第六章金属热处理及材料改性.

第六章金属热处理及材料改性改善钢的性能，主要有两条途径：合金化和热处理。1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。•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。概述概述•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，在制造业被广泛应用。•模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。概述2、热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制3、热处理适用范围：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强化。概述其他热处理普通热处理表面热处理热处理：退火、正火、淬火、回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理—渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗其他元素等4、热处理分类：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：概述5、预备热处理与最终热处理•预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。•最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间第一节钢在加热时的转变加热时，实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示冷却时，实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示临界温度与实际转变温度铁碳相图中A1、A3、Acm表示的是钢在平衡条件下奥氏体转变的临界温度。实际际加热或冷却时存在过冷或过热现象。因此：第一节钢在加热时的转变•加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。钢坯加热一、奥氏体的形成过程•奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：第一节钢在加热时的转变•第一步奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核，因为F的含碳量低，Fe3C含碳量高，A的含碳量介于两者之间。•第二步奥氏体晶核长大：形成晶核后，A晶核不断合并相邻的F，且Fe3C不断溶解于A中，以供给碳。第一节钢在加热时的转变•第三步残余Fe3C溶解:F的成分、结构更接近于奥氏体，因而先转变完，残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。•第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使A成分趋于均匀。第一节钢在加热时的转变奥氏体的形成FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA形核A长大残余Fe3C溶解A均匀化第一节钢在加热时的转变•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或二次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.第一节钢在加热时的转变二、奥氏体晶粒长大及其影响因素1、奥氏体晶粒度•奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。•随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。第一节钢在加热时的转变在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。通常将钢加热到94010℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。晶粒度为1-5级的是本质粗晶粒钢，6-10级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。Ac1第一节钢在加热时的转变2、影响奥氏体晶粒长大的因素⑴加热温度和保温时间•加热温度高、保温时间长,晶粒粗大.⑵加热速度•加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细.⑶合金元素•阻碍奥氏体晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素•促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。第二节钢在冷却时的转变•冷却是热处理更重要的工序。•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。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。•现以共析钢为例说明：第二节钢在冷却时的转变一、珠光体转变1、珠光体的组织形态及性能•过冷奥氏体在A1~550℃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、索氏体和屈氏体.珠光体索氏体屈氏体第二节钢在冷却时的转变⑴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.光镜下形貌电镜下形貌第二节钢在冷却时的转变⑵索氏体形成温度为650~600℃,片层较薄。电镜形貌光镜形貌800~1000倍光镜下可辨，用符号S表示。第二节钢在冷却时的转变⑶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。电镜形貌光镜形貌第二节钢在冷却时的转变•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。片间距bHRC550600650700转变温度第二节钢在冷却时的转变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。第二节钢在冷却时的转变二、贝氏体转变1.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).上贝氏体下贝氏体第二节钢在冷却时的转变⑴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。光镜下电镜下第二节钢在冷却时的转变⑵下贝氏体•形成温度为350℃~Ms光镜下电镜下•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55-60º角。第二节钢在冷却时的转变•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。第二节钢在冷却时的转变2、贝氏体转变过程•贝氏体转变也是形核和长大的过程,属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散。•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，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。第二节钢在冷却时的转变•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。上贝氏体转变过程第二节钢在冷却时的转变•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。下贝氏体转变第二节钢在冷却时的转变三、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。1、马氏体的晶体结构•碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体组织•马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.第二节钢在冷却时的转变•马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c），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.第二节钢在冷却时的转变2、马氏体的形态•马氏体的形态分板条和片状两类。⑴板条马氏体•在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。光镜下第二节钢在冷却时的转变•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，=1012/cm2,又称位错马氏体。SEMTEM第二节钢在冷却时的转变⑵片状马氏体•显微组织为针片状。•在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。电镜下光镜下第二节钢在冷却时的转变⑶马氏体的形态主要取决于其含碳量•C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。•C%大于1.0%C时几乎全部是片状马氏体.•C%在0.2~1.0%之间为板条与片状的混合组织。马氏体形态与含碳量的关系0.2%C0.45%C1.2%C第二节钢在冷却时的转变45钢正常淬火组织•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，所以越是后形成的马氏体片越细小.•原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。•当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏体.第二节钢在冷却时的转变3、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。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%第二节钢在冷却时的转变•马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%•片状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。第二节钢在冷却时的转变4、马氏体转变的特点•马氏体转变是在较低的温度下进行的。其特点是：⑴无扩散性•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。⑵高速长大•马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。•当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。第二节钢在冷却时的转变⑶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。第二节钢在冷却时的转变⑷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。第二节钢在冷却时的转变•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。含碳量对马氏体转变温度的影响含碳量对残余奥氏体量的影响过冷奥氏体转变产物（共析钢）转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M片MS~Mf无扩散型片状60-65淬火M板条MS~Mf板条状50淬火第三节过冷奥氏体转变曲线图•热处理过程中，过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。两种冷却方式示意图1—等温冷却2—连续冷却第三节过冷奥氏体转变曲线图或TTT(Time-Temperature-Transformation)曲线。一、过冷奥氏体的等温转变图•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曲线第三节过冷奥氏体转变曲线图1、C曲线的建立：（以共析钢为例）⑴取一批小试样并进行奥氏体化⑵将试样急冷至A1以下某温度，并保温不同时间⑶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。⑷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。时间(s)3001021031041010800-100100