第八章钢的热处理.ppt

钢的热处理原理,本章目的：1 阐明钢的热处理的基本原理；2 揭示钢在热处理过程中工艺组织性能的变化规律；,绪 论,一、研究的内容和任务 金属热处理原理是以金属学原理为基础，着重研究金属及合金固态相变的基本原理和热处理组织与性能之间关系的一门课程。金属学原理：着重讨论的是金属及合金的本质及影响因素、缺陷及其交互作用和它们对性能的影响、状态图、塑性变形、回复、再结晶，金属中的扩散等等。热处理原理：着重讨论的是金属及合金在固态下的相变规律、影响因素、动力学、非平衡转变，以及在热处理中的应用，研究热处理组织和性能之间的关系等。,金属材料从服役条件出发，选择什么样的材料、如何对材料进行处理，在使用和处理过程中会出现什么问题，如何解决出现的问题，最终可能得到什么样的性能，如何改进现有材料、挖掘其潜力，试制新材料等，无不与热处理原理有着密切的关系。固态金属（包括纯金属及合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化，这种变化统称为金属固态相变。掌握金属固态相变的规律及影响因素，就可以采取措施控制相变过程，以获得预期的组织，从而使其具有预期的性能。,二、热处理发展概况 人们在开始使用金属材料起，就开始使用热处理，其发展过程大体上经历了三个阶段。1、民间技艺阶段 根据现有文物考证，我国西汉时代就出现了经淬火处理的钢制宝剑。史书记载，在战国时期即出现了淬火处理，据秦始皇陵开发证明，当时已有烤铁技术，兵马俑中的武士佩剑制作精良，距今已有两千多年的历史，出土后表面光亮完好，令世人赞叹。古书中有“炼钢赤刀，用之切玉如泥也”，可见当时热处理技术发展的水平。但是中国几千年的封建社会造成了贫穷落后的局面，在明朝以后热处理技术就逐渐落后于西方。,2、技术科学阶段（实验科学）金相学 此阶段大约从1665年1895年，主要表现为实验技术的发展阶段。1665年：显示了AgPt组织、钢刀片的组织；1772年：首次用显微镜检查了钢的断口；1808年：首次显示了陨铁的组织，后称魏氏组织；1864年：发现了索氏体；1868年：发现了钢的临界点，建立了FeC相图；1871年：英国学者T.A.Blytb 著“金相学作为独立的科学”在伦敦出版；1895年：发现了马氏体；,3、建立了一定的理论体系热处理科学“S”曲线的研究，马氏体结构的确定及研究，KS关系的发现，对马氏体的结构有了新的认识等，建立了完整的热处理理论体系。,一 热处理的定义及作用 1 热处理的定义：金属或合金在固态下于一定介质中加热到一定温度，保温一定时间，以一定速度冷却下来的一种综合工艺。,2 热处理工艺曲线 四个重要参数：V加热、T保温、t保温、V冷却,三个基本过程：加热、保温、冷却,钢的热处理原理,钢的热处理原理,钢的热处理原理,钢的热处理原理,2 热处理的意义及作用,意义：应用广泛、效果显著：汽车零件80%；工模具、轴承100%例：45#钢，840加热，不同方式冷却,作用：（1）显著提高材料的使用性能（2）改善加工性能（切削、热处理）。,二 热处理的条件,有固态相变加热时溶解度显著变化的合金。,钢的热处理原理,为什么钢能热处理?,固态相变 有相变重结晶 C溶解度显著变化 可固溶强化热处理温度区间：A1 T TNJEF 热处理第一步 加热奥氏体化,实际加热、冷却条件下的临界温度 加热时的临界温度用脚标C表示，AC1、AC3、ACcm；冷却时的临界温度用脚标r表示，Ar1、Ar3、Arcm。,钢在加热时的转变,一 奥氏体形成的机理1 奥氏体组织结构和性能,定义：C 及合金元素固溶于面心立方结构的-Fe 中形成的固溶体。C溶于相八面体间隙中，R间隙=0.535 A R c=0.77A 晶格畸变，并非所有晶胞均可溶碳，1148 2.5个晶胞溶一个C原子。,性能：顺磁性；比容最小；塑性好；线膨胀系数较大,钢的热处理原理,奥氏体化中成分组织结构的变化 以共析钢为例 F+Fe3C A(727)成分(C%)0.0218 6.69 0.77结构 体心立方 复杂斜方 面心立方,说明奥氏体化中须两个过程：C 成分变化：C 的扩散 铁晶格改组：Fe 扩散,钢的热处理原理,3 奥氏体形成热力学条件 热力学条件:TA1 原因：以珠光体与奥氏体的体积自由能之差来提供驱动力以克服新相晶核的表面能及弹性能,影响过热度主要因素:V加热,V加热，过热度T；,T,T实际,存在过热度T:T实际-T理论,钢的热处理原理,同理，冷却过程的固态相变需过冷度 钢的热处理中六个重要的温度参数：A1 A3 Acm；Ac1 Ac3 Accm 加热过程 Ar1 Ar3 Arcm 冷却过程,钢的热处理原理,4 奥氏体形成过程（共析钢）,（4）奥氏体中 C 的扩散均匀化。(万秒),（3）剩余 Fe3C 的溶解；(千秒),（2）奥氏体向 F 及 Fe3C 两侧长大(几百秒),四个阶段：（1）奥氏体在FFe3C 界面上形核（10秒）,*任何固态相变均需形核与长大过程*形核需要“三个起伏条件”：成分起伏、结构起伏、能量起伏 故晶界或缺陷处易形核,钢的热处理原理,5 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程,亚共析钢：F+P F+A A 过共析钢：Fe3C+P Fe3C+A A,例：球化退火，要求获得粒状珠光体 要求A 中 C 不均匀 控制第三、四阶段,*奥氏体化的目的：获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒*实际热处理中 须控制奥氏体化程度。,钢的热处理原理,三 奥氏体晶粒度及影响因素,1 奥氏体晶粒度概念 奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业上一般分为8级。1-4 级粗(0,-1)，5-8 级细，8级以上极细;计算式：n=2 N-1 N：晶粒度级别 n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数(100X)。标准晶粒度级别图,钢的热处理原理,标准晶粒度级别图,钢的热处理原理,奥氏体有三种不同概念的晶粒度(1)初始晶粒度：奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。通常极细小(2)实际晶粒度：具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小 与具体热处理工艺有关：热处理温度，时间，晶粒长大。与晶粒是否容易长大有关 引入本质晶粒度概念,（3）本质晶粒度 指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度和本质细晶粒度。测定方法：加热至93010，保温8h，若A晶粒1-4 级：本质粗晶粒度钢，5-8 级：本质细晶粒度钢。,钢的热处理原理,关于本质晶粒度概念的要点：,表征该钢种在通常的热处理条件下 A 晶粒长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小；本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大，本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小；而与具体的热处理工艺有关。,本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关 机理：难溶粒子的机械阻碍作用 Al 脱氧镇静钢 含V、Ti、Nb、Zr 钢,机理：难溶粒子的机械阻碍作用 例如：AlN、VN、TiN、NbN、ZrN,本质细晶粒钢,本质粗晶粒钢,是确定热处理工艺参数以及热处理质量的重要依据“过热”：热处理加热中A晶粒显著粗化 本质粗晶粒钢：须严格控制加热T、t 需热处理件尽可能选择本质细晶粒钢,例如：渗 C 用钢 20MnVB,20CrMnTi 本质细晶粒度钢,2 影响奥氏体晶粒长大的因素,加热温度和保温时间 T、t，A 晶粒长大；T 的影响远大于 t,加热速度 常规加热速度下影响不大 快速加热，短时保温的超细化工艺如高频加热，激光加热等,成分 强烈阻碍：Al、V、Ti、Zr、Nb 原因：机械阻碍理论 形成难溶碳、氮化物 中等阻碍：Cr、W、Mo 促进长大：Mn、P、溶入 A 的 C 降低铁原子的结合力，促进铁的扩散,8-3 钢在冷却时的转变,冷却过程热处理工艺的关键部分，对控制热处理以后的组织与性能起着极大作用，不同的冷却速度获不同的组织与性能。,1 高温转变产物,Fe、C均扩散 亚共析钢：F+P;共析钢：P；过共析钢：P+Fe3C 珠光体类型 化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现 扩散类型,2 中温转变产物,Fe不扩散，C部分扩散(C过饱和的）+Fe3C的机械混合物 贝氏体类型(B)化学成分的变化靠扩散实现 晶格类型的转变非扩散性 半扩散性,3 低温转变产物,Fe、C均不扩散非扩散型 得 C 在-Fe 中的过饱和固溶体 马氏体 马氏体类型(M),热处理的两种冷却方式：等温冷却 过冷奥氏体等温转变动力学曲线 连续冷却过冷奥氏体连续转变动力学曲线,一 过冷奥氏体等温转变动力学曲线(Temperature-Time-Transformation),T,A1,Ms,Mf,AM,M+AR,A过冷,AB,AP,A,P,B,700,500,200,孕,HRC,15,40,45,55,60,1,10,102,103,104,105,过冷奥氏体与奥氏体的区别,C曲线,产物：P：珠光体B：贝氏体M：马氏体 鼻点,2 要点;不同温度下转变产物不同；高温转变产物(A1550)：珠光体(P)扩散型 中温转变产物(550MS)：贝氏体(B)半扩散型 低温转变产物(MSMf)：马氏体(M)非扩散型,存在孕育期 过冷奥氏体等温分解所需的准备时间 代表 A过冷稳定性。存在鼻点：孕育期最短，A过冷最不稳定；T转，产物硬度。马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织，非等温转变产物。将其画入，使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用,亚共析钢、过共析钢C曲线：,亚共析钢、过共析钢C曲线：以珠光体转变为例：亚共析钢珠光体型转变式：AF先共析+P 过共析钢珠光体型转变式：A Fe3C先共析+P,多一条先共析相析出线；先共析相量随转变温度下降而减少，鼻点温度以下无先共析相析出。转变温度的降低会抑制先共析相的析出；当转变温度足够低，先共析相的析出被完全抑制由非共析成分获得的共析组织称为伪共析体,二 影响 C 曲线的因素,与奥氏体状态有关 1 化学成分（1）含碳量：理论：奥氏体中 C%，C 曲线右移。F 相难析出，珠光体转变难进行，实际；亚共析钢：C%，C 曲线右移；过共析：C%，左移；未溶 Fe3C,指溶入奥氏体中的C,0.9%C,0.9C+0.5Mn,0.9C+1.2Mn,0.9+2.8Mn,T,T,0.5C,0.5C+2%Cr,0.5C+4%Cr,0.5C+8%Cr,（2）合金元素 除Co、Al（WAl2.5%）外，其它合金元素随 Me%，C曲线右移 须溶入 A 中,T,Ms,Co,Al,Ni,Si,Cu,Mn,Si,Ni,Cu,Mn,Co,Al 外所有合金元素,非碳化物形成元素：只改变C曲线位置 Co,Al,Ni,Cu,Si,强碳化物形成元素W,Mo,V,Ti,Nb 等的影响：改变C 曲线位置和形态,碳化物形成元素改变 C 曲线位置和形状 Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr 等；对Ms点的影响：Co、Al 使 Ms，其它合金元素使 Ms,2 奥氏体组织：愈细，成分及组织愈不均匀，未溶第二相愈多左移。T、t，晶粒粗大，成分、组织均匀，A 稳定性 右移。其它：应力和塑性变形,三 过冷奥氏体连续冷却转变曲线(Continous Cooling Transformation-CCT),Vc：连续冷却中全部 A过 M的最小V冷 临界淬火速度 上临界冷却速度 VC：连续冷却中全部 A过 P 的最大V冷 下临界冷却速度,：P；：M；：P+M,冷却速度对转变产物类型的影响：可用VC、VC判断。当 V VC 时，A过冷M；当VVC时，A过冷P；当 VC V VC 时，A过冷P+M,*实际中由于CCT曲线测量难，可用TTT曲线代替CCT曲线作定性分析，判断获得M的难易程度。*连续冷却的VC值是等温冷却C曲线中与鼻点相切的VC的1.5倍，故可用等温冷却C曲线中VC代替或估算.,四 钢的珠光体转变,1 珠光体的组织形态 片状珠光体与球(粒)状珠光体(1)片状珠光体 按层片间距不同又分为：粗珠光体：S0=0.6-1.0m，索氏体（S）：S0=0.25-0.3m，屈氏体(T)：S0=0.1-0.15m 取决于过冷度：过冷度T，S0,B上,B下,球（粒）状珠光体 珠光体的形态取决于加热时奥氏体化的程度 奥氏体成分较均匀时片状；不均匀时球（粒）状,F/Fe3C相界面多少,Fe3C 形态分布；,P粒的HB、b P 片；P粒的、P 片,2 珠光体的性能,S0,550 600 650 700,转变温度，,0,0.2,0.4,HRC,20,30,40,50,b,60,80,100,120,0,30,50,3 伪共析组织,通过加快钢冷却速度，可获得强硬度较好的伪共析组织(1)定义：偏离共析成分的A过冷形成的珠光体。(2)形成条件：下图红线区,(3)应用：亚共析钢热轧后即水冷或喷雾冷却，F先%，P%，b；V冷，（正火代替退火），抑制Fe3C先，消除网状渗碳体。,五 钢的马氏体转变,VVK 转变式：A(f.c.c,0.77C%)M(b.c.c or b.c.t,0.77C%)只有晶格改组而无成分变化,1 马氏体晶体结构 马氏体：C 在-Fe 中的过饱和固溶体。单相,亚稳,正方度：c/a-c/a=1+0.046C%马氏体：体心立方,C%1另：体心斜方,C%1.4%,c/a1,b/a1,2 马氏体组织特征,(1)板条状马氏体 单元体(单晶体)板条状组合特征：,一些位向相同的板条晶构成马氏体束；原奥氏体晶粒中含35个位向不同的 M 束 块状马氏体,主要存在于低碳钢中(C%0.2%)低碳马氏体 形成温度较高 高温马氏体,片状马氏体,组织形态及特点：单元体：片状，中间厚、两边薄凸透镜状或针状；组合特征：,片与片之间不平行，约呈60；晶粒大小不等，先大后小，先形成的 M 片贯穿A晶粒；,亚结构：平行的细小孪晶 孪晶马氏体。形成的温度较低低温马氏体 高碳钢中常出现高碳马氏体,孪晶,其它形态马氏体 闪电状、蝴蝶状等,(4)工业用钢中淬火马氏体金相形态,低碳钢：C 1.0%，片状,淬火马氏体金相形态影响因素：,实质取决于转变温度：高于200 板条状马氏体；低于200 片状马氏体因 C%，Ms及Mf 形态与C%关系:低碳板条状；高碳片状,Ms，A强度低（210Mpa），易孪生（所需应力小）孪晶,片状。分界温度大约为200；,200 本质：奥氏体变形方式的分界温度,3 马氏体的性能,(1)硬度和强度 特点：总体：高硬度、高强度 注意：、硬度、强度主要取决于C%,Me影响小。C%,马氏体 HRC。、须注意马氏体硬度与钢硬度的差异。C%,淬火钢HRC,0.6%C后基本趋于定值。,注意马氏体硬度与钢硬度的差异。,Fe3C,AR%,钢中马氏体强化机制：C 的固溶强化：相变强化(亚结构强化)：高密度位错、孪晶、层错；时效(沉淀)强化：C 向缺陷处扩散偏聚或析出，钉扎位错。,低碳 M“自回火”。,（2）塑性与韧性,片状M：硬而脆；板条M：强而韧 与亚结构有关板条M 塑韧性好的原因：含碳量低,过饱和度小；淬火内应力小，形成微裂纹的敏感度小；高碳片状M塑韧性差的原因：C过饱和度高，畸变大，淬火内应力大，形成微裂纹的敏感度高。,4 马氏体转变的特点,无扩散性 切变共格 不完全性:转变在一定温度范围内进行，存在残余奥氏体。,转变快速性：M形成速度极快，10-510-7S,(1)形成原因、比容因素：M的形成为体积膨胀过程、淬火温度通常高于Mf 中高碳钢、合金钢的 Mf 室温,5 残余奥氏体及其控制因素,0.6,(2)影响A残%的因素 主要取决于MS 化学成分,C%,AR%,60 40 20,0.5 0.7 0.9 1.1,经验式：MS()=535-317wc-33wMn-28wCr-17wNi-11(wSi+wMo+wW)注：非简单迭加；须固溶入 A 中。,C%，Me,MS、Mf,AR；,1%C 使MS 约300,(3)残余奥氏体的作用及控制,有害作用：组织不稳定；尺寸不稳定；软，耐磨性差。有益作用：适量 AR 可一定程度提高韧性。例如：轴承钢中保留适量AR 控制方法：热处理分解 冷处理转变为M：-40-60,1 组织形态,上贝氏体(550 350)组织构成：(C)+Fe3C 铁素体：碳过饱和(0.03%)；成束、板条状平行排列；位错（108109cm-2)；渗碳体：粒状或短杆状分布在 F 板条之间。,六 钢的贝氏体转变,下贝氏体(350 230),组织:(C)+FexC 铁素体：碳过饱和(0.3%)针、片状，互不平行；更高密度位错。渗碳体：粒状或短杆状平行分布在 F 相内部。,3 贝氏体的机械性能,（1）强度和硬度 铁素体：取决于晶粒大小、C及Me固溶强化、位错密度 碳化物：取决于弥散度、数量 s(B上)s(B下)（2）韧性 ak（B下）ak（B上）原因：B上中碳化物分布条间，有明显方向性，尺寸较大；,4 魏氏组织及性能,魏氏组织：在奥氏体晶粒较粗大，冷却速度相对较快时，钢中先共析相（先共析铁素体或先共析渗碳体）以针状或片状形态从原奥氏体晶界沿奥氏体一定晶面往晶内平行或规则生长，并与片状珠光体混合存在，该组织称为。,形成条件：A晶粒粗大；冷速适当 缓慢：Fe扩散网状F；过快：C来不及扩散，抑制F形成 总体：冷速较大时易形成 魏氏组织的机械性能：韧性;消除方法：正火,珠光体、贝氏体、马氏体转变特点比较,七 钢的回火转变,淬火：钢加热到AC3或AC1以上，保温，VV临界，M 或 B。回火：淬火钢加热到低于临界点A1的某温度，保温后以适当方式冷却到室温的热处理工艺。目的：（1）调整钢强硬度与塑韧性的配合，获要求的性能；（2）降低内应力，防止工件变形或开裂；（3）稳定组织，防尺寸变化。,1 回火过程中的组织转变,M+AR不稳定组织C的析出，四个过程：马氏体分解（250）；M+(FexC,x 2.4)过饱和 弥散、共格、亚稳,回火马氏体,(2)残余奥氏体分解（200300）；(3)碳化物类型的转变（250400）；（Fe5C2）(Fe3C)(4)相回复与再结晶，碳化物聚集长大（400650）相等轴化；相球化 回复态相相(Fe3C)回火屈氏体 再结晶相球化与聚集长大的(Fe3C),回火索氏体,2 回火钢的机械性能,(1)硬强度及塑韧性:回火T,强硬度,塑韧性；但ak有低谷回火脆性,强硬度,塑韧性的原因：C 脱溶，相过饱和度+或 位错密度或孪晶消失；碳化物的聚集长大；相的回复、再结晶 畸变片状晶平衡等轴晶(2)内应力变化（自学）,回火温度，,100 200 300 400 500 600 700,AR%,内应力,M中C%,渗碳体尺寸,（3）回火脆性,分类：第一类回火脆性(低温）250400，不可逆性；第二类回火脆性（高温）450650，可逆性；,定义：随回火温度提高，淬火钢韧性在某些温度区间显著下降的现象。,低温回火脆性形成原因及防止方法 形成原因：片状碳化物沉淀理论;杂质偏聚：,防止方法：a.避免在此温度区间回火；b.使 的温度：c.采用等温淬火.注：无论碳钢、合金钢，只要在该温区回火，就会产生低温回火脆性,第二类 回火脆性形成原因及防止方法 特点：a.与回火后冷却速度有关；b.可逆性；产生原因：P、Sn、As、Sb等杂质元素晶界偏聚 防止方法：a.钢纯度；,b.回火后快冷；,c.加入Mo、W等元素；,注：碳钢不产生高温回火脆性,合金钢尤含Mn、Cr的合金钢易产生回火脆性,