第05章钢的热处理北大.ppt
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1、机械工程材料 第五章 钢的热处理 本章主要介绍了钢的热处理的基本原 理、普通热处理、表面热处理以及特 种热处理工艺及应用。要求掌握钢在 加热时的转变、过冷奥氏体等温冷却 转变、淬火钢的回火转变、普通热处 理及表面热处理工艺及应用。了解钢 的特种热处理 机械工程材料 引例 早在铜器时代,人类就发现金属的性能会 因温度的影响而变化刀剑加热后放到 水中冷却后会变得更强韧 1863年人发现钢在加热时的组织变化规律 法国人确立了同素异构理论,英国人最早 制订了铁碳相图 这些都为现代热处理工艺奠定了理论基础 机械工程材料 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
2、本章要研究的内容。 机械工程材料 5.1 概述 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。 热处理工艺曲线 1-连续冷却;2-等温处理 机械工程材料 在机床制造中约60-70%的零件 要经过热处理。 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。 机械工程材料 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
3、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。 机械工程材料 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。 (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
4、处理工艺的显微组织 机械工程材料 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 机械工程材料 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、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. 预备热处理最终热处理 W18Cr4V钢热处理工艺曲线 时间 温度/ 机械工程材料 钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3
5、、Accm表示 ;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 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。 l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 机械工程材料 5.2 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,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
6、说明: 机械工程材料 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。 机械工程材料 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) 机械工程材料 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Acc
7、m 以上。 机械工程材料 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。 机械工程材料 机械工程材料 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 机械工程材料 2、影
8、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, 晶粒粗大. 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素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W 、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。 l促进奥氏体晶粒长大的元素:Mn、P、C、N。 Nb/% 奥氏体晶粒尺寸/m Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响 机械工程材料 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。 机械工程材料 5.3
9、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: 机械工程材料 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 索氏体托氏体 机械工程材料 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.
10、光镜下形貌电镜下形貌 机械工程材料 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。 电镜形貌 光镜形貌 机械工程材料 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。 电镜形貌光镜形貌 机械工程材料 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。 机械工程材料 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
11、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。 机械工程材料 珠光体转变过程 机械工程材料 机械工程材料 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 下贝氏体 机械工程材料 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 机械工程材料 下贝氏体 形成温度为350-Ms。 在光镜下呈竹叶
12、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。 机械工程材料 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 机械工程材料 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。 机械工程材料 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
13、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 机械工程材料 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 机械工程材料 机械工程材料 马氏体转变 当奥氏体过冷到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-Fe中
14、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. 机械工程材料 机械工程材料 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 。 机械工程材料 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。 光镜下 电镜下 机械工程材料 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
15、要是高密度的位错, =1012/cm2,又称位错马 氏体。 SEM TEM 机械工程材料 针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的 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。 电镜下 电镜下光镜下 机械工程材料 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%C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 。 马氏体形态与含碳量的关系 0.45%C0.2%C12%C 机械工程材料 45钢正常淬火组织 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
16、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. 机械工程材料 3、马氏体的性能 高硬度是马氏体性 能的主要特点。 马氏体的硬度主要 取决于其含碳量。 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% 机械工程材料 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的形式。针 状马氏体脆性大,板条马氏体具有较
17、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 机械工程材料 4、马氏体转变的特点 马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是: 无扩散性 l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。 机械工程材料 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 机械工程材料 降温形成 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
18、体转变。 Mf Ms M(50%) M(90%) 在Ms以下,随温度下降,转变量增加,冷却中断,转 变停止。 Ms、 Mf 与冷却温度无关,只与碳、合金元素含量 有关。 机械工程材料 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 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。 机械工程材料 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0.5%后,A量才
19、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 机械工程材料 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5-20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
20、 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 机械工程材料 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。 两种冷却方式 示意图 1等温冷却 2连续冷却 机械工程材料 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) 机械工程材料 1、C曲线的建立 以共析钢为例: 取一批小试样并
21、 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。 机械工程材料 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。 机械工程材料 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 。 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 机械工程材料 550
22、650 2s10s 5s 2s 5s 10s 30s 40s 机械工程材料 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 。 机械工程材料 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 。 机械工程材料 3、影响C 曲线的因素 成分的影响 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
23、析钢C曲线的上部各多一条 先共析相的析出线。 机械工程材料 Cr对C曲线的影响 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。 l除Co和Al 外,所有合金元素都使Ms 与Mf 点下降。 机械工程材料 推杆式电阻炉 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. 机械工程材料 过冷奥氏体连续冷却转变图 过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous- Cooling-Transformation diagram)曲
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