04第四章-钢的热处理

第四章钢的热处理姜波改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化；二是热处理。热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理—渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等临界温度与实际转变温度临界温度&铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示，分别是各自的相变临界温度，即从一相向另一相转变的平衡相变温度。实际转变温度&由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，各自的过冷度或过热温度即为其实际转变温度珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc=0.77%。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30-50℃/h的速度加热或冷却时测得的。第一节钢在加热时的转变加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。钢坯加热1.奥氏体的形成奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：第一步：奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。第二步：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散向和Fe3C方向长大。第三步：残余Fe3C溶解：铁素体在成分、结构上比Fe3C更接近于奥氏体，因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至消失。第四步：奥氏体均匀化。Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。温度，℃共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）二、奥氏体晶粒度大小及影响因素1.晶粒度表示晶粒大小的尺度。（单位长度、面积、体积的晶粒数量或晶粒级别）可由下式表示：n=2G-1G——晶粒度级别，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8-12级为超细晶粒。奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大的过程与再结晶晶粒长大过程相同。实际晶粒度在给定温度下奥氏体的晶粒度本质晶粒度加热时奥氏体晶粒的长大倾向。通常将钢加热到94010℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢，5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。5～8级的钢为本质细晶粒度的钢1～4级的钢为本质粗晶粒度钢8本质粗、细晶粒度钢2.影响奥氏体晶粒长大的因素1）加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，晶粒粗大。2）加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。托辊网带式热处理生产线3）合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。4）原始组织：平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。第二节钢在冷却时的转变钢奥氏体化后，冷却条件不同，得到的组织和性能不同，冷却才是热处理的关键阶段。一、过冷奥氏体及其转变方式处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。两种冷却方式示意图1——等温冷却2——连续冷却1.共析钢的等温转变曲线表示过冷奥氏体急速冷却到临界点A1以下在不同过冷度（温度）条件下，转变温度、转变时间、转变产物之间关系的曲线。又称C曲线或TTT曲线。(Time-Temperature-Transformation)二、共析碳钢过冷奥氏体等温转变1）C曲线的建立以共析钢为例：取一批小试样并进行奥氏体化。将试样分组淬入低于A1点的不同温度的盐浴中，隔一定时间取一试样淬入水中。测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度—时间坐标中，并分别连线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。A1-Ms间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。时间温度A1MSMfA过冷APBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线5506502s10s5s2s5s10s30s40s2）C曲线的分析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”，过冷奥氏体的稳定性最小。碳钢鼻尖处的温度为550℃。共析钢的过冷奥氏体等温转变产物分析：①珠光体转变过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体。珠光体索氏体托氏体珠光体：形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌索氏体形成温度为650-600℃，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。托氏体形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。电镜形貌光镜形貌珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距bHRC片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变过程②贝氏体转变过冷奥氏体在550℃-230℃(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体（B下）。上贝氏体下贝氏体上贝氏体形成温度为550-350℃在光镜下呈羽毛状。在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。光镜下电镜下下贝氏体形成温度为350℃-230℃(Ms)。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60º角。光镜下电镜下上贝氏体下贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。③马氏体转变当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定温度范围内（Ms-Mf）连续冷却时完成的。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。过冷奥氏体转变产物（共析钢）转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火2.亚共析钢、过共析钢的等温转变与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。3.影响等温转变的因素1）成分的影响①含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使C曲线左移。Cr对C曲线的影响②合金元素的影响除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。2）奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。在使用C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。二、过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。共析钢CCT曲线过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线(Continuous-Cooling-Transformation)1.共析钢的CCT曲线共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。图中的Vk为CCT曲线的上临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度。Vk’为TTT曲线的下临界冷却速度，即获得全部珠光体的最大冷却速度。Vk’1.5Vk。CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却速度曲线绘在C曲线上，依其与C曲线交点的位置来说明最终转变产物。2.过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区，但比共析钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms线右端升高。3.亚共析钢CCT曲线中有贝氏体转变区，还多一条A→F的转变开始线,铁素体析出使奥氏体含碳量升高,因而Ms线右端下降。过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线四、马氏体转变1.马氏体的形成过冷奥氏体以大于vk的冷速快速地连续冷却到Ms-Mf之间时，由于转变温度低，转变速度极快，Fe、C原子不能扩散，靠Fe原子切变方式完成晶格改组，形成马氏体。2.马氏体的晶体结构碳在α-Fe中的过饱和固溶体称马氏体,用符号M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体组织马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。FCCBCT铁原子马氏体的形成碳原子3.马氏体的组织形态马氏体的形态分板条和针状两类。1）板条马氏体立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。光镜下电镜下2）针状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。电镜下电镜下光镜下马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体，又称低碳马氏体。C%大于1.0%C时则几乎全部是针状马氏体，又称高碳马氏体。C%在0.2~1.0%之间为板条与针状的混合组织。0.45%C0.2%C1..2%C马氏体形态与含碳量的关系4）马氏体的性能高硬度马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%马氏体的透射电镜形貌针状马氏体板条马氏体马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。针状马氏体硬度高、脆性大，塑性、韧性差；板条马氏体具有较高的硬度，塑性和韧性也较好，具有良好的综合力学性能。5）马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：①无扩散性铁