工程材料第六章钢的热处理.

工程材料王金星材料科学与工程学院邮箱：[e-mail]电话：[phone]EngineeringMaterials第六章钢的热处理钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一，在机械制造业中的比例达到90%左右，在汽车制造业中的比例达到70%，在其他制造业中也是最重要的材料之一。第六章钢的热处理改善钢铁材料性能的途径：①合金化通过在钢中加入合金元素，调整钢的化学成分，从而获得优良的性能。②热处理将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得优良的性能。可以这么认为：合金化：改变原子种类热处理：改变原子排列方式（形成固溶体或引入金属化合物）（通常得到非平衡组织，除退火外）某企业热处理网带炉一、热处理的定义热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。§6.1热处理的基本概念时间温度加热保温冷却临界温度热处理工艺曲线示意图二、热处理的三大要素①加热目的是获得均匀细小的奥氏体组织。②保温目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。③冷却目的是使奥氏体转变为不同的组织。热处理后的组织：加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。热处理的特点：热处理不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构，从而改变钢的性能。重要结论：材料是否能够通过热处理而改善其性能，关键条件是材料在加热和冷却过程中是否发生组织和结构的变化。§6.1热处理的基本概念普通热处理退火：炉冷表面淬火热处理工艺化学热处理表面热处理其他热处理控制气氛热处理真空热处理形变热处理三、热处理的类型1、按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类正火：空冷淬火：油、水回火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渗碳渗氮（氮化）碳氮共渗§6.1热处理的基本概念感应加热渗碳火焰加热2、按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类预备热处理：为随后的加工或热处理作准备热处理工艺最终热处理：赋予工件所需的性能毛坯（锻件）预备热处理（退火、正火）机加工（车削）最终热处理（淬火、回火）精加工（磨削）§6.1热处理的基本概念A1A3AcmAc1Ar1Ac3Ar3ArcmAccm四、钢的临界转变温度钢的临界转变温度是钢在热处理时制定加热、保温、冷却工艺的重要依据，由铁碳合金相图确定。§6.1热处理的基本概念wc（%）温度SPGEQFe－Fe3C相图的共析转变部分重要结论：钢的实际临界转变温度总是滞后于理论临界转变温度，即加热时需要过热，冷却时需要过冷。§6.2钢在加热时的转变时间温度加热保温冷却临界温度热处理工艺曲线示意图A1A3AcmAc1Ar1Ac3Ar3ArcmAccmwc（%）温度SPGEQFe－Fe3C相图的共析转变部分两种加热方式：第一种加热过程，目的是使钢从室温组织（如珠光体）转变为奥氏体，即获得奥氏体组织。该过程称为钢的奥氏体化。关键：均匀+细小一、奥氏体的形成过程（奥氏体化）共析钢：共析钢奥氏体的形成是一个形核和长大的过程，是渗碳体（Fe3C）溶解、铁素体（F）向奥氏体（A）的晶格改组，以及碳（C）在奥氏体中扩散的过程。§6.2钢在加热时的转变加热在临界温度Ac1以上的加热——发生相变在临界温度Ac1以下的加热——不发生相变共析钢奥氏体化的四个基本过程：①奥氏体的形核②奥氏体的长大③残余Fe3C的溶解④奥氏体成分的均匀化珠光体向奥氏体转变的过程§6.2钢在加热时的转变珠光体向奥氏体转变的过程§6.2钢在加热时的转变亚共析钢和过共析钢: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.（1）奥氏体的形核A晶核优先在F/Fe3C相界处形成。原因：①能量起伏相界处晶格畸变较大，能量较高，有利于获得A形核所需的能量要求。②结构起伏相界处晶格畸变较大，原子排列不规则，有利于获得奥氏体的fcc结构要求。③成分起伏相界处碳浓度相差较大，有利于获得A形核所需的碳浓度要求。（2）奥氏体的长大A晶核形成后，将通过F→A转变和Fe3C溶入A的过程不断长大。（3）残余Fe3C的溶解Fe3C的溶解落后于F→A转变，需要残余的Fe3C继续溶入A。（4）奥氏体成分的均匀化残余的Fe3C溶解结束后，A成分极不均匀，原F区域C%低，原Fe3C区域C%高。通过保温，使碳原子充分扩散，奥氏体成分最终均匀化。§6.2钢在加热时的转变“均匀”实现了，“细小”如何实现？二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素奥氏体晶粒的大小关系到随后冷却的组织的粗细程度，对钢的性能有着重大的影响。控制奥氏体晶粒度具有重要的意义。§6.2钢在加热时的转变影响因素:①加热温度和保温时间加热温度越高、保温时间越长，A晶粒越粗大。其中，温度的影响尤为显著。过热组织：因加热温度过高而导致的粗大晶粒组织。②加热速度加热速度越快，A晶粒越细小。短时快速加热工艺：生产上获得超细晶粒的重要手段之一。③碳化物形成元素钢中有碳化物形成元素时，钢组织中存在的细小碳化物可阻碍晶粒的长大，从而使A晶粒细化。碳化物形成元素：Ti、V、Nb、W、Mo、Cr等。含有上述元素的钢均是本质细晶粒钢。④Mn、P等元素促进A晶粒长大，易产生过热组织。§6.2钢在加热时的转变§6.3钢在冷却时的转变时间温度加热保温冷却临界温度热处理工艺曲线示意图A1A3AcmAc1Ar1Ac3Ar3ArcmAccmwc（%）温度SPGEQFe－Fe3C相图的共析转变部分两种冷却方式：①等温冷却先将A快速冷至临界温度以下某一温度，然后A在该温度下完成组织转变，最后再冷却至室温。②连续冷却A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。过冷奥氏体：奥氏体被过冷至临界温度以下即处于不稳定状态，即将发生分解（即奥氏体转变为其他组织转变）。这种状态的奥氏体称过冷奥氏体。加热保温连续冷却时间温度临界温度等温冷却§6.3钢在冷却时的转变一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程①珠光体（Pearlite）,符号：P加热后的奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温，或过冷奥氏体在较高的温度下等温时，奥氏体将转变成珠光体。典型的冷却方式：炉冷（退火）珠光体相比马氏体和贝氏体，其强度和硬度较低。②马氏体（Martensite），符号：M过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温，奥氏体将转变成马氏体。典型的冷却方式：水冷或油冷（淬火）马氏体具有很高的强度和硬度。③贝氏体（Bainite），符号：B过冷奥氏体在中等温度范围内等温时，奥氏体将转变成贝氏体。贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。§6.3钢在冷却时的转变（一）珠光体转变珠光体在临界温度以下的较高温度范围（Ar1～550C）形成。1、珠光体的组织形态及性能（1）珠光体的组织形态①片层状珠光体（简称片状珠光体）片状珠光体是相间排列成层片形态的铁素体与渗碳体的机械混合物。②粒状珠光体（又称球状珠光体）粒状珠光体是颗粒状渗碳体分布在铁素体基体中的机械混合物。（2）珠光体的性能珠光体的性能与组织的粗细程度密切相关：片间距越小，片状珠光体的硬度和强度越大、塑性和韧性越好；渗碳体颗粒越细小，分布越弥散均匀，粒状珠光体的硬度和强度越大。§6.3钢在冷却时的转变FFe3C片状珠光体粒（球）状珠光体§6.3钢在冷却时的转变三维珠光体如同放在水中的包心菜s0根据片间距(s0)，片状珠光体可分为：珠光体（P）：s0＝0.60～1.0m，形成温度为Ar1～650C;索氏体（S）：s0＝0.25～0.3m，形成温度为650～600C;托氏体（T）,又叫屈氏体：s0＝0.10～0.15m，形成温度为600～550C片状珠光体的片间距(s0)与其形成温度或冷却速度有关：形成温度越低，s0越小。冷却速度越大，s0越小。§6.3钢在冷却时的转变片状珠光体的形态特征珠光体组织金相显微镜索氏体组织托氏体组织电子显微镜我尽力了400～500倍即可800～1000倍才可2、珠光体的转变过程珠光体转变（即A→P转变）是一个形核和长大的过程，是碳原子重新分布和晶格重构的过程。以共析钢片状珠光体的形成为例：珠光体转变是典型的扩散型相变：珠光体形成时，碳原子和铁原子均需进行长程扩散。片层状珠光体的转变过程§6.3钢在冷却时的转变奥氏体→珠光体转变（二）马氏体转变马氏体是碳溶解在体心立方晶格的－Fe中形成的过饱和间隙固溶体。马氏体转变在临界温度以下的较低温度范围内进行。1、马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构属体心正方晶格（bct）。由于马氏体含碳过饱和，导致bcc晶格畸变成bct晶格。因此bct晶格可以看成是bcc晶格沿c轴的伸长。c/a称为马氏体的正方度。c/a与C%有关：C%越高，c/a越大；C%越低，c/a越小。重要结论：马氏体含碳量越高，其正方度越大，晶格畸变越严重，故硬度越高。钢中获得马氏体组织是强化钢铁材料的重要手段之一。§6.3钢在冷却时的转变2、马氏体的组织形态①板条状马氏体（简称板条马氏体）板条马氏体呈条片状，由许多成群的平行马氏体板条束组成。板条马氏体主要出现在低碳钢中。板条马氏体的亚结构为高密度的位错。板条马氏体又称低碳马氏体、位错马氏体。②针状马氏体（又称片状马氏体）针状马氏体呈针片状或竹叶状，立体形态呈透镜状。针状马氏体主要出现在高碳钢中。针状马氏体的亚结构为孪晶。针状马氏体又称高碳马氏体、孪晶马氏体。§6.3钢在冷却时的转变板条马氏体金相组织§6.3钢在冷却时的转变原奥氏体晶界M针针状（片状）马氏体金相组织§6.3钢在冷却时的转变马氏体“针”或“片”的粗细主要取决于奥氏体的晶粒度。隐晶马氏体：当奥氏体的晶粒非常细小，以至于在光学显微镜下难以分辨出马氏体的针状特征。这种马氏体称为隐晶马氏体。M针原奥氏体晶界§6.3钢在冷却时的转变③影响马氏体形态的因素当C%＜0.2%，马氏体转变后的组织中几乎全部是板条马氏体；当C%＞1.0%，马氏体转变后的组织中几乎全部是针状马氏体；当0.2%＜C%＜1.0%，马氏体转变后的组织中既有板条马氏体，也有针状马氏体。§6.3钢在冷却时的转变体积，%板条马氏体量00.20.40.60.81.0wc%255075100马氏体形态与含碳量的关系§6.3钢在冷却时的转变3、马氏体的性能马氏体的性能主要取决于含碳量和组织形态。①含碳量的影响C%高则硬度和强度高，但脆性大。高碳针状马氏体“硬而脆”。②组织形态的影响针状马氏体塑性和韧性差，而板条马氏体韧性好，且具足够的强度。低碳板条马氏体“强而韧”。马氏体的硬度与淬火钢的硬度之间的关系：马氏体的硬度由含碳量决定，淬火钢的硬度与马氏体转变结束后钢中马氏体的相对量和未转变组织的相对量有关，即随淬火钢中未转变组织的相对量增多，硬度下降。4、马氏体转变的特点马氏体转变同样是一个形核和长大的过程。①无扩散性Fe、C、Me（合金元素）的原子均不进行长程扩散。（fcc）→M（bct）的晶格重组由原子集体的、有规律的近程迁移而完成。转变前后合金的化学成分不变。马氏体转变是典型的非扩散型相变。②共格切变性和表面浮凸现象（fcc）→M（bct）的晶格重组以切变方式进行。新相（M）与母相（）保持共格关系。§6.3钢在冷却时的转变§6.3钢在冷却时的转变M试样表面浮凸（fcc）→M（bct）转变的切变结果（在原抛光的表面产生浮凸现象）新相（M）与母相（）的共格关系（相界上的原子为两个相共有）M相界③在不断降温的过程中形成马氏体转变在一个温度范围内完成，冷却中断，转变立即停止。马氏体转变开始的温度称为Ms点，转变终了的温度称为Mf点。Ms点和Mf点主要取决于奥氏体中的含碳量（C%）和合金元素的含量（Me%）。§6.3钢在冷却时的转变含碳量对Ms和Mf的影响Cwc%温度/重要结论：C%增多，Ms点和Mf点降低。除Al、Co外，Me%增多，Ms点和Mf点降低。C%增多，残余奥氏