05第五章钢的热处理.ppt
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1、第五章 钢的热处理,改善钢的性能,主要有两条途径: 一是合金化,这是下几章研究的内容; 二是热处理,这是本章要研究的内容。,第一节 概述 第二节 钢在加热时的转变 第三节 钢在冷却时的转变 第四节 钢的退火与正火 第五节 钢的淬火 第六节 钢的淬透性 第七节 钢的回火 第八节 钢的表面淬火 第九节 钢的化学热处理,第一节 概述,1、热处理: 是指将钢在固态下加热、保温和冷却, 以改变钢的组织结构, 获得所需要性能的一种工艺。,为简明表示热处理的基本工艺过程,通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。,热处理是一种重要的加工工艺,在制造业被广泛应用。 在机床制造中约6070%的零件要经过热处理。在汽
2、车、拖拉机制造业中需热处理的零件达7080 %。模具、滚动轴承100%需经过热处理。 总之,重要零件都需适当热处理后才能使用。,滚动轴承,2、热处理特点: 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能,而不改变其形状。,3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料,不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,4、热处理分类 热处理原理:描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。 热处理工艺:根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。,依加热、冷却方式等不同,将热处理工艺分类如下:,5、预备热处理与最终热处理 预备热处理为随后的加工(冷拔、冲压
3、、切削)或进一步热处理作准备的热处理。 最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理。,冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 因加热冷却速度直接影响转变温度,因此一般手册中的数据是以30-50/h的速度加热或冷却时测得的。,6、临界温度与实际转变温度 铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。 实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象,因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;,第二节 钢在加热时的转变,加热是热处理的第一道工序。加热分两种:一种是在A1以下加热,不发生相变;另一种是在临界点以上加热,以获得均匀的奥氏体组织,称奥氏体化。,钢
4、坯加热,一、奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大的过程,分为四步。现以共析钢为例说明:,第一步 奥氏体晶核形成: 首先在与Fe3C相界形核. 第二步 奥氏体晶核长大: 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大。 第三步 残余Fe3C 溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体,因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。,第四步 奥氏体成分均匀化: Fe3C溶解后,其所在部位碳含量仍很高。通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。,共析钢奥氏体化过程,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析 或二次Fe3C的存在, 要获得全部奥氏体组织, 必须相应加热到Ac3或
5、 Accm以上。,二、奥氏体晶粒长大及其影响因素,1、奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度,此时晶粒细小均匀。 随加热温度升高或保温时间延长,奥氏体晶粒,将进一步长大,这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。,温来判断。 晶粒度为1-4 级的是本质粗晶粒钢,5-8 级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大,后者晶粒长大倾向小。,在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。 加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。 通常将钢加热到940 10奥氏体化后,设法把奥氏体晶粒保留到室,2、影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间:加热温度高、保温时间长, 晶粒粗
6、大。 加热速度: 速度越快, 过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细。,合金元素:阻碍奥氏体晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。,促进奥氏体晶粒长大的元素:Mn、P、C、N。 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大,冷却后的组织也粗大,降低钢的常温力学性能,尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,第三节 钢在冷却时的转变,冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织,迟早要发生转变。随过冷度不同,过冷奥氏体将发生
7、珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。 现以共析钢为例说明:, 珠光体转变 1、珠光体的组织形态及性能 过冷奥氏体在 A1到 550间将转变为珠光体类型组织,它是铁素体与渗碳体片层相间的机,械混合物,根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体., 珠光体: 形成温度为A1-650,片层较厚,500倍光镜下可辨,用符号P表示., 索氏体 形成温度为650 600,片层较薄.,800-1000倍光镜下可辨,用符号S 表示。, 托氏体 形成温度为600-550,片层极薄,电镜下可辨,用符号T 表示。,珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别,只是形态上的粗细之分,因此其界限也是相对的
8、.,片间距越小,钢的强度、硬度越高,而塑性和韧性略有改善.,2、珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成,在长大过程中,其两侧奥氏体的含碳量下降,促进了铁素体形核。,两者相间形核并长大,形成一个珠光体团. 珠光体转变是扩散型转变。,珠光体转变,珠光体转变过程,珠光体转变过程观察, 贝氏体转变 1、贝氏体的组织形态及性能 过冷奥氏体在550- 230 (Ms)间将转变为贝氏体类型组织,贝氏体用符号B表示。 根据其组织形态不同,贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下) 。, 上贝氏体 形成温度为550-350。 在光镜下呈羽毛状。 在电镜下为不连续棒状
9、的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。,下贝氏体 形成温度为350-230(Ms) 在光镜下呈竹叶状。,在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内,并与铁素体针长轴方向呈55-60角。,上贝氏体强度与塑性都较低,无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外,塑性、韧性也较好,即具有良好的综合力学性能,是生产上常用强化组织之一。,共析钢的强度硬度与等温相变温度的关系,2、贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形核和长大的过程。 发生贝氏体转变时,首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核,其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间,为过饱和铁素体。,当转变温度较高(550-350) 时,条片状铁素体从奥氏体
10、晶界向晶内平行生长,随铁素体条伸长和变宽,其碳原子向条间奥氏体富集,最后在铁素体条间析出Fe3C短棒,奥氏体消失,形成B上 。,上贝氏体转变过程,上贝氏体转变过程观察,贝氏体转变属半扩散型转变,即只有碳原子扩散而铁原子不扩散,晶格类型改变是通过切变实现的。,当转变温度较低(350- 230) 时,铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状,由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围,碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。,下贝氏体转变, 马氏体转变 当奥氏体过冷到 230 (Ms) 以下将转变为马氏体类型组织。 马氏体转变是强化钢的重要途径之一。 1、马氏体的晶体结构 碳在 -F
11、e 中的过饱和固溶体称马氏体, 用M表示。,马氏体组织,马氏体转变时,奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,马氏体具有体心正方晶格(a=bc) 轴比c/a 称马氏体的正方度。 C% 越高,正方度越大,正方畸变越严重。 当0.25%C时, c/a=1, 此时马氏体为体心立方晶格。,2、马氏体的形态 马氏体的形态分板条和针状两类。 板条马氏体 立体形态为细长的扁棒状 在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。,每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列,一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。 在电镜下,板条内的亚结构主要是高密度的位错,=1012/cm2,又称位错马氏体。, 针状马氏体 立体形态为双
12、凸透镜形的片状。显微组织为针状。 在电镜下,亚结构主要是孪晶,又称孪晶马氏体。, 马氏体的形态主要取决于其含碳量 C%小于0.2%时,组织几乎全部是板条马氏体。 C%大于1.0%时,几乎全部是针状马氏体. C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒,但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片,所以越是后形成的马氏体片越细小. 原始奥氏体晶粒细,转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时,该马氏体称隐晶马氏体.,马氏体转变观察,过冷奥氏体转变产物(共析钢),3、马氏体的性能 高硬度是马氏体性能的主要特点。 马氏体的硬度
13、主要取决于其含碳量。含碳量增加,其硬度增加。 当含碳量大于0.4%时,其硬度趋于平缓。 合金元素对马氏体硬度的影响不大。,马氏体硬度与含碳量的关系,马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外,马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构形式。针状马氏体脆性大,板条马氏体的塑性和韧性较好。,4、马氏体转变的特点 马氏体转变也是形核和长大过程。其主要特点是: 无扩散性,铁和碳原子都不扩散,因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。, 共格切变性 由于无扩散,晶格转变是以切变机制进行的。使切变部分的形状和体积发生变化,引起相邻奥氏体随之变形,在预先抛光的表面上产
14、生浮凸现象。, 降温形成 马氏体转变开始的温度称上马氏体点,用Ms 表示。 马氏体转变终了的温度称下马氏体点,用Mf 表示。 只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。 在Ms以下,随温度下降,转变量增加,冷却中断,转变停止。,高速长大 马氏体形成速度极快,瞬间形核,瞬间长大。 当一片马氏体形成时,可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。 转变不完全,即使冷却到Mf 点,也不可能获得100%的马氏体,总有部分奥氏体未能转变,而残留下来,称残余奥氏体,用A 或 表示。,Ms、Mf 与冷速无关,主要取决于奥氏体中的合金元素含量(包括碳含量)。 马氏体转变后,A 量随含碳量的增加而增加, 当含碳量达0.
15、5%后,A量才显著。,过冷奥氏体转变产物(共析钢),二、过冷奥氏体转变图,过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。,过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线。又称C 曲线、S 曲线或TTT曲线。, 过冷奥氏体的等温转变图,(Time-Temperature-Transformation diagram),A1,1、C曲线的建立 以共析钢为例: 取一批小试样并进行奥氏体化. 将试样分组淬入低于A1 点的不同温度的盐浴中,隔一定时间取一试样淬入水中。,测定每个试样的转变量,确定各温度下转变量与转变时间的关系。 将各温
16、度下转变开始时间及终了时间标在温度时间坐标中,并分别连线。 转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。,A1-Ms 间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。 转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。 两线之间及Ms与Mf之间为转变区。,2、C 曲线的分析 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。 孕育期越小,过冷奥氏体稳定性越小。 孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550。,在鼻尖以上,温度较高,相变驱动力小。 在鼻尖以下,温度较低,扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。 C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。,3、影响 C 曲线的因素 成分的影响
17、含碳量的影响:共析钢的过冷奥氏体最稳定,C曲线最靠右。Ms 与Mf 点随含碳量增加而下降。 与共析钢相比,亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。, 合金元素的影响 除Co外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。 除Co和Al外,所有合金元素都使Ms 与Mf 点下降。,Cr对C曲线的影响,合金元素对C曲线的影响,奥氏体化条件的影响 奥氏体化温度提高和保温时间延长,使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少,增加了过冷奥氏体的稳定性,使,析出颗粒对晶界的钉扎,C 曲线右移。 使用C 曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。, 过冷奥氏体连续冷却转变图 过冷奥氏体连续冷却转变图
18、又称CCT(Continuous-Cooling-Transformation diagram)曲线,是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,1、共析钢的CCT曲线 共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区,在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。 当连续冷却曲线碰到转变中止线时,珠光体转变中止,余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。,图中的 Vk 为CCT曲线的临界冷却速度,即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度. Vk为TTT曲线的临界冷却速度。Vk1.5Vk.,CCT曲线位于TTT曲线右下方。CCT曲线获得困难,TTT曲线容易测得。 可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方
19、法是将连续冷却曲线绘在C 曲线上,依其与C 曲线交点的位置来说明最终转变产物。,P,均匀A,细A,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,M+A,(水冷),淬火,45钢850油冷组织,2、过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区, 但比共析钢CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。由于Fe3C的析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高。 3、亚共析钢CCT 曲线有贝氏体转变区,还多AF开始线, F析出使A含碳量升高, 因而Ms 线右端下降。,亚共析钢的连续冷却组织,第四节 钢的退火与正火,机械零件的一般加工工艺为:毛坯 (铸、锻) 预,备热处理机加工最终热处理。
20、退火与正火主要用于预备热处理,只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。,一、退火,将钢加热至适当温度保温,然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺叫做退火。 1、退火目的,调整硬度,便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力,防止加工中变形。 细化晶粒,为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,2、退火工艺 退火的种类很多,常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。 完全退火,将工件加热到Ac3+3050 保温后缓冷的退火工艺,主要用于亚共析钢 ., 等温退火 亚共析钢加热到Ac3+3050, 共析、过共析钢加热到Ac1+3050,保温后快冷到Ar1以下
21、的某一温度下停留,待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间,更适合于孕育期长的合金钢.,高速钢等温退火与普通退火的比较, 球化退火 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。 它是将工件加热到Ac1+ 3050 保温后缓冷,或,者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下保温,使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。主要用于共析、过共析钢。,球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体,称球状珠光体,用P球表示。,对于有网状二次渗碳体的过共析钢,球化退火前应先进行正火,以消除网状。,二、正火 正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50,共析钢加热到Ac1+3050,过共析 钢加热到 Accm+
22、30 50保 温后空冷的工艺。 正火比退火冷却速度大。 1、正火后的组织: 0.6%C时,组织为F+S; 0.6%C时,组织为S 。,正火,2、正火的目的 对于低、中碳钢(0.6C%),目的与退火的相同。 对于过共析钢,用,于消除网状二次渗碳体,为球化退火作组织准备。 普通件最终热处理 要改善切削性能, 低碳,钢用正火, 中碳钢用退火或正火, 高碳钢用球化退火。,第五节 钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上,保温后以大于Vk速,度冷却,使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。 淬火是应用最广的热处理工艺之一。 淬火目的是为获得马氏体组织,提高钢的性能。,真空淬火炉,一、淬火温度,1、碳钢 亚共析钢,
23、淬火温度为Ac3+3050。 预备热处理组织为退火或正火组织。,亚共析钢淬火组织: 0.5%C时为M 0.5%C时为M+A。,在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。,亚温淬火组织为F+M,强度、硬度低, 但塑韧性好。, 共析钢 淬火温度为Ac1+3050;淬火组织为M+A。, 过共析钢 淬火温度: Ac1+3050. 温度高于Accm,则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A量增多。使钢硬度、耐磨性下降,脆性、变形开裂倾向增加。 淬火组织: M+Fe3C颗粒+A。(预备组织为P球),T12钢(含1.2%C)正常淬火组织,2、合金钢 由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长
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- 05 第五 热处理
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