固态相变与金属热处理.ppt

7 固态相变与金属热处理,7.1 固态相变概述 7.2 钢的热处理原理 7.3 钢的热处理工艺,7.1 固态相变概述,7.1.1 固态相变的概念 相变是一种非常普遍的现象，如物质三态的相互转化、固态物质内部结构的转变等都属于相变的范畴。固体材料的组织、结构在温度、压力、成分改变时所发生的转变称为固态相变。,7.1.1 固态相变的概念,固态相变包含相结构的变化、成分的变化和有序程度的变化。如金属的同素异构转变只有相结构的变化，单相固溶体的增幅分解（调幅分解）只有成分变化而无相结构的变化，合金的有序化转变只有原子排列有序程度的变化。复杂的固态相变则是相结构和成分变化的综合，甚至也有有序程度的变化。,7.1.1 固态相变的概念,表7-1 固态相变的种类和特征,7.1.2 相变的分类,1.按相变热力学特征分类 根据相变前后热力学函数的变化特征，可将相变分为一级相变和二级相变。由 相转变为 相时，平衡两相的吉布斯自由能和化学位应相等，即，但两相的吉布斯自由能对压力和温度的一阶偏导数不相等，这种相变称为一级相变，即：,7.1.2 相变的分类,1.按相变热力学特征分类 若相变时，并且两相的吉布斯自由能对压力和温度的一阶偏导数相等，但两相吉布斯自由能对压力和温度的二阶偏导数不相等，这种相变称为二级相变，即,7.1.2 相变的分类,2.按相变动力学特征分类 按相变过程的动力学特征可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变。依靠原子（或离子）的扩散来进行的相变称为扩散型相变。对于合金来说，相变的结果可以改变相的成分，如共析转变、过饱和固液体的分解等。非扩散型相变时，没有原子的扩散运动，原子（或离子）仅作有规则的迁移使点阵发生改组。合金相变时没有成分的变化。马氏体转变即为非扩散型相变。,7.2 钢的热处理原理,热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。,图7-1 热处理工艺曲线示意图,7.2.1 钢在加热时的转变,1.转变临界温度 实际热处理加热和冷却时的相变是在不完全平衡的条件下进行的，相变温度与平衡相变点之间有一定差异。加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，而且加热和冷却速度愈大偏差愈大。,图7-2 加热和冷却速度对临界点的影响,7.2.1 钢在加热时的转变,2.奥氏体的形成（1）奥氏体的形成过程 钢加热时奥氏体的形成过程包括生核和长大两个基本过程。以共析钢为例，珠光体向奥氏体的转变，包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化等过程。,7.2.1 钢在加热时的转变,（1）奥氏体的形成过程,图7-3 共析钢奥氏体形成过程示意图,7.2.1 钢在加热时的转变,（2）影响奥氏体转变的因素 加热温度,图7-5 共析钢的奥氏体化曲线,7.2.1 钢在加热时的转变,（2）影响奥氏体转变的因素 加热速度,图7-6 加热速度对奥氏体转变的影响,7.2.1 钢在加热时的转变,（2）影响奥氏体转变的因素 钢中碳质量分数 合金元素 原始组织,7.2.1 钢在加热时的转变,3.奥氏体的晶粒度及其 影响因素 奥氏体晶粒细时，退火组织亦细，则强度、塑性、韧性较好；淬火马氏体也细，因而韧性得到改善。,图7-7 奥氏体晶粒大小对转变产物晶粒大小的影响,3.奥氏体的晶粒度及其影响因素,（1）奥氏体晶粒度 生产上一般采用标准晶粒度等级图用比较的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度通常分8级，14级为粗晶粒度；58级为细晶粒度；超过8级的为超细晶粒度。,3.奥氏体的晶粒度及其影响因素,（1）奥氏体晶粒度,图7-8 标准晶粒度等级示意图,3.奥氏体的晶粒度及其影响因素,奥氏体的晶粒度有两种：实际晶粒度 本质晶粒度 原冶金工业部标准中规定，钢加热到93010，保温8h，冷却后测得的晶粒度为本质晶粒度。,图7-9 本质细晶粒和本质粗晶粒,3.奥氏体的晶粒度及其影响因素,（2）影响奥氏体晶粒度的因素 加热温度和保温时间 钢的成分,图7-10 奥氏体形成及其晶粒长大示意图,7.2.2 钢在冷却时的转变,冷却的方式通常有两种：（1）等温处理 将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。（2）连续冷却 将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。,7.2.2 钢在冷却时的转变,1.过冷奥氏体的等温转变（1）共析钢过冷奥氏体的等温 转变,图7-11 共析钢等温转变图,（1）共析钢过冷奥氏体的等温转变,共析钢过冷奥氏体等温转变C曲线包括三个转变区：高温转变在A1550之间，转变产物为珠光体，此温区称珠光体转变区。中温转变在550Ms之间，过冷奥氏体的转变产物为贝氏体（B），此温区称贝氏体转变区。低温转变温度低于Ms点（230），过冷奥氏体的转变产物为马氏体（M），因此低温转变区称为马氏体转变区。,（2）非共析钢过冷奥氏体的等温转变,与共析钢C曲线不同的是，亚共析钢C曲线在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线往上移。,图7-12 45钢过冷A等温转变曲线,（2）非共析钢过冷奥氏体的等温转变,过共析钢C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体（Fe3CII）开始线。在一般热处理加热条件下，过共析钢随着含碳量的增加，C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移。,图7-13 T10钢过冷A的等温转变曲线,（3）影响过冷奥氏体等温转变的因素,合金元素 除钴以外，所有合金元素的溶入均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,图7-14 合金元素对碳钢C曲线的影响,（3）影响过冷奥氏体等温转变的因素,加热温度和时间,(a)加热温度为840(b)加热温度为950图7-15 在不同奥氏体化温度时的C曲线,2.过冷奥氏体的连续冷却转变,（1）共析钢过冷奥氏 体的连续冷却转变 共析钢过冷A连续冷却转变曲线中没有奥氏体转变为贝氏体的部分，在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。,图7-16 共析钢的连续冷却转变曲线,（1）共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,图7-17 共析钢的等温转变曲线和连续 冷却转变曲线的比较及转变组织,（2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为铁素体，亚共析钢过冷A在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。,图718 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,（2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,在高温区，过共析钢过冷A首先析出二次渗碳体，而后转变为其他组织组成物。由于奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体。与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体转变。,图7-19 过共析钢过冷A的连续冷却转变,7.2.3 珠光体转变,共析成分的奥氏体过冷到珠光体转变区内等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体。珠光体转变可以写成如下的共析反应式:0.77%C 0.0218%C 6.69%C 面心立方 体心立方 复杂斜方,7.2.3 珠光体转变,1.片状珠光体的形成,图7-20 共析钢奥氏体向珠光体等温转变过程示意图,1.片状珠光体的形成,珠光体的形成机理有两种：一种是“分片形成机理”，另一种是“分枝形成机理”。,图7-21 珠光体分片形成示意图,1.片状珠光体的形成,图7-22 珠光体分枝形成示意图,2.粒状珠光体的形成,粒状珠光体的形成机理完全不同于片状珠光体。粒状珠光体既可以由过冷奥氏体直接分解而成，也可以由片状珠光体球化而成，还可以由淬火组织回火而形成。,图7-23 粒状珠光体,3.珠光体的组织和性能,珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物。根据共析渗碳体的形状，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种。根据共析渗碳体的大小，又可分为珠光体、索氏体和屈氏体三种。,3.珠光体的组织和性能,片层间距是片状珠光体的一个主要指标，是指珠光体中相邻两片渗碳体的平均距离。片层间距的大小主要取决于过冷度。,表7-2 共析钢的珠光体转变产物,3.珠光体的组织和性能,片状珠光体的性能主要取决于片层间距。片层间距越小，则珠光体的强度和硬度越高，同时塑性和韧性也变好。,图7-25 共析钢珠光体的机械性能 与片层间距和转变温度的关系,3.珠光体的组织和性能,共析渗碳体的形状对于珠光体的性能也有重要影响，在相同的硬度下，粒状珠光体比片状珠光体的拉伸性能好得多。,图7-26 共析钢在相同硬度下片状珠光体 与粒状珠光体的性能比较,7.2.4 马氏体转变,当奥氏体的冷却速度大于上临界冷速时，便过冷到马氏体点Ms以下，发生马氏体转变，形成马氏体。马氏体转变发生在比较低的温度区内，而且是在连续冷却过程中进行的。马氏体转变是典型的非扩散型相变，也称为切变型相变。,1.马氏体的组织、结构和性能,（1）马氏体的晶体结构 马氏体是碳在 中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格。其中，c轴比其他两个a轴长一些，轴比c/a称为马氏体的正方度。,图7-27 马氏体的体心正方晶格,1.马氏体的组织、结构和性能,（2）马氏体的组织形态 马氏体的形态一般分板条状和针状（或片状）两种其形态决定于奥氏体的碳质量分数。,图7-28 马氏体形态与碳含量的关系,1.马氏体的组织、结构和性能,（2）马氏体的组织形态,图7-29 低碳马氏体的组织形态,1.马氏体的组织、结构和性能,（2）马氏体的组织形态,图7-30 高碳马氏体的组织形态,1.马氏体的组织、结构和性能,（3）马氏体的性能 马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳质量分数。,图7-31 马氏体的硬度与其碳质量分数的关系,1.马氏体的组织、结构和性能,马氏体强化的原因主要有以下几方面：碳对马氏体的固溶强化作用。马氏体的亚结构对强化和硬化的作用。马氏体形成后，碳及合金元素向位错和其他晶体缺陷处偏聚或析出，使位错难以运动，造成时效硬化。马氏体条或马氏体片的尺寸越小，则马氏体的强度越高，这实质上是由于相界面阻碍位错运动而造成的，属于界面结构强化。,1.马氏体的组织、结构和性能,马氏体塑性、韧性主要取决于其亚结构。片状马氏体：微细孪晶不利于滑移，使脆 性增大；碳质量高，畸变 大，淬火应力较大，存在显 微裂纹。脆性大。板条马氏体：高密度位错不均匀，存在低密度 区，位错可运动；碳质量低，自回火，畸 变很小，淬火应力很小，不存在显 微裂纹。韧性好。总之：片状马氏体很硬很脆；板条马氏体又韧又强。,2.马氏体转变的特点,（1）奥氏体向马氏体的转变为非扩散型转 变。（2）马氏体的形成速度极快（小于10-7s）。（3）马氏体转变是不彻底的，总要残留少量奥 氏体。（4）马氏体形成时体积膨胀。,7.2.5 贝氏体转变,共析成分的奥氏体过冷到大约550240的中温区内保温，便发生奥氏体向贝氏体的转变，形成贝氏体。钢在等温淬火过程中发生的转变就是贝氏体转变。,1.贝氏体的组织和性能,（1）贝氏体组织 贝氏体是奥氏体在中温区的共析产物，是由含碳过饱和的铁素体和碳化物组成的两相混合物，其组织和性能都不同于珠光体。,图7-35 上贝氏体的形态,1.贝氏体的组织和性能,（1）贝氏体组织,图7-36 下贝氏体的形态,1.贝氏体的组织和性能,（2）贝氏体性能,图7-38 共析钢的机械性能与等温转变温度的关系,2.贝氏体的形成过程,奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变。在贝氏体形成过程中，铁原子不扩散而碳原子还有一定的扩散能力。（1）上贝氏体的形成过程,图7-39 上贝氏体形成机制示意图,2.贝氏体的形成过程,（2）下贝氏体的形成过程,图7-40 下贝氏体形成机制示意图,7.3 钢的热处理工艺,按照应用特点，常用热处理工艺可大致分为下列几类：1.普通热处理 包括退火、正火、淬火和回火 等。2.表面热处理和化学热处理 表面热处理包括感应加热淬火、火焰加热淬火和电接触加热淬火等；化学热处理包括渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬等。3.其他热处理 包括可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。,7.3.1 钢的普通热处理,1退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。根据处理的目的和要求不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等等。,1退火,(a)加热温度范围(b)工艺曲线图7-41 碳钢各种退火和正火工艺规范示意图,1退火,（1）完全退火 完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上2030,保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却）,以获得接近平衡组织的热处理工艺。亚共析钢经完全退火后得到的组织是F+P。,1退火,（1）完全退火 完全退火的目的在于，通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。,1退火,（1）完全退火表7-3 45钢锻造后与完全退火后的机械性能比较,1退火,（2）等温退火等温退火是将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1）的温度,保温适当时间后,较快地冷却到珠光体区的某一温度,并等温保持,使奥氏体转变为珠光体组织,然后缓慢冷却的热处理工艺。,1退火,（3）球化退火球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。球化退火主要用于过共析钢,如工具钢、滚珠轴承钢等，目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前先正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火作组织准备。,1退火,（3）球化退火,图7-42 球化退火组织,1退火,（4）扩散退火 为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。,1退火,(5)去应力退火 为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500650),保温,然后随炉冷却,这种处理可以消除约50%80%的内应力,不引起组织变化。,2正火,钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上3050,保温适当时间后,在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+S,共析钢为S,过其析钢为S+Fe3CII。,2正火,正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些，目的是使钢的组织正常化，所以亦称常化处理，一般应用于以下方面：（1）作为最终热处理（2）作为预先热处理（3）改善切削加工性能,3淬火,将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化方法。,3淬火,（1）淬火工艺 淬火温度的选定 在一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050。,图7-43 钢的淬火温度范围,（1）淬火工艺,加热时间的确定加热时间包括升温和保温两个阶段的时间。淬火冷却介质常用的冷却介质是水和油。水在生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。淬火用油为各种矿物油(如锭子油、变压器油等）。油一般用作合金钢的淬火介质。,（1）淬火工艺,淬火方法常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等。,1-单介质淬火 2-双介质淬火 3-分级淬火 4-等温淬火图7-44 不同淬火方法示意图,（2）钢的淬透性,钢的淬透性及其测定方法 钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。不同成分的钢淬火时形成马氏体的能力不同，容易形成马氏体的钢淬透性高（好），反之则低（差）。淬透性可用“末端淬火法”来测定。,（2）钢的淬透性,钢的淬透性及其测定方法,(a)试样尺寸及冷却方法(b)淬透性曲线的测定图7-45 用末端淬火法测定钢的淬透性,（2）钢的淬透性,在实际生产中,往往要测定淬火工件的淬透层深度。所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。在同样淬火条件下,淬透层深度越大,则反映钢的淬透性越好。,（2）钢的淬透性,半马氏体组织比较容易由显微镜或硬度的变化来确定。半马氏体组织和马氏体一样,硬度主要与其碳质量分数有关,而与合金元素质量分数的关系不大。,(a)45钢和40Cr钢的淬透性曲线(b)半马氏体硬度与碳含量的关系曲线图7-47 利用淬透性曲线比较钢的淬透性,（2）钢的淬透性,钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度称为钢的淬硬性，它主要决定于马氏体的碳质量分数。,（2）钢的淬透性,影响淬透性的因素 钢的淬透性由其临界冷却速度决定。临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢的淬透性越好。因此，凡是影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性。(a)碳质量分数(b)合金元素(c)奥氏体化温度(d)钢中未溶第二相,（2）钢的淬透性,淬透性曲线的应用 利用淬透性曲线,可比较不同钢种的淬透性。淬透性不同的钢材经调质处理后,沿截面的组织和机械性能差别很大。,(a)40CrNiMo完全淬透;(b)40Cr钢淬透较大厚度;(c)40钢淬透较小厚度图7-48 淬透性不同的钢调质后 机械性能的比较,4回火,钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。,4回火,根据回火温度的高低，一般将回火分为三种：（1）低温回火 回火温度为150250。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物（Fe2,4C）薄片，马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体,但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。,4回火,（2）中温回火回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗大。回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC45HRC。主要用于处理各类弹簧。,4回火,（3）高温回火 回火温度为500650,得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织,称回火索氏体。,图7-49 回火索氏体 500,（3）高温回火,回火索氏体(回火S)综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC35HRC。通常把淬火加高温回火称为调质处理，各种重要的机器结构件，特别是受交变载荷的零件，如连杆、轴、齿轮等广泛采用调质处理工艺。,4回火,随着回火温度的升高,碳钢的硬度、强度降低，塑性提高，但回火温度太高，则塑性会有所下降。,图7-50 钢的硬度随回火温度的变化,4回火,图7-51 钢机械性能与回火温度的关系,4回火,图7-52 淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、内应力 及碳化物粒子大小与回火温度的关系,7.3.2 钢的表面热处理,仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理,也叫表面淬火。按照加热的方式，有感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等表面热处理，最常用的是前两种。,1感应加热表面热处理,图7-53 感应加热表面淬火示意图,1感应加热表面热处理,表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。这类钢经预先热处理(正火或调质)后表面淬火,心部保持较高的综合机械性能,而表面具有较高的硬度(50HRC)和耐磨性。,2火焰加热表面热处理,火焰加热表面淬火，是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件表面，然后进行淬火。,图7-54 火焰加热表面淬火示意图,7.3.3 钢的化学热处理,化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。按照表面渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。化学热处理能有效地提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度等。,7.3.3 钢的化学热处理,钢件表面化学成分的改变，取决于处理过程中发生的以下三个基本过程：1.介质的分解2.表面吸收 3.原子扩散,1渗碳,（1）渗碳的目的 为了增加表层的碳质量分数和获得一定的碳浓度梯度,钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。渗碳使低碳(碳质量分数0.15%0.30%)钢件表面获得高碳浓度（碳质量分数约1.0%），在经过适当淬火和回火处理后，可提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好的韧性和塑性。,1渗碳,（2）渗碳方法常用的是气体渗碳方法。将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900950，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇等），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气等），通过下列反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳：2COCO2+CCO2+H2H2O+CCnH2nnH2+nCCnH2n+2(n+1)H2+nC,1渗碳,（3）渗碳工艺渗碳工艺参数包括渗碳温度和渗碳时间等。奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳加热到Ac3以上。渗碳温度一般采用900950。渗碳时间则决定于渗层厚度的要求。在900渗碳，保温1h，渗层厚度为0.5mm,保温4h,渗层厚度可达1mm。,1渗碳,图7-55 气体渗碳装置示意图,1渗碳,低碳钢渗碳后缓冷下来的显微组织：表面为珠光体和二次渗碳体(过共析组织),心部为原始亚共析组织(珠光体和铁素体),中间为过渡组织。,图7-56 低碳钢渗碳缓冷后的显微组织,1渗碳,（4）渗碳后的热处理,(a)、(b)直接淬火;(c)一次淬火;(d)二次淬火 图7-57 渗碳后的热处理示意图,1渗碳,（5）钢渗碳、淬火、回火后的组织和性能渗碳件组织：表层为高碳回火马氏体+碳化物+残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体（或含铁素体、屈氏体）。渗碳体性能为：表面硬度高，耐磨性较好;心部韧性较好,硬度较低。疲劳强度高。,2氮化,氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。（1）氮化工艺 目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子（2NH33H2+2N),氮原子被钢吸收并溶入表面,在保温过程中向内扩散,形成渗氮层。,2氮化,气体氮化与气体渗碳相比,其特点是:氮化温度低,一般为500600。氮化时间长，一般为20h50h，氮化层厚度为0.3mm0.5mm。氮化前零件须经调质处理。,2氮化,（2）氮化件的组织和性能 钢件氮化后具有很高的硬度，且在600650下保持不下降，所以具有很高的耐磨性和热硬性。钢氮化后,渗层体积增大,造成表面压应力,使疲劳强度大大提高。氮化温度低,零件变形小。氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的相层,所以耐蚀性好,在水、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。,3碳氮共渗,碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，又称氰化。主要采用气体碳氮共渗，可分为高温和低温两种方法。低温碳氮共渗以氮为主，实质上就是软氮化。,几种表面热处理和化学热处理的比较,7.3.4 钢的热处理新技术,1.可控气氛热处理 在炉气成分可控制的炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。可控气氛热处理能减少和避免钢件在加热过程中氧化和脱碳，节约钢材，提高工件质量；可实现光亮热处理，保证工件的尺寸精度；可进行控制表面碳浓度的渗碳和碳氮共渗，可使已脱碳的工件表面复碳等。,7.3.4 钢的热处理新技术,2.真空热处理 在真空中进行的热处理称为真空热处理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理等。真空热处理的效果：1.减少变形2.净化表面 3.脱气作用,7.3.4 钢的热处理新技术,2.真空热处理 真空热处理的应用：1.真空退火2.真空淬火3.真空渗碳,7.3.4 钢的热处理新技术,3离子渗扩热处理,图7-61 离子渗扩炉示意图,7.3.4 钢的热处理新技术,4形变热处理 形变强化和热处理强化都是金属及合金最基本的强化方法。将塑性变形和热处理有机结合起来，以提高材料机械性能的复合热处理工艺，称为形变热处理。,4形变热处理,（1）高温形变热处理 高温形变热处理是将钢加热到奥氏体区域进行塑性变形，然后立即淬火和回火的工艺方法。,图7-63 高温形变热处理工艺曲线示意图,4形变热处理,（2）中温形变热处理 中温形变热处理是将钢加热到稳定的奥氏体状态后,迅速冷却到过冷奥氏体的亚稳区进行塑性变形,然后淬火和回火。,图7-64 中温形变热处理工艺曲线示意图,7.3.4 钢的热处理新技术,5激光加热表面淬火 激光加热表面淬火是利用高能量密度的激光束扫描工件表面,将其迅速加热到钢的相变点以上,然后依靠零件本身的传热,来实现快速冷却淬火。,小结（1）,相变是一种非常普遍的现象。固体材料在温度、压力、成分改变时组织、结构所发生的转变称为固态相变。固态相变有多种类型，可根据相变前后热力学函数的变化特征，将相变分为一级相变和二级相变；按相变过程的动力学特征（即相变过程中原子的运动特征）可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变。,小结（2）,热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。钢中组织结构变化的规律是钢热处理的理论基础和依据。,小结（3）,大多数热处理工艺（如淬火、正火、退火等）都要首先进行奥氏体化。奥氏体的形成过程，包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化等过程。奥氏体的形成速度取决于加热温度和速度、钢的成分和原始组织。奥氏体的晶粒度有两种：实际晶粒度和本质晶粒度。影响奥氏体晶粒度的因素有加热温度和保温时间、钢的成分等。,小结（4）,奥氏体化后的冷却方式通常有两种：等温处理和连续冷却。共析钢过冷奥氏体等温转变C曲线包括三个转变区：高温转变区，也称为珠光体转变区；中温转变区，又称为贝氏体转变区；低温转变区，又称为马氏体转变区。亚共析钢过冷奥氏体等温转变曲线，多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。过共析钢过冷A的C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体（Fe3CII）的开始线。,小结（5）,影响过冷奥氏体等温转变的因素有：合金元素中除钴以外，所有合金元素的溶入均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，但不同合金元素对C曲线的影响不同；奥氏体温度愈高，保温时间愈长，使C曲线右移。,小结（6）,共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）表明，共析钢以大于 Vk的速度冷却时，得到的组织为马氏体；冷却速度小于Vk时，钢将全部转变为珠光体；冷却速度处于Vk Vk之间时，得到的组织为珠光体+马氏体。在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。,小结（7）,共析成分的奥氏体过冷到珠光体转变区内等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体。珠光体转变是典型的扩散型转变。过冷奥氏体向片状珠光体的转变是形核与长大的过程。在粒状珠光体中，渗碳体呈颗粒状分散在铁素体基体中，每个渗碳体颗粒都是独立形核、长大而成的，彼此不相连接。,小结（8）,根据共析渗碳体的形状，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种。根据共析渗碳体的大小，又可分为珠光体、索氏体（细珠光体）和屈氏体（极细珠光体）三种。珠光体、索氏体和屈氏体三者实质是同一种组织，只是渗碳体片的片层间距不同。,小结（9）,当奥氏体的冷却速度大于上临界冷速时，便过冷到马氏体点Ms以下，发生马氏体转变，形成马氏体。马氏体转变是典型的非扩散型相变，也称为切变型相变。马氏体是碳在中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格。马氏体的形态一般分板条状和针状（或片状）两种。其形态决定于奥氏体的碳质量分数。,小结（10）,贝氏体是奥氏体在中温区的共析产物，是由含碳过饱和的铁素体和碳化物组成的两相混合物。在中碳钢和高碳钢中具有两种典型的贝氏体形态：一种是羽毛状的“上贝氏体”，它形成于中温区的上部；另一种是针状的“下贝氏体”，它形成于中温区的下部。,小结（11）,常用热处理工艺可大致分为下列几类：普通热处理、表面热处理和化学热处理和其他热处理等。钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等等。,小结（12）,表面热处理方法有感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等表面热处理。化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。按照表面渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。化学热处理过程中发生的三个基本过程：介质的分解、表面吸收和原子扩散。,The End!,