金属固态相变原理

1第2篇热处理原理及工艺第7章钢的热处理教学目标：搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念；掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识;掌握相变产物的形貌和物理本质。第8章金属固态相变原理§8钢的热处理一、热处理的作用机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。拒初步统计，在机床制造中，约60%70%的零件要经过热处理；在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。热处理的定义：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，从而获得所需组织和性能的工艺过程。热处理三大要素：加热、保温和冷却通过以上三个环节，材料的内部组织发生了变化，因而性能也发生变化。2例如：碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60～63HRC，这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火+低温回火的回火马氏体。同一种材料，热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同。表8-145号钢经不同热处理后的性能(试样直径15mm)热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定。材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。所以，材料成分－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。二、热处理的基本要素如上所述，热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。1、加热按加热温度的高低，加热分为两种：一种是在临界点A1以下加热，此时一般不发生相变；另一种是在A1以上加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。32、保温保温是热处理的中间工序，其目的是既要保证工件“烧透”，又要防止工件脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。3、冷却冷却是热处理的最终工序，也是热处理过程中最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织形态。图8-1热处理工艺曲线示意图三、热处理的分类1、根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可分为下列几类：普通热处理：退火、正火、淬火和回火。即所谓热处理的“四把火”。表面热处理：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光表面淬火和涂覆、渗碳、氮化和碳氮共渗等。其它热处理：可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。2、按照热处理在零件生产过程中的工序和作用不同,热处理工艺还可分为：4预备热处理：零件加工过程中的一道中间工序(也称为中间热处理)，其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力,为后续的机加工或进一步的热处理作组织上的准备。最终热处理：零件加工的最终工序。其目的是使经过成型工艺达到形状和尺寸要求的零件，通过热处理使零件具备最终的使用性能。是预备还是最终热处理在材料的生产过程中是相对的。四、钢的临界转变温度根据铁碳相图，共析钢缓慢加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体；亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能获得单相奥氏体。在实际热处理加热条件下，加热速度不可能是缓慢的,因此,相变是在不平衡条件下进行的；其次，再考虑到过冷或过热现象的存在，相变点与相图中的相变温度有一些差异。具体如下：加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为滞后(热滞或冷滞)。在热处理工艺实施过程中，加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。通常把加热时的实际临界温度标以右下标字母“c”表示，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际临界温度标以右下标字母“r”表示，如Ar1、Ar3、Arcm等。5§8.1钢在加热时的转变一般而言，钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体(奥氏体化、A化)，然后以不同速度冷却，使奥氏体转变为不同的组织，使钢具有不同性能。加热时形成的奥氏体的质量(成分均匀性及晶粒大小等)，对冷却转变后的组织、性能有极大的影响(组织遗传)。因此，掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化—即奥氏体化过程。§8.1.1奥氏体的形成过程一、共析钢奥氏体的形成共析碳钢加热前为珠光体组织，一般为铁素体与渗碳体交替排列的层片状组织，加热过程中珠光体转变为奥氏体过程可分为四步进行：奥氏体形核、晶核的长大、未溶碳化物(Fe3C)溶解、奥氏体成分均匀化。临界温度：平衡时：A1、A3、Acm加热时：Ac1、Ac3、Accm冷却时：Ar1、Ar3、Arcm图8-2加热和冷却速度对钢的临界温度的影响6①奥氏体晶核的形成由Fe-Fe3C相图知，在P转变为A过程中，原F的bcc晶格改组为A的fcc晶格，原渗碳体的复杂斜方晶格转变为fcc晶格。所以,奥氏体的形成过程就是晶格的改组和Fe、C原子的扩散过程。常将这一过程和奥氏体冷却过程的转变称为“相变重结晶”。基于能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体中的铁素体与渗碳体两相交界处产生，两相交界面越多，奥氏体晶核越多。②奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体和渗碳体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。奥氏体形成时碳浓度分布情况——图8-3奥氏体形成时碳浓度分布示意图7③剩余渗碳体的溶解由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“剩余渗碳体”存在，还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解并转变为奥氏体。④奥氏体成分的均匀化即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀,在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能趋于均匀。下图表示共析钢奥氏体形成的四个基本阶段：奥氏体晶核的形成；奥氏体晶核的长大；剩余渗碳体的溶解；奥氏体成分的均匀化。图8-4奥氏体形成的四个基本阶段上述分析表明，珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个充要条件：一是温度条件，要在Ac1以上加热；二是时间条件，要求在Ac1以上温度保持足够时间。在一定加热速度条件下，超过Ac1的温度越高，奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度（高于Ac1）条件下，保温时间越长，奥氏体成分越均匀。8二、非共析钢奥氏体的形成亚共析钢与过共析钢加热转变为A过程与共析钢转变过程是一样的，即在Ac1温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢中的P均要转变为A。不同的是亚共析钢的先析出F的转变与过共析钢的Fe3CⅡ的溶解。先析出F的完全转变要在Ac3以上，Fe3CⅡ的完全溶解要在温度Accm以上。即亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以上、过共析钢要在Accm以上,即表象点必须处在A的单相区。图8-5非共析钢奥氏体的形成§8.1.1奥氏体的形成过程如果亚共析钢仅在Ac1～Ac3温度之间加热，无论加热时间多长，组织中仍为铁素体与奥氏体共存；对过共析钢在Ac1～Accm温度之间加热，组织中应为二次渗碳体与奥氏体共存；在这种情况下，经加热保温在随后冷却过程中，组织转变也仅是奥氏体向其它组织的转变，其中的铁素体或二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变。9总结奥氏体化过程：即Fe、C原子扩散和晶格改组的过程---共析钢：加热到Ac1以上时，P→A。共析钢A化过程：形核、长大、Fe3C完全溶解、C的均匀。亚(过)析钢的A化：P→A后,先共析F或Fe3CⅡ溶解。图8-6共析钢的奥氏体形成过程示意图§8.1.2影响奥氏体转变速度的因素奥氏体的形成是通过形核与长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制，因此，凡是影响扩散、形核与长大的一切因素，都会影响奥氏体的转变速度。一、加热温度和保温时间加热温度越高，原子扩散速度越大，奥氏体化越快；保温时间越长，奥氏体化所需加热温度相对可以降低。详见下图——图8-7共析钢的奥氏体化曲线(原始状态：875℃退火)A形成过程中孕育期的概念：由于形成奥氏体需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间，故P在保温一段时间后才开始形成A晶核，这段时间称为“孕育期”。10二、加热速度热速度V越大,则孕育期越短,A化开始和终了温度越高,所需时间越短；加热速度V越小，则孕育期越长，A化开始和终了温度越低，所需时间越长。三、原始组织原始组织中Fe3C为片状时，Fe3C片间距越小,相界面积越大,奥氏体形核速度越大此时奥氏体中的C浓度梯度也越大，扩散距离短，奥氏体长大速度越快。四、钢的碳含量C%↑→界面多→核心多→转变快。五、合金元素Co、Ni、Cu：增加C扩散速度，加快A化过程；Cr、Mo、V、Ti等：与C亲和力大，形成难溶化合物，显著降低C扩散速度，减慢奥氏体化过程；Si、Al、Mn等：不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以一般合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长。图8-8加热速度对奥氏体转变的影响(示意图)图8-9渗碳体片间距d0对长大速度的影响11§8.1.3奥氏体的晶粒度及其影响因素晶粒度：表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥氏体晶粒大小。标准晶粒度等级分为8级：1－4级为粗晶粒度，5－8级为细晶粒度，超过8级的为超细晶粒小于1级的为超粗晶粒。图8-10标准晶粒等级(放大100倍)奥氏体晶粒度N与晶粒数量n的关系：式中：n－放大100倍时，每平方英寸(6.45cm2)视场中观察到的平均晶粒数。每mm2面积平均晶粒数：一、奥氏体的晶粒度钢在加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有重要影响。一般来说，奥氏体晶粒越细，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性越高。12Nn302Nn12衡量A晶粒大小有三种晶粒度：起始晶粒度；本质晶粒度；实际晶粒度。⑴起始晶粒度起始晶粒度定义：钢在临界温度以上A形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。起始晶粒度与形核率N和长大速度G有关。增大N,降低G，可细化A起始晶粒；反之,粗化起始晶粒。例如：增大加热速度，则A转变温度升高，形核率增加，A起始晶粒细化。⑵本质晶粒度本质晶粒度定义：表征钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向。一般采用标准试验方法(YB27-64)测定：即钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。如果测得的晶粒细小，则该钢称为本质细晶粒钢。这种钢的奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大。如果测得的晶粒粗大，则该钢称为本质粗晶粒钢。这种钢的奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大。图8-11本质细晶粒和本质粗晶粒示意图13⑶实际晶粒度实际晶粒度定义：某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢冷却后的组织和性能。实际晶粒度尺寸一般大于起始晶粒尺寸，取决于加热温度和保温时间。二、影响奥氏体晶粒度的因素奥氏体晶粒长大，实质为晶界迁移，而晶界迁移的实质就是原子在晶界附件的扩散过程，故凡影响晶界原子迁移的因素均影响奥氏体晶粒的长大。⑴加热温度和保温时间随加热温度升高，原子迁移能力增加，晶粒将逐渐长大。温度越高，或在一定温度下保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。⑵加热速度加热速度越大，过热度越大，A形成的实际温度越高，形核率较大，A起始晶粒度越细小。但是，当加热温度高到一定程度，保温时A晶粒长大速度过快，反而易获得粗晶粒组织。因此，快速加热时，保温时间不能过长，否则晶粒反而更加粗大。生产上采用“短时快速加热工艺”来获得超细化的晶粒。⑵钢的化学成分碳含量：在一定C含量范围内，随着A中C含量的增加，由于C在A中的扩散速度及Fe的自扩散速度增加，晶粒的长大倾向增加；当C含量超过一定量后，C能以未