第六章 钢的热处理1 机械工程材料

第五章钢的热处理HeatTreatmentofSteels第一节概述改善钢的性能可通过以下途径：1、改变化学成分——如加入合金、合金。2、热处理清除毛坯或半成品在各种生产过程中产生的缺陷。如加工硬化、铸件中的成分偏析、晶粒粗大等；提高机械零件的机械性能热处理定义：热处理是通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。退火Annealing普通热处理正火Normalizing淬火Quenching回火Tempering热处理火焰加热FlameHeating表面淬火表面热处理感应加热InductionHeating渗碳Carburizing化学热处理渗氮Nitriding碳、氮共渗Carbonitridingστp热处理的种类第二节钢在加热时的组织转变（A的形成、长大）★主要问题——转变温度（Fe—Fe3C相图）理论上：727℃P→A实际加热和冷却时：A1→Ac1(加热)；A1→Ar1(冷却)★另一问题——晶粒大小加热到A1点以上，组织要发生P→A转变。这种转变称为奥氏体化一.奥氏体的形成（一）基本过程（P103图5-2）共析钢为例。P→A必须进行晶格的改组和Fe、C原子的扩散；A的形成是通过形核及长大过程来实现的：（1）A形核：在F和Fe3C的接口上形核，因为此处原子排列较紊乱，位置、空穴密度较高所致。(2)A的长大：C浓度不同，通过扩散来平衡C浓度，长大到F全部转变为A为止。(3)残余Fe3C的溶解：F先溶解，随时间的延长残余Fe3C全部消失(4)A均匀化：A的C浓度不均匀珠光体向奥氏体转变过程过程特点：1.此过程是一个扩散过程2.F→A较快，F先溶解，Fe3C溶解滞后。3.转变刚结束时晶粒较细。亚共析钢，过共析钢中A的形成过程与共析钢基本相同，但有过剩相转变和溶解的特点。要获得单相的奥氏体，亚共析钢必须加热至Ac3以上，过共析钢必须加热至Accm以上。1.温度：加热温度↑,原子扩散能力↑（特别是C在A中的扩散能力↑），GS线、SE线之间距离加大，即增加A中碳的浓度→有利于加速A的形成。（二）影响A转变的因素影响珠光体向A转变的因素（续1）2.C℅C℅↑，F和Fe3C界面总量↑,有利于加速A的形成。加合金元素不改变A形成的基本过程。但扩散能力↓，减慢A形成，所以合金加热保温时间长。影响珠光体向A转变的因素（续2）3.原始组织P愈细→F与Fe3C界面↑，加速A形成。4.加热速度加热速度↑，A形成温度升高，形成的温度范围扩大，形成所需的时间缩短。二、奥氏体晶粒度及其影响因素（一）奥氏体晶粒的概念A的粗细，对热处理后的钢的性能影响很大，高温下，A的晶粒自发长大（界面能↓）1.起始晶粒度—是指P刚刚全部转变为A时的A的晶粒度，一般总是细的。2.实际晶粒度是指钢在某一具体的加热条件下实际获得的A晶粒大小，通常比起始晶粒度大。（注意：钢冷却时，晶粒度无影响）3.本质晶粒度指钢在规定条件下（930℃±10℃，保温3～8小时）测得的晶粒度4、A晶粒长大倾向分析如果两种材料起示晶粒度相同：★基体中如有未溶的化合物则奥氏体长大倾斜小（稳定的氧化物、氮化物、Al2O3、AIN）；★基体中如无未溶的化合物则长大倾向大（奥氏体长大无阻碍）。★本质细晶粒钢加热至930℃仍为细晶粒，但高于930℃，本质细晶粒可能具有更大的长大倾向。需要热处理的工件一般采用本质细晶粒钢（淬火温度范围宽）。本质细晶粒钢与本质粗晶粒钢的长大倾向分析A晶粒度等级示意图（二）影响奥氏体晶粒长大的因素A晶粒长大是一个自发过程（A粗化，晶粒总面积↓，体系能量↓）1.温度温度↑，保温时间↑，晶粒明显长大。V加热↑→过热度↑→奥氏体细化2.含碳量C℅C℅↑，A晶粒长大倾向也增大（因Fe、C原子扩散速度增大）。当超过A饱和碳浓度后，有残余Fe3C存在，起阻碍作用，A晶粒长的慢。3.合金元素形成稳定碳化物、氮化物、氧化物（Al2O3）,促进石墨化的元素（Si、Ni、Co）阻碍A晶粒长大。Mn、P加速A晶粒长大。第二节钢在冷却时的组织转变（C曲线、转变产物）在高温时所形成的A，过冷至A1线以下处于热力学不稳定状态。极缓慢的冷却速度，获得平衡组织，如共析钢A→P，其他钢的组织转变可采用铁—碳平衡相图进行判断；实际生产的冷却过程由于冷速较快，不能用铁—碳平衡图进行判断，A1以下奥氏体不立即转变。钢在冷却时的转变（续）实际冷却时有两种冷却方式或两种方式的组合A等温转变——等温转变曲线（TTT曲线）；A连续冷却——连续冷却曲线（CCT曲线）；一、过冷奥氏体等温转变曲线Time-Temperature-TransformationCurve1.“C”曲线的建立（共析钢）准备共析钢薄片，加热至均匀A，快冷到不同温度保温。采用℃—lg（t）坐标表示等温转变动力学曲线—“C”曲线A可过冷到各种温度下，再转变，得各种组织。不同温度下，转变的时间不同，以曲线表示——“C”曲线。温度、时间转变的变化（TTT曲线）。共析钢C曲线的建立2.“C”曲线分析奥氏体在A1线以下是不稳定的。经过孕育期，它将发生转变。•550℃转变最快、孕育期最短、“鼻尖”；•550℃随℃↓、转变速度增大、孕育期缩短；•550℃随℃↓、转变速度减少、孕育期变长。“C”曲线分析水平线Ms为马氏体转变开始温度，水平线Mf为马氏体转变终止温度。按“C”曲线，得三种组织：550℃以上P类Ms～550℃B类Ms以下M类二.过冷A转变产物的组织形态与性能（共析钢为例）(一)珠光体转变P的形成过程：两个过程同时进行①Fe、C原子扩散，生成高碳Fe3C、低碳F；②晶格重构A→Fe、Fe3C。形核的过程，如图6-6。先生成Fe3C晶核长大→形成F晶核、长大。随着温度的降低，即过冷A转变速度加快。这是由于P的形核率的增加所致。550℃转变最快，P的形核率和成长率达到极大值。片状珠光体形成示意图Fe3CFe3CC↓Fe3CF2.P组织形态P：层片状组织，℃↓，层片间距离减少，即组织变的更细。①A1～650℃：珠光体P（Pearlite）0.4μm，500倍显微镜；②650～600℃：索氏体S(Sorbite)0.4～0.2μm，800～1000显微镜；③600～550℃：屈氏体T(Trostite)0.2μm，电子显微镜。将P、S、T组织统称为P类组织，差别仅层片状组织的粗细不同，仍属机械混合物。在A1附近范围内作长时间的保温，片状Fe3C→Fe3C粒状。3.性能随P→T：HB、σb↑,同时δ、ak也有所改善。（二）贝氏体转变TransformationofBanite1.贝氏体(B)转变过程（含碳过饱和的F和碳化物的混合物）:（1）仅是C原子扩散，Fe原子不扩散；（2）形核和长大，但与P的形成有本质区别。上贝氏体转变过程在过冷A中的贫碳区可孕育出F晶核—是过饱和状态的。随F晶核长大，向外排出C原子，便在条间沿条的长轴方向析出断续分布的条状碳化物→形成羽毛状的贝氏体组织。Fe3CF上贝氏体组织下贝氏体转变过程随温度下降，C扩散能力下降，C只好在片内沿一定晶面偏聚起来，并进而沿与片的长轴成55℃～65℃夹角的方向上沉积出碳化物粒子（F过饱和）—针片状的下贝氏体。下贝氏体组织Fe3CF2.B组织形态550℃～350℃B上羽毛状350℃～300℃（Ms）B下针片状3.性能B上：脆性较大（Fe3C分在F上）、σb、aK均较差，无实用价值。B下：较高HB、σb，较好σ、aK，即综合机械性能好，过饱和程度大，弥散度大。