1、2 4钢的热处理Theheattreatmentofsteels 2 4 0热处理的概念2 4 1钢在加热时的转变2 4 2钢在冷却时的转变2 4 3钢的普通热处理2 4 4钢的表面热处理2 4 5钢的化学热处理 热处理的概念 将固态金属材料在一定介质中加热 保温和冷却 以改变材料整体或表面的组织 从而获得所需性能的工艺 为简明表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 在机床制造中约60 70 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70 80 热处理是一种重要的加工工艺 在制造业中被广泛采用 工具 模具 滚动轴承100 需经过热处理 总之 很多重要零
2、件都需适当热处理后才能使用 热处理的主要目的 改变钢的性能 工艺性能和使用性能 热处理的分类 热处理 普通热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 化学热处理 感应加热淬火 火焰加热淬火 渗碳渗氮碳氮共渗 热处理的特点 区别于其他加工工艺如铸造 压力加工等 只通过改变工件的组织来改变性能 不改变工件的形状 热处理的适用范围 只适用于固态下发生相变的材料 不发生固态相变的材料 不能用热处理方法来强化 schmaticofcasting schematicofrolling 零件的生产工艺过程及热处理在其中的作用 选材 毛坯 预先热处理 机械加工 最终热处理 检验 预先热处理 调整硬度
3、 为切削加工做好组织准备 最终热处理 使材料的使用性能达到预定的要求 热处理的内容 包含两部分 热处理原理 描述热处理过程中钢的组织转变规律 热处理工艺 根据热处理原理而制定的工艺参数 如温度 时间 介质等 2 4 1钢在加热时的组织转变 转变温度A形成影响A转变速度的因素A的晶粒度A晶粒度的影响因素 加热是热处理的第一道工序 加热分两种 一种是在临界点A1以下加热 不发生相变 一种是加热到临界点A1以上 发生相变 目的是获得均匀的奥氏体组织 称为奥氏体化 实际加热速度较快 偏离平衡临界点 存在过热现象 过热度 冷却时存在过冷现象 过冷度 即临界温度与实际转变温度之间有一定的差异 转变温度 t
4、ransformationtemperature 临界温度与实际转变温度铁碳相图中PSK GS ES线分别用A1 A3 Acm表示 实际加热或冷却时存在着过热或过冷现象 因此将钢实际加热时的转变温度分别用Ac1 Ac3 Accm表示 实际冷却时的转变温度分别用Ar1 Ar3 Arcm表示 由于加热和冷却速度直接影响转变温度 实际转变温度可参考手册 手册中的数据是以30 50 h的速度加热或冷却时测得的 P组织 A组织 奥氏体的形成过程加热时奥氏体形成 奥氏体化 也是一个形核和长大的过程 分为四步 以共析钢为例说明 第一步奥氏体晶核的形成 加热到Ac1以上时 A晶核首先在F与Fe3C相界形核 第
5、二步奥氏体晶核的长大 A晶核通过原子的扩散向F和Fe3C方向长大 第三步残余Fe3C的溶解 铁素体的成分 结构更接近于奥氏体 因而首先消失 残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失 第四步奥氏体成分的均匀化 Fe3C溶解后 其所在部位的碳含量仍很高 需通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同 由于先共析F或二次Fe3C的存在 要获得全部的奥氏体组织 必须相应地加热到Ac3或Accm以上才能获得单一的A组织 加热温度和保温时间 加热温度提高 保温时间延长 碳原子扩散速度增加 奥氏体转变速度 加热速度 加热速度越快 过热度越大 形核率越高 实际转变温
6、度越高 所需时间越短 奥氏体转变速度 合金元素 A化速度 或 合金钢 Co Ni等 奥氏体转变速度 Cr Mo V等 奥氏体转变速度 Si Al Mn等不影响 影响A转变速度的因素 钢中碳质量分数 钢中C Fe3C量增加 F和Fe3C界面多 形核多 转变 钢中碳质量分数高 原始组织 相界面多 形核多 转变 层片状组织比球状组织的界面多 形核多 转变 Fe3C的片间距 界面多 形核多 转变 影响A转变速度的因素 A晶粒度及其影响因素 奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同 随加热温度升高或保温时间延长 奥氏体晶粒进一步长大 这是一个自发的过程 如果奥氏体晶粒粗大 冷却后得到的组织也粗大 降低
7、钢的常温力学性能 尤其是塑性 如果奥氏体晶粒细小 冷却后得到的组织也细小 钢的常温力学性能较好 因此 加热得到细小而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一 根据标准晶粒度等级图 1 4级为粗晶粒度 5 8级为细晶粒度 某种具体热处理或热加工条件下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度 钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向称为本质晶粒度 冶金部规定 将钢加热到930 10 然后保温8小时 设法把奥氏体晶粒保留到室温测量本质晶粒度 奥氏体晶粒度 1 4级为本质粗晶粒钢 5 8级为本质细粒钢 说明前者晶粒长大倾向大 后者晶粒长大倾向小 本质晶粒度是度量钢在930 以下晶粒随温度升高而长大的程度 即晶粒长大的倾向 钢本
8、质晶粒度示意图 A晶粒度的影响因素 1 加热温度和保温时间 随着加热温度 保温时间 晶粒长大 晶粒尺寸 2 钢的成分 A晶粒度 或 钢中溶解的碳含量 晶粒长大倾向 晶粒尺寸 若碳以碳化物形式存在 阻碍晶粒长大 使晶粒尺寸 合金元素若形成稳定碳化物或氧化物或氮化物 阻碍晶粒长大 使晶粒尺寸 杂质元素Mn P促进晶粒长大 使晶粒尺寸 析出颗粒对黄铜晶界的钉扎 2 4 2钢在冷却时的组织转变 钢热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变 钢热处理时的冷却方式 冷却是热处理中非常重要的工序 恒温转变 变温连续转变 过冷奥氏体的转变产物及转变过程处于临界点A1以下尚未发生转变的不
9、稳定奥氏体称为过冷奥氏体 过冷奥氏体是非稳定组织 迟早要发生转变 随着过冷度不同 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 以共析钢为例说明 过冷奥氏体等温转变曲线 奥氏体急速冷却到临界点A1以下 在各个不同的温度下等温保持 是描述等温转变量与转变时间之间关系的曲线 称为C曲线 根据曲线形状 又称为TTT曲线 过冷奥氏体的等温冷却转变 T timeT temperatureT transformation WhatisTTTDiagram 共析钢TTT曲线建立过程示意图 A1 C曲线的分析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
10、称为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 但过冷度较小 相变驱动力 制约因素 较小 在鼻尖以下 温度较低 扩散 制约因素 困难 从而使奥氏体稳定性增加 共析钢TTT曲线的分区 稳定的奥氏体区 过冷奥氏体区 A转变开始线 A转变终了线 转变区 A1 550 高温转变区 扩散型转变 P转变区 550 230 中温转变区 半扩散型转变 贝氏体 B 转变区 230 50 低温转变区 非扩散型转变 马氏体 M 转变区 A转变为M的开始温度 A转变为M的终了温度 产物区 先看横坐标 时间轴 孕育区 转变区 产物区再看纵坐标 温度轴 高温转变区 中温转变区 低温转变区 珠光体转变T
11、ransformationofaustenite A intopealite P 过冷奥氏体在A1 550 之间转变为珠光体类组织 它是铁素体与渗碳体的机械混合物 根据片层间距不同 习惯上分为珠光体 索氏体和屈氏体 又称为托氏体 pealitefamily 珠光体 pealite形成温度为A1 650 片层较厚 500倍光镜下可辨 用符号P表示 Figureopticalmicrographshowingcoloniesofpearlite FigureTransmissionelectronmicrographofextremelyfinepearlite 珠光体形貌像 FigureAnot
12、heropticalmicrographshowingcoloniesofpearlite FigureTransmissionelectronmicro graphofextremelyfinepearlite 索氏体sorbite 形成温度为650 600 片层较薄 1000倍光镜下可辨 用符号S表示 屈氏体 或托氏体 troostite形成温度为600 550 片层极薄 电镜下才能分辨 用符号T表示 Figureopticalmicrographshowingcoloniesoftroostite FigureTransmissionelectronmicrographofextreme
13、lyfinepearlite 珠光体 索氏体 屈氏体三种组织并无本质得区别 只是形态上的粗细不同 划分界限也是相对的 层片间距越小 钢的强度 硬度越高 塑性和韧性越好 珠光体转变过程珠光体转变是形核和长大的过程 渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成 在长大过程中 两侧奥氏体 珠光体转变是扩散型转变 的含碳量下降 促进了铁素体的形核和长大 两者相间形核并长大 就形成了一个珠光体团 贝氏体转变TransformationofAustenite A intoBainite 过冷奥氏体在550 Ms之间将转变为贝氏体类型组织 贝氏体用符号B表示 贝氏体是碳化物 渗碳体 分布在碳过饱和的铁素体基体上形成的两
14、相混合物 根据其组织形态不同 贝氏体分为上贝氏体Upper Bainite B上 和下贝氏体Lowerbainite B下 上贝氏体Upper Bainite形成温度为550 350 在光镜下呈羽毛状 在电镜下为不连续棒状 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间 Figureopticalmicroscopemicrographofupperbainite FigureTransmissionelectronmicrographofupperbainite 上贝氏体组织金相图 下贝氏体Lowerbainite形成温度为350 Ms 在光镜下呈黑色针状 电镜下可看到铁素体针内沿一定方向分布着细小
15、的碳化物颗粒 FigureTransmissionelectronmicrographoflowerbainite FigureopticalmicroscopeMicrographoflowerbainite 下贝氏体组织金相图 贝氏体转变也是形核和长大的过程 贝氏体转变属半扩散型转变 铁原子不能扩散 碳原子有一定扩散能力 上贝氏体在较高温度形成 铁素体片较宽 塑性变形抗力较低 渗碳体分布在铁素体片之间 容易引起脆断 因此上贝氏体强度与塑性都较低 无实用价值 下贝氏体除了强度 硬度较高外 塑性 韧性也较好 具有良好的综合力学性能 是生产上常用的强化组织之一 下贝氏体的性能特点铁素体针细小 无
16、方向性 碳过饱和度大 位错密度高 碳化物分布均匀 弥散度大 所以硬度高 韧性好 具有较好的综合机械性能 C曲线意义 明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物 与共析钢相比 亚共析钢和过共析钢的C曲线上部各多一条先共析相 F或Fe3C 的析出线 亚共析钢和过共析钢的C曲线 了解内容 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 又称为CCT曲线 是通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量而获得的 过冷奥氏体连续冷却转变 WhatisCCTDiagram Continuous Cooling Transformationdiagram 共析钢CCT曲线示意图 Pf Ps K Ms Mf K Ps A P开始线
17、Pf A P终了线KK 过冷A的P型转变终止线Ms A M开始温度Mf A M终止温度Vk 上临界冷却速度Vk 下临界冷却速度 冷却速度对转变产物类型的影响可利用VK VK 进行判断 当V VK时 A过冷 M 当V VK 时 A过冷 P 当VK V VK时 A过冷 P M CCT曲线表述的组织转变是一个连续变温的过程 更符合生产实际 所以CCT曲线比TTT曲线更切合实际 应用范围应该更大 但由于CCT曲线的测试比TTT曲线困难很多 所以经常利用TTT曲线来分析过冷A的连续冷却转变过程 具体方法是 将CCT曲线与TTT曲线置于同一坐标系中进行比较 找出转变规律 以指导生产实践 共析钢TTT曲线与
18、CCT曲线的比较 1 CCT位于TTT曲线右下方 2 CCT中没有A B转变 比较共析钢CCT曲线与TTT曲线容易发现 CCT曲线位于TTT曲线右下方 两者间距并不大 说明这两种转变的差别不是很大 只是连续冷却时转变时间要长一点 温度要低一点 由此得出这样的推论 用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况是基本可行的 当在TTT曲线上以某种速度冷却获得某种组织时 则在CCT曲线上也能得到 连续冷却过程中TTT曲线的应用 V1 5 5 s 炉冷 P V2 20 s 空冷 S V4 138 s 水冷 M A残 V3 33 s 油冷 T M A残 实例 画出共析钢过冷奥氏体等温转变曲线 在等温转变
19、曲线上画出为获得以下组织应采取的连续冷却曲线 1 索氏体 珠光体 2 马氏体 残余奥氏体 3 屈氏体 马氏体 残余奥氏体 连续冷却过程中TTT曲线的应用 用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变 P117 过共析钢的CCT曲线也无贝氏体转变区 但比共析钢CCT曲线多出一条A Fe3C转变开始线 亚共析钢的CCT曲线有贝氏体转变区 但上B体量很少 可忽略不计 另外还多出一条A F转变开始线 亚共析钢和过共析钢的CCT曲线 了解内容 当奥氏体被过冷到Ms以下时 将转变为马氏体组织 碳在 Fe中形成的过饱和固溶体 称为马氏体 martensite 用M表示 马氏体转变是钢强化的重要途径之一 马
20、氏体转变时 奥氏体中的碳全部保留到马氏体中 马氏体转变TransformationofAusteniteintoMartensite M转变是降温形成过程马氏体转变开始温度称为上马氏体点 用Ms表示 马氏体转变终了温度称为下马氏体点 用Mf表示 只要温度达到Ms以下 立即发生马氏体转变 在Ms以下 随温度下降 转变过程继续 转变量增加 如果冷却中断 转变过程立即停止 马氏体 M 转变是在一个温度范围 230 50 内连续冷却完成的 马氏体的晶体结构马氏体具有体心正方晶格 a b c 其中轴比c a称为马氏体的正方度 C 越高 正方度越大 正方畸变越严重 当w c 0 25 时 c a 1 此时
21、马氏体仍为体心立方晶格 马氏体的形态 针 片 状 板条状 马氏体的形态 板条马氏体立体形态为细长的扁条状 光镜下板条马氏体为一束束的细条组织 每束内条与条之间尺寸大致相同 平行排列 一个奥氏体晶粒内可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 又称为位错马氏体 板条状 低碳马氏体 0 25 C 30 50HRC 9 17 板条马氏体组织金相图 针 片 状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状 光镜下显微组织为针 片 状 在电镜下 亚结构主要有孪晶 又称为孪晶马氏体 光镜下 FigureTransformationtwinsinaplateofmartensite 针 片
22、状 高碳马氏体 1 C 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的马氏体片 所以越后形成的马氏体片越细小 针 片 状马氏体组织金相图 原始奥氏体晶粒越细 转变后马氏体片也越细 当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时 该马氏体称为隐晶马氏体 马氏体的形态主要取决于其含碳量 w C 小于0 25 时 组织几乎全部是板条马氏体 w C 大于1 0 时 组织几乎全部是片状马氏体 w C 在0 25 1 0 之间 则为板条马氏体与片状马氏体的混合组织 马氏体的性能 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含碳量 随着含碳量增加 硬度增加 当含碳量
23、大于0 6 时 硬度增加缓慢 趋于平缓 马氏体强化的主要原因是过饱和的碳引起的固溶强化 马氏体转变后组织细化也有强化作用 马氏体的塑性和韧性主要取决于亚结构的形式 片状马氏体脆性大 呈孪晶亚结构 板条马氏体具有较好的塑性和韧性 呈位错亚结构 低碳马氏体的性能特点 马氏体硬度很高 马氏体HRC与C含量有关 马氏体强度高 马氏体强度与C含量有关 马氏体塑性和韧性与C含量有关 高C马氏体过饱和度大 内应力高 存在孪晶亚结构 性能是硬而脆 低C马氏体过饱和度小 内应力小 存在位错亚结构 不仅强度 硬度高 塑性和韧性也较好 马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程 其主要特点是 无扩散性 铁和碳原
24、子都不能扩散 因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同 瞬时性马氏体形成速度极快 10 7Second 无孕育期 瞬间形核 瞬间长大 马氏体片形成时 可能因撞击作用 会使已形成的马氏体产生裂纹 转变不完全即使冷却到Mf点 也不可能获得100 的马氏体 总会有一部分奥氏体不能转变而残留下来 称为残余奥氏体 常用A AR或 表示 MS Mf主要取决于奥氏体中的合金元素含量 包括碳含量 当A中的C 则MS Mf 残余A含量 当含碳量达0 6 残余A量显著 体积膨胀M形成时体积膨胀 造成很大的内应力 容易引起工件变形 工件要强化 一定要到M区深造 而得到M就一定会有变形 严重时甚至使工件开裂 小结 重点
25、要求1 钢加热时A的转变 2 过冷A等温冷却转变曲线 C曲线 3 过冷A连续冷却转变曲线 CCT曲线 4 C曲线和CCT曲线的比较和应用 5 等温转变产物的组织形态 性能 6 M转变的特点 产物的组织形态和性能 过冷奥氏体转变产物 共析钢 高温转变产物 珠光体类型转变 Fe C均扩散 化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现 扩散类型 中温转变产物 贝氏体类型转变 Fe不扩散 C部分扩散 化学成分的变化靠扩散实现 晶格类型的转变具有非扩散性 半扩散类型 低温转变产物 马氏体类型转变 Fe C均不扩散 得到C在 Fe中的过饱和固溶体 非扩散型 a 非扩散型转变 Fe和C原子都不进行扩散 M是体心正方的C过饱和组织 固溶强化显著 b 瞬时性 M的形成速度很快 无孕育期 c 不彻底性 M转变总要残留少量A A中的C 则MS Mf 残余A含量 d 体积膨胀 M形成时体积 造成很大内应力 马氏体 M 转变特点 TheEnd of2 4 1and2 4 2
