热处理原理与工艺教学概论PPT.ppt
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1、热处理原理与工艺,参考教材:机械出版社, 候旭明,Heat treatment Theory and Technology,联系方式,姓 名:王宇 电 话:18072517981 办公室地址:B号楼313-2 Q Q:1755106539,第1次课,本次课主要内容: 1. 热处理的基本概念; 2. 热处理的发展过程; 3. 本门课程的主要内容,学习目的,意义及要求,考试方法; 4. 固态相变的定义,分类及基本特征; 5. 固态相变的形核与长大(钢在加热时的奥氏体转变)。,问题的引出:,1. 什么是热处理?,2. 热处理的作用?,将固态金属通过特定的加热和冷却,使之发生组织转变以获得所需性能的一
2、种工艺过程。,材料科学的发展历史,材料与人类的生活息息相关 工程上 桥梁,机械,船舶,航天,兵器等 日常生活中,1.2 金属热处理在现代工业中的地位 冶金,机械,航空,兵器等工业部门不可缺少的技术; 提高产品质量和寿命的关键工序; 发挥金属材料潜力,达到机械零部件轻量化的重要手段; 为开发新型材料提供了基础。,1.3 热处理的发展概况,民间技艺阶段,实验技术科学阶段,理论科学阶段,西汉时代已有淬火处理的钢剑(辽宁三道壕出土),炼钢赤刀,用之切玉如泥焉,明代宋应星天工开物 十九世纪后期,钢加热/冷却时,内部组织变化性能变化的内部原因 英国 Robert Austen Fe-C相图 德国 Adop
3、h Martens 金相显微镜 austenite martensite 马氏体相变理论 新的强韧化工艺,1.4 本课程的主要内容,学习的意义,目的,方法,主要内容 金属固态相变基础 钢中奥氏体的形成 珠光体,马氏体,贝氏体转变 钢的过冷奥氏体转变图 钢的回火转变 钢的退火,正火,淬火与回火,学习的意义 系统地掌握金属热处理的基本原理和工艺方法 ; 加深对热处理规律的认识; 培养学生应用所学知识去分析和解决实际问题的能力。 学习的方法 理论联系实际,参考书: 1. 田荣璋. 金属热处理. 冶金工业出版社,1985年; 2. 王希琳. 金属材料及热处理. 水利电力出版社,1992年; 3夏立芳编
4、.金属热处理工艺学.哈尔滨工业大学出版社,2005年。 考试方式 考试采取闭卷形式。考核方式:笔试(50%),实验(30%),平时成绩(20%),第一章 奥氏体的形成,1.1 奥氏体及其形成机理,1.1.1 奥氏体的结构及其存在范围,图2-1 奥氏体的单胞,奥氏体是碳溶于-Fe 中的间隙固溶体 碳原子位于八面体间隙中心,即FCC晶胞的中心或棱边的中点 八面体间隙半径 0.52 碳原子半径 0.77 点阵畸变,统计分布,浓度起伏,图2-2 Fe-C 相图,1.1.2 奥氏体的性能 奥氏体的比容最小,线膨胀系数最大,且为顺磁性(无磁性)。利用这一特性可以定量分析奥氏体含量,测定相变开始点,制作要求
5、热膨胀灵敏的仪表元件。 奥氏体的导热系数较小,仅比渗碳体大。为避免工件的变形,不宜采用过大的加热速度。 奥氏体塑性很好,S 较低,易于塑性变形。故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。,1.1.3 奥氏体形成的热力学条件,图2-3 自由能和温度关系图,G = V Gv + S + V - Gd (2-1),- Gd - 在晶体缺陷处形核引起的自由能降低,相变必须在一定的过热度T下,使得GV 0,才能得到G0。所以相变必须在高于 A1 的某一温度下才能发生,奥氏体才能开始形核。,图2-4 以0.125/min加热和冷却时,Fe-C相图中临界点的移动,加热时临界点加注c : Ac1 Ac3 Acc
6、m 冷却时临界点加注r : Ar1 Ar3 Arcm,1.1.4 奥氏体的形成机理 奥氏体的形成为形核长大、扩散型相变 奥氏体的形成过程可分成四个阶段: (1)奥氏体的形核 (2)奥氏体的长大 (3)渗碳体的溶解 (4)奥氏体的均匀化,(1)奥氏体的形核,形核的成分、结构条件,形核位置 鉴于相变对成分、结构以及能量的要求,晶核将在/Fe3C相界面上优先形成,这是由于: 相界面形核,可以消除部分晶体缺陷而使体系的自由能降低,有利于相变对能量的要求。 相界面两边的碳浓度差大,较易获得与新相奥氏体相适配的碳浓度,况且碳原子沿界面扩散较晶内为快,从而加速了奥氏体的形核。 相界面处,原子排列较不规则,易
7、于产生结构起伏,从而由BCC改组成FCC。,(2)奥氏体的长大,图2-6 相界面上的碳浓度及扩散,由于 /Fe3C相界面的碳浓度差 Ck 较大,Fe3C本身复杂的晶体结构,使得奥氏体向渗碳体方向的长大速度远比向铁素体方向为小,所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体的溶解要快得多,铁素体先消失,而渗碳体有剩余。,(3)剩余渗碳体的溶解 剩余渗碳体借助于Fe、C原子的扩散进一步溶解。 (4)奥氏体成分的均匀化 原渗碳体部位的碳浓度高,原铁素体部位的碳浓度低。 通过Fe、C原子在新形成奥氏体中的扩散,实现奥氏体成分的均匀化。,思考题,1. 共析钢在加热时,当温度达到相变温度A1时,就开始发生由珠光体向奥氏
8、体的转变吗?,2. 合金钢中的奥氏体是碳及合金元素溶于-Fe中并形成间隙固溶体吗?,作 业,1. 什么是奥氏体?简要叙述奥氏体的空间结构和主要性能。 2. 以共析钢为例,简要回答奥氏体的形成过程(要求画图说明)。 3. 预习,1.2 奥氏体等温形成动力学,1.2.1 形核率,为了满足形核的热力学条件,需依靠能量起伏,补偿临界晶核形核功,所以形核率应与获得能量涨落的几率因子 exp(G*/kT) 成正比。 为了达到奥氏体晶核对成分的要求,需要原子越过能垒,经扩散富集到形核区,所以应与原子扩散的几率因子 exp(Gm /kT) 成正比。,N = C exp(-G*/kT)exp(-Gm/ /kT)
9、 (2-3) 式中: C - 常数 G* - 临界形核功 Gm - 扩散激活能 k - 玻尔兹曼常数,= 1.38X10-23 J/K T - 绝对温度 N - 形核率,单位 1/(mm3 s) 与结晶不同的是,PA的相变,是在升高温度下进行的相变。 温度升高时, G* , Gm ,从而形核率 N 增大。,1.2.3 奥氏体等温形成动力学曲线,设新形成的奥氏体为球状,则由约翰逊-迈尔方程(Johnson-Mehl方程):,Vt - 新形成奥氏体的体积分数,转变量达50%左右时,转变速度最大。 转变温度越高,奥氏体形成的孕育期越短。 转变温度越高,完成转变所需的时间越短。,图2-8 奥氏体等温形
10、成动力学曲线,形成温度升高,N的增长速率高于G的增长速率,N/G增大,可获得细小的起始晶粒度。 形成温度升高,G/Gk 增大,铁素体消失时,剩余渗碳体量增大,形成奥氏体的平均碳含量降低。,从上图我们可以得出如下结论: 孕育期:从A形成第一个体积前的准备时间。 T升高,孕育期缩短; 孕育期是扩散型相变的特点 2. A转变的量随时间的增加而增加,但达50%以后随时间增加而减慢; 3. 随温度升高,转变时间缩短; 4. A刚刚形成后,仍有渗碳体存在,渗碳体溶解及均匀化需较长时间。,1.2.4 连续加热时奥氏体的形成特点,图2-9 珠光体向奥氏体转变动力学曲线,奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。 随
11、加热速度增大,转变趋向高温,且转变温度范围扩大,而转变速度则增大。 随加热速度增大,C,Fe原子来不及扩散,所形成的奥氏体成分不均匀性增大。 快速加热时,奥氏体形成温度升高,可引起奥氏体起始晶粒细化;同时,剩余渗碳体量也增多,形成奥氏体的平均碳含量降低。,1.2.5 奥氏体形成速度的影响因素,(1)加热温度 奥氏体形成速度随加热温度升高而迅速增大。 随奥氏体形成温度升高,形核率的增长速率高于线生长速度的增长速率 起始晶粒越细小。 随转变温度升高,奥氏体/铁素体界面向铁素体推移的速度与奥氏体/渗碳体界面向渗碳体推移的速度之比也增大。,随奥氏体形成温度升高,铁素体消失时残留渗碳体的量增大,奥氏体的
12、平均碳含量降低。,高碳工具钢的快速加热,短时保温的强韧化处理工艺的理论基础:,随奥氏体形成温度的升高,形核率的增长速度高于线增长速度的增长速率,导致奥氏体起始晶粒细化; 由于相变温度升高,相变的不平衡程度增大,在铁素体消失的瞬间,残留渗碳体的量增多,因而奥氏体的平均碳含量降低。,(2)钢的原始组织状态 原始组织越细,晶体缺陷越多,奥氏体转变过程越快。 片状珠光体快于粒状珠光体。,(3)钢的化学成分,含碳量越高,渗碳体与铁素体的总相界面积越大,Fe、C原子扩散系数增大,从而增高N和G,形成速度增大。 碳化物形成元素Cr,W,Mo,V,阻碍碳的扩散,降低形成速度。 非碳化物形成元素Ni,Co,加速
13、碳的扩散,增大形成速度。 Mn,Ni降低钢的临界点,细化原珠光体组织,增大形成速度。,1.3 奥氏体晶粒长大及其控制,1.3.1 奥氏体晶粒度 奥氏体晶粒大小用晶粒度表示,通常分为8级,1级最粗,8级最细,8级以上为超细晶粒。 晶粒度级别与晶粒大小的关系 n = 2N-1 (2-5) n - X100倍时,晶粒数 / in2 N - 晶粒度级别,奥氏体晶粒度有三种: 起始晶粒度 - 奥氏体形成刚结束,其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。初始晶粒一般很细小,大小不均,晶界弯曲。 实际晶粒度 - 钢经热处理后所获得的实际奥氏体晶粒大小。,n:1mm2面积内的晶粒数,区分:实际晶粒度 本质晶粒度,图
14、2-11 两种不同钢种奥氏体晶粒长大的倾向,奥氏体晶粒长大过程,图2-20 奥氏体晶粒长大过程,孕育期:温度愈高,孕育期愈短。 不均匀长大期:粗细晶粒共存。 均匀长大期:细小晶粒被吞并后,缓慢长大。,1.3.3 影响奥氏体晶粒长大的因素,(1) 加热温度和保温时间,晶粒长大表现为晶界的迁移,实质上是原子在晶界附近的扩散过程。 晶粒长大速度与晶界迁移速率及晶粒长大驱动力成正比。,图2-21 奥氏体晶粒大小与加热温度、保温时间的关系,随加热温度升高,奥氏体晶粒长大速度成指数关系迅速增大。 加热温度升高时,保温时间应相应缩短,这样才能获得细小的奥氏体晶粒。,(2)加热速度的影响,加热速度越大,奥氏体
15、的实际形成温度越高,形核率与长大速度之比(N/G)随之增大,可以获得细小的起始晶粒度。 快速加热并且短时间保温可以获得细小的奥氏体晶粒度。 如果此时长时间保温,由于起始晶粒细小,加上实际形成温度高,奥氏体晶粒很容易长大。,(3)钢的碳含量的影响 碳在固溶于奥氏体的情况下,由于提高了铁的自扩散系数,将促进晶界的迁移,使奥氏体晶粒长大。共析碳钢最容易长大。 当碳以未溶二次渗碳体形式存在时,由于其阻碍晶界迁移,所以将阻碍奥氏体晶粒长大。过共析碳钢的加热温度一般选在 Ac1 - Accm 两相区,为的就是保留一定的残留渗碳体。,(4)合金元素的影响,图2-22 奥氏体晶粒直径与加热温度的关系 1 -
16、不含铝的C-Mn钢 2 - 含Nb-N钢,(5)冶炼方法 用Al脱氧,可形成 AlN - 本质细晶粒钢 用Si、Mn脱氧 - 本质粗晶粒钢,1.4 过热与过烧,1 过热的定义:钢在热处理时,由于加热不当而引起奥氏体实际晶粒粗大,以致在随后淬火或正火时得到十分粗大的组织,从而使钢的力学性能显著恶化的现象称为过热。 2.消除过热的主要方法 重新加热到正常的加热温度,以获得新的细小的奥氏体晶粒,然后冷却。,3. 过烧:金属或合金在热处理加热时,由于加热温度过高,出现了晶界氧化和晶界开始部分熔化的现象,称之为过烧。 过程描述:当钢加热到比过热更高的温度,时间又长时,不仅使钢的晶粒长大,而且晶粒之间边界
17、开始熔化,氧进入晶粒间隙,使金属发生氧化并促其熔化,导致晶粒间结合力的破坏而使钢失去本身的强度和塑性。,处置办法: 过烧的钢无法挽救,只有报废重新冶炼。 预防办法: 避免加热温度过高; 避免在高温段长时间保温。,1.5 非平衡组织加热时奥氏体的形成,一针状奥氏体的形成 中碳合金钢以板条状马氏体为原始组织在Ac1Ac3之间进行慢速或极慢速加热时,在马氏体板条间可形成针状奥氏体。 二颗粒状奥氏体的形成 中等的加热速度将非平衡组织加热到Ac1Ac3之间或直接加热到Ac3以上时,将在原奥氏体晶界,马氏体束界,块界,甚至在板条界通过扩散型相变形成颗粒状奥氏体。,三粗大奥氏体晶粒的遗传性及其控制 1. 遗
18、传:在一种相变或组织转变中,转变的产物保留了原始组织的宏观及显微特性,这种现象称为遗传,包括组织遗传和相遗传。 2. 组织遗传:对粗大的非平衡组织进行加热时,在一定的加热条件下,新形成的奥氏体晶粒有可能继承和恢复原粗大奥氏体晶粒,这种现象被称为钢的组织遗传。 3. 相遗传:相变后相本身的晶体结构、缺陷传给新相,这种现象称为相遗传。,组织遗传是有害的。 相遗传是有益的,因为可使强度提高。 2. 影响钢的组织遗传的因素 (1)原始组织 P 非平衡组织(BM) (2)加热速度 对具有非平衡组织的合金钢:,慢速加热或快速加热,容易出现组织遗传; 中速加热可能避免出现组织遗传; 3. 奥氏体晶粒的反常细
19、化 过热粗大组织冷却后得到的非平衡组织以快速或慢速加热至Ac3以上的正常加热温度,有可能得到粗大的奥氏体晶粒,出现组织遗传,但如果加热到更高的温度(Ac3+100200),则奥氏体晶粒不仅不粗化,反而形成了细小的,晶体学位向不同的奥氏体晶粒,这种现象称为奥氏体晶粒的反常细化。,非相变,奥氏体的自发再结晶,4. 控制粗大奥氏体晶粒遗传的方法 (1)对非平衡组织的过热钢,可以采用中速加热,得到细小的奥氏体晶粒 (2)对非平衡组织的过热钢,在淬火前先进行一次退火或高温回火 (3)利用奥氏体的自发再结晶,快速加热至临界点以上100200,然后淬火 (4)对低合金钢,可采用多次正火使过热得到校正。,思考
20、,实际晶粒度表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性,因钢种及冶炼方法的不同而异。,作 业,1. 名词解释:起始晶粒度;实际晶粒度;本质晶粒度;遗传;组织遗传 2. 简要叙述影响奥氏体形成速度的因素。 3. 与等温形成过程相比,连续加热时奥氏体形成的特点。 4. 简述影响奥氏体晶粒长大的因素。 5. 预习。,第二章 珠光体相变,2.1 珠光体的组织形态与性能特点 2.1.1 过冷奥氏体转变,图3-1 TTT 曲线,过冷奥氏体等温转变动力学图,TTT曲线,C曲线,IT曲线。 反映温度-时间-转变量三者之间的关系。,A1 550 ,Fe、C原子均可扩散。 共析分解成珠光体 - 铁素体与渗碳体两相层
21、片状机械混合物。 珠光体团(或领域) - 片层方向大致相同的珠光体,在一个奥氏体晶粒内可以形成35个珠光体团。,(1)高温转变,(2)中温转变,图3-4 (a) 上贝氏体 X600 (b) 下贝氏体 X400,非扩散型相变:Fe、C原子均不发生扩散,生成的马氏体与原奥氏体成分相同。 马氏体:碳在-Fe中的过饱和固溶体。 马氏体相变是变温型相变,相变开始点 Ms ,终了点 Mf 。,(3)低温转变,图3-5 (a) 低碳钢中的板条马氏体 (X80) (b) 高碳钢中的针状(片状)马氏体 (X400),2.1.2 珠光体的组织形态 珠光体:由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 珠光体团:若干大致平行
22、的铁素体与渗碳体片 组成一个珠光体领域,也称珠光体团。 珠光体片层间距:珠光体中一对铁素体片与渗碳 体片的厚度之和。,(2)粒状珠光体 铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织称为 粒状珠光体,也叫球状珠光体。,(1)片状珠光体:渗碳体为片状的珠光体。,2.1.3 珠光体的片层间距 S0,珠光体的片层间距与转变温度有关,与过冷度成反比。,图3-1 珠光体片层间距S0,定义:珠光体中一对铁素体片与渗碳体片的厚度之和。,在一定的过冷度下,若S0过大,原子所需扩散的距离就要增大,这将使转变发生困难。 若S0过小,由于相界面面积增大,使界面能增大,这时GV不变,这会使相变驱动力降低,也会使相变不易进行。所
23、以一定的T对应一定的 S0 。,原因:,原因: T 愈大,碳在奥氏体中的扩散能力愈小,扩散距离变短。另外, GV 会变大,可以增加较多的界面能,所以 S0 会变小。,原奥氏体晶粒大小对 S0 无明显影响。但原奥氏体晶粒越细小,珠光体团直径也越细小。,位向关系,珠光体形成时,新相(渗碳体与铁素体)与母相(奥氏体)有着一定的晶体学位向关系,使新相和母相原子在界面上能够较好匹配。,铁素体与奥氏体之间保持K-S关系:,渗碳体与奥氏体之间保持Pitsch关系:,2.1.4 珠光体的力学性能,片状珠光体的塑性变形基本上发生在铁素体片层内,渗碳体对位错滑移起阻碍作用,位错最大滑移距离等于片层间距S0 。 片
24、层间距S0 愈小,强度、硬度愈高, 符合Hall-Petch 关系:s = 0 + kS0-1 粒状珠光体的屈服强度取决于铁素体的晶粒大小(直径 df ), 也符合Hall-Petch 关系:s = 0 + kdf-1/2,2.2 珠光体转变的机理 2.2.1 珠光体形成的热力学,图3-2 自由能-成分曲线,在A1(T1)温度,、Fe3C 三相的自由能-成分曲线有一共切线。 在A1温度以下温度T2 , 、Fe3C 三相间可作三条共切线,共析成分的奥氏体的自由能在三条共切线之上。,(1)珠光体形成时的领先相 从热力学上讲,铁素体与渗碳体都可能成为领先相。 共析与过共析钢中,渗碳体为领先相。 亚共
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