工程材料第三章热处理
l金属的热处理概述•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%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%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用.模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。•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•5、预备(或叫预先)热处理与最终热处理•预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。•最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间温度/℃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.6、临界温度与实际转变温度铁碳相图中PSK、GS、ES线、Acm表示.实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将．加热时的组织转变•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。一、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：A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。•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.二、奥氏体晶粒长大及其影响因素•1、奥氏体晶粒长大•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。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。温来判断。A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。在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。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，设法把奥氏体晶粒保留到室晶粒度等级标准：n=2N-1式中：n—为放大100倍时平均每6.45cm2面积内所含的晶粒数；N—为晶粒等级。如：2级晶粒度，在放大100倍的显微镜下,6.45cm2内有2颗晶粒；4级晶粒度，在放大100倍的显微镜下，6.45cm2内有8颗晶粒。1～4级为粗晶粒度，5～8级为细晶粒度（GB6394——86标准中又增加了细晶粒9、10两级）。比1级粗的晶粒为过热组织，一般不能使用。比8级细的晶粒，一般为工具钢淬火后的实际晶粒。•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,A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等碳化物和氮化物形成元素。析出颗粒对黄铜晶界的钉扎Nb/%奥氏体晶粒尺寸/mμNb、Ti对奥氏体晶粒的影响•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。第二节过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能•冷却是热处理更重要的工序。•过冷奥氏体的转变产物及转变过程:•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。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。•现以共析钢为例说明：一、珠光体转变1、珠光体的组织形态与性能•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珠光体索氏体屈氏体物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和屈氏体(或托氏体).•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.•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。电镜形貌光镜形貌•⑶屈氏体•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σbHRC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 长大，形成一个珠光体团。 珠光体转变是扩散型转变( 铁、碳原子均扩散）。 氏体的含碳 量下降，促 进了铁素体 形核，两者 相间形核并 • 二、 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℃-Ms 。 • 在光镜下呈竹叶状。 光镜下 电镜下 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。 • 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。 • 贝氏体转变也是形核和长大的过程，贝氏体转变属半扩散型转 变（碳原子扩散，铁原子不扩散）。 上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 下贝氏体 • 三、 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-Fe 中的过饱和固溶体 称马氏体，用M表示。 马氏体组织 马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中. • 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. • 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/ 位错马氏体 • 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 • 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，=10 12 /cm 2 , 又称位错马氏体。 SEM TEM • ⑵ 针状马氏体/ 孪晶马氏 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。 马氏体形态与含碳量的关系 0.45%C 0.2%C 1..2%C • 3 、马氏体的性能 • 高硬度是马氏体性 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 . 针状马氏体 板条马氏体 马氏体的透射电镜形貌 • 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无扩散性 铁和碳原子 都不扩散， 因而马氏体 的含碳量与 奥氏体的含 碳量相同。 • （2 ） 降温形成 • 马氏体转变开始的温度称 上马氏体点，用Ms 表示. 马氏体转变终了温度称 下马氏体点，用M z 表示 . 只要温度达到Ms 以下即 发生马氏体转变。 在Ms 以下，随温度下降 , 转变量增加，冷却中断 , 转变停止。 M fz Ms M(50%) M(90%) • （3 ）高速长大 • 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。 • 当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的 马氏体产生裂纹。 • （4 ） 转变不完全 ’ 即使冷却到M z 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。 • Ms 、M z 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的碳 与合金元素含量。 • 马氏体转变后，A’ 量随含碳量的增加而增加，当 含碳量达0.5% 后，A’ 量才显著。 含 碳 量 对 马 氏体转 变 温 度 的 影响 含碳 量对残 余奥氏体 量 的影响 M z 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 P A 1 ~650 扩 散 型 粗片状，F 、Fe 3 C 相间分 布 5-20 退火 S 650~60 0 细片状，F 、Fe 3 C 相间分 布 20-30 正火 T 600~55 0 极细片状，F 、Fe 3 C 相间分 布 30-40 等温 处理 贝 氏 体 B 上 550~35 0 半扩 散型 羽毛状，短棒状Fe 3 C 分布 于过饱和F 条之间 40-50 等温 处理 B 下 350~M S 竹叶状，细片状Fe 3 C 分布 于过饱和F 针上 50-60 等温 淬火 马 氏 体 M 针 M S ~M z 无扩 散型 针状 60-65 淬火 M * 板条 M S ~M z 板条状 50 淬火 第三节 过冷奥氏体转变曲线图 • 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 • 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A 1 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、S 曲线或TTT 曲线。 一、过冷奥氏体的等温转变曲线图 (Time-Temperature-Trans formation diagram) • 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A 1 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 -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M z 以下为 转变产物区。 • 两线之间及 Ms 与M z 之间 为转变区。 时间 温 度 A 1 M S M Z A 过 冷 P B M A→ M A→ B A→ P 转变开始线s 30s 40s • 2 、C 曲线的分析 • ⑴ 转变开始线与纵 坐标之间的距离为
微信二维码