第四节钢的热处理_精品文档.ppt

1、热处理的实验,现象：放在水中冷却的一根钢丝硬而脆，很容易折断；放在空气中冷却的一根较软、有较好的塑性，可以卷成圆圈而不断裂。,第四节 钢的热处理,实验说明：虽然钢的成分相同，加热的温度也相同，但采用不同的冷却方法，却得到了不同的力学性能。这主要是因为在不同冷却速度的情况下，钢的内部组织发生了不同的变化。,定义及工艺过程,机床60%70%零件汽车70%80%零件工具、模具及滚动轴承则要100%进行热处理,目的及应用,提高材料的使用性能，延长零件的使用寿命。改善材料的工艺性能，确保后续加工的顺利进行。特点：只改变内部组织结构，不改变形状与尺寸。,热处理的内容,制定正确的热处理规范，如加热温度、保温

2、时间、冷却方式等。,阐述材料在不同加热和冷却条件下，组织和性能的变化规律，确保热处理质量，它是制定正确的热处理工艺的理论基础。,热处理工艺：,热处理原理：,高速钢淬火、回火工艺曲线,根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：,（一）钢在加热时的组织转变,加热是热处理的第一道工序。,一、钢的热处理原理,钢的临界温度,G,P,Q,S,E,A,F,F+A,A+Fe3C,P,F+P,P+Fe3C,Ac3,Accm,Ac1,Ar3,Ar1,Arcm,A1,0.0218,0.77,2.11,临界点：钢在固态下发生组织转变的温度线。,A1线（PSK）,A3线（GS）,Acm线（ES）

3、,实际加热时的临界点：Ac1、Ac3、Accm实际冷却时的临界点：Ar1、Ar3、Arcm,1.共析钢奥氏体的形成在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。奥氏体的形成的基本过程 奥氏体化也是形核和长大的过程。转变是靠铁碳原子的扩散和铁原子的晶格改组来完成的。分为四步。第一步：奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核。第二步：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散 向和Fe3C方向长大。,第三步：残余Fe3C溶解。铁素体在成分、结构上比 Fe3C更接近于奥氏体，因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至消失。第四步：奥氏体均匀化。Fe3C溶解后，其所在部位

4、碳含 量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。视频热处理视频教程奥氏体晶粒的长大 热处理视频教程奥氏体形成,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析F 或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。,3.奥氏体晶粒的大小及影响因素,奥氏体晶粒细小 室温组织晶粒越细小 强韧性能（综合力学性能）越好,奥氏体的三种不同概念的晶粒度,起始晶粒度 珠光体刚转变为奥氏体时的晶粒度。此时晶粒非常细，难以测定，无实际意义。,实际晶粒度 具体热处理或热加工条件下的奥氏体晶粒度，它实际决定钢的性能。,本质晶粒度反应钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向，加热时晶粒

5、容易长大的钢称为本质粗晶粒钢；加热时晶粒不易长大的钢为本质细晶粒钢。生产中，用锰硅脱氧的钢、沸腾钢一般为本质粗晶粒钢；用铝脱氧的钢、镇静钢一般是本质细晶粒钢。,晶粒度通常分8级：1-4级为粗晶粒度；5-8级为细晶粒度；超过8级的为超细晶粒度。,奥氏体晶粒度,4.影响奥氏体晶粒度的因素,（1）加热温度和保温时间的影响加热温度越高，晶粒长大越明显。在一定温度下，保温时间越长，奥氏体晶粒也越粗大。,（2）钢的成分的影响 碳含量与合金元素的影响碳含量奥氏体中的碳含量增高时，晶粒长大的倾向增大。若碳以未溶碳化物的形式存在，则阻碍晶粒长大。,合金元素阻止A晶粒长大的合金元素有：钒V、钛Ti、铌Nb、钨W、

6、铬Cr、钼Mo等；促进A晶粒长大的合金元素有：锰Mn、磷P、碳C、氮N。,（二）钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体的连续冷却转变,过冷奥氏体的等温转变产物的组织和性能,两种冷却方式示意图1等温冷却2连续冷却,处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。,1.过冷奥氏体的等温冷却转变,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C 曲线或TTT曲线。(Time-Temperature-Transformation),(

7、1)C曲线的建立 以共析钢为例：取一批小试样并进行奥氏体化。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。,45,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。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。,A1-Ms 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。,(2)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。孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为5

8、50。,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.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 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。以共析钢为例说明：(1)珠光体转变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，又细分为珠光体、索氏体和托氏体。,珠光体：形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。,索氏体 形成温度为650-600，片层较薄，80

9、0-1000倍光镜下可辨，用符号S 表示。,屈氏体 形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T 表示。,珠光体、索氏体、屈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。,2、珠光体转变过程珠光体转变也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，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，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。,(2)贝氏体转变 贝氏体的组织形态及性能 过冷奥氏体在550-230(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组

10、织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体（B下）。,上贝氏体 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的渗碳体分布于自奥氏体晶 界向晶内平行生长的铁素 体条之间。,下贝氏体 形成温度为350-230(Ms)。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。,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，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。,贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形核和长大的过程。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

11、体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。,当转变温度较高（550-350）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，其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。,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。,当转变温度较低（350-230）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。,3.马氏体转变当奥氏体过冷到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。马氏体的晶体结构

12、碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体,用符号M 表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,马氏体组织,马氏体具有体心正方晶格（a=bc）轴比c/a 称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。,马氏体的形态 马氏体的形态分板条和针状两类。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。,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，又称位错马氏体。,针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在

13、电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。,马氏体的形态主要取决于其含碳量A的c1.0%的淬火钢组织几乎全部是针状马氏体，称为高碳马氏体。200以下A的c在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,马氏体的性能高硬度是马氏体组织性能的主要特点。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。,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。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。,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：非扩散性,铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。,共格切变性 由于没有扩散，晶格的转变是

14、以切变的机制进行的。,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，转变量增加，冷却中断，转变停止。,高速长大 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。转变不完全 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，称残余奥氏体，用A 或 表示。,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。,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,4.过冷奥氏体

15、连续冷却转变 过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT 曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,(1)CCT曲线和C曲线的比较 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。,(2)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。,连续冷却过程中 TTT 曲线的分析,V1=5.5/s:炉冷;P,V2=20/s:空冷;S,V3=33/s:油冷;T+M+A残,V4 138/s:水冷;M+A残,5.C曲线的应用（1

16、）根据工件要求，确定热处理工艺。（2）确定工件淬火时的临界冷速。（3）可以指导连续冷却操作 V1:炉冷（退火）P V2:空冷，S V3：空冷，S V4：油冷，T+M+A V5：水冷，M+A（4）选择钢材的依据（5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。,马氏体中碳的偏聚,（二）淬火钢在回火时的组织转变,马氏体的分解,残余奥氏体的转变,渗碳体的聚集长大,马氏体+残余奥氏体,低温回火：150250,回火马氏体,弥散的碳化物+针状相,回火屈氏体,中温回火：350500,碳化物由亚稳定稳定,相回复、再结晶,回火索氏体,高温回火：500650,1.四个阶段,2.淬火钢回火后的组织和性能,预先热处理:退火;正火,最终热处理:淬火;回火,一般零件生产的工艺路线:,二、钢的热处理工艺及应用,（一）钢的退火,将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的 热处理工艺叫做退火。,真空退火炉,1、退火目的 调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为180-230HB。提高塑性、便于冷变形加工。消除阻止缺陷、改善性能 消除内应力，防止加工中变形。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。,2.退火的分类,退火,重结晶退