第4章钢的热处理

第4章钢的热处理第4章钢的热处理4.1钢在加热时的转变4.2钢在冷却时的转变4.3钢的退火与正火4.4钢的淬火4.5淬火钢的回火4.6钢的表面热处理4.7热处理技术条件的标注与工序安排知识窗——气相沉积自测习题第4章钢的热处理4.1钢在加热时的转变加热是热处理的第一道工序，大多数情况下是要将钢加热到相变点以上，获得奥氏体组织。相变点也称临界点(或临界温度)，在热处理中，通常将铁碳相图中的PSK线称为A1线，将GS线称为A3线，将ES线称为Acm线，这些线上每一合金的相变点，也称A1点、A3点、Acm点。热处理时，钢加热和冷却不可能非常缓慢，因此发生组织转变都偏离平衡相变点，此时分别用、、和、表示加热和冷却时的临界温度。图4-1所示为这些临界温度在铁碳相图上的位置示意。1cA3cAcmcA1rA3rAcmrA、第4章钢的热处理图4-1钢的临界温度第4章钢的热处理1．奥氏体的形成下面以共析钢为例，简要说明奥氏体形成的过程。共析钢在室温时的平衡组织全部为珠光体，当加热到  线以上温度时转变为奥氏体晶粒。生成的奥氏体相不仅晶格类型与铁素体相和渗碳体相不同，而且含碳量也有很大的差别。由此可见，奥氏体化的过程必然进行着铁原子的晶格改组和铁、碳原子的扩散，其转变过程也是遵循形核和长大基本规律，并通过下列四个阶段来完成的。1cA第4章钢的热处理(1)奥氏体晶核的形成。奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的相界面处形成，如图4-2(a)所示。这是由于相界面处的碳浓度处于中间值而接近奥氏体成分。同时相界面处的原子排列混乱，位错密度也高，有利于奥氏体晶格的形成。这就为形核提供了成分和结构上的有利条件。(2)奥氏体的长大。奥氏体形核后，由于奥氏体与铁素体相接处含碳量低，而与渗碳体相接处含碳量高，这引起碳在奥氏体中从高含量处向低含量处扩散，促使铁素体向奥氏体转变及渗碳体的溶解，奥氏体向铁素体和渗碳体两个方向长大，如图4-2(b)所示。第4章钢的热处理(3)残余渗碳体的溶解。由于奥氏体在化学成分和晶格类型上与铁素体差别小，而与渗碳体差别大，奥氏体向铁素体的长大速度大于向渗碳体的长大速度。这使得珠光体中的铁素体完全转变为奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未转变，在随后的保温过程中逐渐溶解入奥氏体中，直至全部消失，如图4-2(c)所示。第4章钢的热处理图4-2奥氏体形成过程示意图第4章钢的热处理(4)奥氏体成分的均匀化。渗碳体完全溶解后，原先是渗碳体的地方碳浓度高，铁素体的地方碳浓度低。必须继续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化，如图4-2(d)所示。加热温度越高，原子的扩散能力越大，奥氏体转变所需的时间也越短。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成需要加热到 或 以上，才能获得单一的奥氏体组织。实际生产中，钢的热处理不一定都要加热到奥氏体均匀化，要根据不同的目的，控制奥氏体形成的不同阶段。第4章钢的热处理2．奥氏体晶粒的长大理论和实验证明，在加热过程中，当钢的组织刚刚全部转变为奥氏体时，它的晶粒是非常细小的，但是随着加热温度的升高或保温时间的延长，奥氏体晶粒会长大。而加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒的长大就越明显。奥氏体晶粒的大小将影响冷却转变后钢的组织和性能。若奥氏体晶粒越细小，则冷却转变后钢组织的晶粒也越细小，其力学性能也越高；若奥氏体晶粒越粗大，则冷却转变后钢组织的晶粒也越粗大，力学性能变差，特别是冲击韧性下降较多。因此，钢在热处理加热过程中，加热温度和保温时间必须限制在一定的范围内，以便获得细小而均匀的奥氏体晶粒。第4章钢的热处理奥氏体晶粒的大小用奥氏体晶粒度级别来表示。根据国标GB6394—86规定，在显微镜放大100倍时，观察1平方英寸(6.45cm2)内的晶粒数目，查阅其中提供的－1到14级的对照关系表，一般认为，1级以下为超粗晶粒，4级以下为粗晶粒，5～8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。实际工作中，用100倍的显微镜下观察到的晶粒与标准评级图对比来确定奥氏体的晶粒度级别。据粗略估算，4级晶粒度的晶粒直径约为0.091mm，8级的约为0.022mm。第4章钢的热处理3．影响奥氏体晶粒长大的因素(1)加热温度和保温时间。加热温度越高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒越容易粗化。延长保温时间也会引起晶粒长大，但后者的影响要比前者的小得多。为了获得细小的奥氏体晶粒，应合理地选择加热温度与保温时间。(2)加热速度。加热速度越快，实际奥氏体化温度越高，形核率越大，晶粒越小。快速加热和短时间保温的工艺在生产上常用来细化晶粒，例如高频淬火就是利用这一原理来获得细晶粒的。第4章钢的热处理(3)含碳量。一般钢中的含碳量越高，奥氏体晶粒的长大倾向增大。(4)合金元素。在钢中加入钛、铌、钒、锆等合金元素，则能生成氧化物或氮化物等，均有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，而锰和磷是促进奥氏体晶粒长大的元素。第4章钢的热处理4.2钢在冷却时的转变冷却过程是钢热处理的关键部分，对热处理后的组织与性能起着极其重要的作用。采用不同的冷却速度或冷却方式，可以获得不同的组织和性能。例如，两块45钢小试样，同时加热到840℃奥氏体化，经保温后，一块从炉中取出，立即放入盐水中冷却，即淬火；另一块随炉冷却，即退火。结果45钢淬火后硬度大于53HRC，而退火后硬度约为160HBS，其原因是由于冷却速度不同，得到的组织不同。第4章钢的热处理钢奥氏体化后的冷却方式有两种，如图4-3所示。一种是等温冷却，即把已奥氏体化的钢快速冷却到A1以下某一温度，并在此温度下保温，使奥氏体在一定的过冷度下向稳定的组织转变，转变结束后，再空冷到室温。另一种是连续冷却，即奥氏体化的钢以不同的冷却速度连续地冷却到室温，使奥氏体在冷却过程中转变为较稳定的组织。第4章钢的热处理图4-3热处理的两种冷却方式第4章钢的热处理4.2.1过冷奥氏体的等温转变曲线(TTT图)由铁碳相图可知，当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体是不稳定的，它会转变为其他组织。钢在冷却时的转变，实质上就是过冷奥氏体的转变。经奥氏体化后冷却到A1以下的温度区间内等温时，过冷奥氏体所发生的转变称为等温转变。在等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物的关系曲线图称为过冷奥氏体等温转变图，简称TTT图。又根据其形状而称为C曲线或S曲线。第4章钢的热处理1．过冷奥氏体等温转变曲线的建立(以共析钢为例)共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线如图4-4所示。由于在过冷奥氏体转变过程中，钢的组织和性能均会发生变化，因此可采用相应的方法来测定其转变图。现以共析钢为例，用金相硬度法简要说明其建立过程。(1)制成若干小的薄片共析钢试样(10mm×1.5mm)，将其加热至以上温度，得到均匀奥氏体。第4章钢的热处理(2)将试样分成许多组，每组包括若干个试样。将每组试样分别迅速放入A1以下一系列不同温度(如700℃、650℃、600℃、550℃……)的恒温浴槽中，使过冷奥氏体进行等温转变。记录从试样投入浴槽时刻起的等温时间，然后每隔一定时间，在每组中取出一个试样，迅速放入水中冷却，使试样在不同时刻的等温转变状态固定下来。第4章钢的热处理(3)测定试样硬度并观察共显微组织。当发现某试样刚有转变产物时(约有5%的转变产物)，它的等温时间即为奥氏体开始转变的时间，而发现一试样没有奥氏体时(约为95%的转变产物)，它的等温时间即为奥氏体转变终了时间。由此找出过冷奥氏体在不同温度下开始转变的时间和转变终了时间，并记录下来。(4)将所有的转变开始点和终了点标记在时间温度坐标系中，将所有的转变开始点和终了点分别用光滑曲线连接起来，即得共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线，如图4-4所示。第4章钢的热处理图4-4共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线第4章钢的热处理2．共析钢过冷奥氏体等温转变C曲线分析(1)特性线和区域。在图4-4中，A1线与Ms线之间为过冷奥氏体的等温转变区间。其中，C曲线左边的线是过冷奥氏体开始转变点的连线，称过冷奥氏体等温转变开始线；C曲线右边的线是过冷奥氏体转变终了点的连线，称过冷奥氏体等温转变终了线。等温转变开始线的左边区域为过冷奥氏体区，C曲线之间的区域称为过冷奥氏体与产物的共存区，过冷奥氏体转变终了曲线的右边区域为产物区。第4章钢的热处理最下面Ms线与Mf线之间为马氏体转变区。马氏体用符号M表示，它是奥氏体连续冷却的转变一种组织，而不是等温转变的产物。Ms与Mf的意义如下：将奥氏体化的共析钢快速冷却到Ms温度以下产生马氏体组织，在Mf以下马氏体转变终止。(2)孕育期和“鼻尖”。过冷奥氏体开始发生转变前所经历的时间称为孕育期。孕育期越短，说明过冷奥氏体转变时形核所需要的时间越短，过冷奥氏体越不稳定。如图4-4所示，随着等温转变的温度下降，孕育期逐渐缩短，随后又逐渐变长，在550℃左右等温转变时的孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，转变速度最快，C曲线上的该处位置称为“鼻尖”。第4章钢的热处理(3) C曲线的三个转变区。共析钢的过冷奥氏体在三个不同的温度区间，可发生三种不同的组织转变。从A1到“鼻尖”温度(约550℃)为高温转变区，其转变产物为珠光体，故又称为珠光体转变区；从“鼻尖”温度至Ms为中温转变区，其转变产物为贝氏体，故又称为贝氏体转变区；从Ms到Mf为低温转变区，共转变产物为马氏体，故又称为马氏体转变区。第4章钢的热处理3．亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线图4-5(a)和图4-5(b)所示为亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线。亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线与共析钢的C曲线相似，都具有过冷奥氏体转变开始线与转变终了线，但多一条先共析铁素体或先共析渗碳体(二次渗碳体)的析出线。这是由于过冷奥氏体向珠光体转变之前，对于亚共析钢有先共析相铁素体析出，而对于过共析钢则有先共析相渗碳体(二次渗碳体)析出，使转变的珠光体型组织为铁素体和珠光体或二次渗碳体和珠光体。这里应注意：随着等温转变温度的下降，亚共析钢和过共析钢先析出的铁素体或二次渗碳体越来越少，过冷奥氏体甚至全部转变为珠光体，这种非共析成分所获得的共析体称为伪共析体。第4章钢的热处理图4-5亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线第4章钢的热处理4.2.2等温转变产物的组织与性能1．珠光体型转变1)珠光体的形成共析成分的过冷奥氏体在A1至550℃之间的高温区等温转变的产物为层片状的珠光体，即渗碳体片与铁素体体片组成的共析体。由于转变的温度高，这个转变是一个扩散型相变，它通过铁、碳原子的扩散和奥氏体晶格的改组，来实现奥氏体转变为铁素体和渗碳体。第4章钢的热处理实验证明，首先在奥氏体晶界或其它缺陷处渗碳体形核，随后依靠渗碳体的不断分枝，向奥氏体晶粒内部平行长大。同时，渗碳体周围的奥氏体的含碳量逐渐减小，最终使这部分奥氏体转变为铁素体，这样就形成了渗碳体与铁素体片层相间的珠光体组织。由一个晶核发展起来的珠光体组织称为一个珠光体领域。由于随着温度的下降，形核率比长大速度增长得快，特别是在600℃以下时，原子的扩散能力很低，长大速度不再增加甚至减小，因此珠光体中的铁素体和渗碳体片随温度降低而变薄、变短，即更细。第4章钢的热处理2)珠光体的组织形态和力学性能珠光体的组织形态见图4-6。由于随着等温转变温度的下降，珠光体的层片间距离变小，因此常把珠光体分为三种：A1至650℃之间温度范围内等温转变所获得的粗层片状的渗碳体与铁素体构成的共析体，仍称为珠光体，符号为P，在光学显微镜下就能分辨出层片状的形态；650～600℃温度之间等温转变所得的较薄片状珠光体称为索氏体，用符号S表示，在大于1000倍的光学显微镜下才能分辨出其片层状的形态，如图4-7(a)所示；600～550℃温度范围内等温转变所获得的更细的层片状珠光体称之为托氏体(屈氏体)，用符号T表示，它要在2000倍以上的电子显微镜下才能分辨出其层片状的形态，如图4-7(b)所示。第4章钢的热处理图4-6珠光体(a)光学显微镜(500×)；(b)电子显微镜(3800×)第4章钢的热处理图4-7索氏体和