钢的热处理很全面.ppt
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1、【重点内容】 1. 钢加热及保温的目的; 2. 奥氏体晶粒度的概念及影响因素; 3. 共析钢过冷奥氏体等温冷却曲线中各种温度区域内奥氏体 的转变产物及组织形貌,性能特点。 4. 过冷奥氏体连续冷却转变曲线的特点,冷却速度对钢的组 织变化和最终性能的影响; 5. 各种热处理的定义、目的、组织转变过程,性能变化,用 途和适用的钢种,零件的范围。 第4章 钢的热处理 【本章难点】 等温冷却曲线中各种温度区域内奥氏 体转变产物的组织形貌,性能特点、退火与 正火的工艺及目的、淬火加热温度的选择、 淬透性与淬硬性的概念及区别、回火的种类 及应用。 第4章 钢的热处理 【基本要求】 1.了解热处理的定义、目
2、的、分类及作用; 2.掌握钢加热和保温的目的 3.掌握钢在冷却转变时的产物及转变曲线; 4.熟悉钢的退火、正火、淬火、回火的目的、工艺 及应用; 5.掌握钢的淬透性概念、影响因素及与淬硬性的区 别; 6.了解表面热处理的目的及应用。 第4章 钢的热处理 第4章 钢的热处理 v改善钢的性能,主要有两条途径: v一是合金化,这是下几章研究的内容; v二是热处理,这是本章要研究的内容。 第一节 概述 v1、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. l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。 v在机床制造中约60-
3、70%的零 件要经过热处理。 v在汽车、拖拉机制造业中需 热处理的零件达70-80%。 l热处理是一种重要的加工工艺,在制造业被广泛应用. l模具、滚动轴承100%需经过 热处理。 l总之,重要零件都需适当热处 理后才能使用。 v2、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。 铸造 轧制 l3、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。 v4、热处理分类 v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。 v热处理工艺:根据热处理原理制定的温度、时间、 介质
4、等参数称热处理工艺。 (a)940淬火+220回火(板条M回+A少)(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火(板条M+条状F+A少) (e)940淬火+780淬火+220回火(板条M回+条状F+A少)(f)780淬火+220回火(板条M回+块状F) 20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织 v根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同,将 热处理工艺分类如下: 其他热处理 普通热处理 表面热处理 热处理 退火 正火 淬火 回火 真空热处理 形变热处理 激光热处理 控制气氛热处理 表面淬火感应加热、火焰加热、 电接触加热等 化学热处理渗碳、氮化、碳氮 共渗、渗其他元素等 v5、
5、预备热处理与最终热处理 v预备热处理为随后的加工(冷拔、冲压、切削) 或进一步热处理作准备的热处理。 v最终热处理赋予工件所要求的使用性能的热处理. 预备热处理最终热处理 W18Cr4V钢热处理工艺曲线 时间 温度/ 钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示 ;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 v由于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. l6、临界温度与实际转变 温度 l铁碳相图中PSK、GS、ES 线分别用A1、A3、Acm表示. l实际加热或冷却时存在着 过冷或过热现象,因此将 7 钢的热
6、处理工艺过程及工艺参数: 1、钢的热处理工艺过程:(两大工艺过程)热处理条件是要有 固态相变,要加热到A相。 加热过程: 有升温和保温两阶段。要求固相转变,要到相变温 度以上才可,也即要加热到化,需到A1,A3,Acm线以上温度才转变 ,由于加热时速度影响,因此要有一定的过热度才转变,也即要加 热到A1,A3,Acm线以上温度才转变,才能化。保温(时间)使零 件热透及化转变成分均匀; 冷却过程: 由于冷却也有一定速度,也有一定过冷度,它 要冷却到Ar1、Ar3,Arcm以下才能转变。以不同的速度冷却,可得到 不同的组织。 8、热处理的主要参数:有工艺过程可知 加热温度: 到Ac1,Ac3,Ac
7、cm才能全化。 保温时间: 保温的目的是使零件热透和相变完全以及成 分均匀化,从而使冷却后得到良好的组织性能。 冷却速度冷: 冷却介质有盐水、碱水、油、空气、水。 第4章 钢的热处理 钢的热处理视频 第二节 钢在加热时的转变 v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,目的是获得均匀的奥氏体组织,称奥氏体化。 钢坯加热 l一、奥氏体的形成过程 l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: v第一步 奥氏体晶核形成:首先在与Fe3C相界形核 。 v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
8、。 v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。 v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。 温度, 共析钢奥氏体化曲线(875退火) 共析钢奥氏体化过程 v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Accm以上. 二、奥氏体晶粒长大及其影响因素 v1、奥氏体晶粒长大 v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。 v随加热温度升高或
9、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。 l在给定温度下奥氏体的 晶粒度称实际晶粒度。 l加热时奥氏体晶粒的长 大倾向称本质晶粒度。 l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 v2、影响奥氏体晶粒长大的因素 v加热温度和保温时间: 加热温 度高、保温时间长, 晶粒粗大. v加热速度: 加热速度越快,过热 度越大, 形核率越高, 晶粒越细. l合金元素: l阻碍奥氏体晶粒长大的元
10、素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、 Mo、Cr、Al等碳化物和氮 化物形成元素。 析出颗粒 对黄铜晶 界的钉扎 Nb/% 奥氏体晶粒尺寸/m Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响 v促进奥氏体晶粒长大的元素:Mn、P、C、N。 v 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 v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。 箱式可控气氛多用炉 真空热处理炉 第三节 钢在冷却时的转变 v冷却是热处理更重要的工序。 v一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 v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
11、织,迟早要发生转变。随过冷度不 同,过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和 马氏体转变三种类型转变。 v现以共析钢为例说明: v 珠光体转变 v1、珠光体的组织形态及性能 v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 珠光体 索氏体托氏体 物,根据片 层厚薄不同, 又细分为珠 光体、索氏 体和托氏体. v 珠光体: v形成温度为A1-650 ,片层较厚,500倍光 镜下可辨,用符号P表 示. 光镜下形貌电镜下形貌 三维珠光体如同放在水中的包心菜 v 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
12、示。 电镜形貌 光镜形貌 v 托氏体 v形成温度为600-550,片层极薄,电镜下可辨, 用符号T 表示。 电镜形貌光镜形貌 v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。 片间距 b HRC l片间距越小,钢的强度、 硬度越高,而塑性和韧性 略有改善。 v2、珠光体转变过程 v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 长大,形成一个珠光体团。 l珠光体转变是扩散型转变。 氏体的含碳 量下降,促 进了铁素体 形核,两者 相间形核并 珠光体转变 珠光体转变过程 珠 光 体 转 变 过 程 观 察 v 贝
13、氏体转变 v1、贝氏体的组织形态及 性能 v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。 v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 下贝氏体 v 上贝氏体 v形成温度为550- 350。 v在光镜下呈羽毛状. v在电镜下为不连续 棒状的渗碳体分布 于自奥氏体晶界向 晶内平行生长的铁 素体条之间。 光镜下 电镜下 v下贝氏体 v形成温度为350- Ms。 v在光镜下呈竹叶状。 光镜下 电镜下 l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。 v上贝氏体强度与塑性都较低,无使
14、用价值。 v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,是生产上常用的 强化组织之一。 上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 下贝氏体 v2、贝氏体转变过程 v贝氏体转变也是形 核和长大的过程。 v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。 v当转变温度较高(550-350) 时,条片状铁素体从 奥氏体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
15、 v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。 l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 v 马氏体转变 v当奥氏体过冷到Ms以下将 转变为马氏体类型组织。 v马氏体转变是强化钢的重 要途径之一。 v1、马氏体的晶体结构 v碳在-Fe中的过饱和固溶 体称马氏体,用M表示。 马氏体组织 l马氏体转变时,奥氏体中的碳全部保留到马氏体中. v马氏体具有体心正方晶格(a=bc) v轴比c/a 称
16、马氏体的正方度。 vC% 越高,正方度越大,正方畸变越严重。 v当0.25%C时,c/a=1,此时马氏体为体心立方晶格 . v2、马氏体的形态 v马氏体的形态分板 条和针状两类。 v 板条马氏体 v立体形态为细长的 扁棒状 v在光镜下板条马氏 体为一束束的细条 组织。 光镜下 电镜下 v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。 v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。 SEM TEM v 针状马氏体 v立体形态为双凸透镜形的 片状。显微组织为针状。 v在电镜下,亚结构主要是 孪晶,又称孪晶马
17、氏体。 电镜下 电镜下光镜下 v 马氏体的形态主 要取决于其含碳量 vC%小于0.2%时,组 织几乎全部是板条马 氏体。 vC%大于1.0%C时几 乎全部是针状马氏体 . vC%在0.21.0%之间 为板条与针状的混合 组织。 马氏体形态与含碳量的关系 0.45%C0.2%C12%C 45钢正常淬火组织 v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. l原始奥氏体晶粒 细,转变后的马 氏体片也细。 l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 v3、马
18、氏体的性能 v高硬度是马氏体性 能的主要特点。 v马氏体的硬度主要 取决于其含碳量。 v含碳量增加,其硬 度增加。 l当含碳量大于0.6%时,其硬度趋于平缓。 l合金元素对马氏体硬度的影响不大。 马氏体硬度、韧性与含碳量的关系 C% v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。 v马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针 状马氏体脆性大,板条马氏体具有较好的塑性和韧性. 针状马氏体板条马氏体 马氏体的透射电镜形貌 v4、马氏体转变的特点 v马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是: v无扩散性 l铁和碳原子 都不扩散, 因而马氏体 的
19、含碳量与 奥氏体的含 碳量相同。 v 共格切变性 v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 光的表面上产生浮凸现象。 马氏体转变 切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸 v 降温形成 v马氏体转变开始的温度称 上马氏体点,用Ms 表示. l马氏体转变终了温度称 下马氏体点,用Mf 表示. l只要温度达到Ms以下即 发生马氏体转变。 l在Ms以下,随温度下降, 转变量增加,冷却中断, 转变停止。 Mf Ms M(50%) M(90%) v高速长大 v马氏体形成速度极快,瞬间形核,瞬间长大。 v当一片马氏体形成时,可能因撞击作用使
20、已形成的 马氏体产生裂纹。 v 转变不完全 l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。 vMs、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)。 v马氏体转变后,A 量随含碳量的增加而增加,当 含碳量达0.5%后,A量才显著。 含 碳 量 对 马 氏体 转 变 温 度 的 影响 含碳 量对残余奥 氏体 量的影响 过冷奥氏体转变产物(共析钢) 转变 类型 转变 产物 形成温 度, 转变 机制 显微组织特征HRC 获得 工艺 珠 光 体 PA1650 扩 散 型 粗片状,F、Fe3C相间分布5-2
21、0退火 S650600细片状,F、Fe3C相间分布20-30正火 T600550 极细片状,F、Fe3C相间分布 30-40 等温 处理 贝 氏 体 B上550350 半扩 散型 羽毛状,短棒状Fe3C分布于 过饱和F条之间 40-50 等温 处理 B下350MS 竹叶状,细片状Fe3C分布于 过饱和F针上 50-60 等温 淬火 马 氏 体 M针MSMf 无扩 散型 针状60-65淬火 M*板条MSMf板条状50淬火 二、过冷奥氏体转变图 v过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变 两种。 两种冷却方式 示意图 1等温冷却 2连续冷却 v过冷奥氏体的等温转 变图是表示奥氏体急 速冷却到临
22、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) v1、C曲线的建立 v以共析钢为例: v取一批小试样 并进行奥氏体化. v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。 v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。 v将各温度下转变开始 时间及终了时间标在温 度时间坐标中,并分 别连线。 v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。 4-3 钢在
23、热处理冷却时的组织转变 TTT vA1-Ms 间及转 变开始线以左 的区域为过冷 奥氏体区。 v转变终了线以 右及Mf以下为 转变产物区。 v两线之间及Ms 与Mf之间为转 变区。 时间 温度 A1 MS Mf A 过冷 P B M AM AB AP 转变开始线 转变终了线 奥氏体 550 650 2s10s 5s 2s 5s 10s 30s 40s v2、C 曲线的分析 v 转变开始线与纵 坐标之间的距离为 孕育期。 v孕育期越小,过冷 奥氏体稳定性越小. v孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳 钢鼻尖处的温度为 550。 v在鼻尖以上, 温度较 高,相变驱动力小. v在鼻尖以下,温度 较低
24、,扩散困难。 从而使奥氏体稳定 性增加。 v 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。 v3、影响C 曲线的因素 v 成分的影响 v 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。 v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。 Cr对C曲线的影响 v 合金元素的 影响 v除Co 外, 凡溶 入奥氏体的合金 元素都使C 曲线 右移。 l除Co和Al 外 ,所有合金元 素都使Ms 与 Mf 点下降。 推杆式电阻炉 v 奥氏体化条件的影响 v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
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