机械工程材料-ch4钢的热处理

山东农业大学专业基础课程主讲：田富洋机械工程材料MechanicalEngineeringMaterialsScience第四章钢的热处理第四章钢的热处理(HeatTreatmentofSteel)概述钢在加热时的转变钢在冷却时的转变钢在回火时的转变第四章钢的热处理热处理概述1.热处理的定义:时间温度临界温度热加保温冷却第四章钢的热处理2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;第四章钢的热处理第一节钢在加热时的组织转变转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响第四章钢的热处理一.转变温度(transformationtemperature)第四章钢的热处理二、奥氏体的形成过程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。第三步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。第四步奥氏体成分均匀化：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。FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA形核A长大残余Fe3C溶解A均匀化第四章钢的热处理影响奥氏体形成的因素4、合金元素：合金元素可以改变钢的临界温度，影响碳的扩散速度，从而限制奥氏体的形成速度。2、加热速度：速度越大，奥氏体形成时间越短。3、钢中碳的质量分数：质量分数越多，相界面增多，则有利于奥氏体的形成。1、加热温度：温度越高，奥氏体形成速度越快。第四章钢的热处理三.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响一)奥氏体晶粒度:1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃以下,随温度升高,晶粒长大的程度。第四章钢的热处理标准晶粒度等级第四章钢的热处理钢的本质晶粒度示意图第四章钢的热处理二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。第四章钢的热处理三）影响奥氏体晶粒长大的因素（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等碳化物和氮化物形成元素。（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.第四章钢的热处理第二节钢在冷却时的组织转变钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变第四章钢的热处理钢在热处理时的冷却方式热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却第四章钢的热处理一.过冷奥氏体的等温冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线(C曲线)T---timeT---temperatureT---transformation共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1二)共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三)转变产物的组织与性能1.珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:P;15～27HRC;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);27～38HRC。600～550℃:极细片状P---托氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);38～43HRC。珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌索氏体形貌像托氏体形貌像电镜形貌光镜形貌第四章钢的热处理2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;B上=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf第四章钢的热处理上贝氏体转变过程第四章钢的热处理上贝氏体组织金相图第四章钢的热处理2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):350～230℃:B下;50～60HRC;B下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状第四章钢的热处理下贝氏体组织金相图第四章钢的热处理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。上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体第四章钢的热处理3.马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和固溶体。2)马氏体形成:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf第四章钢的热处理第四章钢的热处理3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由面心立方变成体心正方晶格。第四章钢的热处理4)马氏体的组织形态:板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。第四章钢的热处理低碳板条状马氏体组织金相图第四章钢的热处理4)马氏体的组织形态:针、片状---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。第四章钢的热处理高碳针片状马氏体组织金相图第四章钢的热处理5）马氏体转变的基本特征由于马氏体转变的无扩散性，因而马氏体的化学成分与母相奥氏体完全相同。显然，马氏体是碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。造成晶格的严重畸变，成为具有一定正方度（c/a）的体心正方晶格。过冷奥氏体向马氏体的转变，必须在不断降温条件下转变才能继续进行，冷却过程中断，转变立即停止。马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变马氏体转变是，通过切变和原子的微小调整来实现γ相向α相转变的。第四章钢的热处理即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A’或’表示。’第四章钢的热处理奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf第四章钢的热处理90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100残余奥氏体量(%)奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)2000抗拉强度σb(Mpa)1800140010006002006)马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳浓度。第四章钢的热处理三、影响TTT曲线形状与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响:共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。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。第四章钢的热处理亚共析钢的TTT曲线FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf第四章钢的热处理过共析钢的TTT曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf时间温度A1第四章钢的热处理过共析钢共析钢亚共析钢时间温度A1亚共析钢随着含碳量的增加C曲线向右移动过共析钢随着含碳量的增加C曲线向左移动第四章钢的热处理2.奥氏体中含合金元素的影响:除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢第四章钢的热处理3.加热温度和保温时间的影响:加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。第四章钢的热处理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淬火第四章钢的热处理四.过冷奥氏体的连续冷却转变一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线----CCT曲线C---continuousC---coolingT---transformationVk一)共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间(lgτ)温度℃A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk1炉冷空冷二)共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfCCT曲线TTT曲线稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf三)在连续冷却过程中TTT曲线的应用V1V2VkV3V4V1=5.5℃/s:炉冷;PV2=20℃/s:空冷;SV3=33℃/s:油冷;T+M+A残V4≥138℃/s:水冷;M+A残第四章钢的热处理第三节钢的退火与正火毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:第四章钢的热处理一.钢的退火(Annealingofsteel)一)定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后随炉冷却。二)目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。第四章钢的热处理三)种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火第四章钢的热处理1.完全退火将亚共析钢加热至Ac3以上20~30℃，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢