第三章-钢的热处理原理与工艺

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陶静梅_金属材料及热处理学课程内容,自行整理,请勿乱传。——Y.Z.-1-第三章钢的热处理原理与工艺引言:1.同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大,原因是不同热处理后的内部组织截然不同。2.热处理工艺or制度选择要根据材料的成分。3.热处理工艺中三大基本要素:加热、保温、冷却①加热:临界点A1以下加热,不分手组织变化;临界点A1以上加热,获得均匀的奥氏体组织。②保温:热处理的中间工序,既要保证工件烧透,又要防止脱碳氧化。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。③冷却:冷却是热处理最终&最重要工序。4.基本类型①普通热处理:退火、正火、淬火、回火;②表面热处理:感应加热表面淬火、火焰……、电接触……、渗碳、丹华、碳氮共渗;③其他热处理:可控气氛热处理、真空……、变形……。一、钢在加热时的组织转变奥氏体化:钢在加热过程中,由加热前的组织转变为奥氏体的过程。1.奥氏体的组织结构●奥氏体的组织:由等轴状的多边形晶粒所组成,晶内常可出现相变孪晶。●晶体结构:FCC,碳溶于γ-Fe八面体间隙的中心。由于C原子半径大于八面体间隙,晶格畸变致使C在A中的最大溶解度仅为2.11%,同时C在A中存在C的浓度起伏。注:合金元素Mn、Si、Cr、Ni、Co是置换固溶体,C是间隙固溶体。●奥氏体的存在形式高温:钢中高温稳定相;室温:在钢中加入足够量的能扩大γ相区的元素,可使A在室温称为稳定相。●奥氏体的力学性能:硬度、屈服强度均不高;塑性好,度按照加工常要求在A稳定存在的高温区域进行。●奥氏体的物理性能:FCC为最密排的点阵结构,A比容最小;A导热性差,加热速度不宜过大,避免热应力过大引起工件变形;A线膨胀系数大;单相A具有耐腐蚀性;具有顺磁性;A中Fe原子自扩散激活能大。2.奥氏体的形成2.1形成条件加热or冷却时会有滞后(热滞/冷滞)现象,速度越快滞后越明显。加热的临界点角标c:Ac1、Ac3、Accm,冷却角标r:Ar1、Ar3、Arcm。陶静梅_金属材料及热处理学课程内容,自行整理,请勿乱传。——Y.Z.-2-驱动力:新旧两项自由能之差。2.2形成机制奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体均匀化(1)奥氏体形核地点:F与Fe3C的交界面原因:①浓度起伏:界面两边的C浓度差最大;②结构起伏:界面上原子排列叫不规则;③能量起伏:界面上杂质及缺陷较多,且界面本已存在,此处形核只是将原来的变为新的。(2)奥氏体长大奥氏体不断向两侧扩展长大(铁、碳区域缩小),直至铁素体消失。片状珠光体受C在A中的扩散控制;粒状珠光体受C在F的扩散控制。(3)剩余渗碳体溶解Fe3C与A界面上的C浓度差大,且Fe3C本身晶体结构复杂,所以F转变速度高于Fe3C溶解速度,需要一段时间溶解。(4)奥氏体均匀化原Fe3C部位的C含量高,原F部位的C含量低。3.影响奥氏体形成速度的因素3.1加热温度的影响①加热温度越高,起始晶粒度越细。—→T↑,扩散↑,形核速度增量>长大速度增量。②加热温度越高,残余碳化物数量越多。—→向F界面推动速度>向Fe3C界面推动。3.2碳含量的影响①C↑,A形核速度↑。—→F与Fe3C的相界面面积↑,原子扩散系数↑。②C↑,A均匀时间↑。—→碳化物数量↑。3.3原始组织的影响①片状珠光体比粒状更易形成A。—→片状珠光体相界面大,Fe3C薄片状易溶解。②片间距↓,A形成速度↑。—→相界面↑,浓度梯度↑,扩散距离↓。3.4合金元素的影响Co、Ni:扩大C扩散速度,加快A形成;Cr、Mo、V:与C亲和力大,形成难溶化合物,降低C扩散速度,减慢A形成;Si、Al、Mn:不影响。由于合金元素扩散速度慢,所以加热温度高,保温时间更长。4.奥氏体晶粒长大及其控制4.1奥氏体晶粒度的概念A晶粒越细,钢热处理后强度↑,塑性↑,冲击韧性↑。晶粒度(N):12Nn,n为放大100时视野中1平方英寸内的晶粒数;302Nn,n0为实际1平方毫米内的晶粒数;晶粒度一般分为八级。1~4级:粗晶粒度;5~8:级:细晶粒度;>8级:超细晶粒度;<1级:超粗晶粒度。4.2影响晶粒度长大的因素(1)加热温度:T↑,扩散↑,d↑;陶静梅_金属材料及热处理学课程内容,自行整理,请勿乱传。——Y.Z.-3-(2)保温时间:t↑,d↑,影响程度不如温度;(3)加热速度:v↑,ΔT↑,形核率↑,起始d↓;(4)化学成分:①含C量的影响(几字形):在一定C含量范围内,C↑,扩散↑,d↑;超过后,C以未溶碳化物形式存在,长大受第二相阻碍,d↓;②合金元素的影响:不改变A形成机制,但改变临界点位置,影响C扩散,形成碳化物or氧化物,影响A长大。强烈阻止A长大的元素:Al、V、Ti、Zr、Nb、Ta,钉扎晶界,d↓;中等程度………………:W、Mo、Cr;稍微……………………:Ni、Co、Cu、Si;促进……………………:P、Mn,d↑;(5)原始组织:主要影响起始晶粒度。原始组织越细,碳化物弥散度↑,A起始晶粒↓。4.3细化措施加热温度、保温时间、原始组织、合金元素、重结晶处理。重结晶:将固体金属及合金在加热or冷却通过相变点时,从一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程。(重结晶:有晶体结构转变,再结晶:无晶体结构转变。)二、钢的过冷奥氏体转变动力学图●冷却是刚热处理最关键的工序,决定钢的组织和性能。分为:等温冷却、连续冷却。等温冷却:将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下某一温度保温,进行等温转变;连续冷却:将奥氏体化的钢连续冷却到室温使其在不同温度下进行转变。●过冷奥氏体:A冷至临界温度以下,处于热力学不稳定状态。分解过程:晶格改组、C原子扩散再分配。转变类型:珠光体型转变(扩散型转变)、贝氏体…(半扩散…)、马氏体…(无扩散…)1.过冷奥氏体等温转变曲线1.1相关概念定义:过冷A向其他组织转变的转变量与等温保温时间的关系曲线,又称为TTT曲线(TimeTemperatureTransformation)orC曲线orIT曲线。Ms线:过冷A转变为马氏体的开始温度;Mf线:…………………………终了温度;孕育期:组织转变开始之前的等温时间。孕育期越长,则过冷A越稳定,“鼻尖”部分孕育期最短,过冷A稳定性最差。区域划分:珠光体型转变(鼻尖以上)、贝氏体……(鼻尖至Ms线)、马氏体……(Ms以下)1.2为何不同温度下过冷A稳定性?过冷度较小时,由于过冷A和P之间的自由能之差较小,过冷A比较稳定,孕育期很长,转变温度需要总时间也很长;温度下降,过冷度↑,新旧相之间的自由能差不断增大,过冷A的稳定性最低,孕育期最短,转变速度最快;继续降低温度,原子扩散能力起主导作用,温度↓,扩散越困难,过冷A的孕育期和转变时间逐渐增大。1.3影响C曲线位置和形状的因素(1)含碳量的影响●亚/过共析钢的C曲线正有先共析相析出线;●共析钢的过冷A最稳定,C曲线最靠右;陶静梅_金属材料及热处理学课程内容,自行整理,请勿乱传。——Y.Z.-4-●亚:C↑,稳定性↑,曲线右移;●过:C↑,稳定性↓,曲线左移。(2)合金元素的影响●所有溶于A的合金元素均增加过冷A的稳定性,使C曲线右移。(除Co和W(Al)2.5%);●强碳化物形成元素使C曲线形状发生变;●碳化物形成元素只有溶于A中才能增强稳定性,否则未溶碳化物,非自发形核促进转变,曲线左移。(3)温度与保温时间的影响A化时,T↑or保温t↑,C曲线右移。●原因:A晶粒越粗大,晶界越少,A成分趋于均匀,未溶碳化物数量↓,转变形核率↓,即过冷A稳定性↑。●注:对贝氏体转变影响不大。(4)塑性变形的影响①对珠光体转变的影响:塑变↑A晶粒↓,亚结构密度↑铁、碳原子扩散↑转变速度↑C曲线左移位错↑非自发形核率↑②对贝氏体转变的影响:高温减慢/右移,低温加速/左移2.过冷奥氏体连续冷却转变曲线实际生产中较多情况是连续冷却,因此对过冷A连续冷却转变曲线的研究更有意义。CCT曲线:ContinuousCoolingTransformation2.1测定方法:线膨胀法or金相——硬度法。2.2相关说明●冷却曲线:代表不同冷却速度;●冷去曲线与终了线相交处标注的数字:以该冷却速度冷至室温相应的组织所占体积百分数。●MS线右侧为斜线:P、B转变提高A中的含碳量,导致MS点下降。●冷却曲线终端的数值:以该速度冷却时获得的诗文组织的硬度(维氏HVor洛氏HRC)。●临界冷却速度:使过冷A不析出相应组织的最低冷却速度。表示方法:与相应组织转变开始先相切的冷却曲线对应的速度。意义:过冷A的转变过程和转变产物取决于冷却速度。●临界淬火速度vc:钢冷却速度大于某一临界值,使冷却过程中不发生分解获得完全马氏体组织。表示方法:大于上述各组织临界冷却速度的最小值。简化:C曲线鼻尖相切的冷却速度为vc。意义:vc是得到完全妈事的最低冷却额速度,代表钢接受淬火的能力,决定淬透层厚度。3.过冷奥氏体连续冷却转变曲线与等温转变曲线的比较(1)CCT曲线坐在C曲线右下方。—→A连续冷却转变温度低,孕育期长。(2)共析钢的CCT图没有中温的贝氏体转变区。(3)CCT曲线较难测定,一般用过冷A的C曲线分析CCT的过程和产物。三、珠光体转变与钢的退火和正火1.珠光体的组织形态和力学性能珠光体:F与Fe3C组成的双向组织,光学显微镜下呈珍珠般光泽,由过冷A在A1至550℃形成。陶静梅_金属材料及热处理学课程内容,自行整理,请勿乱传。——Y.Z.-5-分类:片状珠光体、粒状珠光体。1.1片状珠光体①基本概念●组成:相间的F和Fe3C片。●珠光体团:若干大致平行的F与Fe3C片组成的一个珠光体领域。●片间距S0:珠光体中F与Fe3C片厚之和。片厚取决于过冷度:ΔT↑,转变温度↓,C原子扩散能↓,S0↓;ΔT↑,提供自由能↑,增加界面能↑,S0↓。②片间距与力学性能的关系●珠光体团直径&片间距↓,强度、硬度以及塑性↑。原因:(1)片间距↑,每个铁素体中位错塞积数↑,渗碳体是脆性相易导致整体脆断,强度↓;(2)片间距↓,塞积位错可切过Fe3C薄片引起滑移产生塑变,使薄片产生弯曲,塑性↑。●片间距↑,冲击韧性先↓后↑。原因:S0↓,强度↑,冲击韧性↓;渗碳体片↓,弯曲变形塑性↑,冲击韧性↑。两矛盾综合结果。●提高珠光体的机械性能,采用等温处理以获得片层厚度较为均匀的珠光体。1.2粒/球状珠光体①基本概念●定义:在铁素体集体中分布着颗粒状渗碳体的组织。●获得方法:球化退火。●分类:粗粒状珠光体、粒状珠光体、细粒状珠光体、点状珠光体。②与片状珠光体相比●粒状强度、硬度↓:界面少;●粒状塑性↑:铁素体连续分布,渗碳体呈颗粒状分散在F基体上,对位错运动的阻碍小。1.3特殊形态的珠光体加入合金元素时,碳化物形成元素的原子M可能取代渗碳体中部分铁原子,形成(Fe,M)3C合金渗碳体,即特殊碳化物。2.珠光体转变机制2.1珠光体转变的热力学条件●驱动力:P与A的自由能差。●所需过冷度小的原因:(1)T高,原子能长距离扩散;(2)晶界形核,形核所需驱动力小。●自由能曲线:(1)A1温度,三相有一条公切线,即自由能差为零,无相变驱动力。(2)A1温度以下有三条公切线,代表三组混合相自由能,F与Fe3C最低,A可以转变成双向组织。2.2片状珠光的形成机制两个过程:点阵重构、碳的扩散形核位置:A晶界处、晶体缺陷密集区域、A晶粒内(C浓度不均匀,有未溶渗碳体)领先相:随相变温度、成分差异而不同。—→共析:渗碳体;亚共:铁素体;过共:渗碳体。具体转变过程(受C扩散控制):A境界上形成一小片Fe3C晶核—→Fe3C长大从周围吸取C原子,出现贫碳A区—→贫碳A区中形成α晶核,在Fe3C两侧的A晶界—→纵深发展,长成片状—→α外侧出现富陶静梅_金属材料及热处理学课程内容,自行整理,请勿乱传。——Y.Z.-6-碳A区—→如此往复,协调合作,相互激励2.3粒状珠光体形成机制A晶界形核—→片状A晶内形核—→粒状形成条件:保证Fe3C的核能在A晶内形成—→(工艺)普通球化退火、等温球化退火特定的A化工艺:A化处理温度很低,保温时间极短;特定的冷却
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