材料第2章之4钢的热处理教材课件.ppt
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1、第2章 金属材料组织与性能的控制之2.4 钢的热处理,10/2/2022,1,北京邮电大学自动化学院,第2章 10/2/20221北京邮电大学自动化学院,热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变,再施以冷却再发生相变的工艺过程。 通过这个相变与再相变,材料的内部组织发生了变化,因而性能变化。,一、热处理的基本概念,10/2/2022,2,北京邮电大学自动化学院,热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变,(1)热处理的基本要素热处理工艺中有三大基本要素:加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。加热:是热处理的第一道工序。不同的材料,其加热工艺和加热温度都不
2、同。加热分为两种,一种是在临界点A1以下的加热,此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织,这一过程称为奥氏体化。保温:目的是要保证工件烧透,防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大,导热性越差,保温时间就越长。冷却:热处理的最终工序,也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。,10/2/2022,3,北京邮电大学自动化学院,(1)热处理的基本要素10/2/20223北京邮电大学自动化,10/2/2022,4,北京邮电大学自动化学院,10/2/20224北京邮电大学自动化学院,(2)热处理的基本类
3、型根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同,热处理可以分为下列几类:普通热处理:包括退火、正火、淬火和回火等四把火。表面热处理:包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬 火、电接触加热表面淬火、渗碳、氮化和碳氮共渗等。其它热处理:包括可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。,10/2/2022,5,北京邮电大学自动化学院,(2)热处理的基本类型10/2/20225北京邮电大学自动化,二、钢在加热时的转变,钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体,然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织,得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律,首先要研究钢在加热时的变化。加热的目的是得到奥氏体。,10/2/2
4、022,6,北京邮电大学自动化学院,二、钢在加热时的转变钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体,然后,(1)加热时奥氏体的形成过程之共析钢的加热转变,奥氏体形成的三个阶段:第一阶段:奥氏体晶核的形成与奥氏体长大;第二阶段:残余渗碳体的溶解;第三阶段:奥氏体成分的均匀化。,10/2/2022,7,北京邮电大学自动化学院,(1)加热时奥氏体的形成过程之共析钢的加热转变 (+Fe3,珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充分条件:一是温度条件,要在Ac1以上加热;二是时间条件,要求在Ac1以上温度保持足够时间。在一定加热速度条件下,超过Ac1的温度越高,奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈
5、短;在一定的温度(高于Ac1)条件下,保温时间越长,奥氏体成分越均匀。,10/2/2022,8,北京邮电大学自动化学院,珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充,*(2)钢的加热缺陷氧化:加热时的氧化性气氛(如空气、气氛中O2、CO2、H2O等)氧化钢铁,在工件表面形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。氧化将导致钢的烧损加大,而且使零件尺寸变小,表面粗糙,更重要的还严重影响后序热处理的质量。 脱碳:钢加热过程中脱碳,即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象。由于脱碳使钢件表面含碳量下降,导致钢件机械强度下降,特别是工件的疲劳强度下降,耐磨损性能降低。过热:钢的过热指的是加热
6、温度比正常温度偏高,出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大,即晶粒变粗。结果是,钢的塑性、韧性、强度降低,同时工件热处理后变形加大,还可能导致热处理裂纹、使工件报废。过烧:指的是加热温度太高,奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。后果是,处理的工件很脆,如果锻造一锻即裂,过烧的工件只能报废,无法挽救,因而是致命性的。,10/2/2022,9,北京邮电大学自动化学院,*(2)钢的加热缺陷10/2/20229北京邮电大学自动化学,*(3)加热缺陷的防止办法:真空加热:工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施,是热处理工艺的发展方向,但真空加热用的设备投资大,工艺成本较高。保护气氛加热:工件加热
7、过程中向炉内充入一定保护性气氛,保证钢在不脱碳,不增碳,不氧化的气氛下加热。但需要一套制取可控气氛的发生装置,由于成本较高,原材料来源不广泛限制了它的应用。 盐浴加热:工件置于一熔化了的中性盐液中加热,盐液进行充分脱氧,保证工件加热过程中少氧化,甚至无氧化。问题主要是粘在工件上的盐难以清洗洁净,清洗不干净会导致储存及应用过程易于长锈。,10/2/2022,10,北京邮电大学自动化学院,*(3)加热缺陷的防止办法:10/2/202210北京邮电大,三、钢在冷却时的转变,同一种钢加热到奥氏体状态后,由于尔后的冷却速度不一样,奥氏体转变成的组织不一样,因而所得的性能也不一样。(1)等温处理:临界点以
8、下进行保温,恒温转变(2)连续冷却:以某种速度连续冷却,10/2/2022,11,北京邮电大学自动化学院,三、钢在冷却时的转变 同一种钢加热到奥氏体状态后,,研究奥氏体冷却转变常用TTT曲线(过冷奥氏体等温转变曲线)和CCT曲线(过冷奥氏体连续冷却转变曲线)。,什么是过冷奥氏体?,从铁碳相图可知,当温度在A1以上时,奥氏体是稳定的,能长期存在。当温度降到A1一下后,奥氏体即处于过冷状态,称为过冷奥氏体。,10/2/2022,12,北京邮电大学自动化学院,Ac3AccmAc1Ar3ArcmAr1,共析钢过冷奥氏体的等温转变图TTT图或者C曲线,转变开始线,转变终止线,10/2/2022,13,北
9、京邮电大学自动化学院,共析钢过冷奥氏体的等温转变图TTT图或者C曲线转变开始线转变,1、过冷奥氏体的等温转变(1)高温转变(珠光体转变)在温度A1以下至550左右的温度范围内,过冷奥氏体转变产物是珠光体,即形成铁素体与渗碳体两相组成的相间排列的层片状的机械混和物组织,所以这种类型的转变又叫珠光体转变。,10/2/2022,14,北京邮电大学自动化学院,1、过冷奥氏体的等温转变10/2/202214北京邮电大学自,在珠光体转变中,由A1以下温度依次降到鼻尖的550左右,层片状组织的片间距离依次减小。根据片层的厚薄不同,这类组织又可细分为三种。第一种是珠光体,其形成温度为A1650,片层较厚,一般
10、在500倍的光学显微镜下即可分辨。用符号“P”表示。第二种是索氏体,其形成温度为650600,片层较薄,一般在8001000倍光学显微镜下才可分辨。用符号“S”表示。第三种是托氏体,其形成温度为600550,片层极薄,只有在电子显微镜下才能分辨。用符号“T”表示。参见课本 P77 图 2-48、表2-5,10/2/2022,15,北京邮电大学自动化学院,在珠光体转变中,由A1以下温度依次降到鼻尖的550左右,(2)中温转变(贝氏体转变) 贝氏体组织B:贝氏体按形成温度不同分为两种:上贝氏体和下贝氏体。 上贝氏体的形成温度为550350,它的硬度比同样成份的下贝氏体低,韧性也比下贝氏体差,所以上
11、贝氏体的机械性能很差,脆性很大,强度很低,基本上没有实用价值。 下贝氏体的形成温度为350Ms,它有较高的强度和硬度,还有良好的塑性和韧性,具有较优良的综合机械性能,是生产上常用的组织。获得下贝氏体组织是强化钢材的途径之一。,10/2/2022,16,北京邮电大学自动化学院,10/2/202216北京邮电大学自动化学院,上贝氏体的显微组织500倍,10/2/2022,17,北京邮电大学自动化学院,25下贝氏体的显微组织上贝氏体的显微组织500倍10/2/,2、过冷奥氏体的连续冷却转变(马氏体转变)马氏体组织 过冷奥氏体在马氏体开始形成温度Ms以下转变为马氏体,这个转变持续至马氏体形成终了温度M
12、f。在Mf以下,过冷奥氏体停止转变。经冷却后未转变的奥氏体保留在钢中,称为残余奥氏体。,10/2/2022,18,北京邮电大学自动化学院,2、过冷奥氏体的连续冷却转变(马氏体转变)10/2/2022,过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线),A1,Ps,K,Pf,转变中止,800 700 600 500 400 300 200 100 0-100,温度 ,0 1 10 102 103 104 105 时间 秒共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线,Ms,A M,Mf,K,TTT,vk,vk,CCT,连续冷却转变曲线又叫CCT曲线。它是通过测定不同速度下过冷奥氏体的转变量而获得的。 如图是共析钢的CC
13、T 曲线。 Ps线为过冷奥氏体转变为珠光体的开始线,Pf为转变终了线,两线之间为转变过渡区。KK线为转变的中止线,当冷却曲线碰到此线时,过冷奥氏体就中止向珠光体型组织转变,继续冷却一直保持到Ms点以下,使剩余的奥氏体转变为马氏体。vk称为CCT曲线的临界冷却速度,它是获得全部马氏体组织(实际还含有一小部分残余奥氏体)的最小冷却速度。,10/2/2022,19,北京邮电大学自动化学院,过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线) A1PsK,讲解课本 图2-53 P79,10/2/2022,20,北京邮电大学自动化学院,讲解课本 10/2/202220北京邮电大学自动化学院,共析钢过冷奥氏体连续冷却
14、转变的过程和产物讲解课本 图2-54 P80,10/2/2022,21,北京邮电大学自动化学院,共析钢过冷奥氏体连续冷却转变的过程和产物10/2/20222,铁原子,碳原子可能位置,铁原子的振动范围,马氏体晶格示意图,过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变,铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面, 集体地(不改变相互位置关系)作一定距离的移动(不超过一个原子间距), 使面心立方晶格改组为体心正方晶格,碳原子原地不动,过饱和地留在新组成的晶胞中;增大了其正方度c/a 。马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使-Fe 的晶格发生很大畸变, 产生很强的固溶强化。,马氏体转变的特点,1
15、0/2/2022,22,北京邮电大学自动化学院,铁原子碳原子可能位置铁原子的马氏体晶格示意图过冷A转变为马氏,马氏体的形态,主要有两种组织:板条马氏体和片状马氏体,板条马氏体主要产生于低碳钢中; 片状马氏体主要产生于高碳钢中。,10/2/2022,23,北京邮电大学自动化学院,2015 (a),马氏体转变观察,10/2/2022,24,北京邮电大学自动化学院,马氏体转变观察 10/2/202224北京邮电大学自动化学院,a.硬度很高。 b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量(或形态)密切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构,所以硬而脆,塑性、韧性极差,但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有
16、一定的韧性。而低碳马氏体,由于过饱和度小,内应力低和存在位错亚结构,则不仅强度高,塑性、韧性也较好。,马氏体的特点,10/2/2022,25,北京邮电大学自动化学院,a.硬度很高。 马,四、 钢的普通热处理,钢的热处理工艺可分为三大类:一是:一般热处理(或常规热处理),即退火、正火、淬火、回火的“四火”处理;二是:表面热处理,如高频感应加热淬火、渗碳、渗氮(氮化)、碳氮共渗等;三是:其它热处理,如可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。,10/2/2022,26,北京邮电大学自动化学院,四、 钢的普通热处理 钢的热处理工艺可分为三大,将钢件加热到适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却的热处理工
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