钢的热处理课件.

2019/12/151HeatTreatmentofSteel主讲人：李安铭材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu2概述定义：经过加热、保温、冷却，改变钢的组织结构，从而获得需要的性能。时间温度临界温度热加保温冷却目的：改变钢的性能，充分发挥材料的潜力。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu3热处理的作用：提高材料的力学性能，延长工件使用寿命，充分发挥材料的潜力；改善材料加工性能。例1：20号铸钢正火后，延伸率提高一倍，韧性提高四倍。力学性能σb（MPa)、δ%ak(J/cm2)铸态4501520正火后4803098材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu4例2：T8钢淬火后，硬度大大提高。力学性能σb（MPa)、δ%硬度（HB）退火态85018200淬火后20000600热处理是机械零件加工过程中常用的工序。例如：齿轮的加工。下料锻造正火粗加工调质精加工表面淬火（精磨）T8钢淬火前后性能比较材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu5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;热处理分类：材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu6加热转变第一节HeatingTransformation2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu7Ac1A1Ar1Ac3A3Ar3AccmAcmArcmSPGQEFF+PPP+Fe3CⅡAF+AA+Fe3CⅡ℃C%一、临界转变温度：C:表示加热R:表示冷却实际的相变点不是固定值，随加热、冷却速度而改变。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu8温度高，转变快。（1）温度二.影响A转变的因素：410410例如：共析钢740℃，10S开始转变，104S转变结束，800℃，瞬间开始，100S结束。原因：扩散容易；碳的浓差大。热处理生产中，加热温度高，保温时间短。FAA+Fe3CF+AF+Fe3CTC1C2T1T2材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu9（2）成分碳和合金元素改变A形成速度.410410合金钢淬火加热温度比碳钢高数十度，保温时间增加1/3左右。C%：C%增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增大，A晶核数增多，其转变速度加快。合金元素：不改变A的形成过程，但影响A的形成速度。因为合金元素改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的A形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu10(3)原始组织（4）加热速度410410钢中原始P越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致A形成速度加快。同样片状P比粒状P的A形成速度快。加热速度越快，A化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于A化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度,从而加快A的形成。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu11三、奥氏体晶粒度及影响因素：1.奥氏体晶粒度：1－4级，粗晶粒；5－8级，细晶粒；8级以上，超细晶粒。晶粒度评定标准材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu12（3）本质晶粒度:钢加热到930±10℃、保温8小时、得到的晶粒度。表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向.分为：本质细晶粒钢；本质粗晶粒钢。（1）起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。（2）实际晶粒度:钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒的大小,实际晶粒度决定钢的性能。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu13晶粒长大示意图材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu14（1）加热温度，保温时间加热温度高，保温长，晶粒粗大。2.影响奥氏体晶粒度的因素温度/℃9001000110012001300晶粒(μm2)4000800026000840001600000.8%C钢的晶粒与T的关系(保温3h)材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu15(2)含碳量（3）合金元素VTiZrNbAl阻止长大，MnP促进长大随C%增加，长大倾向增大。若C以未溶碳化物形式存在，阻止晶粒长大。例如：锰钢淬火过热倾向大；渗碳钢中加入V、Ti、Nb等。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu16冷却转变产物第二节CoolingTransformationMatter2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu17一、珠光体类(A1～550℃)：1、珠光体类组织：珠光体P、索氏体S、屈氏体T2、形态与性能：F与Fe3C层片状，区别为片层间距不同。T的强硬度最高，S次之，P最差。P在Ar1以下长时间保温，Fe3C可球化，形成球状P。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu18组织转变温度/℃片层间距(μm)硬度(HRC)显微观察/X珠光体Ar1-650＞0.45-27500索氏体650-6000.4-0.227-33800-1000曲氏体600-550＜0.233-43电镜珠光体类组织珠光体索氏体曲氏体材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu19形成温度：550～350℃二、贝氏体类(550～230℃)：组织形态：光学显微镜观察，呈羽毛状；电镜下观察，平行排列的F板条之间，分布短杆状的Fe3C，F为位错亚结构。1.上贝氏体B上：过饱和的ɑ-Fe板条+细条状Fe3C材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu20光镜电镜上贝氏体形貌：材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu21力学性能：强韧性不高，硬度40～45HRC。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu22形成温度：350℃～Ms2.下贝氏体B下：过饱和的针叶ɑ-Fe+细片C化物组织形态：光学显微镜观察，F呈凸透镜状，彼此交叉，分布无规则；电镜下观察，F片内规则分布着碳化物粒子，粒子分布与长轴方向呈55-600的夹角。F片为位错亚结构。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu23光镜电镜下贝氏体形貌：材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu24性能：具有很好的综合力学性能。例如：共析钢B下，σb=1600MPa,σ0.2=1400MPaδ=20%Ψ=13%。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu251.定义:碳在α–Fe中的过饱和固溶体。2.马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α-Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。三、马氏体类(230～－50℃)：材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu263.马氏体的组织形态:板条状体心立方结构位错亚结构好的综合性能片(针)状体心正方结构挛晶亚结构硬、脆M材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu27板条状M---低碳马氏体性能：板条M具有良好的综合力学性能。原因：一是过饱和度较低，二是位错亚结构。例如0.2%C钢，HRC50、b＝1500MPa、ak=180J/cm2组织形貌：一个A晶粒可以有几个板条束，在板条束中有时又可以分成几个平行的板条块，在板条内分步着稠密的平行的M板条。稠密的板条之间是一层连续的高度变形的极薄的A薄膜(约20nm)，M内有大量位错。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu28光镜电镜板条状马氏体：材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu29片(针)状---高碳马氏体组织形貌：立体形态是双凸透镜片状，在A晶粒中，首先形成一个贯穿整个晶粒的M片，后形成的M片尺寸受到限制，在已存在的M和A晶界或M片之间，后形成的M片越小。M片之间互不平行，最后的三角区为A残。性能：高的强硬度,塑、韧性很低.HRC60、ak=1J/cm2原因:片状M过饱和度大，晶格畸变严重,内应力大，片间易产生显微裂纹;孪生亚结构变形困难。材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu30光镜电镜针(片)状马氏体：材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu31冷却转变曲线第三节CoolingTransformationCurve2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu32过冷奥氏体：A从高温冷却到A1以下，并不立即转变，而处于热力学不稳定状态，把这种存在于A1温度以下暂未发生转变的不稳定A称为过冷A。等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体在该温度下进行转变。连续冷却：将钢以某一速度不停地冷却(到室温)，使奥氏体在连续降温的过程中转变。冷却方式：材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu33热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却热处理的冷却方式材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu34一、等温冷却转变共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线(C曲线)T---timeT---temperatureT---transformation材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu35快冷到某温度下保温，过冷奥氏体经过a1时间开始转变，该时间称为转变孕育期。随着时间的延长，转变量不断增加。经过b1时间后全部转变完毕。一、C曲线建立：1.转变动力学曲线：时间——转变量(%)2.时间—转变温度曲线：将相同性质的点连接起来材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu36时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu37共析钢的等温冷却转变曲线(TTT)，象字母“C”，俗称C曲线。孕育期最短的点在550℃附近，该点称为C曲线的“鼻尖”。温度低于临界值Ms后，孕育期消失，到达Ms立即发生转变，Ms为马氏体转变温度。3.TTT曲线特征：A1Ms材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu38稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区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。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf二、C曲线分析：材料科学与工程学院2019/12/15AnmingLi,DeptofMSE,hpu39稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfTTT曲线的应用V1