【材料课件】第5章 金属材料的改性处理.ppt
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1、第五章 金属材料的改性处理,改善金属材料的性能,主要可以通过如下几种途径: 合金化 即加入合金元素,调整材料的化学成分。可显著提高钢的强度、硬度和韧性,并使其具有耐蚀、耐热等特殊性能 热处理 即金属材料通过不同的加热、保温和冷却的方式,使其内部的组织结构发生变化,以达到改善加工工艺性能和强化力学性能的目的 细晶强化 即通过增加过冷度和变质处理细化晶粒,使金属材料的强度、硬度和塑、韧性都得到提高。 冷变形强化 即对金属材料进行冷塑性变形,改变其组织、结构,使强度、硬度提高,而塑性、韧性下降 本章主要介绍钢的热处理、钢的表面强化处理、铸铁的改性处理等有关内容,5.1金属材料的改性处理理论基础,5.
2、1.1钢在加热时的组织转变 Fe-Fe3C相图中,PSK、GS、ES三条线是钢的固态平衡临界温度线,分别以A1、A3、Acm表示 但在实际加热时,相变临界温度都会有所提高。为区别于平衡临界温度,分别以Ac1、Ac3、Accm表示 实际冷却时,相变临界温度又都比平衡时的临界温度有所降低,分别以Ar1、Ar3、Arcm表示,图5-1为这些临界温度线在Fe-Fe3C相图上的位置示意图。上述的实际临界温度并不是固定的,它们受到含碳量、合金元素含量、奥氏体化温度、加热和冷却速度等因素的影响而变化,1.奥氏体的形成,以共析碳钢为例,常温组织为珠光体,当温度加热到Acl以上时,必将发生奥氏体转变,其转变也是
3、由形核和核长大两个基本过程完成的。此时珠光体很不稳定,铁素体和渗碳体的界面在成分和结构上处于有利于转变的条件,首先在这里形成奥氏体晶核,随即建立奥氏体与铁素体以及奥氏体与渗碳体之间的平衡,依靠铁、碳原子的扩散,使邻近的铁素体晶格改组为面心立方晶格的奥氏体。同时,邻近的渗碳体不断溶入奥氏体,一直进行到铁素体全部转变为奥氏体,这样各个奥氏体的晶核均得到了长大,直到各个位向不同的奥氏体晶粒接触为止。,由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体的差别很大,故铁素体向奥氏体的转变速度要比渗碳体向奥氏体的溶解快得多。渗碳体完全溶解后,奥氏体中碳浓度的分布是不均匀的,原来是渗碳体的地方碳浓度较高,原先是铁素体的
4、地方碳浓度较低,必须继续保温,通过碳的扩散获得均匀的奥氏体。,上述奥氏体的形成过程可以看成由奥氏体形核、晶核的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化四个阶段组成,图2-1-2示意说明了转变的整个过程。,亚共析钢和过共析钢的完全奥氏体化过程与共析钢基本相似。亚共析钢加热到Ac1以上时,组织中的珠光体先转变为奥氏体,而组织中的铁素体只有在加热到Ac3以上时才能全部转变为奥氏体。同样,过共析钢只有加热到Accm以上时才能得到均匀的单相奥氏体组织。,2. 奥氏体晶粒大小及影响因素,钢的奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后所得的组织和性能。奥氏体的晶粒越细,冷却后的组织也越细,其强度、塑性和韧性愈好。因此在
5、用材和热处理工艺上,如何获得细的奥氏体晶粒,对工件最终的性能和质量具有重要意义,(1) 奥氏体晶粒度,晶粒度是表示晶粒大小的一种指标,奥氏体晶粒度有三种不同的概念 起始晶粒度 是指珠光体刚刚全部转变成奥氏体时其晶粒的大小 实际晶粒度 是指钢在某个具体热处理或热加工条件下所获得的奥氏体晶粒的大小 本质晶粒度 表示钢在规定条件下奥氏体晶粒的长大倾向,根据奥氏体晶粒在加热时长大的倾向性不同,将钢分为两类 一类是晶粒长大倾向小的钢,称本质细晶粒钢 另一类是晶粒长大倾向大的,称本质粗晶粒钢 据冶金部标准规定,本质晶粒度是将钢加热到93010、保温38小时冷却后,在显微镜下放大100倍测定的奥氏体晶粒的大
6、小,本质细晶粒钢在加热到临界点Ac1以上直到930晶粒并无明显长大,超过此温度后,由于阻止晶粒长大的氧化铝等不熔质点消失,晶粒随即迅速长大 本质粗晶粒钢,由于没有氧化物等阻止晶粒长大的因素,加热到临界点Acl以上,晶粒开始不断长大,在工业生产中,一般经铝脱氧的钢大多是本质细晶粒钢,而只用锰硅脱氧的钢为本质粗晶粒钢;沸腾钢一般都为本质粗晶粒钢,而镇静钢一般为本质细晶粒钢。需经热处理的工件一般都采用本质细晶粒钢。 为了评定奥氏体晶粒的大小,制定了奥氏体晶粒等级标准,如图5-3所示。一般结构钢的奥氏体晶粒度分为8级,1级最粗,8级最细,一般认为14级为粗晶粒,58级为细晶粒。,(2)影响奥氏体晶粒度
7、的因素,加热温度和保温时间 随着奥氏体晶粒长大,晶界总面积减少而系统的能量降低。所以在高温下奥氏体晶粒长大是一个自发过程。奥氏体化温度越高,晶粒长大越明显。在一定温度下,保温时间越长越有利于晶界总面积减少而导致晶粒粗化,钢的成分 奥氏体中含碳量增加时,奥氏体晶粒的长大倾向也增大,碳是一个促使钢的奥氏体晶粒长大的元素。如果碳以未溶碳化物的形式存在,则具有阻碍晶粒长大的作用 钢中加入能形成稳定碳化物的元素(如Ti、V、Nb、Zr等),能生成氧化物和氮化物的元素(如A1),都会不同程度地阻碍奥氏体晶粒长大。因为这些碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上,起到了阻碍晶粒长大作用。 Mn和P是促进奥氏体
8、晶粒长大的元素,在热处理加热温度的选择和温度控制中必须小心谨慎,以免晶粒长大而导致工件性能下降,5.1.2 钢在冷却时的组织转变,钢加热奥氏体化后,再进行冷却,奥氏体将发生变化。因冷却条件不同,转变产物的组织结构也不同,性能也会有显著的差异。所以,冷却过程是热处理的关键工序,决定着钢在热处理后的组织和性能。,热处理的冷却方式可分为两种: 种是将奥氏体迅速冷至Ar1以下某个温度,等温停留一段时间,再继续冷却,通常称之为“等温冷却”,见图2-1-4中曲线1 另一种是将奥氏体以一定的速度冷却,如水冷、油冷、空冷、炉冷等,称为“连续冷却”, 见图2-1-4中曲线2,钢在高温时形成的奥氏体,过冷至Ar1
9、以下,成为热力学上不稳定状态的过冷奥氏体。现以共析钢为例,讨论过冷奥氏体在不同冷却条件下的转变形式及其转变产物的组织和性能。,1.过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线),(1)过冷奥氏体等温转变曲线(TTT图)的建立 共析碳钢的等温转变曲线通常采用金相法配合测量硬度的方法建立,有时需用磁性法和膨胀法给予补充和校核。,如图5-5所示。将一系列共析碳钢薄片试样加热到奥氏体化后,分别迅速投入Ac1以下不同温度的等温槽中,使之在等温条件下进行转变,每隔一定时间取出一块,立即在水中冷却,对各试样进行金相观察,并测定硬度,由此得出在不同温度、不同恒温时间下奥氏体的转变量。并分别测定出过冷奥氏体的转变开始和转变终
10、了时间,将所得结果标注在温度与时间的坐标系中,再将意义相同的点连接起来,即可得TTT图 因曲线形状如字母“C”,故又称为C曲线。图5-6为完整的共析钢C曲线,图中标出了过冷奥氏体在各温度范围等温所得组织和硬度。应当注意的是,这里时间采用了对数坐标分度,(2) 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能,C曲线上方一条水平线为A1线,在A1线以上区域奥氏体能稳定存在。在C曲线中,左边一条曲线为转变开始线,在A 1线以下和转变开始线以左为过冷奥氏体区。由纵坐标轴到转变开始线之间的水平距离表示过冷奥氏体等温转变前所经历的时间,称为孕育期。,由C曲线形状可知,过冷奥氏体等温转变的孕育期随着等温温度而变化,C曲
11、线鼻尖处的孕育期最短,过冷奥氏体最不稳定,提高或降低等温温度,都会使孕育期延长,过冷奥氏体稳定性增加 C曲线中右边一条线为转变终止线,其右边的区域为转变产物区,两条曲线之间的区域为转变过渡区, 即转变产物与过冷奥氏体共存区 C曲线下方的两条水平线: Ms(230)为马氏体转变的开始线 Mf(-50)为马氏体转变的结束线,由C曲线图可知,奥氏体在不同的过冷度有不同的等温转变过程,相应有不同的转变产物,以共析钢为例,根据转变产物的不同特点,可划分为三个转变区,珠光体类型组织转变区 过冷温度在A1550之间的转变产物为珠光体类型组织 如图2-1-5所示,首先在奥氏体晶界或缺陷密集处形成渗碳体晶核,而
12、后依靠周围奥氏体不断供给碳原子而长大,同时渗碳体晶核周围的奥氏体中含碳量逐渐减少,于是-Fe晶格转变为-Fe晶格而成为铁素体。铁素体的溶碳能力很低,在长大过程中将过剩的碳扩散到相邻的奥氏体中,使其含碳量升高,又为生成新的渗碳体核晶创造条件。这样反复进行,奥氏体就逐渐转变成渗碳体和铁素体片层相间的珠光体组织 随着转变温度的下降,渗碳体形核和长大加快,因此形成的珠光体变得越来越细,为区别起见。根据片层间距的大小,将珠光体类组织分为珠光体、索氏体、托氏体,其形成温度范围、组织和性能见表2-1-1。,表2-1-1 共析碳钢的三种珠光体类组织与性能,贝氏体转变区 过冷温度在550Ms之间,转变产物为贝氏
13、体(B) 贝氏体是铁素体及其分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织 奥氏体向贝氏体的转变属半扩散型转变,铁原子基本不扩散而碳原子尚有一定扩散能力 当转变温度在550350范围内,先在奥氏体晶界上碳含量较低的地方生成铁素体晶核,然后向晶粒内沿一定方向成排长大成一束大致平行的含碳微过饱和的铁素体板条。在此温度下碳仍具有一定的扩散能力,铁素体长大时它能扩散到铁素体外围,并在板条的边界上分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片,形成羽毛状的组织,称为上贝氏体(B上),见图5-7、图5-8,当温度降到350Ms之间时,铁素体晶核首先在奥氏体晶界或晶内某些缺陷较多的地方形成,然后沿奥氏体的一定晶向呈片状长大
14、。因温度较低,碳原子的扩散能力更小,只能在铁素体内沿一定的晶面以细碳化物粒子的形式析出,并与铁素体叶片的长轴成5560。这种组织称下贝氏体(B下),在光学显微镜下呈暗黑色针叶状,如图5-9、图5-10所示,贝氏体的力学性能完全取决于显微组织结构和形态。上贝氏体中铁素体较宽,塑性变形抗力较低。同时渗碳体分布在铁素体之间,容易引起脆断,在工业生产上应用价值较低。下贝氏体组织中的片状铁素体细小,碳的过饱和度大,位错密度高。而且碳化物沉淀在铁素体内弥散分布,因此硬度高、韧性好,具有较好的综合力学性能。共析钢下贝氏体硬度为 4555HRC,生产中常采用等温淬火的方法获得下贝氏体组织。,马氏体转变 钢从奥
15、氏体状态快速冷却到Ms温度以下,则发生马氏体转变。由于温度很低,碳来不及扩散,全部保留在-Fe中,形成碳在-Fe中过饱和的固溶体,即马氏体(M) 此转变属非扩散型转变,Ms、Mf分别为马氏体转变的开始点和终止点。过冷奥氏体快速冷却至Ms(230)则开始发生马氏体转变,直至Mf(-50)转变结束。如仅冷却到室温,仍有一部分奥氏体未转变而被保留下来。通常将奥氏体在冷却过程中发生相变后,在环境温度下残存的奥氏体叫做残余奥氏体,因此马氏体转变量主要取决于Mf线。奥氏体中的含碳量越高,Mf点越低,转变后的残余奥氏体量也就越多,如图5-11所示。,马氏体的显微组织形态主要有板条状和片状两种 含碳量小于0.
16、2时,马氏体呈板条状,如图5-12所示 含碳量大于1.0时,马氏体呈片状或针叶状,如图5-13所示 含碳量介于0.21.0的马氏体,则是由板条状马氏体和片状马氏体混合组成,且随着奥氏体含碳量的增加,板条状马氏体数量不断减少,而片状马氏体逐渐增多 板条状马氏体和片状马氏体性能比较见表2-1-2。,表2-1-2板条状马氏体和片状马氏体的性能,马氏体的硬度主要与其含碳量有密切的关系。 如图5-14所示,随着含碳量的增加,马氏体的 硬度增加,尤其在含碳量较低的情况下,硬度增加较明显,但当含碳量超过0.6%时硬度不再继续增高,这一现象是由于奥氏体中含碳量增加,导致淬火后的残余奥氏体的量增加而总的硬度下降
17、之故。,马氏体的塑性和韧性也和含碳量有关。因高碳马氏体晶格的畸变增大,淬火应力也较大,往往存在许多内部显微裂纹,所以塑性和韧性都很差。低碳板条状马氏体中碳的过饱和度较小,淬火内应力较低,一般不存在显微裂纹,同时板条状马氏体中的高密度位错是不均匀分布的,存在低密度区,为位错运动提供了活动余地,所以板条状马氏体具有较好的塑性和韧性。在生产上利用低碳马氏体的优点,常采用低碳钢淬火和低温回火工艺获得性能优良的回火马氏体,这样不仅降低了成本,而且得到了良好的综合力学性能。,(3)影响C曲线的因素,含碳量的影响 含碳量对C曲线的形状和位置有很大的影响。随着奥氏体中含碳量的增加,其过冷奥氏体稳定性增加,C曲
18、线的位置右移。应当指出,在常热处理加热条件下,对过共析钢规定淬火加热温度为Ac1以上3050,虽然钢中的含碳量增大,但奥氏体中的含碳量并不增高,而未溶渗碳体量增多,可以作为珠光体转变的核心,促进奥氏体分解,因而C曲线左移。因此在通常的热处理加热条件下,对亚共析钢,碳的增加将使C曲线右移;对过共析钢,碳的增加将使C曲线左移;而共析钢的过冷奥氏体最稳定,C曲线最靠右边,如图5-15所示。,亚共析钢、过共析钢的C曲线和共析钢的C曲线比较,亚共析钢在奥氏体向珠光体转变之前,有先共析铁素体析出,C曲线图上有一条先共析铁素体线(图5-15a),而过共析钢存在一条二次渗碳体的析出线(图5-15c)。,合金元
19、素的影响 除了钴以外,所有的合金元素溶入奥氏体后,都增大其稳定性,使C曲线右移。碳化物形成元素含量较多时,使C曲线的形状也发生变化,如图2-1-16所示。必须注意,合金元素如未完全溶入奥氏体,而以化合物(如碳化物)形式存在时,在奥氏体转变过程中将起晶核作用,使过冷奥氏体稳定性下降,C曲线左移。 除Co、Al之外,溶于奥氏体中的合金元素均会不同程度地降低马氏体转变的开始温度Ms与马氏体转变的终了温度Mf,使钢淬火到室温时的残余奥氏体量增加,加热温度和保温时间的影响 随着加热温度的提高和保温时间的延长,奥氏体的成分更加均匀,作为奥氏体转变的晶核数量减少,同时奥氏体晶粒长大,晶界面积减少,这些都不利
20、于过冷奥氏体的转变,从而提高了过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移。,作业: 4-2 4-3 4-5 5-3 5-6 5-7 8-1 8-3 8-4 9-7 10-1 10-2 11-1,2. 过冷奥氏体连续转变曲线(CCT图),在生产实践中,奥氏体大多是在连续冷却中转变的,这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线图(又称CCT图),图5-17中实线为共析碳钢的CCT图。,(1)CCT图的特点,图中Ps线和Pf线分别表示过冷奥氏体向珠光体转变的开始线和终了线。K线表示过冷奥氏体向珠光体转变中止线。凡连续冷却曲线碰到K线,过冷奥氏体就不再继续发生珠光体转变,而一直保持到Ms温度以下,转变为马氏体。
21、从图5-17可看出,连续冷却转变曲线位于等温转变曲线右下方,这两种转变的不同处在于: 在连续冷却转变曲线中,珠光体转变所需的孕育期要比相应过冷度下的等温转变略长,而且是在一定温度范围中发生的 共析碳钢和过共析碳钢连续冷却时一般不会得到贝氏体组织,(2)临界冷却速度,连续冷却转变时,过冷奥氏体的转变过程和转 变产物取决于冷却速度,如图5-17所示,与CCT曲线相切的冷却曲线Vk叫做淬火临界冷却速度,它表示钢在淬火时过冷奥氏体全部发生马氏体转变所需的最小冷却速度。Vk值愈小,钢在淬火时愈容易获得马氏体组织,即钢接受淬火能力愈大。Vk称为TTT图的上临界冷却速度。相比之下,Vk Vk 。可以推断,在
22、连续冷却时用Vk作为临界冷却速度去研究钢的接受淬火能力大小是不合适的,图5-17表明,按不同冷却速度连续冷却时,过冷奥氏体转变成不同的产物: 5.5秒珠光体; 33秒珠光体和少量马氏体; 138秒马氏体和残余奥氏体。,2.2钢的热处理,钢的热处理(heat treatment),是将钢在固态下进行加热、保温和冷却,改变其内部组织,从而获得所需要性能的一种金属加工工艺 通过热处理,能有效地改善钢的组织,提高其力学性能并延长使用寿命,是钢铁材料重要的强化手段 机械工业中的钢铁制品,几乎都要进行不同的热处理才能保证其性能和使用要求。所有的量具、模具、刃具和轴承,70%80%的汽车零件和拖拉机零件,6
23、0%70%的机床零件,都必须进行各种专门的热处理,才能合理的加工和使用,钢的热处理可分为整体热处理和表面热处理两大类 整体热处理包括退火正火、淬火、回火 表面热处理包括表面淬火和化学热处理 本节主要介绍整体热处理各工艺的特点、操作及应用。钢的表面热处理各工艺的特点、操作及应用将在下一节中讲述,2.2.1 退火和正火,退火与正火主要用于各种铸件、锻件、热轧型材及焊接构件,由于处理时冷却速度较慢,故对钢的强化作用较小,在许多情况下不能满足使用要求。除少数性能要求不高的零件外,一般不作为获得最终使用性能的热处理,而主要用于改善其工艺性能,故称为预备热处理,退火与正火的目的有以下几点:,消除残余内应力
24、,防止工件变形、开裂 改善组织,细化晶粒 调整硬度,改善切削性能 为最终热处理(淬火、回火)作好组织上的准备,1.退火,退火是将钢加热至适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺 根据目的和要求的不同,工业上常用的退火工艺有: 完全退火 等温退火 球化退火 去应力退火 均匀化退火,(1)完全退火,完全退火是将亚共析钢加热至Ac3以上3050,经保温后随炉冷却(或埋在砂中或石灰中冷却)至500以下在空气中冷却,以获得接近平衡组织的热处理工艺,(2) 等温退火,等温退火是将钢加热至Ac3以上3050,保温后较快地冷却到Ar1以下某一温度等温,使奥氏体在恒温下转变成铁素体和珠光体,然后出炉空冷
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