碳钢的热处理

第五章碳钢的热处理HeatTreatmentofCarbonSteel前言一、热处理的概念通过对材料进行加热、保温、冷却的操作方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种工艺。普通热处理：退火、正火、淬火、回火热处理表面淬火：火焰加热、感应加热、电接触加热、表面热处理激光加热、等离子体加热化学热处理：渗碳、氮化、渗V、渗B、渗Nb二、热处理的分类三、热处理在机械零件制造工艺中的位置坯料→锻造→热处理Ｉ→粗加工→半精加工→热处理Ⅱ→精加工→热处理Ⅲ→（抛光）→成品热处理Ｉ：称为改善材料切削加工性能热处理最佳切削硬度：HB170-230（1）低碳钢含有大量柔软的铁素体；切削加工性能较差，易产生“粘刀”现象，影响加工面的表面质量（粗糙度），刀具寿命也受到影响，故加工前应进行正火热处理，以提高硬度，以改善加工性能。（2）高碳钢含有较多的网状渗碳体，难以切削，应退火处理，再加工。（3）冷加工硬化的坯料，应进行再结晶退火，以降低硬度，改善切削加工性能。热处理Ⅱ：改善零件机械性能热处理。正火，淬火＋回火，化学热处理热处理Ⅲ：消除加工残余应力热处理。去应力退火、时效四、热处理在机械制造业中的应用汽车制造业：70％—80％的零件需进行热处理机床创造业：60％—70％的零件需进行热处理各种工具、轴承等：100％的零件需进行热处理五、热处理的主要工艺参数1、加热速度2、加热温度3、保温时间4、冷却速度第一节钢在加热时的组织转变一、奥氏体的形成大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1或A3），使钢具有奥氏体组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在A1（727℃）以下，组织保持不变（α相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1点以上时，珠光体全部转变为奥氏体。奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：①奥氏体晶核的形成②奥氏体晶粒长大③残余渗碳体溶解④奥氏体成分均匀化对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥氏体（过共析钢二次渗碳体溶解）,随着温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。二、奥氏体形成的热力学条件钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之间的体积自由能之差ΔFv，而相变进行的条件是系统总的自由能降低。根据相变理论，奥氏体形成晶核时，系统总自由能变化ΔF为：ΔF=-ΔFv+ΔFs+ΔFe式中：ΔFs——形成奥氏体时所增加的表面能ΔFe——形成奥氏体时所增加的应变能由于奥氏体是在高温下形成的，其相变应变能ΔFe很小，可以忽略，故上式可写为：ΔF=-ΔFv+ΔFs显然，只有当ΔFv能克服因奥氏体形成所增加的表面能ΔFs时，珠光体才能自发地形成奥氏体，因此奥氏体的形成必须有一定的过热度ΔT。体积自由能温度FpFAA1T1ΔFv℃奥氏体形成的热力学条件三、影响珠光体向奥氏体转变的因素1、温度的影响提高温度，原子的扩散能力增大。特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏体的形成速率加快。2、含碳量的影响钢中含碳量增加，铁素体与渗碳体的相界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。3、合金元素的影响钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成：强碳化物元素（减缓C的扩散，减缓A的形成）；非碳化物形成元素加速A形成。4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越快（相界面积大）。5、加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形成速度越快。四、奥氏体晶粒度及其影响因素1、奥氏体晶粒度的概念a、起始晶粒度：指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒度。b、实际晶粒度：指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。c、本质晶粒度：不是指具体的晶粒大小，只表示钢的奥氏体晶粒长大的倾向性（易长大，还是不易长大）。一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类：如图：21930加热温度℃4级晶粒度级别Ac1曲线1：随加热温度的升高，奥氏体晶粒一直长大，逐渐粗化。曲线2：一定温度下（Ac1）加热，奥氏体晶粒长大缓慢，保持细小晶粒，超过一定温度（930℃后），奥氏体晶粒急剧长大，突然粗化。凡是符合曲线1的钢—本质粗晶粒钢凡是符合曲线2的钢—本质细晶粒钢一般钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。晶粒度1-4级的钢，称为本质粗晶粒钢晶粒度5-8级的钢，称为本质细晶粒钢。镇静钢为本质细晶粒钢，沸腾钢为本质粗晶粒钢。需经热处理强化的零件一般都采用本质细晶粒钢---镇静钢制作。2、影响奥氏体晶粒度的因素高温下，奥氏体晶粒长大，晶界总面积减少，系统自由能降低，是自发过程。a、奥氏体转化温度越高，晶粒越容易长大；保温时间越长，晶粒越容易长大。b、奥氏体含碳量越高，晶粒长大的倾向越大。c、在钢中加入合金元素绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大，而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大。第二节钢在冷却时的组织转变通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到A1以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：①转变开始与转变终了的时间不同②转变后产物的组织与性能不同一、珠光体型转变——高温转变（A1~550℃）1、转变过程及特点过冷奥氏体在A1~550℃温度范围内，将分解为珠光体类组织。当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体——珠光体。珠光体转变特点：过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。2、分类在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大：A1~650℃,形成的组织层间距较大，在400-500倍的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。650℃~600℃，形成的组织分散度较大，层间距较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。600℃~550℃，形成的组织，层间距很小，只有在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈氏体或托氏体T。索氏体屈氏体二、贝氏体型转变—中温转变（550℃~Ms）1、转变过程及特点过冷奥氏体在550℃~Ms（共析钢的Ms约230℃）温度范围内，转变为贝氏体类组织。由于过冷度增大，铁原子的扩散很困难，碳原子的扩散能力也显著减弱，扩散不充分，形成渗碳体所需的时间增长。过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物仍是铁素体和渗碳体的混合物，但它与珠光体有本质的区别：贝氏体转变由于冷却速度快，渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体中形成过饱和的铁素体。上贝氏体(UpperBainite)下贝氏体(LowerBainite)因此，贝氏体型转变产物是:过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。转变特点：过冷奥氏体向贝氏体转变是一种半扩散型相变。2、分类贝氏体组织形态比较复杂，根据其中铁素体与渗碳体的分布形态的不同，分为上贝氏体B上和下贝氏体B下。上贝氏体B上：是过冷奥氏体在550℃~350℃范围内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相互平行的羽毛状扁片，一排一排地由晶界伸向晶内，渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁片之间。上贝氏体由于转变温度较高，渗碳体长得较大上贝氏体的组织形态决定了其强度较低，塑性、韧性较差。下贝氏体B下：是过冷奥氏体在350℃~Ms范围内的转变产物。其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地成角度分布，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体呈竹叶状特征。下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不及长大，而呈质点状下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，良好的塑性、韧性，即具有良好的综合机械性能。生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。三、马氏体型转变—低温转变（Ms~Mz）1、转变过程当过冷度很大，奥氏体被快速冷却至Ms时，由于碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散，被完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体，这种过饱和的铁素体就是马氏体M。所以：马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马氏体的含碳量与奥氏体相同，故马氏体的过饱和程度很大，此时过饱和的铁素体的某些棱边被撑长，形成了体心正方晶格。由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重，故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强化组织，也是淬火钢的基本组织，凡是要求高硬度、高耐磨性的零件，都需要经过淬火获得马氏体组织。硬度HRC含碳量%合金元素含量••••••••∆∆∆∆∆∆∆•合金元素碳马氏体的硬度主要与含碳量有关，与其他合金元素关系不大。因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间隙位置，而是置换了某些铁原子的位置，它对马氏体晶格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。2、分类马氏体按组织形态分为：a、板条状马氏体每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶片平行成束地分布，在金相显微镜下呈板条状。板条状马氏体b、针状马氏体每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透镜式晶片，在金相显微镜下呈针片状或竹叶状。板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中针状马氏体主要存在于中、高碳钢的淬火组织中片针状马氏体3、转变特点a、马氏体转变是非扩散型相变由于过冷度很大，原子来不及扩散。马氏体的晶粒度完全取决于原来奥氏体的晶粒度。b、马氏体转变是变温转变马氏体转变是从转变开始点Ms到转变终了点Mz的一个温度范围内进行的，在某一温度下，只能形成一定数量的马氏体，保温时间的延长并不增加马氏体的数量，要使马氏体的数量增加，只能继续降温。Ms、Mz与含碳量有关，而与冷却速度无关。含碳量%T℃MsMzc、马氏体转变的不完全性由于马氏体的转变终了温度Mz一般在零下几十度，所以室温下进行马氏体转变不可能获得完全的马氏体组织，必有一定量的奥氏体组织没有转变——这部分奥氏体组织称为残余奥氏体A’，即马氏体转变不完全。残余奥氏体的存在会显著降低零件的强度、硬度以及耐磨性，此外残余奥氏体是一种不稳定组织，会逐渐分解，引起零件尺寸变化，这对精密零件是不允许的。为了减少残余奥氏体的含量，可将淬火零件继续冷却到零下几十度——冷处理，使残余奥氏体转变为马氏体。残余奥氏体d、奥氏体转变为马氏体，体积增大奥氏体比容珠光体比容马氏体比容比容：单位重量的体积值这个特点，使马氏体内部存在较大的内应力，易导致零件淬火变形、开裂。第三节过冷奥氏体转变曲线图在过冷奥氏体的转变过程中，冷却速度（过冷度）对转变有很大影响。由于冷却速度较高，因此这种相变就不再符合Fe-Fe3C相图所反映的规律。为了弄清澳实体在冷却过程中组织变化的全过程，找出转变温度、转变时间与奥氏体转变过程及其产物之间的相互关系和转变规律，通常采用两种方法：一是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体等温转变曲线图二是在不同冷却速度的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出过冷奥氏体连续转变曲线图一、过冷奥氏体等温转变曲线图（TTT图）过冷奥氏体等温转变曲线图是分析过冷奥氏体的转变温度、转变时间、转变产物之间关系的曲线图，即TTT图（Temperature,Time,Transformation），又称C曲线。1、TTT图的建立（以共析钢为例）等温转变曲线图是用实验方法建立的。选取一组共析钢试样加热到稍高于A1温度，使其全部转变成均