过程:
L→L+Fe3CⅠ→L+Fe3CⅠ+Le→Fe3CⅠ+Le→Fe3CⅠ+Le(A、P共存)→Fe3CⅠ+Le(有P无A)
总结:
含碳量小于0.0218%的合金组织全为F;
含碳量为0.77%时全为P;
含碳量为4.3%时全为Le’;
含碳量为6.69%时全为Fe3C。
例题:
①T12钢加热到A+Fe3CⅡ相区保温,A中碳质量分数小于钢中碳质量分数。
②45号钢加热到F+A相区保温,A中碳质量分数大于钢中碳质量分数。
附:
δ相:
又称高温F,是碳在δ-Fe中的间隙固溶体,体心立方晶格
α相:
铁素体F,是碳在α-Fe中的间隙固溶体,体心立方晶格
γ相:
奥氏体A,是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,面心立方晶格
莱氏体:
Le,A与Fe3C的共晶混合物,Le中的渗碳体称为共晶渗碳体
珠光体:
P,F与Fe3C的共析混合物
共晶反应温度:
1148℃
共析反应温度:
727℃
4、金属的塑性加工
①金属的塑性变形:
滑移和孪生
滑移的本质:
晶体内部位错在切应力作用下运动的结果
面心立方晶格比体心立方晶格塑性好的原因:
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大,虽然滑移系相同,但是面心立方晶格的滑移方向比体心立方晶格的多,所以面心立方晶格的塑性更好。
②塑性变形(冷加工)对金属组织和性能的影响:
Ⅰ、对组织的影响
1)晶粒变形,形成纤维组织;
2)亚结构形成,细化晶粒;
3)形成形变织构(丝织构和板织构P89);
Ⅱ、对性能的影响
1)加工硬化:
随形变度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。
也叫形变强化。
2)产生各向异性:
由于纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生各向异性。
例如:
用有织构的板材冲制筒型零件时,由于在不同方向上塑性差别很大,零件的边缘出现“制耳”。
3)金属的物理、化学性能发生变化。
4)产生残余内应力:
金属内部形变不均匀,位错、空位等晶体缺陷增多,导致金属内部产生残余内应力。
5、塑性变形和再结晶的工程应用
①金属的热加工(钢材的热锻和热轧)
在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。
对组织性能的影响:
使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹压合,提高金属的致密度,减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相分布等。
明显提高金属的强度、韧性和塑性;破碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶,并通过再结晶获得等轴细晶粒,使金属的力学性能全面提高。
②金属的冷加工(低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲)
冷加工会使金属材料的强度和硬度升高,塑性和韧性下降,产生加工硬化现象。
注意:
钢材的切削加工也属于冷加工,也会产生加工硬化。
由于加工硬化而使奥氏体不锈钢的切削较为困难。
③喷丸强化
④再结晶退火(消除加工硬化现象)
为了缩短时间,实际采用的再结晶退火温度比该金属的最低再结晶温度要高100~200℃。
6、钢的热处理
钢在加热时的转变
①奥氏体化:
将钢加热到临界温度以上,获得全部或部分奥氏体组织。
共析钢必须加热到727℃(A1)以上时,完全转变成奥氏体;
亚共析钢必须加热到GS(A3)以上;过共析钢必须加热到ES(Acm)线以上。
②影响奥氏体转变速度的因素:
1)加热温度:
温度越高,转变越快;
2)加热速度:
加热速度越快,转变越快;
3)钢中碳质量分数:
碳质量分数越大,渗碳体越多,相界面增大,奥氏体核心增多,转变速度越快;
4)合金元素:
钴、镍增大碳在奥氏体中的扩散速度,加快奥氏体化;铬、钼、钒减小碳在奥氏体中的扩散速度,减慢奥氏体化;硅、铝、锰对碳在奥氏体中的扩散速度影响不大,不影响奥氏体化过程。
5)原始组织
③奥氏体的晶粒度及其影响因素
某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫做实际晶粒度。
钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。
本质晶粒度:
钢加热到(930±10)℃,保温8h,冷却后测得的晶粒度叫做本质晶粒度。
如果测得的晶粒细小,则该钢成为本质细晶粒钢,反之为本质粗晶粒钢。
影响因素:
1)加热温度和保温时间
温度越高,晶粒长大越明显,A也越粗大
2)钢的化学成分
钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素,有利于获得本质细晶粒钢,因为碳化物、氧化物。
氮化物分布在晶界上,阻碍晶粒长大。
Mn和P使促进晶粒长大的元素。
钢在冷却时的转变
①等温处理:
将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度,进行保温,在该温度恒温转变。
②连续冷却:
将钢以某种速度连续冷却,使其在临界点以下变温连续转变。
1)过冷奥氏体的等温转变
A、共析钢过冷奥氏体的两个转变区:
Ⅰ、高温转变(也称珠光体转变区(A1~550℃))扩散型转变。
转变产物:
P(ST)。
注意:
PST均为Fe和Fe3C的机械混合物,只是层片粗细不同,转变温度越低,层间距越小。
Ⅱ、中温转变(也称贝氏体转变区(550~Ms℃))半扩散型转变。
转变产物:
贝氏体组织(铁碳化合物分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物)
上贝氏体(350~550℃):
羽毛状,小片状渗碳体分布在成排的铁素体之间。
强度和韧性较差。
下贝氏体(350~Ms℃):
黑色针状,硬度高,韧性好,有较好的综合力学性能。
B、亚共析钢过冷奥氏体的等温转变
亚共析钢随着碳质量分数的增加,C曲线的位置往右移,Ms、Mf线往下移。
Ⅰ、高温转变(与共析钢类似,只是先有一部分转变为F,其余的过冷A再转变为P)
转变产物:
F+P(ST)
例如:
45钢过冷A在600~650℃等温转变后,产物为F+S。
C、过共析钢过冷奥氏体的等温转变
过共析钢随着碳质量分数的增加,C曲线的位置往左移,Ms、Mf线往下移。
Ⅰ、高温转变(与共析钢类似,只是先析出二次渗碳体,其余的过冷A在转变为P)
例如:
T10钢过冷A在A1~650℃等温转变后,产物为Fe3CⅡ+P。
2)过冷奥氏体的连续冷却转变(实际生产中较多的情况)
A、共析钢
(一)转变产物
炉冷:
过冷A转变为P,粗片状组织,硬度为170~220HB
空冷:
过冷A转变为S,细片状组织,硬度为25~35HRC
油冷:
过冷A先有一部分转变为T,剩余的过冷A冷却到Ms以下转变为M,冷却到室温时,残留一部分A。
(T+M+剩余A)硬度为45~55HRC。
水冷:
过冷A将直接转变为M,冷却到室温时,残留一部分A。
(M+A)
a、过冷A转变为M为低温转变过程(非扩散型转变),转变温度在Ms~Mf之间,该温区称为马氏体转变区。
马氏体(M):
碳在α—Fe中的过饱和固溶体
b、马氏体形成速度很快
c、马氏体转变是不彻底的,总要残留下少量A
d、马氏体形成时体积膨胀,在钢中造成很大的内应力,严重时将使被处理零件开裂
(2)马氏体分类
板条状(低碳)马氏体(碳质量分数小于0.25%),由于板条状M内有大量位错缠结的亚结构,所以低碳M也称位错M;
针状(高碳)马氏体(碳质量分数大于1.0%),由于针状M内有大量孪晶,因此高碳M也称孪晶M。
(三)马氏体性能特点
1、硬度很高,碳质量分数越大,硬度越高
2、比容比A大,当A转变为M时,体积会膨胀
3、M是是一种铁磁相,在磁场中呈现磁性;A是一种顺磁相,在磁场中无磁性
4、晶格畸变导致电阻率高
B、亚共析钢
(1)转变产物(无剩余A)
炉冷:
F+P;空冷F+S;油冷:
T+M;水冷:
M
与共析钢不同,亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F;在中温转变区会有少量贝氏体(上B)产生。
如油冷产物为:
F+T+上B+M,F和上B量少,有时也忽略不计。
C、过共析钢
(1)转变产物(有剩余A)
炉冷:
P+Fe3CⅡ;空冷:
S+Fe3CⅡ;油冷:
T+M+剩余A;水冷:
M+剩余A
钢的普通热处理
热处理:
将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却,以改变材料整体或表面组织,从而获得所需性能的工艺。
①退火:
将钢加热到适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺叫做退火。
A、完全退火:
1、又称重结晶退火,主要用于亚共析钢。
是把钢加热到Ac3以上20~30℃,保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却),以获得接近平衡组织的热处理工艺。
2、产物:
F+P
3、目的:
通过重结晶,使加工造成的粗大、不均匀组织均匀化和细化,以提高性能;或使中碳以上的碳钢和合金钢得到近平衡状态的组织,以降低硬度,改善切削加工性能。
由于冷却速度缓慢,还可消除内应力。
B、等温退火
1、等温退火是把钢件或毛坯加热到Ac3(或Ac1)的温度,保温后,较快的冷却到珠光体转变区的某一温度,并等温保持,奥氏体等温转变,然后缓慢冷却的热处理工艺。
2、产物:
主要为P
3、目的:
与完全退火相同,但转变较易控制,能获得均匀组织,对于A较稳定的合金钢可短退火时间。
C、球化退火
1、球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺。
主要用于过共析钢、共析钢,如工具钢、滚珠轴承钢等。
2、目的:
使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化(退火前需先进行正火使网状二次渗碳体破碎),以降低硬度,改善切削加工性能,为以后的淬火组织做准备。
3、产物:
T12钢球化退火后,铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体,叫球化体。
D、扩散退火
1、为了减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织的不均匀性,将其加热到略低于固相线温度,长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺,也称均匀化退火。
2、加热温度:
钢的熔点以下100~200℃,保温时间一般为10~15h。
加热温度提高时,扩散时间可以缩短
3、扩散退火后钢的晶粒很粗大,因此一般再进行完全退火或正火处理。
E、去应力退火
1、为消除铸造、锻造和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残余应力而进行的低温退火。
2、将工件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500~650℃),保温,然后随炉冷却
3、可以消除50%~80%的内应力,不引起组织变化
②正火:
钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)、Ac1(对于共析钢)、Acm(对于过共析钢)以上30~50℃,保温适当时间后,在自由流动的空气中均匀热处理称为正火。
1、正火后的产物:
亚共析钢为F+S;共析钢为S;过共析钢为S+Fe3CⅡ
2、正火的目的:
A、作为最终热处理:
正火可以细化晶粒,使组织均匀化,减少亚共析钢中F的含量,使P含量增多并细化,从而提高钢的强度、硬度和韧性。
对于普通结构钢零件,力学性能要求不很高时,可把正火作为最终热处理。
B、作为预先热处理:
截面较大的合金结构钢件,在淬火或调质处理(淬火+高温回火)前进行正火,以消除魏氏组织和带状组织,并获得细小而均匀的组织。
对于过共析钢可减少二次渗碳体,并使其避免形成连续网状,为球化退火做组织准备。
C、改善切削加工性能:
低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低,不便于切削加工。
正火后可提高其硬度,改善其切削加工性能。
③淬火:
将钢加热到相变温度以上,保温一定时间,然后快速冷却以得到马氏体组织的热处理工艺成为淬火。
淬火是钢的最重要的强化方法。
A、淬火温度的选定
1、亚共析钢:
Ac3以上30~50℃;亚共析钢加热到Ac3温度以下时,淬火组织中会保留铁素体,使钢的硬度降低。
2、共析钢和过共析钢:
Ac1以上30~50℃;过共析钢加热到Ac1以上时,组织中保留少量二次渗碳体,而有利于提高钢硬度和耐磨性,此时奥氏体中的碳含量不太高,可降低马氏体的脆性,还能减少残余A的含量。
3、如果淬火温度太高,会形成粗大的马氏体,使力学性能恶化,同时也会增大淬火应力,使变形和开裂倾向增大。
B、加热时间的选定:
升温和保温两个阶段
1、加热时间:
以装炉后炉温达到淬火温度所需时间为升温阶段
2、一般保温时间为15分钟/mm
C、淬火冷却介质:
常用介质为水和油
D、淬火方法:
单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火
1、单介质淬火:
工件在一种介质(水或油)中冷却
优点:
操作简单,易于实现机械化,应用广泛
缺点:
水中淬火应力大,工件容易变形开裂;在油中淬火,冷却速度小,淬透直径小,大件淬不硬。
2、双介质淬火:
工件先在较强冷却能力介质中冷却至300℃左右,再在一种冷却能力较弱的介质中冷却,如先油淬后水淬。
优点:
可有效减少热应力和相变应力,减小工件变形开裂的倾向。
缺点:
难以掌握双液转换时刻,转换过早易淬不硬,转换过时易淬裂。
用于:
形状复杂、截面不均匀的工件淬火。
3、分级淬火:
工件迅速放入盐浴或碱浴炉(温度略高于或略低于Ms点)保温2~5min,然后取出空冷进行马氏体转变。
优点:
大大减小淬火应力,防止变形开裂;
适用范围:
分级温度略高于Ms点的分级淬火适合小件的处理(如刀具);分级温度略低于Ms点的分级淬火适合大件的处理,在Ms点以下分级的效果更好。
例如:
高碳模具钢在160℃碱浴中分级淬火,既能淬硬,变形又小。
4、等温淬火:
工件迅速放入盐浴(盐浴温度在贝氏体区的下部,稍高于Ms点)中,等温停留较长时间,直到贝氏体转变结束,取出空冷,获得下贝氏体组织。
用于:
中碳以上的钢,目的是为了获得下B组织,以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。
注意:
低碳钢一般不采用等温淬火
E、钢的淬透性:
钢在淬火时形成马氏体的能力
1、测定方法:
末端淬火法
2、钢的淬硬性:
钢淬火后所能达到的最高硬度,主要取决于马氏体的碳质量分数,碳质量分数越高,淬硬性越高。
3、影响淬透性的因素
a、碳质量分数
亚共析钢:
随着C质量分数减小,淬透性降低
过共析钢:
随着C质量分数增加,淬透性降低
所以,三者中共析钢的淬透性最好(T8钢)
b、合金元素
除Co以外,其余合金元素溶于A之后,降低临界冷却温度,使C曲线右移,提高钢的淬透性。
所以,合金钢的淬透性比碳钢的要好
c、奥氏体化温度
提高奥氏体化温度,将使奥氏体晶粒长大,成分均匀,可减少珠光体的生核率,降低钢的临界冷却温度,提高淬透性。
d、钢中未溶第二相
未溶入钢的杂质会成为奥氏体分解的非自发核心,使临界冷却速度增大,降低淬透性。
④回火:
钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。
A、低温回火
回火温度:
150~250℃
产物:
回火马氏体+残余奥氏体
目的:
降低淬火应力,提高工件韧性,保证淬火后的高硬度和高耐磨性。
用途:
各种高碳钢工具、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件。
B、中温回火
回火温度:
300~500℃
产物:
回火屈氏体(铁素体仍保持马氏体的形态,渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗)
目的:
获得具有高的弹性极限和屈服强度,同时具有一定韧性的回火屈氏体。
用途:
主要用于各类弹簧
C、高温回火
回火温度:
500~650℃
产物:
回火索氏体
目的:
获得强度、塑性和韧性都比较好的回火S
调质处理:
淬火+高温回火
用途:
各种重要的机器结构件,如:
连杆、轴、齿轮等受交变载荷的零件。
也可作为某些精密工件如量具、模具等的预先热处理。
第3章碳钢、合金钢
碳钢
①碳钢的成分及分类
A、碳钢的成分:
主要由Fe、C、Mn、Si、S、P6种元素组成。
注意:
Mn、Si有利于改善钢的力学性能;
S易使钢发生热脆(高温锻轧时开裂);P易使钢发生冷脆(室温脆性增加)
B、按碳的质量分数分类:
低碳钢——W(C)≤0.25%
中碳钢——0.25%<W(C)≤0.6%
高碳钢——W(C)>0.6
C、按钢的质量分类:
普通碳素钢——W(S)≤0.040%;W(P)≤0.040%
优质碳素钢——W(S)≤0.035%;W(P)≤0.035%
高级优质碳素钢——;W(S)≤0.030%;W(P)≤0.030%
②碳钢的牌号及用途
A、碳素结构钢(普通碳素钢)
1、符号:
Q+屈服强度;牌号后面标注字母ABCD表示钢材质量等级不同,D最高;F、Z、TZ分别表示沸腾钢(脱氧程度最低)、镇静钢(脱氧程度中等)、特殊镇静钢(脱氧程度最高)
2、用途:
Q195、215、235A、235B通常轧制成钢筋、钢板、钢管等,可用于桥梁、建筑物等构件,也可用作普通螺钉、螺帽、铆钉等;Q235C、235D可用于重要的焊接件;Q235、275强度较高,可轧制成钢、钢板做构件用。
3、热处理:
一般不需进行热处理,在热轧状态下使用。
但对某些零件,也可进行正火、调质、渗碳等处理,以提高其使用性能。
B、优质碳素结构钢
1、符号:
平均碳质量分数的万分数的数字表示,例如20钢即表示碳质量分数为0.20%;
若钢中Mn的质量分数较高,则在钢号后加Mn;
高级优质钢、特级优质钢分别以A、E表示;保证淬透性用钢用H表示
2、用途:
10、20钢可做冲压件及焊接件,热处理后也可制造轴、销等零件;
35、40、45、50钢经热处理后,用来制造齿轮、轴类、套筒等零件;
60、65钢主要用来制造弹簧。
实例:
教材P142实例123(包括热处理工艺,仔细看)
注意:
优质碳素结构钢使用前一般要经过热处理
C、碳素工具钢
1、符号:
碳素工具钢的碳质量分数在0.65%~1.35%之间,用平均碳质量分数的千分数来表示,数字前加“T”。
2、用途:
制造各种刃具、;量具、模具等
例如:
T78钢硬度高、韧性较高,可制造冲头、凿子、锤子等工具;
T91011钢硬度高、韧性适中,可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具;
T1213钢硬度高、韧性较低,可制造锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。
注意:
碳素工具钢使用前都要经过热处理!
实例:
教材P143实例12(包括热处理工艺,仔细看)
合金钢
Ⅰ合金钢的分类
我国采用按用途来分类:
合金结构钢、合金工具钢、(特殊性能钢不做要求)
Ⅱ合金钢的编号
1、结构钢:
万分之一为单位的数字(两位数),例如:
40Cr,平均碳质量分数为0.40%;
2、工具钢:
千分之一为单位的数字(一位数),当碳质量分数超过1%时,碳质量分数不标出,例如:
5CrMnMo,平均碳质量分数为0.5%,CrWMn,平均碳质量分数大于1.0%
Ⅲ合金结构钢
A、低合金高强度结构钢(代表钢种Q295、Q345、Q420)
1)、用途:
制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。
2)、性能要求:
高强度、高韧性、良好的冷成型性能和焊接性能、低的冷脆转变温度、良好的耐蚀性。
3)、成分特点:
低碳(不超过0.20%)、加入Mn为主的合金元素、加入铌、钛、钒等辅加元素、加入少量Cu和P可提高耐腐蚀性能、加入少量稀土元素可脱硫。
4)、热处理特点:
一般在热轧(相当于正火)空冷状态下使用;在有特殊需要时,如为了改善焊接区性能,可进行一次正火处理。
5)组织组成物:
使用状态下一般为铁素体+细珠光体(S)
B、合金渗碳钢
1)、用途:
主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。
2)性能要求:
表面渗碳层硬度高、心部具有足够高的韧性和强度、有良好的热处理工艺性能(在较高的渗碳温度下,A晶粒不易长大,并具有良好的淬透性)
3)成分特点:
①低碳:
碳质量分数一般在0.10%~0.25%之间,以保证零件心部有足够的塑性和韧性
②加入提高淬透性的合金元素(Cr、Ni、Mn)
③加入阻碍A晶粒长大的元素(Ti、V、W、Mo)
4)、钢种及用途:
①低淬透性:
20Cr,淬透性低,心部强度较低,只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件,如小轴、活塞销、小齿轮等。
②中淬透性:
20CrMnTi,淬透性较高,有良好的力学性能和工艺性能,因此大量用于制造承受高速中载、要求抗冲击和耐磨损的零件,特别是汽车、拖拉机上的重要零件。
③高淬透性:
18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A,不但淬透性很高,还具有很好的韧性。
主要用于只在大截面、高载荷的重要耐磨件,如飞机、坦克中的曲轴及重要齿轮等。
5)、热处理工艺:
渗碳后直接淬火(900~950℃)+低温回火
6)、热处理后的组织:
表面渗碳层为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余A
心部组织完全淬透时为低碳回火马氏体;多数情况下是T+回火M+少量F。
C、合金调质钢
1)、用途:
广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件,如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。
2)性能要求:
高强度、良好的