工程材料基础-第三章热处理课件.ppt
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1、第三章 钢的热处理,HEAT TREATMENT OF STEEL,退火 Annealing,正火 Normalizing,淬火 Quenching,回火 Tempering,普通热处理,真空热处理,可控气氛热处理,表面淬火,表面化学热处理,热处理,形变热处理,钢的热处理,在固态下通过对钢件进行加热、保温、冷却,从而改变钢件性能的操作,钢的热处理工艺示意图,保温时间 Holding Time保温温度 Holding Temperature,第一节 钢在加热时的转变TRANSFOEMATION OF STEEL AS BEING HEATED,2.11,钢,铸铁,A,工业纯铁,钢相图中的组织,F
2、+P,P,P+Fe3CII,F+Fe3CIII,特征线 A化,A1线(PSK线)加热Ac1 冷却Ar1A3线(GS线)加热Ac3 冷却Ar3Acm线(SE线)加热Accm 冷却Arcm,1.共析钢奥氏体的形成过程,加热保温的目的:获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体,BCC 体心 复杂正交 FCC面心立方,加热到A1以上,一、奥氏体的形成,A形核长大示意图,形核F和Fe3C的界面最易于形核,通过同素异构转变FA和Fe3C的溶解来实现长大一旦形核,A则向F和Fe3C方向长大,此过程同样通过同素异构转变FA和Fe3C的溶解来实现残余碳化物溶解 由于同素异构转变FA的速度比Fe3C向奥氏体中溶解的速度快,
3、同素异构转变完成后,还有一部分碳化物尚未溶解,它会在随后的加热过程中继续向奥氏体中溶解奥氏体均匀化 残余碳化物溶解完毕后,奥氏体的成分是不均匀的,原来F处含碳量低,而原来Fe3C处含碳量高。只有经足够长的保温时间,才能通过C的扩散形成均匀的A等轴晶,形核、长大、残余碳化物溶解、奥氏体均匀化,2.亚共析钢和过共析钢奥氏体形成过程,二、奥氏体晶粒的大小,1.奥氏体的实际晶粒度,在具体加热条件下得到的奥氏体晶粒大小称为奥氏体实际晶粒大小或奥氏体实际晶粒度,晶粒大小用晶粒度表示,通常分级 14粗晶钢 58细晶钢 8超细晶钢,放大倍数100时,每平方英寸内晶粒数目为n,则:,在工程上,一般采用100倍金
4、相照片,通过比对的方法确定晶粒度,影响因素,加热温度越高保温时间越长奥氏体的实际晶粒度越大,过热(Overheat)加热时A晶粒大小超过规定尺寸时就成为一种加热缺陷,称为过热,细小的奥氏体晶粒,2.奥氏体的本质晶粒,本质晶粒度只表示钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。并不表示奥氏体实际晶粒的大小。,13级:粗晶粒;46级:中等晶粒;78级:细晶粒,93038h,冷却后所测定的晶粒度为本质晶粒度。主要是检验钢本身长大倾向,本质细晶粒钢,本质晶粒度:58级。一般具有阻碍奥氏体晶粒长大的元素如:Nb、Ti、V等这些元素易于形成AlN、Al2O3、NbC、TiC、VC等不易溶解的小粒子,阻碍奥氏体晶粒
5、的长大,本质粗晶粒钢,本质晶粒度14级,一般仅用Si、Mn脱氧,没有阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素,奥氏体晶粒长大的很快。热处理一定不能过热,三、钢加热时的缺陷,第二节 奥氏体转变图TANSFORMATION DIAGRAM OF AUSTENITE AS BEING COOLED,一、奥氏体等温转变图 Isothermal transformation diagram of austenite,1.奥氏体等温转变图测定原理,过冷奥氏体在临界温度(A1、A3、Acm)以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称过冷奥氏体,恒温转变 将已化的钢迅速冷却到临界温度(A1、A3、Acm)以下某温度保温,等温转变图
6、 TTT 图.Temperature Time Transformation Diagram,共析钢曲线测定原理示意图,以共析钢为例,(1)将奥氏体化的若干组(每组若干个)试样分别迅速放入不同温度的恒温盐(金属)浴中,每隔一段时间取出一个试样迅速淬入水中,然后观察其转变的相对量。,(2)测量不同温度下过冷A的转变曲线,T1T2 T3 T4 T5 T6,(3)汇总特征值,2.共析钢奥氏体等温转变图分析,当TTA时,属于高温转变 随T,孕育期,转变当TTA时,属于中温转变 随T,孕育期 转变,出现“鼻子”,形似“C”,故TTT图也叫C曲线,A1650 珠光体(P)粗片状铁素体与渗碳 体交替排列的混
7、合物,650600 索氏体(S)细片状铁素体与渗碳 体交替排列的混合物,1)珠光体型转变,珠光体形成示意图,600550 托氏体(T)极细片状铁素体与渗碳 体交替排列的混合物,不同等温温度形成的珠光体显微组织(a)655(b)600(c)534,2)贝氏体型转变,共析钢的奥氏体等温转变图,贝氏体(B)过饱和铁素体与渗碳体组成的混合物,上贝氏体B上 相互平行的过饱和铁素体片与分布在片间的断续细小渗碳体组成的羽毛状混合物。硬度高,可达4045HRC,但因F片粗且平行分布,同时晶间有脆性的渗碳体,故塑、韧性差。脆性大性能差,上贝氏体形成示意图,下贝氏体B下 针叶状的过饱和铁素体与分布在其中的极细小的
8、渗碳体粒子组成的混合物脆性小性能好硬度高5060 HRC,强度高,耐磨性好,塑性、韧性高,具有良好的综合力学性能,下贝氏体形成示意图,生产中“等温淬火”的目的就是为了得到B下组织,3)马氏体型转变,共析钢的奥氏体等温转变图,转变温度:MsMf。温度低,Fe、C不能扩散(无扩散型转变)A F,C完全被保留在-Fe中,引起过饱和。M又称碳过饱和铁素体晶格歪扭成体心正方,随wC,正方度,T 230 马氏体(M),马氏体(M)碳在-Fe中的过饱和固溶体,(1)转变温度:,低碳马氏体(wc0.25%)板条状,强而韧,高碳马氏体(wc1.0%)片(或针)状,硬而脆,长大速度非常快,先形成的M片较大,后形成
9、的M片不能穿越已形成的M,故较小。显微镜下为长短不一,互成一定角度的M片,截面呈细长条状,许多尺寸大致相同的定向相互平行排列,构成一个群(束),显微组织为一束束细长板条状组织,(2)马氏体的形态,高碳马氏体形成过程示意图,Fe-1.8 wt.%C合金冷却到下列不同温度形成高碳马氏体的过程(a)24(b)60(c)100,低碳马氏体的显微组织,马氏体的形态取决于含碳量,wC 1.0%的钢淬火后,几乎全部为片MwC 0.25%的钢淬火后,基本上全部为板条M0.25%wC 1.0%的钢淬火后,为两种M的混合物M的含碳量越高,其硬度和强度越高,脆性越大,必须回火后使用,500,80000,500,50
10、0,板条M,片状M,混合M,(3)性能特点,(4)应用,淬火得到的马氏体硬而脆,脆性随Wc的增加而增加,回火后马氏体的性能,必须经过回火才能使用!,高碳马氏体具有高强度高硬度、高耐磨性,低碳马氏体具有好的综合性能,高碳马氏体用于高硬度高耐磨性的零件,如车刀、铣刀等工具,低碳马氏体用于综合性能好的零件,如发动机连杆螺栓、缸盖螺栓,石油钻井的吊环、吊钳等,残余奥氏体A,在M相变时,由于体积膨胀,使尚未发生相变的过冷A受压,而停止相变,这部分A称为残余奥氏体A 当温度达到Mf点以下时,A 才会全部分解完毕,共析钢Mf50,淬火至室温下仍有36%的A 过共析钢Mf=-100时,淬火至室温下仍有815%
11、A,与共析钢相比,亚共析钢的奥氏体等温转变图多一条 AF 转变线,亚共析钢等温转变图(a)与共析钢等温转变图(b)的比较,3.亚共析钢的奥氏体等温转变图,过共析钢等温转变图(c)与共析钢等温转变图(b)的比较,与共析钢相比,亚共析钢和过共析钢的奥氏体等温转变图多一条 AF,AFe3C 转变线,4.亚共析钢和过共析钢的奥氏体等温转变图,过共析钢,亚、过共析钢的TTT曲线,亚共析钢,位 置,过共析钢的多一条AFe3C线,共析钢的最靠右(wC0.77%:wC,C曲线右移;wC0.77%:wC,C曲线左移),亚共析钢的多一条AF线,1)碳含量的影响,2)合金元素的影响,形 状,位 置,不讲,除Co外,
12、其他都使“”曲线右移,5.影响奥氏体等温转变图的主要因素,随wC增加Ms、Mf点降低,共析钢奥氏体连续冷却转变图(实线)与等温转变图(虚线)的比较,与“C”曲线相比,向右下方移动,多一条珠光体 转变中止线,无贝氏体转变,二、奥氏体连续冷却转变图 Continue cooling transformation diagram of austenite,以共析钢为例,CCT图,CCT曲线位于C曲线右下方,P转变温度更低,时间更长;共析钢及过共析钢的CCT曲线中无B型转变,而多了一条P转变终止线;亚共析钢在连续冷却时在一定温度范围内过冷A会部分转变为B,三、用等温转变图定性判断连续冷却转变产物 Ap
13、plication of isothermal transformation diagram of austenite for eutectoid steel as continue cooling,由于CCT曲线测定比较困难,许多钢至今仍无,实际热处理中常参照C曲线来定性估计连续冷却转变过程,共析钢奥氏体等温转变图在连续冷却时应用示意图,P,S,P,S,第三节 钢的普通热处理COMMON HEAT TREATMENT OF STEEL,退火 Annealing,正火 Normalizing,淬火 Quenching,回火 Tempering,普通热处理是零件制造过程中非常重要的不可缺少的工序
14、,一般零部件制造工艺中路线,铸造锻造,退火正火,切削加工,成品,预先热处理,重要零部件制造工艺中路线,铸造锻造,退火正火,粗加工,淬火,回火,精加工,成品,一、钢的退火 Annealing of steel,将钢件加热到临界温度(A1、A3、Acm)以上(有时以下)保温一定时间,然后缓冷(炉冷、坑冷、灰冷)以得到平衡状态的组织的热处理工艺称退火,退火温度,1.完全退火,完全退火工艺,保温Ac3+30 50,炉冷,空冷,500,完全退火可作为重要零件预先热处理,也可以作为一般零件的最终热处理,2)适用于:亚共析钢和合金钢的铸、锻、及热轧型材。也可以用于焊件,3)组织:,完全退火工艺,保温Ac3+
15、30 50,炉冷,空冷,500,40钢完全退火,2)适用于:共析钢、过共析钢及合金钢,1)工艺:,Ac1以上3050加热保温后,在A1温度上下反复升温降温,后随炉冷却至600以下出炉空冷,2.球化退火,较长时间的保温,使钢的Fe3C(碳化物)趋于球化,然后缓慢冷却到600550再出炉冷却,目的:调整硬度,以利切削 淬火作组织准备,3.扩散退火,把钢加热到固相线以下100 200,并保温缓冷。目的是消除钢中的枝晶偏析。所以也叫均匀化退火,4.去应力退火,把钢件加热到Ac1以下,一般500650随炉却至200出炉去应力退火又称或低温退火。目的是消除残余应力,防止零件变形或开裂,保证精度,二、钢的正
16、火 Normalizing of steel,过共析钢:Accm以上3080加热、空冷,共析钢:Ac1以上3080加热、空冷,亚共析钢:Ac3以上3080加热、空冷,1.工艺,共析钢:S,亚共析钢:F+S,2.组织,3.目的,40钢正火,退火和正火的选择(从以下三个方面考虑),提高切削加工性能,使用性能,低碳钢选择正火,中碳钢选择退火、正火,高碳钢选择球化退火,普通结构件,以正火作为最终热处理,以细化晶粒,提高力学性能;形状复杂的结构件,采用退火作为最终热处理,以削除应力防止裂纹,获得马氏体,以提高硬度,共析、过共析钢:Ac1以上3050,亚共析钢:Ac3以上3050,加热后快冷(大于临界冷却
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