搜索
•第五章钢的热处理•钢的热处理是将钢在固态下，通过加热、保温、冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。•热处理只改变金属材料的组织和性能，不改变其形状和尺寸。•热处理的目的在于•消除毛坯中的缺陷，改•善其工艺性能，为后续•工序作组织准备．•热处理可以提高零件的强度、硬度、韧性、弹性等，同时可以改善材料的工艺性能，使之易于加工。•热处理是改善原材料或毛坯的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。具体的方法主要有：•§5—1钢在加热时的转变•钢在热处理时首先要加热，目的是使其获得均匀的奥氏体组织。这个过程称为“钢的奥氏体化”。•在实际生产中，为了实现钢的奥氏体化，得到均匀的奥氏体组织，通常应根据铁碳合金状态图对其进行加热和保温，同时加热的温度必须在相应材料的平衡相变线Ａ1(PSK)、Ａ3(GS)、ＡCM(ES)以上。••这是因为，加热和冷却不可能无限缓慢，钢材本身的温度与加热温度之间会产生一个滞后现象。因此，加热和冷却时的相变点应分别高于或低于平衡相变点。这个现象称为“过冷”或“过热”。•过热时的相变点加•下标“ｃ”表示，即•Ａc1、Ａc3、Ａccm。•过冷相变点加下标•“ｒ”表示,即•Ａr1、Ａr3、Ａrcm.。一、钢的奥氏体化共析钢形成过程P—A的转变，4个过程。•（1）、奥氏体晶核的形成；•（2）、奥氏体的长大；•（3）、残余渗碳体的溶解；•（4）、奥氏体的均化。•珠光体是由成分不同、晶格类型不同的F+Fe3C组成，转变为另一种晶格类型的单相A。在转变过程中必然有晶格的改组和碳原子的扩散，并遵循晶核形成和长大的规律。•热处理过程中的保温时间，主要为了使工件表面与心部材料的温度趋于一致，并获得均匀的奥氏体组织，以便在冷却转变时得到良好的组织和性能。•亚共析钢在室温下组织为P+F，加热到AC1时，P转变为A，进一步加温，F逐渐转变为A。超过AC3时，全部转变为较细的A晶粒，再升温A晶粒长大。•过共析钢在室温下组织为P+Fe3C，加热到AC1时，P转变为A，进一步加温，Fe3C逐渐溶入A中。超过Accm时，全部转变为较细的A晶粒，再升温A晶粒长大。•二、奥氏体晶粒长大及其控制•奥氏体形成后继续加热或保温，其奥氏体晶粒将会长大。奥氏体晶粒的大小决定了冷却后转变组织的细密程度和性能。奥氏体细小，冷却后转变组织也细小，钢的强度与韧性较高。热处理过程中缺陷也少。•不同牌号的钢材，奥氏体晶粒的长大倾向是不同的。有些钢材奥氏体晶粒随着加热温度的升高迅速长大，而有些钢材奥氏体晶粒则不容易长大。•1、奥氏体晶粒度•奥氏体晶粒度是衡量晶粒尺寸大小的一种尺度。•根据国家的有关标准，将奥氏体晶粒分为12级。00、0—10级。级数越高，表示晶粒越细，钢材的性能余好。实际操作时常通过与标准评级图对比来评定。•另一种表示方法用晶粒的尺寸来表示。如：平均直径、单位面积内的平均晶粒数表示。•2、奥氏体晶粒长大•奥氏体晶粒度与加热温度、保温时间有关外，还与奥氏体中碳的含量及合金元素的含量有关。含碳量增加，晶粒长大倾向也增加。在晶界上有残余渗碳体时奥氏体晶粒长大缓慢。•钢中加入合金元素，影响奥氏体晶粒长大。若含有钛、钒、铝等易于形成稳定碳化物、氮化物、氧化物的元素，则可阻止奥氏体晶粒的长大。•在冶炼过程中若采用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢，用锰、硅脱氧的钢为粗晶粒钢。•3、奥氏体晶粒度的控制•(1)控制加热温度•(2)控制保温时间•(3)控制加热速度•§5—2钢在冷却时的转变•钢材热处理的最终性能取决于奥氏体的冷却过程。加热和保温的过程只是为随后的冷却作准备。•常用热处理的冷却方式有两种:•等温冷却:将加热到奥氏体的钢，快速冷却到Ａr1以下某一温度，等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。•连续冷却:将加热到奥氏体的钢，以不同•的冷却速度（炉冷、空冷、油冷、水冷）•连续冷却到室温。•钢材的奥氏体化不同，冷却条件不同，所得到的组织与性能也不同。•一、过冷奥氏体的等温转变•奥氏体过冷至Ａ1以下成为热力学不稳定状态，必定要发生相•变。但过冷到Ａ1线的奥•氏体并不立即发生转变，•要经过一个孕育期后才开•始转变，在孕育期内，处•于不稳定状态的奥氏体称•为“过冷奥氏体”。•过冷奥氏体经过一段等温时间后将转变为稳定的新相。•１、过冷奥氏体等温转变曲线•等温转变曲线是根据过冷奥氏体等温转变前后的组织和性能的变化来测定的。测定方法采用金相法，与铁碳合金状态图测试方法基本相同。•将共析钢分成几组，经相同条件奥氏体化后，分别投入Ａ1点以下不同温度(720、700、650、600)的等温浴槽中，进行等温转变。每隔一段时间，在每一组中取出一个试件淬入水中，然后进行金相分析。•由此得出个等温温度下的过冷奥氏体的转变开始及终止时间，并标注在温度—时间坐标系中，最后•将各点连成曲线。一•般称为C曲线。它综•合了时间、温度、转•变的变化。•2、过冷奥氏体等温转变曲线分析图示为共析钢过冷奥•氏体等温转变曲线，及转•变产物的大致硬度。•1）Ａ1线以下由开始转变•点所连接的曲线为转变开•始线。•由终了转变点所连接•的曲线为转变终了线。•Ｍs线为马氏体转变开始线，Mf线为马氏体转变终止线。•Ａ1线以上为稳定的奥氏体区。•Ａ1线以下，开始线左面为过冷奥氏体区。终了线以右，Ｍs线以上为转变产物区。•转变开始线与转变终了线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。•2）奥氏体在不同温度下的等温转变，要经过一段孕育期。孕育期越长，过冷奥氏体越稳定。•“鼻尖”处孕育期最短，孕育期最不稳定，转变速度最快。反之孕育期长，孕育期稳定，转变速度慢。•3）在三个不同的温度区间，共析钢的过冷奥氏体发生三种不同的转变。•高温区:Ａ1线至鼻尖，珠光体转变区；•中温区:鼻尖至Ｍs线，贝氏体转变区；•低温区:Ｍs线以下，马氏体转变区。•3、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能•(1)珠光体转变•由A面心立方转变为体心立方的F和Fe3C，转变前后各项晶格类型、成分不同，转变过程中必然有晶格的改组和铁、碳原子的扩散。因此，过冷奥氏体向珠光体的转变属于扩散型相变，是在固态下形核与长大的过程。•1）珠光体的形态及其形成•在A1线以下，在奥氏体晶界形成Fe3C晶核，温度下降，Fe3C分支长大，Fe3C的含•碳量高，使周围的奥氏体组织转变为F片，最终形成Fe3C与F片层相同的P组织。•2）珠光体的性能•珠光体的性能取决于层片间的距离，转变温度上的差异可控制珠光体中相邻两渗碳体的层片的间距。过冷度余大，铁、碳原子的扩散能力余弱，•层片间距余小，形成的•珠光体余细，强度、硬•度余高，塑性、韧性余•好。•渗碳体一般呈片状，在Ａr1附近保温足够长时间才能得到球化。•珠光体在不同温度下转变产物分别为：珠光体P、索氏体S、和托氏体T。•(2)、贝氏体转变•贝氏体组织是由过饱和的铁素体和弥撒分布渗碳体组成的两相混合物，用符号“Ｂ”表示。•贝氏体转变也同样有晶格的改组、碳原子的扩散，但温度较珠光体低，铁原子不发生扩散。•1）贝氏体的形态和形成•等温转变温度的不同，贝氏体类型组织分为两种形态。•上贝氏体(F+Fe3C)在550-350形成。•碳过饱和量不大的铁素体条成束平行地由奥氏体晶界伸向晶内，铁素体条间分布着颗粒或短杆状的渗碳体。图形成羽毛状。•上贝氏体条状铁素体比较宽，渗碳体较粗大且分布在铁素•体层片间，固其塑性、•韧性较差，强度也比•较低。一般无使用价•值。•下贝氏体在350－Ms范围内形成。•过饱和碳的铁素体呈黑色针片状存在，其上分布着与长轴成60度的碳化物颗粒或薄片。•力学性能。下贝氏体中铁素体针内的碳化物呈高度弥散分布，具有较高的强度和硬度外，还具有•良好的塑性和韧性。•生产中常采用•等温淬火来获得下•贝氏体组织。•2）贝氏体的性能•贝氏体的性能主要取决于F条的粗细、F中的碳的过饱和度、和Fe3C的大小、形状与分布。•形成温度越低，F条越细，过饱和度越大，Fe3C颗粒越细，性能越好。•(3)、马氏体转变•冷却速度大于该材料的马氏体临界冷却速度，并过冷到Ms以下，就开始发生马氏体转变。用符号“Ｍ”表示。•4、亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的等温转变•(1)C曲线的形状与位置•位置：与共析钢C曲线比较，亚共析钢随含碳量增加右移。过共析钢共析钢随含碳量增加左移。•形状：亚共析钢在冷却过程中，首先析出F，然后的过程与共析钢相同。•过共析钢首先析出Fe3CⅡ，其它与共析钢相同。•(2)先析相得量与形态•随着过冷度增加，先析出的F、Fe3C逐渐减少。过冷度达到一定时，先析相就不再析出，过冷奥氏体直接转变为T，称为伪共析组织。•含碳量、奥氏体晶粒度、转变温度的不同先析相组织形态也不同。先析F呈块状或网状，Fe3C呈网状。•二、过冷奥氏体连续冷却转变•在实际生产中，钢材经过奥氏体化后大多采用连续冷却。•1、共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立•过冷奥氏体连续冷却转变曲线采用膨胀法测定。•将一组样件加热，以不同速度冷却。冷却规程中用高速膨胀仪测定比体积变化，根据奥氏体与转变物比体积不同，得到个冷却速度下，奥氏体开始转变和转变终了•的温度与实践，标注在坐标图上，将开始点和终了点分别连•接起来，形成过冷•奥氏体连续冷却转•变曲线。•图5-20•其中V5、V6的•开始点连成一条水•平线，即M转变开•始线。•2、共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析•1）连续冷却转变曲线只有C曲线的上半部分。说明共析钢连续冷却转变只有P、M转变。•2）Ps是P转变开始线；Pf线是P转变终了线；AB线是P转变中止线。•3）Vc通过鼻尖，是获得全部M转变的最小冷却速度。称为M临界冷却速度。•4）连续转变是在一个温度区间完成，随着冷却速度的增加，转变温度降低，时间缩短。•5）连续转变是在一个温度区间完成，冷却开始温度与终了温度不同，得到的组织粗细不均匀，而且可能产生混合组织。•过共析钢连续冷却转变产物与共析钢基本相同，除了多出一条先析出Fe3C析出线。•亚共析钢连续冷却转变产物比较复杂。除了先析出F线外，还可能有B转变区，所以为多种产物的混合组织。•3、过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用•连续冷却的转变曲线比较难于测定，实际常用相应的Ｃ曲线来近似的分析连续冷却转变所得到的产物和性能。•图5-23•图中用ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4分别表示不同的冷却速度，根据它们与Ｃ曲线的相交区间，确定转变后的产物及性能。•ｖ1相当于退火。温度在650-700，转变后为珠光体。•ｖ2相当于正火。温度在600-650，转变后为索氏体。•ｖ3相当于淬火(油冷)。温度在550-600，转变后为马氏体+托氏体+残余奥氏体的混合组织。•ｖ4相当于淬火(水冷)。它与Ｃ曲线不相交，直接冷却到Ms线以下，转变为马氏体＋少量残余奥氏体。•图中ｖC与Ｃ曲线的“鼻尖”相切，称为临界冷却速度。•三、马氏体转变•高温奥氏体获得极大过冷时(淬火)，将转变为马氏体类型组织。•冷却速度大于该材料的马氏体临界冷却速度，并过冷到Ms以下，就开始发生马氏体转变。•由于转变温度很低，转变过程中只有γ-Fe向α-Fe晶格的改组,铁、碳原子不能扩散,全部固溶在α-Fe晶格中。这种在α-Fe中的过饱和固溶体组织称为马氏体，用符号“Ｍ”表示，属于单相的亚稳组织。•1、马氏体的晶体结构•过饱和的碳原子强制地分布在晶胞的某一轴的间隙处，使其晶格常数增大，其它两轴晶格常数减小。•2、马氏体的组织形态•钢中马氏体形态有片状（图5-25）和板条状（图5-27）两种。•3、马氏体的性能•(1)强度和硬度马氏体中随着含碳量的增加，其强度和硬度也增加。原因是过饱和碳原子使晶格正方畸变，产生固溶强化。•(2)马氏体的塑性和韧性马氏体的塑性和韧性受含碳量的影响，在一定范围内变化。•(2)马氏体的比体积马氏体的比体积较大，奥氏体比体积较小。•4、马氏体转变的特点•(1)马氏体转变是无扩散型相变；•(2)转变速度快，内应力较大；•(3)马氏体转变发生在一定温度范围内。•Ms开始Mf结束。奥氏体中含碳量余高，则Ms与Mf点余低。•(