钢的热处理-(精品)

1、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。第四章钢的热处理热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。2、热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制3、热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。4、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[重点掌握]1.钢在加热时组织转变的过程中及影响因素；2.本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素；3.共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中各种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。4.非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C曲线的因素；5.奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响；6.各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和使用的钢种、零件的范围。§4.1钢在加热时的组织转变§4.2钢在冷却时的组织转变§4.3钢的退火与正火§4.4钢的淬火§4.5钢的回火§4.6可控气氛热处理和化学热处理[一般要求]1.钢在加热和冷却时组织转变的机理；2.各种热处理的具体工艺过程；3.钢在加热和冷却过程中产生的缺陷；[教学内容]§4.7表面热处理和表面工程技术一、钢的临界温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将第一节钢在加热时的组织转变加热是热处理的第一道工序。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。二、奥氏体的形成1.奥氏体的形成的基本过程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。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。亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。2.影响奥氏体形成的因素1．加热温度T↑→A化↑(D↑→浓度梯度大）2.含碳量C%↑→界面多→核心多→转变快3.加热速度V↑→转变开始温度↑，转变时间↓4．合金元素a.Cr、M0、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，↓奥氏体形成速度b.C0、Ni非碳化物形成元素，↑奥氏形成速度c.Al、Si、Mn影响不大5．原始组织片状，片间距小→相界面多→碳弥散度大→碳原子扩散距离短→奥氏体形核长大快粒状三、奥氏体晶粒大小及控制1、奥氏体晶粒度概念1）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。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。2）在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。3）加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。通常将钢加热到94010℃奥氏体化后，设法把奥氏2、影响奥氏体晶粒长大的因素⑴加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，晶粒粗大。⑵加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。⑶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。⑷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组织转变过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的等温转变产物的组织和性能两种冷却方式示意图1——等温冷却2——连续冷却处于临界点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。一、过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线。又称C曲线或TTT曲线。(Time-Temperature-Transformation)1、C曲线的建立以共析钢为例：⑴取一批小试样并进行奥氏体化。⑵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。⑶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。⑷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5506502s10s5s2s5s10s30s40s2、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。⑵C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。3、影响C曲线的因素⑴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。Ms与Mf点随含碳量增加而下降。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。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。⑵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。除Co和Al外，所有合金元素都使Ms与Mf点下降。二、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。以共析钢为例说明：㈠珠光体转变1、珠光体的组织形态及性能过冷奥氏体在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光镜下形貌电镜下形貌⑴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。光镜形貌电镜形貌⑵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。⑶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。2、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㈡贝氏体转变1、贝氏体的组织形态及性能过冷奥氏体在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⑴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⑵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。B上B下2、贝氏体转变过程贝氏体转变也是形核和长大的过程。发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。当转变温度较高（550-350℃）时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上。贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。当转变温度较低（350-230℃）时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。㈢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。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。1、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2、马氏体的形态马氏体的形态分板条和针状两类。⑴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。光镜下电镜下光镜下电镜下每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，=1012/cm2，又称位错马氏体。⑵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。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。电镜下电镜下光镜下⑶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。C%大于1.0%C时则几乎全部是针状马氏体。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45钢正常淬火组织先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小。原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，这种马氏体称隐晶马氏体。3、马氏体的性能高硬度是马氏体组织性能的主要特点。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。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。4、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：⑴非扩散性铁和