷却到某一温度以下才能发生。这一温度称为马氏体转变开始温度，用Ms代表。2、非扩散性转变由于转变温度低，过冷度大，奥氏体向马氏体转变时只发生“γ－Fe”→“α－Fe”的晶格改组，而没有铁、碳原子的扩散，属非扩散型转变，马氏体中的含碳量就是转变前奥氏体中的含碳量。首钢技师学院回主页回目录3、马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体。首钢技师学院回主页回目录4、残留奥氏体室温下马氏体的转变是不完全的，总要残留少量奥氏体。马氏体的组织形态－主要有针状马氏体和板条状马氏体两种。含碳量大于1％的奥氏体几乎只形成针状马氏体。含碳量小于0．2％的奥氏体几乎只形成板条状马氏体。首钢技师学院回主页回目录⑴针状马氏体又叫高碳马氏体。立体形状是双凸透镜状，在光学显微镜下呈竹叶状或凸透镜状，马氏体针状的大小为奥氏体晶粒大小所控制。力学性能：高碳马氏体具有高硬度，但塑、韧性很低，脆性大。首钢技师学院回主页回目录⑵板条状马氏体又叫低碳马氏体。立体形状呈扁椭圆形截面的细长板条状，在光学显微镜下呈一束束平行排列的细板条状。力学性能：低碳马氏体具有较高的强韧性，即综合的力学性能较好。首钢技师学院回主页回目录三、钢在回火时的转变1、回火时组织转变和性能的变化2、回火脆性首钢技师学院回主页回目录淬火钢回火的目的：1、调整钢的力学性能；2、稳定工件的尺寸和形状；3、消除残余应力。首钢技师学院回主页回目录1、淬火钢回火时组织转变和性能的变化首钢技师学院回主页回目录⑴回火时组织的转变残余奥氏体的分解马氏体的分解碳化物的转变碳化物的聚集球化和a→Fe的再结晶①马氏体的分解在1000C以上时，马氏体开始分解，碳从过饱和的α固溶体中析出形成ε碳化物，因为温度比较低，还不能直接析出渗碳体；析出的ε碳化物呈密排六方晶格，化学方程式为Fe2。4C，ε碳化物不是一个平衡相，而是向Fe3C转变前的一个过渡相。马氏体分解后最终形成过“饱和α固溶体+高度弥散的ε碳化物”的组织，称为回火马氏体。首钢技师学院回主页回目录②残余奥氏体的分解淬火钢中的残余奥氏体在2500C～3000C范围内迅速分解为下贝氏体；随温度的升高，下贝氏体将进一步转变为铁素体和渗碳体的二相混合物，即珠光体型产物。首钢技师学院回主页回目录③碳化物的转变在2500C～4000C温度回火时，ε碳化物将转变为Fe3C。转变的过程是以ε碳化物重新溶入α固溶体，而稳定的渗碳体相不断地析出的方式进行的。首钢技师学院回主页回目录④碳化物的聚集球化和a→F的再结晶马氏体的分解在3500C左右时就基本结束了，但分解产物中的α固溶体仍保持马氏体的针状形态，直至4500C以上，α固溶体经过恢复再结晶后转变为多边形晶粒的铁素体。与此同时，当温度超过4000C以后，渗碳体发生明显的聚集长大和球化；温度在5000C～6500C左右，得到多边形晶粒的铁素体与球粒状渗碳体组成的混合组织；如果回火温度继续升高到7000C以上，则得到球化组织。首钢技师学院回主页回目录首钢技师学院回主页回目录⑵回火产物及性能回火屈氏体回火马氏体回火索氏体球化珠光体回火马氏体（1500C～2500C）由过饱和α固溶体+高度弥散的ε碳化物组成的混合物。硬度较回火前略有下降，但塑性和韧性提高。应用于刃具、量具、滚动轴承、冷冲模具等。首钢技师学院回主页回目录视频演示150℃回火2小时组织：回火马氏体硬度：50HRC回火屈氏体（3500C～5000C）由针状（或条状）铁素体与粒状渗碳体组成的混合物。具有较高的屈服强度和弹性极限，并保持一定的硬度和韧性。应用于弹簧和热锻模具。首钢技师学院回主页回目录视频演示350℃回火2小时组织：回火屈氏体硬度：40HRC回火索氏体（5000C～6500C）由多边形的铁素体与粒状渗碳体组成的混合物。具有高强度，兼有高韧性，有优良的综合机械性能。是结构钢机械零件希望得到的组织形态。首钢技师学院回主页回目录视频演示650℃回火2小时组织：回火索氏体硬度：187HBS2、回火脆性在回火过程中，随着温度的升高，钢的冲击韧性并非简单的升高，而是在2500C～4000C和4500C～6500C区间内存在冲击韧性显著下降的现象，被称为回火脆性。首钢技师学院回主页回目录回火脆性首钢技师学院回主页回目录2500C～4000C低温回火脆性高温回火脆性ε碳化物转变为薄片状渗碳体沿马氏体边界析出，并形成薄膜。4500C～6500C由某种化合物（碳化物、氢化物、磷化物等）沿晶界析出的结果。如加热至6000C以上，缓慢冷却通过4500C～5500C脆化区，将出现脆性；如果快冷将抑制脆性出现。若在4500C～5500C脆化区长时间停留后，即使快冷也将出现回火脆性。首钢技师学院回主页回目录§5-2钢的几种热处理方法一、钢的退火与正火二、钢的淬火三、钢的回火首钢技师学院回主页回目录热处理的概念：使钢在固态下加热、保温和冷却，改变其组织，从而获得所需要性能的一种工艺。热处理的作用：提高和改善钢的性能。热处理的分类：退火、正火、淬火、回火、表面淬火等。河北易县燕下都铁剑越王勾践剑钢的热处理概念与类型热处