钢的热处理及组织转变

钢的热处理及组织转变一、热处理的概念、类型、作用二、钢在加热时的组织转变三、钢在冷却时的组织转变一、钢的热处理热处理的概念：钢在固态下加热、保温和冷却，改变其组织结构，从而获得所需要性能的一种工艺。热处理的作用：提高和改善钢的性能。热处理的分类：退火、正火、淬火、回火、表面热处理等。一、钢的热处理钢的退火：⑴退火的定义将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却下来，获得接近平衡状态的组织的热处理工艺，称为退火。⑵退火的目的①降低硬度，提高塑性和韧性；②消除残余内应力，减轻变形和防止开裂；③均匀成分，细化晶粒，为最终热处理作准备；④改善或消除铸造、轧制、焊接等加工中的组织缺陷。一、钢的热处理钢的退火：⑶退火种类：完全退火、等温退火、球化退火、再结晶退火、去应力退火、扩散退火等。一、钢的热处理完全退火概念：将亚共析钢加热到AC3+30～50℃，保温一定时间，随炉缓冷至600℃以下，再出炉空冷的热处理工艺，称为完全退火。目的：①细化晶粒②消除内应力③降低硬度便于切削加工④为最终热处理作准备一、钢的热处理不完全退火概念：将钢加热到AC1～Accm（或AC1～Acc3），保温后缓慢冷却的退火方法，主要用于过共析钢。含碳量温度A1温度范围不完全退火存在意义：若将过共析钢加热到Accm以上，则在缓冷过程中析出网状二次渗碳体，使钢的强韧性大大下降，所以过共析钢不能采用完全退火。一、钢的热处理等温退火概念：将钢加热到AC3+30～50℃或AC1～Accm之间某一温度，适当保温后，以较快速度冷却到Ar1以下，等温一定时间，使奥氏体在等温中完成转变，以降低硬度的退火，称为等温退火。相比与完全退火：①节省组织转变时②细化晶粒一、钢的热处理球化退火概念：将钢加热到AC1+20～50℃，保温一定时间，然后缓慢冷却，获得球状珠光体组织的退火方法，称为球化退火。目的：使渗碳体球化，降低硬度，改善切削性能，并为淬火作组织准备。一、钢的热处理球化退火的基本工艺①普通（缓冷）球化退火：试用于工件截面大情况②等温球化退火：缩短周期，组织均匀，应用广泛③周期球化退火：特点是加热到AC1-AR1上下周期摆动，获得的球化效果较好，在大件和大批量生产中难以实现，很少使用。一、钢的热处理去应力退火概念：将钢加热到略低于AC1的温度，约500～650℃，经保温后缓慢冷却的退火方法，称为去应力退火。目的：消除残余应力一、钢的热处理再结晶退火（中间退火）概念：将冷塑性变形加工的工件加热到再结晶温度以上，保持适当时间，缓慢冷却，重新形成均匀的晶粒，以消除形变强化效应和残余应力的退火工艺。目的：消除加工硬化提高塑性改善切削加工性能温度时间再结晶温度一、钢的热处理钢的正火：⑴定义：将钢加热到AC3或Accm以上30～50℃，保温一定时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺，称为钢的正火。⑵正火的目的①细化晶粒，提高力学性能；②对WC＜0．25%的钢，可适当提高硬度，改善切削性能；③消除过共析钢中二次渗碳体网，便于球化退火；一、钢的热处理正火与退火的不同正火冷却速度稍快，正火后的组织比退火细，硬度和强度有所提高。非共析钢正火时发生伪共析转变，使组织中珠光体量增多，片间距变小，通常获得索氏体组织；退火时通常获得珠光体组织。正火力学性能高，操作简便，生产周期短，能量消耗少，应优先考虑采用正火处理。一、钢的热处理钢的淬火：⑴定义：将钢加热至临界温度Ac1或Ac3以上30～50℃，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度的冷却速度冷至室温，获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。⑵淬火的目的获得马氏体组织，提高钢的硬度和强度。一、钢的热处理钢的淬火：亚共析钢：Ac3+（30～50）℃正常温度淬火应得到细小均匀的马氏体组织，在光学显微镜下看不见组织形态，称为隐晶马氏体。温度过高奥氏体晶粒粗大，淬火后马氏体晶粒也随之粗大；若选择在Ac1～Ac3之间，则组织中有一部分先共析铁素体，淬火后会造成钢的强度和硬度不高。一、钢的热处理钢的淬火：共析钢和过共析钢：Ac1+（30～50）℃淬火后得到的组织是均匀细小马氏体和粒状渗碳体。温度过高得到粗针状马氏体，同时引起工件严重变形，增大开裂倾向；由于渗碳体溶解过多，增加了残余奥氏体量，降低钢的硬度和耐磨性。温度过低，在淬火组织中出现铁素体，使淬火组织出现软点，降低钢的强度和硬度。一、钢的热处理钢的淬火：理想的淬火冷却曲线应该是：在650～5500C范围要快冷，其它温度区间不需快冷，尤其在Ms点以下更不需快冷，以免引起工作变形或开裂。一、钢的热处理钢的淬火：冷却介质有：油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依次加强，这些冷却介质都不能完全满足上述理想的淬火冷却条件。一、钢的热处理钢淬火的方法：单液淬火法：工件易变形和开裂双液淬火法：减小了马氏体转变的相变应力分级淬火法：Ms线附近的盐槽或碱槽中，保温一段时间，大大减小相变应力等温淬火法：温度高于Ms的盐槽或碱槽中，保温一段时间，发生下贝氏体转变一、钢的热处理钢的回火：定义：将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，经保温后，冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的目的：1、消除或降低淬火内应力，防止钢件变形或开裂。2、稳定工件尺寸3、获得钢件所需的组织和性能一、钢的热处理淬火钢回火时组织转变：①马氏体的分解在1000C以上时，马氏体开始分解，碳从过饱和的α固溶体中析出形成ε碳化物（Fe2。4C），ε碳化物不是一个平衡相，而是向Fe3C转变前的一个过渡相。马氏体分解后最终形成过“过饱和程度较低的马氏体+高度弥散的ε碳化物”的组织，称为回火马氏体。一、钢的热处理淬火钢回火时组织转变：②残余奥氏体的分解当温度超过200℃时，马氏体继续分解，同时，残余奥氏体也开始分解，转变为下贝氏体或回火马氏体，到300℃时，残余奥氏体的分解基本结束；随温度的继续升高，下贝氏体将进一步转变为铁素体和渗碳体的二相混合物，即珠光体型产物。一、钢的热处理淬火钢回火时组织转变：③碳化物的转变在3000C～4000C温度回火时，ε碳化物将转变为Fe3C。4000C时，过饱和的碳基本完全析出，钢的内应力基本消除。转变的过程是以ε碳化物重新溶入α固溶体，而稳定的渗碳体相不断地析出的方式进行的。一、钢的热处理④碳化物的聚集球化和a→F的再结晶当温度超过4000C后，渗碳体发生明显的聚集长大和球化。根据混合物中渗碳体颗粒大小，可将回火组织分为：1、3500C～5000C，形成由针状（或条状）铁素体与粒状渗碳体组成的混合物，称为回火屈氏体；2、5000C～6500C，得到多边形晶粒的铁素体与球粒状渗碳体组成的混合物，称为回火索氏体；3、6500C～A1回火时，由多边形铁素体与更大球粒状渗碳体组成，与球化退火后组织相似，称为回火珠光体；一、钢的热处理回火产物及性能回火屈氏体回火马氏体回火索氏体球化珠光体二、钢在加热及冷却时的组织转变回火马氏体（1500C～2500C）由过饱和α固溶体+高度弥散的ε碳化物组成的混合物。硬度（50HRC）较回火前略有下降，但塑性和韧性提高。应用于刃具、量具、滚动轴承、冷冲模具等。二、钢在加热及冷却时的组织转变回火屈氏体（3500C～5000C）由针状（或条状）铁素体与粒状渗碳体组成的混合物。具有较高的屈服强度和弹性极限，并保持一定的硬度（40HRC）和韧性。应用于弹簧和热锻模具。二、钢在加热及冷却时的组织转变回火索氏体（5000C～6500C）由多边形的铁素体与粒状渗碳体组成的混合物。具有高强度，兼有高韧性，硬度：187HBS。有优良的综合机械性能。是结构钢机械零件希望得到的组织形态。HRC、HBW、HV值是根据各自的硬度计实测数据，彼此之间无直接换算关系。一、钢的热处理回火脆性2500C～4000C低温回火脆性高温回火脆性ε碳化物转变为薄片状渗碳体沿马氏体边界析出，并形成薄膜。4500C～6500C由某种化合物（碳化物、氢化物、磷化物等）沿晶界析出的结果。二、钢在加热及冷却时的组织转变钢在加热及冷却时的组织转变：一、钢在加热时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变三、钢在回火时的转变二、钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变⑴奥氏体形核－钢在加热到A1时，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。奥氏体晶核形成二、钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变⑵奥氏体晶核长大－伴随着铁素体晶格改变成奥氏体晶格和渗碳体的溶解。奥氏体晶粒长大二、钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变⑶残余渗碳体的溶解－渗碳体晶格较复杂，其溶解速度小于铁素体晶格向奥氏体晶格的转变；在铁素体全部消失后，仍需一段时间才能完成渗碳体的全部溶解。未溶解的渗碳体二、钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变⑷奥氏体成分均匀化－继续延长保温时间，通过碳原子的扩散能得到化学成分均匀的奥氏体组织。奥氏体晶粒二、钢在加热及冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变钢经过加热获得奥氏体组织后，在不同的冷却条件下进行冷却，可使钢获得不同的力学性能。在热处理工艺中常采用等温冷却和连续冷却两种冷却方式。二、钢在加热及冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变等温冷却－将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下的某一个温度保温，进行等温转变，然后再冷却到室温。临界点温度加热保温冷却过冷奥氏体在A1温度以下暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体二、钢在加热及冷却时的组织转变等温转变曲线的‘五线六区’示意图奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体与转变产物共存区转变产物区马氏体与残余奥氏体共存区马氏体区A1线转变开始线转变终了线马氏体转变开始线马氏体转变终了线二、钢在加热及冷却时的组织转变共析钢的过冷奥氏体在冷却过程中会发生三种不同的转变，即：珠光体型转变，贝氏体型转变和马氏体型转变。珠光体型转变贝氏体型转变马氏体型转变时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体二、钢在加热及冷却时的组织转变①珠光体型转变:转变温度范围为A1～5000C，又叫高温转变，是由奥氏体向珠光体的转变，产物形态多数为片状，特殊情况下为粒状。珠光体索氏体屈氏体温度时间550片层厚度减小；强度硬度增加；塑性韧性略有改善；二、钢在加热及冷却时的组织转变C曲线的分析⑴转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。•孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.•孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550℃。•在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小.•在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。二、钢在加热及冷却时的组织转变②贝氏体型转变：转变温度范围为5000C～Ms线（对共析钢为2300C）又叫中温转变。5000C～3500C生上贝氏体（B上）3500C～Ms产生下贝氏体（B下）上贝氏体（羽毛状）下贝氏体（针叶状）500二、钢在加热及冷却时的组织转变②贝氏体型转变：性能上看上贝氏体的脆性较大，无实用价值；而下贝氏体则是韧性较好的组织，是热处理时（如采用等温淬火）常要求获得的组织。原因：上贝氏体中的碳化物呈较粗的片状，分布在铁素体板条间，且不均匀，使板条容易发生脆废；二、钢在加热及冷却时的组织转变②贝氏体型转变：原因：下贝氏体中的碳化物（Fe2.4C）呈细小颗粒状或短杆状均匀地分布在铁素体针叶内造成沉淀强化，以及铁素体过饱和造成固溶强化综合作用的结果。二、钢在加热及冷却时的组织转变③马氏体型转变当冷却速度大于临界冷却速度，奥氏体化后的钢被迅速过冷至Ms线以下，将发生一个由奥氏体向高硬度相的转变，被称为马氏体转变。转变温度范围：共析钢的Ms～Mf温度范围是2300C～－500C，因此又称为低温转变。马氏体转变的特点：1、低温转变2、非扩散性转变3、残留奥氏体二、钢在加热及冷却时的组织转变③马氏体型转变马氏体的组织形态：⑴针状马氏体：又叫高碳马氏体，含碳量大于1％的奥氏体几乎只形成针状马氏体。具有高硬度，但塑、韧性很低，脆性大。二、钢在加热及冷却时的组织转变③马氏体型转变⑵板条状马氏体：又叫低碳马氏体。含碳量小于0．2％的奥氏体几乎只形