热处理原理课件.ppt

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1、.,1,材料的热处理,Heat Treatment of Steel,.,2,热处理指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的工艺包含热处理原理和热处理工艺两部分内容：,描述热处理时钢中组织转变的规律称为热处理原理根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称为热处理工艺,.,3,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用,在机床制造中约6070%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7080%模具、滚动轴承100%需经过热处理,总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。,.,4,热处理工艺的三大基本要素：加热、保温、冷却,热处理的基本要素,为简明表

2、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。,这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。,.,5,区别于铸造、压力加工等其它加工工艺的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变形状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,热处理特点,.,6,的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、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3050/h的速度加热或冷却时测得的,铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢

3、加热时,临界温度与实际转变温度,.,7,第一节 钢在加热时的转变,钢坯加热,加热是热处理的第一道工序，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,.,8,奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核奥氏体晶核长大：奥氏体晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大残余Fe3C溶解：的成分、结构更接近，因而先消失；残余Fe3C随保温时间延长继续溶解至消失,一、奥氏体的形成过程（以共析钢为例）,.,9,奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使成分趋于均匀,.,11,亚共析钢和过共析钢奥氏体化过程与共析钢基本相

4、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Accm以上,.,12,二、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，这也是一个自发过程晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同,.,13,温来判断，晶粒度为14级的是本质粗晶粒钢，58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,在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度通常将钢加热到940 10奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室,.,14,2. 影响奥氏

5、体晶粒长大的因素,1）加热温度高、保温时间长，晶粒粗大2）加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细3）合金元素：,阻碍A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促进A晶粒长大的元素：Mn、P、C、N,.,15,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,析出颗粒对黄铜晶界的钉扎,奥氏体晶粒尺寸/m,.,16,三、钢的加热缺陷,1）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

6、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质量。,2）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，导致机械强度下降，特别是疲劳强度下降，耐磨损性能降低。,.,17,3）过热：加热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,使得钢的塑性、韧性、强度降低，同时变形加大，还可能导致热处理裂纹、使工件报废。,4）过烧：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,使工件很脆，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。,.,18,1）真空加热：工件在真空中加热是

7、防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向,加热缺陷的防止办法,但真空加热用的设备投资大，工艺成本较高。,2）保护气氛加热：加热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。,.,19,3）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。,.,20,第二节 钢在冷却时的转变,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

8、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。,.,21,（一）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，又分为珠光体、索氏体和托氏体,.,22,（1）珠光体,光镜下形貌,电镜下形貌,三维珠光体如同放在水中的包心菜,形成温度为A1650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示,.,23,（2）索氏体,形成温度为650600，片层较薄，8001000倍光镜下可辨，用符号S表示,电镜形貌,光镜形貌,.,

9、24,（3）托氏体,电镜形貌,光镜形貌,形成温度为600550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示,.,25,珠光体、索氏体、托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,片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善,.,26,珠光体转变也是形核和长大的过程,2. 珠光体转变过程,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，促进铁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,.,28,（二）贝氏体转变,上贝氏体,下贝氏体,过冷奥氏体在550230（Ms）间将转变为贝氏体组织，用符号B表示根据其组织形态不同，贝氏

10、体又分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）,1. 贝氏体的组织形态及性能,.,29,（1）上贝氏体,光镜下,电镜下,形成温度为550350在光镜下呈羽毛状在电镜下不连续棒状Fe3C分布于自晶界向晶内平行生长的铁素体条之间,.,30,（2）下贝氏体,光镜下,电镜下,在电镜下细片状碳化物分布于铁素体针内，并与针长轴方向呈55 60角,形成温度为350Ms在光镜下呈竹叶状,.,31,上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值下贝氏体强度、硬度较高，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能,上贝氏体,下贝氏体,是生产上常用的强化组织之一。,贝氏体组织的透射电镜形貌,.,32,贝氏体转变也是形核和长大的过程

11、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,2. 贝氏体转变过程,.,33,当转变温度较高（550350）时,条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长随铁素体条伸长和变宽，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,.,34,当转变温度较低（350230）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,.,35,（三）马氏

12、体转变,马氏体组织,马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中,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中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示,.,36,马氏体具有体心四方晶格（a = b c）轴比c/a称为四方度C%越高，四方度越大，四方畸变越严重当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格,.,37,马氏体的形态分板条和针状两类,光镜下,电镜下,2. 马氏体的形态,（1）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,.,38,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

13、形成几个取向不同的马氏体束在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错， =1012/cm2，又称位错马氏体,SEM,TEM,.,39,（2）针状马氏体,电镜下,电镜下,光镜下,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,.,40,0.45%C,0.2%C,1.2%C,（3）马氏体的形态,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,主要取决于含碳量。,.,41,45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形成

14、的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小,原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细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,.,42,3. 马氏体的性能,当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓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,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,.,43,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,.,44

15、,4. 马氏体转变的特点,铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与的含碳量相同,马氏体转变也是形核和长大的过程，其主要特点是：,（1）无扩散性,（2）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随之变形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象,.,46,K-S关系,由于转变时新相和母相始终保持切变共格性因此马氏体转变后新相和母相之间存在一定的结晶学位向关系：,110 /111； / ,.,47,（3）降温形成,马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变在Ms以下，随温度下降，

16、转变量增加，冷却中断，转变停止,.,48,（4）高速长大,（5）转变不完全,残余奥氏体，用A或表示,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,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,.,49,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,.,50,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,.,51,二、过冷奥氏体转变图,过冷奥氏体的转变方式有等温转变

17、和连续冷却转变两种,.,52,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为C曲线、S曲线或TTT曲线,（一）过冷奥氏体的等温转变图,（Time-Temperature-Transformation diagram）,.,53,1. C曲线的建立,以共析钢为例：1）取一批小试样并进行奥氏体化2）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,.,54,.,55,3）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4）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

18、连线称转变开始线；转变终了点的连线称转变终了线,.,56,A1Ms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,.,57,2. C曲线的分析,1）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,.,58,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,2）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,.,59,3. 影响C曲线的因素, 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

19、量增加而下降,与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线,（1）成分的影响,.,60,Cr对C曲线的影响,除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移除Co和Al外，所有合金元素都使Ms与Mf点下降, 合金元素的影响,.,61,（2）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,.,62,（二）过冷奥氏体连续冷却转变图,共析钢CCT曲线,过共析钢CCT曲线,亚共析钢CCT曲线,过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT（Continuous

20、Cooling - Transformation diagram）曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的,.,63,1. 共析钢的CCT曲线,共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体,.,64,图中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度Vk为TTT曲线的临界冷却速度Vk 1.5 Vk,.,65,CCT曲线位于TTT曲线右下方；CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况方法是将连续冷却曲线绘在C曲线上，依其与C曲线交点的位置来说明最终转变产物,.,66,P,均匀A,细A,P,退火,（炉冷）,正火,（空冷）,S,淬火,（油冷）,T+M+A,M+A,淬火,（水冷）,.,67,2. 过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区，但比共析钢CCT曲线多一条AFe3C转变开始线。由于Fe3C的析出，奥氏体中含碳量下降，因而Ms线右端升高3. 亚共析钢CCT曲线有贝氏体转变区，还多AF开始线，F析出使A含碳量升高，因而Ms线右端下降,