金属材料热处理原理.ppt

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1、4.2 金属材料热处理原理,4.2.1 钢在加热时的转变4.2.2 奥氏体在冷却时的转变4.2.3 淬火钢在回火时的转变4.2.4 金属材料的脱溶沉淀与时效,请思考？（见教材P83问题提示）,1.铁碳合金相图在钢铁材料热处理中的作用是什么呢？钢铁材料冷却转变曲线（TTT、CCT曲线）的物理意义是什么？您会使用它来分析不同热处理条件下所获得的转变产物（组织）吗？您能在TTT或CCT曲线上示意地标出退火、正火、单液淬火、双液淬火、等温淬火、分级淬火与不完全淬火的冷却速度曲线吗？2.“五大转变”指的是哪五种类型的转变，试从转变性质、所处温度范围、转变特征、组织、性能的变化与应用等方面说明？,碳钢淬火

2、加热温度范围,请思考：回顾金工实习，各种热处理工艺的 共同点是什么？,热处理工艺曲线示意图,（a）加热温度（b）工艺规范图4.35 各种退火与正火工艺规范,1.钢加热转变的理论依据是什麽？,加热和冷却对临界转变温度的影响,4.2.1 钢在加热时的转变,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，因此将钢加热时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。因加热或冷却速度直接影响转变温度，因此一般热处理手册中的数据是以3050/h的速度加热或冷却时测得的。,2.共析碳钢奥氏体化过程共

3、分为哪四个阶段？,图4.3 珠光体向奥氏体转变示意图,3.亚、过共析钢的奥氏体化过程 是如何进行的呢？,请看左面的示意图,4.奥氏体晶粒大小及其控制（1）奥氏体晶粒度等级,A晶粒大小对冷后室温组织粗细的影响,详情见下页,接下,晶粒度及晶粒度对照表,返回,4.奥氏体晶粒大小及其控制,（2）注意区分三种奥氏体晶粒度 A起始晶粒度；A实际晶粒度；A本质晶粒度（如图4.5所示）。（3）奥氏体晶粒度的控制合理选择加热条件；加热速度的选择（右下图示）；化学成分的控制,珠光体向奥氏体的转变过程图,图4.5 本质细晶粒和本质粗晶粒示意图,因此在热处理加热时，应严格控制加热温度、保温时间、加热速度及合理选择钢种

4、。,4.2.2 奥氏体在冷却时的转变,1.奥氏体冷却转变的理论依据是什麽？2.过冷奥氏体的等温冷却转变曲线（C，TTT曲线）（1）C曲线是如何建立的？（2）C曲线分析（3）影响C曲线的主要因素有哪些？化学成分（碳含量；合金元素的含量）;奥氏体化条件3.过冷奥氏体转变产物的组织与性能（1）珠光体（P）转变；(2)马氏体（M）转变；（3）贝氏体（B）转变4.过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）5.过冷奥氏体转变曲线的应用,请看：两张表,45钢经840加热，于不同冷却速度冷却后的性能（表4.1）,T8钢经不同速度冷却后的性能（10mm，800加热）,请思考？,1.为什么钢（45，T8）加热A化后

5、于不同冷却速度下的性能会有如此的差别呢？2.为什么冷却速度越快，钢的硬度、强度越高，而塑性、韧性则越低呢？,如何判定 不同冷却条件下所获得的组织？,？,马氏体组织在哪里呢？,奥氏体（A）冷却转变的理论依据热处理工艺曲线示意图,过冷A等温冷却转变曲线表示A急速冷却到A1 以下，在各不同温度下保温过程中转变量与转变时间的关系曲线.又称C 曲线、S 曲线或TTT(Time-Temperature-Transformation diagram)曲线。,2.过冷A等温冷却转变曲线（1）C曲线的建立,以共析钢为例（如右图4.7所示）：i取一批小试样并进行奥氏体化.ii将试样分组淬入低于A1点的不同温度的盐

6、浴中,隔一定时间取一试样淬入水中。iii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。iv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。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。,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。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。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。,（2）C曲线分析,C 曲 线 的 物 理 意 义,图4.8 共析碳钢的A等温冷却转变曲线（C

7、曲线）分析,C曲线的物理意义即指C曲线中各条特性线的含义，以及各个区域的组织这双层含义。,2.过冷A等温冷却转变曲线（C曲线）C曲线的物理意义（各条特性线含义；各区域组织）,各个区域对应何种类型组织？A1Ms 间及转变开始线以左的区域为A（过冷奥氏体）区;转变终了线以右及A1以下为转变产物区;两C线之间为A 与转变产物共存区;MSMf之间为M转变区。特性线A1,MS,C左,C右线的含义是什么？A1线：共析线；MS线：A向M转变的开始线；C左线：A向转变产物转变的开始线；C右线：A向转变产物转变的终了线。,温度,图4.8 共析碳钢的C曲线,（3）影响 C 曲线的主要因素 碳质量分数的影响 在正常

8、加热条件下，共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线的位置最靠右。Ms 与Mf 点随碳质量分数的增加而下降。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。,图4.9 亚共析碳钢、共析碳钢及过共析碳钢的C曲线比较,（a）亚共析钢（b）共析钢（c）过共析钢,图4.10 Me对C曲线的影响,合金元素的影响 除 Co 外，凡溶入A的Me，都能增加A的稳定性，使C 曲线右移。除 Co 和 Al 外，凡溶入A的Me均能使Ms 与Mf 点下降。,（3）影响 C 曲线的主要因素,（a）Co（b）Ni（c）Cr,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

9、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.,3.过冷奥氏体转变产物的组织与性能(1)珠光体（P）转变(A1550，高温转变或扩散型相变),定义与分类 按渗碳体的形态进行分类 片状P和球化体（粒状珠光体）珠光体的组织形态与性能片状珠光体 表4.2 共析碳钢过冷奥氏体冷却转变的类型、产物、性能及特征,3.过冷奥氏体转变产物的组织与性能(1)珠光体（P）转变(A1550，高温转变或扩散型相变),珠光体的组织形态与性能片状珠光体的显微组织图,（a）500（b）8000,P（珠光体）,（c）1000（d）19000,S（索氏体）,（e）200（

10、f）19000,T（托氏体）,3.过冷奥氏体转变产物的组织与性能(1)珠光体（P）转变(A1550，高温转变或扩散型相变),珠光体的组织形态与性能片状珠光体的性能,#P片层间距与转变温度、性能关系,P片层间距与硬度的关系图,珠光体的组织形态与性能,球化体（粒状珠光体）,珠光体的硬度（a）；（b）形态1000X;（c）原始组织1000X,(a),（b）,（c）,球化体与片状P相比：i 当碳含量相同时，球化体的塑韧性好，可切削加工性好，冷挤压成形性也好，加热淬火时变形、开裂倾向也小；i i 当b相同时，球化体的-1高；iii 当硬度相同时，球化体的综合力学性能好（不易产生应力集中、裂纹）。因此，高

11、碳钢在机械加工和最终热处理之前，常要求材料先经球化退火处理，以获得均匀的球化体组织。,图4.15 M的晶体结构示意图,（2）马氏体（M）转变 M的形成条件（TMS，VVkC）,i冷却速度必须大于临界冷速VKC(VC);ii奥氏体必须过冷到230(Ms)以下将转变为马氏体（M）类型组织（如右图4.21所示）。,晶体结构特点,马氏体是碳在-Fe 中的过饱和固溶体，用M表示.M转变时，A中的碳全部保留在M中；其具有体心正方晶格（a=bc），轴比c/a 称M的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重；当0.25%C时,c/a=1,此时M为BCC晶格.,图4.21 共析碳钢的CCT曲线,因此，伴随M

12、形成其比容增大，由此产生组织应力，易使工件产生变形开裂。,M的 组织形态与性能 钢中M的组织形态主要有板条状和片状两种基本类型。,M的组织形态与性能,影响M形态的因素M形态M转变温度A化学成分（如左下图所示）0.2%C 低碳M；1.0%C 高碳M。0.2%1.0C：当小于0.6C时，以低碳M为主；当大于0.6C时，以高碳M为主。应注意：A的碳含量钢的碳含量随钢中奥氏体碳含量的增加，M的转变温度下降，残余奥氏体量增加，如右下图所示。,图4.奥氏体的碳含量对M转变温度（a）及AR量（b）的影响,图4.M形态与碳含量关系,M的组织形态与性能,M的性能 M具有高强度、高硬度：固溶强化，相变强化，时效强

13、化，细晶强化等。M是最经济、有效的综合强化效果。M具有高的硬度和强度。M的硬度主要取决于碳含量（如右下图所示）。,碳含量对M强度和硬度影响,表4.淬火钢的塑、韧性与碳含量间关系,M的塑性、韧性 则主要取决于其亚结构：孪晶M-塑韧性差，位错M-强韧性好。,请思考：如何理解“M的强度和硬度主要取决于M的碳含量”，试就图4.18解释之？,（3）贝氏体（B）转变,组织形态 图4.19 B上的显微组织形态 图4.20 B下的显微组织形态,表4.2 贝氏体型转变的形成温度、转变机制、组织特征、形成特点、硬度及性能特点，获得工艺,A等温转变的类型、产物、性能及特征,两种马氏体的性能比较（如下表所示）,贝氏体

14、转变特征一览表（共析钢）,注意区分与比较:,4.过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）,（1）CCT曲线及分析,i 共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在P转变区之下多了一条转变中止线(K线)。当连续冷却曲线碰到K线时，P转变中止，余下的过冷奥氏体一直保持到Ms以下转变为M。ii CCT曲线位于C曲线的右下方。,图4.21中 A1共析线；PS线A转变为P开始线；Pf线A转变为P终了线；K线A转变为P中止线；Ms线A转变为M开始线。VkC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.,图4.22 共析碳钢CCT曲线与C曲线比较,（2）CCT与C曲线比较,4.过冷奥氏体连续冷

15、却转变曲线 它是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,图4.21 共析钢CCT曲线,过共析钢CCT曲线,图4.24 亚共析钢CCT曲线,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.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.,4.过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）,5.过冷奥氏体转变曲线的应用,（1）C曲线的应用,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

16、曲线上，依其与C 曲线交点的位置来说明最终转变产物.,图4.23 在C曲线上估计连续冷却时过冷奥氏体转变产物示意图,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,(水冷),淬火,650,600,550,课堂练习：试分析下图中不同热处理条件下所获得的组织。,45钢的CCT曲线 及其应用,M+T,40Cr 钢的CCT曲线及应用,45钢850油冷组织,M+T,40Cr钢油淬组织为全部M。,请思考：为什么其所获得的组织不同？,4.2.3 淬火钢在回火时的转变,请思考：1.钢经淬火后为何必须立即回火？2.回火时，淬火钢中组织与性能究竟发生了哪些变化？3.回

17、火共分为哪三种，其相应的组织与适用范围如何？4.何谓回火脆性，第一、二类回火脆性的温度范围与适用条件分别是什麽？,1.钢经淬火后为何必须立即回火？,（1）M、AR均为亚稳组织；（2）M中存在大量晶体缺陷；（3）残余内应力。,淬火钢在回火时的变化如右图4.25所示,2.回火时，淬火钢中组织与性能究竟发生了哪些变化？,（1）M分解；（2）AR的分解；（3）K类型的转变；（4）K聚集长大、相再结晶.,表4.3 淬火钢回火时的转变特征,3.回火共分为哪三种，其相应的组织与适用范围如何？,表4.7 回火组织及其力学性能特点,图4.26 回火M的显微组织图,图4.27 回火托氏体的显微组织,图4.28 回

18、火索氏体显微组织,图4.26 回火马氏体的组织形态,（a）淬火M，850X（b）回火M，850X图4.26 回火马氏体的显微组织,返回,图4.27 回火托氏体的显微组织,a）光学显微组织（500X）b）电子显微组织（7500X）图4.27 回火托氏体的显微组织,返回,图4.28 回火索氏体的显微组织,a）光学显微组织（500X）b）电子显微组织（7500X）图4.28 45钢的回火索氏体显微组织,4.何谓回火脆性，第一、二类回火脆性的温度范围与适用条件分别是什麽？,图4.29 淬火钢的硬度与回火温度的关系,图4.30 钢的冲击韧度随回火温度的变化,4.2.4 金属材料的脱溶沉淀与时效（Prec

19、ipitation process and age hardening of metallic materials）,从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子的聚集区，以及亚稳定的过渡相的过程称为脱溶或沉淀，它是一种扩散型相变。1.基本条件2.固溶处理与时效强化3.铝合金的时效强化及机理简介,1.基本条件（如图4.31所示）,（1）合金在相图上是否有固溶度的变化；（2）而且其固溶度是否随温度降低而减少。,二次析出反应：c0c1,请思考：该合金室温下的相组分和组织组分各是什么？,2.固溶处理与时效强化,（1）固溶处理 将（+）双相组织加热到固溶线以上某一温度（如T1）保温足够时间，会获

20、得均匀的单相固溶体相，这种处理称为固溶处理。（2）时效强化若将经固溶处理后的C0合金急冷，抑制相分解，则在室温下获得亚稳的过饱和固溶体。这种过饱和固溶体在室温或较高温度下等温保持时，亦将发生脱溶，但脱溶相往往不是相图中的平衡相，而是亚稳相或溶质原子聚集区。这种脱溶可显著提高合金的强度和硬度，称为时效强化，是强化金属材料的重要途径之一。,图4-31 固溶与时效处理的工艺过程示意图 图4-32 铝合金（w(Cu)=4%）于不同温度下时效曲线,2.固溶处理与时效强化,（3）时效现象合金在脱溶过程中，其力学性能、物理和化学性能等均随之发生变化，这种现象称为时效。室温下产生的时效称为自然时效，高于室温的

21、时效称为人工时效（如图4-32所示）。,图4-32 铝合金（w(Cu)=4%）于不同温度下时效曲线,3.铝合金的时效强化及机理简介,图4-33 Al-Cu合金相图,强化机理简介：铝合金在时效过程中产生显著的时效强化现象的原因主要与铝合金在时效过程中所产生的中间过渡相有关。研究表明，时效过程包括如下四个阶段:（1)形成铜原子富集区(GPI区)（2)铜原子富集区有序化(GP区形成)（3)形成过渡相（4)平衡相的形成与长大,图4-34 4%Cu-Al合金130下时效曲线,其时效序列可概括为:过过+GP区 过+GP区（过渡相）过+。时效合金的脱溶过程，即使在同一合金中，由于成分、时效温度不同，也可能不一致。其它合金的时效过程与Al-Cu合金不完全一样，但基本原理相同。,4.2 金属材料热处理原理小结,1.钢在加热过程中的转变理论依据；A化过程；A晶粒度及其控制。2.奥氏体在冷却过程中的转变理论依据；C曲线含义及影响因素；A转变产物的组织与性能；CCT曲线分析与应用。3.淬火钢的回火转变组织结构变化；性能变化；回火组织及脆性。4.有色金属的脱溶沉淀与时效概括为四个字：“五大转变”。,