第六章鋼的熱處理原理與工藝.ppt

第六章鋼的熱處理原理與工藝 鋼的熱處理原理及工藝 主講人 張立斌 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第一節(jié)概述 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 第四節(jié)珠光體轉(zhuǎn)變 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 第七節(jié)熱處理工藝 第八節(jié)鋼的表面熱處理簡介 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第一節(jié)概述 把鋼在固態(tài)下通過加熱 保溫和冷卻 改變其內(nèi)部組織結構 以獲得所需性能的工藝過程 1 熱處理 熱處理視頻 2 1 改善材料的工藝性能 為以后工序做準備 2 熱處理的主要目的 2 2 改善材料的使用性能 3 為什么熱處理后鋼的性能會發(fā)生變化 具有固態(tài)相變的金屬 經(jīng)過熱處理以后 可以使鋼內(nèi)部的相及其組織結構等發(fā)生改變 從而可以改變鋼的性能 具有固態(tài)相變是實現(xiàn)熱處理的必要條件 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第一節(jié)概述 金屬有哪些相變 如何實現(xiàn)鋼的相變 相變的條件是什么 機理與特征怎樣 熱處理工藝主要解決 4 熱處理工藝過程及其參數(shù) T t u 主要通過加熱 保溫 冷卻等 4 1 工藝過程 4 2 工藝參數(shù) 第七章鋼的熱處理原理與工藝 5 金屬固態(tài)相變的特點 第一節(jié)概述 5 1 金屬在固態(tài)下發(fā)生的轉(zhuǎn)變 晶體結構的變化 化學成分的變化 固溶體有序化程度的變化 5 2 固態(tài)相變基礎 相同結構和成分 性能均一并以界面相互分開的組成部分 固溶體 化合物兩種 相 相的狀態(tài)發(fā)生變化的過程均稱為相變 例如 液相 固相 液相 氣相 相變 固態(tài)相變 當溫度或壓力改變時 一種相 另一種相 舊相 母相 新相 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第一節(jié)概述 固態(tài)相變的基本過程 規(guī)律 形核過程 晶核長大過程 固態(tài)相變的驅(qū)動力 新相與母相的自由能差 6 固體相變的特點 與液態(tài)相變相比 相變驅(qū)動力形式相同 6 1 相同點 相變過程相同 6 2 不同點 相變阻力大 有應變能 擴散速度也慢 新舊兩相界面上的原子排列容易保持一定的匹配 新相晶核與母相之間存在一定的晶體學位相關系 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第一節(jié)概述 6 固體相變的特點 與液態(tài)相變相比 6 2 不同點 6 1 相同點 新相習慣于在母相的一定晶面上形成 母相晶體缺陷對相變具有促進作用 易于出現(xiàn)過渡相 相變阻力大 有應變能 擴散速度也慢 新舊兩相界面上的原子排列容易保持一定的匹配 新相晶核與母相之間存在一定的晶體學位相關系 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第一節(jié)概述 7 固體相變的分類 7 1 按熱力學分類 一級相變 二級相變 7 2 按平衡狀態(tài)分類 平衡相變 非平衡相變 7 3 按原子遷移分類 擴散型相變 非擴散型相變 7 4 按相變方式分類 有核相變 無核相變 相變分類總結 金屬固態(tài)相變的三種基本變化 1 結構 2 成分 3 有序程度 只有結構的變化 多形性轉(zhuǎn)變 馬氏體相變 只有成分的變化 調(diào)幅分解 既有結構又有成分上的變化 共析轉(zhuǎn)變 脫溶沉淀 本節(jié)結束 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 1 鋼在加熱前的組織狀態(tài) 2 加熱溫度范圍 為例 共析鋼 A1溫度以上 PSK線 亞共析鋼 A3溫度以上 GS線 過共析鋼 Acm溫度以上 SE線 平衡時 臨界溫度A1 A3 Acm 加熱時 臨界溫度Ac1 Ac3 Accm 冷卻時 臨界溫度Ar1 Ar3 Arcm 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 使金屬的顯微組織 A的過程 3 鋼的A化過程 3 1 A組織 C Fe而成的固溶體 最大含碳量2 11 3 2 A Austenite 結構 A為面心立方結構 C原子 半徑 7 7 10 2nm 位于A晶胞八面體 間隙半徑 5 2 10 2nm 的中心 即面心立方晶胞的中心或棱邊的中點 其晶粒一般呈等軸狀多邊形 晶內(nèi)?？沙霈F(xiàn)相變孿晶 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 3 鋼的A化過程 3 3 A Austenite 的性能 碳鋼中A是高溫穩(wěn)定相 在室溫下不穩(wěn)定 通過加合金元素可以得到室溫穩(wěn)定的A組織 如1Cr18Ni9Ti A的比容最小 線膨脹系數(shù)最大 且為順磁性 無磁性 利用這一特性可以定量分析A含量 測定相變開始點 制作要求熱膨脹靈敏的儀表元件 A中鐵原子的自擴散激活能大 擴散系數(shù)小 因此A鋼的熱強性好 可作為高溫用鋼 A的導熱系數(shù)較小 僅比滲碳體大 為避免工件的變形 不宜采用過大的加熱速度 A塑性很好 S較低 易于塑性變形 故工件的加工常常加熱到A單相區(qū)進行 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 3 鋼的A化過程 3 4 A Austenite 形成的熱力學條件 相變必須在一定的過熱度 T下 使得單位體自由能 GV 0 才能得到 G 0 所以相變必須在高于A1的某一溫度下才能發(fā)生 奧氏體才能開始形核 故加熱溫度要在臨界溫度以上 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 3 鋼的A化過程 3 5 鋼的A Austenite 化過程 A的形成視頻 分四個階段進行 第一階段 A的形核 第二階段 A的長大 第三階段 剩余Fe3C溶解 第四階段 A成分均勻化 主要發(fā)生Fe的晶格改組 Fe3C溶解和C原子擴散等過程 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 3 鋼的A化過程 3 5 鋼的A Austenite 化過程 A的形成視頻 A的形核位置 A的長大方向 Fe3C的C 及結構與A差別大 C原子擴散 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 3 鋼的A化過程 3 6 A Austenite 晶粒度及其影響因素 3 6 1 A晶粒度 衡量A晶粒大小的尺度 有兩種方法 晶粒尺寸直接表示法 如單位面積內(nèi)的晶粒數(shù)目 用晶粒度級別指數(shù)N表示 即n 2N 1 式中n為放大100倍時 n in2 645mm2 面積內(nèi)的晶粒數(shù) n越大 N也越大 YB27 64 規(guī)定晶粒度分為8級 1級最粗 8級最細 5 8級的稱為細晶粒 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 3 6 1 A晶粒度 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 3 6 1 A晶粒度 930 10 0C 保溫8h 冷卻后測量的晶粒度 起始晶粒度 實際晶粒度 本質(zhì)晶粒度 A形成剛結束時的晶粒大小 A化完成以后時的晶粒大小 鋼在一定加熱條件下A的晶粒長大傾向 1 本質(zhì)細晶粒鋼 2 本質(zhì)細晶粒鋼 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 3 6 2 A晶粒度的影響因素 3 6 1 A晶粒度 加熱溫度和保溫時間 加熱速度 過熱度 A實際形核溫度 形核率 dA C的含量 鋼的原始晶粒 合金元素 T t 晶粒長大速度 dA d原始 A起始晶粒度 A長大傾向 dA C 長大傾向 dA C 達到一定后 長大傾向 強烈阻止晶粒長大的元素有Al V Ti Zr Nb 一般阻止晶粒長大的元素有W Cr Mo 阻止作用不大的元素有Si Ni Cu 促進晶粒長大的元素有Mn P N C及過量的Al 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第二節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 控制加熱溫度與保溫時間 從A晶粒度的影響因素可知 控制A晶粒度的大小應該從以下四方面考慮 控制加熱速度 快速加熱 短時保溫 控制材料中的合金元素盡量選用含Ti Zr V 適當控制鋼的原始組織 3 6 2 A晶粒度的影響因素 3 6 1 A晶粒度 本節(jié)結束 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 一 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 1 等溫轉(zhuǎn)變C曲線 TTT圖 TTT圖的構成 T OC t s 轉(zhuǎn)變開始線 轉(zhuǎn)變結束線 Ms線組成 孕育期 轉(zhuǎn)變開始線到縱坐標的水平距離 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 2 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變 一 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 等溫轉(zhuǎn)變C曲線可劃分為三個轉(zhuǎn)變區(qū)域 即高溫轉(zhuǎn)變區(qū) 中溫轉(zhuǎn)變區(qū) 低溫轉(zhuǎn)變區(qū) 在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)可分別得到P S和T組織 在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)可得到B上和B下 在低溫轉(zhuǎn)變區(qū)可得到M組織 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 2 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變 一 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 高溫轉(zhuǎn)變區(qū) 溫度區(qū) A1 5500C 反應式A F Fe3C P 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體組織即P 按照溫度不同 得到的組織尺寸由大到小變化 分別為 珠光體P 索氏體S 屈氏體T組織 如下表 珠光體轉(zhuǎn)變視頻 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 2 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變 貝氏體轉(zhuǎn)變視頻 一 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 中溫轉(zhuǎn)變區(qū) 溫度區(qū) 5500C Ms區(qū)域內(nèi) 反應式A B 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為B組織 該轉(zhuǎn)變?yōu)榘霐U散型轉(zhuǎn)變 按照溫度的不同 得到的組織分為B上和B下 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 2 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變 馬氏體轉(zhuǎn)變視頻 一 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 低溫轉(zhuǎn)變區(qū) M轉(zhuǎn)變是在Ms Mf區(qū)域內(nèi)連續(xù)冷卻完成的 即必須在不斷的降溫條件下轉(zhuǎn)變才能繼續(xù)進行 中斷冷卻 轉(zhuǎn)變立即停止 溫度區(qū) Ms 2300C Mf區(qū)域 反應式 A M 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為M組織 該轉(zhuǎn)變?yōu)榍凶冃娃D(zhuǎn)變 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 一 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 2 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變 亞共析鋼A FA P室溫組織F P 共析鋼A P室溫組織P 過共析鋼A Fe3CA P室溫組織Fe3C P 第七章鋼的熱處理原理與工藝 二 過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 T OC t s 臨界點A1 轉(zhuǎn)變開始線 轉(zhuǎn)變結束線 轉(zhuǎn)變中止線Ms線組成 孕育期 CCT圖與TTT圖比較 1 共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變C曲線 CCT圖 CCT曲線的構成 第三節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 1 非共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變C曲線 CCT圖 二 過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 亞共析鋼的CCT圖與共析鋼的相比 除了多出先析出相 F 曲線以外 還有B轉(zhuǎn)變區(qū) 且Ms右端下降 過共析鋼的CCT圖與共析鋼的相比 多出先析出相 Fe3C 曲線以外 同時Ms右端上升 本節(jié)結束 第七章鋼的熱處理原理與工藝 1 珠光體轉(zhuǎn)變 由上式可見 P轉(zhuǎn)變必發(fā)生C的重新分布和Fe的晶格改組 由于相變處在較高溫度區(qū)間 A1 5500C 鐵 碳原子均能擴散 故P轉(zhuǎn)變是典型的擴散型轉(zhuǎn)變 珠光體轉(zhuǎn)變視頻 第四節(jié)珠光體轉(zhuǎn)變 第七章鋼的熱處理原理與工藝 二 過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 2 珠光體轉(zhuǎn)變 1 P轉(zhuǎn)變冷卻速度 2 P轉(zhuǎn)變規(guī)律 形核與晶核長大 3 P F Fe3C 形核位置 在過冷A晶界或晶內(nèi)C原子濃度不均勻地方形成 領先相 F 或Fe3C Fe發(fā)生晶格改組 C原子重新分布 通過Fe C原子擴散進行 故為擴散型轉(zhuǎn)變 第四節(jié)珠光體轉(zhuǎn)變 第七章鋼的熱處理原理與工藝 二 過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 2 珠光體轉(zhuǎn)變 4 P長大 若Fe3C為領先相 則Fe3C開始向縱向及橫向同時長大 并從周圍A中吸收大量的C 使其周圍的A貧碳 則促使F的形核 F圍繞Fc3C向縱向與橫向同時長大 同時向F周圍的A中排出多余的C 又促使Fe3C相形成 上述過程交替進行 直到所有的P領域彼此接觸 A全部消失時 轉(zhuǎn)變結束 從而形成了層片狀的P 第四節(jié)珠光體轉(zhuǎn)變 第七章鋼的熱處理原理與工藝 二 過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 2 珠光體轉(zhuǎn)變 當A中有未溶解的Fe3C時 也可以形成粒狀P組織 A成分越均勻 形成片狀P的傾向越大 反之 可形成粒狀P 此外 粒狀P也可以通過球化退火處理得到 4 P長大 第四節(jié)珠光體轉(zhuǎn)變 第七章鋼的熱處理原理與工藝 二 過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 5 P性能 2 珠光體轉(zhuǎn)變 P組織有兩種形態(tài) 即層片狀P 球狀P 如圖 片層方向大致相同的區(qū)域稱為P團或P領域 亦稱P晶粒 一個A晶?？尚纬蓭讉€片層方向不同的P領域 P領域中相鄰兩片F(xiàn)e3C 或F 中心之間的距離S0稱為P的片間距 S0取決于P形成的過冷度 T 如下式 第四節(jié)珠光體轉(zhuǎn)變 第七章鋼的熱處理原理與工藝 二 過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 5 P性能 光學顯微鏡能明顯分辨片層形態(tài) 高倍光學顯微鏡能分辨片層形態(tài) 電鏡才能分辨清楚片層形態(tài) T S0 P的性能越好 S綜合機械性能較好 有一定的強度硬度與韌性 適合軸類零件 T彈性性能較好 適合各種彈性零件 本節(jié)結束 第四節(jié)珠光體轉(zhuǎn)變 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 1 M的晶體結構 M是C在 Fe中形成的過飽和間隙固溶體 馬氏體視頻 M為體心立方結構 C 極低時 M為體心正方結構 正方度c a c c a 2 M的組織形態(tài)及其亞結構 當C 1 0 時 M呈片狀 竹葉狀 2 1 板條M 當C 0 25 時 M呈板條狀 2 2 片狀M 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 目前 該問題尚未完全清楚 經(jīng)研究認為主要影響因素是 2 M的組織形態(tài)及其亞結構 2 1 板條M 2 2 片狀M 2 3 影響M形態(tài)及其亞結構的因素 母相A的化學成分和M的形成溫度 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 3 M轉(zhuǎn)變的特點 3 1 M轉(zhuǎn)變的無擴散性及不完整性 3 2 具有一定的位向關系和慣習面 3 3 表面浮凸現(xiàn)象 3 4 轉(zhuǎn)變在一個溫度范圍內(nèi)完成 3 5 高速長大 無原子擴散 有殘余A存在 M在母相的一定晶面上形成 并與母相保持一定的位相關系 A轉(zhuǎn)變?yōu)镸后 在其磨光表面上出現(xiàn)傾動 形成表面浮凸 碳鋼和低合金鋼中M轉(zhuǎn)變一般總是在Ms Mf溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻才能完成 冷卻中斷 轉(zhuǎn)變立即停止 M轉(zhuǎn)變量隨轉(zhuǎn)變溫度降低而增加 M以切變方式形成并瞬間長大 無孕育期 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 4 M的性能 4 1 M的力學性能 M的性能取決于C 及組織形態(tài)和亞結構 C M的強度與硬度 M的強度與硬度 M強化的主要原因 A 相變強化 B 固溶強化 C 時效強化 M的硬度主要取決于它的C C M C A M的塑性與韌性主要取決于它的亞結構 M的塑性和韌性 C M的塑性與韌性 M的塑性和韌性與M的亞結構有密切關系 片狀M的亞結構主要是孿晶 滑移困難 且易形成顯微裂紋 故其硬度雖高但塑性和韌性嚴重下降 板條狀M的亞結構是高密度位錯 且無顯微裂紋 故其具有良好的強韌性 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 4 M的性能 4 1 M的力學性能 磁性 4 2 M的其它性能 M的電阻率遠大于P 與A相近 且C 越高 電阻率越大 在鋼的各種組織中 比容A 比容P 比容M C 比容M M的熱膨脹系數(shù)約比A的小1 3 鋼中M具有鐵磁性 且隨著C 而升高 電阻 比容 熱膨脹系數(shù) 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 5 A穩(wěn)定化和殘余A A在外界因素的影響下 由于內(nèi)部結構發(fā)生了某種變化而使其向M轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)遲滯的現(xiàn)象 A穩(wěn)定化后將使淬火鋼中殘余A量增多 使硬度降低或在使用過程中因其轉(zhuǎn)變M或其它組織時體積膨脹而引起工件尺寸變化甚至時效開裂 5 1 A穩(wěn)定化 5 2 殘余A 熱穩(wěn)定化機械穩(wěn)定化 鋼淬火后的殘余A數(shù)量 主要取決于A的含碳量 例如碳鋼 A的碳含量越高 淬火后殘余A的數(shù)量亦越多 第七章鋼的熱處理原理與工藝 6 工業(yè)中獲得M的方法 鋼的淬火 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 6 1 淬火工藝 淬火視頻 加熱 保溫 冷卻 6 2 淬火加熱溫度 亞共析鋼 Ac3 30 50 OC 共析鋼 Ac1 30 50 OC 過共析鋼 Ac1 30 50 OC 合金鋼淬火加熱溫度 當含有C Mn較高的本質(zhì)粗晶粒鋼時 為避免A晶粒粗化 應選取較低的淬火加熱溫度 當含有碳化物形成元素時 為加速A化 適當升高加熱溫度 應根據(jù)臨界點溫度按照C鋼的原則選取 如 4Cr5MoSiV 淬火溫度1000OC 1030OC 第七章鋼的熱處理原理與工藝 為獲得全部淬火M 冷卻速度 uk 理想的冷卻速度為u2 6 工業(yè)中獲得M的方法 鋼的淬火 第五節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變 6 3 淬火冷卻介質(zhì) 常用淬火冷卻介質(zhì)有 中溫區(qū)冷卻能力弱 低溫區(qū)冷卻能力強 常用于碳鋼 冷卻能力弱 常用于合金鋼或尺寸較小的碳鋼工件 冷卻能力最強 兼有油與水的優(yōu)點 水 油 堿浴 硝鹽浴 本節(jié)結束 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 B是過冷A在中溫區(qū)域分解的產(chǎn)物 是F與Fe3C組成的兩相非層狀組織 1 貝氏體 B 2 B轉(zhuǎn)變的基本特征 2 1 B轉(zhuǎn)變需要一定的孕育期 2 2 B轉(zhuǎn)變是一種形核與晶核長大的過程 2 3 B轉(zhuǎn)變有一上限溫度Bs和下限溫度Bf 2 4 B轉(zhuǎn)變有表面浮凸現(xiàn)象 2 5 B組織的相組成主要是 鐵素體和 碳化物 2 6 B轉(zhuǎn)變是 F 的共格切變型相變和碳原子的擴散型相變 碳原子的擴散速度控制著B的轉(zhuǎn)變速度 2 7 B轉(zhuǎn)變不徹底 總有一部分未轉(zhuǎn)變的A 繼續(xù)冷卻A M 形成B M AR組織 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 珠光體 馬氏體 貝氏體轉(zhuǎn)變特點的比較 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 3 鋼中B的組織形態(tài) 鋼中B的組織形態(tài)是多種多樣的 但主要有B上和B下兩種 3 1 B上 在B相變的較高溫度區(qū)域形成 對于中 高碳鋼 大約在350 550 區(qū)間 其形態(tài)在光鏡下為羽毛狀 組織為一束平行的自A晶界長入晶內(nèi)的 F板條 F板條與M板條相近 但在F板條之間分布有不連續(xù)碳化物 F板條內(nèi)亞結構為位錯 隨溫度降低 B上鐵素體條變薄 滲碳體細化且彌散度增加 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 3 鋼中B的組織形態(tài) 3 2 B下 在B相變的低溫轉(zhuǎn)變區(qū)形成 大約在350 以下 形核部位在A晶界或晶內(nèi) 各個B之間都有一定的交角 立體形貌呈透鏡片狀 針狀或片狀F內(nèi)分布呈一定角度排列的 碳化物 亞結構為纏結位錯 密度高于B上 無孿晶 碳的重新分配 相變前 貧碳區(qū) 富碳區(qū) M相變 低碳M 快速回火 過飽和鐵素體 滲碳體 B 先析出滲碳體 B相變 M相變 碳原子擴散 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 4 B的形成過程 B轉(zhuǎn)變的實質(zhì)是鐵原子以切變方式由A轉(zhuǎn)變?yōu)镕 碳原子發(fā)生擴散并以碳化物形式沉淀的過程 B相變 M相變 碳原子擴散 4 1 B上的形成過程 過冷A處于B上形成溫度范圍時 B上中領先相為F多半在A晶界上成核 然后由晶界向晶內(nèi)沿某些慣習面成排地長大 由于B上的形成溫度較高 碳的擴散速度較大 條狀F生長前沿的碳原子同時向兩側(cè)擴散 F內(nèi)的碳原子也向相界面擴散 使碳在晶界富集 因而F條間的碳濃度會很高 進而能以滲碳體形式沉淀析出 從而構成由F和滲碳體組成的典型的B上組織 共析鋼 350 550 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 4 B的形成過程 4 2 B下的形成過程 當A過冷到B下轉(zhuǎn)變溫度范圍時 其領先相F多半在A晶粒內(nèi)部的貧碳區(qū)以及晶界處的某些慣習面上成核 然后按切變共格方式長大成針 片 狀 且多向分布 由于形成溫度較低 碳原子在A中的擴散相當困難 只可在針狀F內(nèi)部進行短程擴散 并在F內(nèi)一定的晶面上偏聚 進而沉淀折出細小的粒狀或片狀碳化物 形成典型的B下組織 共析鋼 350 Ms 230 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 5 B的機械性能 B的力學性能主要取決于組織形態(tài)及其亞結構 影響組織形態(tài)和亞結構的因素 主要是B的形成溫度和化學成分 5 1 B的強度與硬度 B的強度和硬度隨形成溫度的降低而提高 T B F 越細 強度越高 B F 的晶粒大小主要取決于A晶粒大小和形成T 形成T越低 F的厚度越薄 形成T越低 位錯密度增大 強度和韌性增高 形成T越低 亞結構尺寸越小強度和韌性也提高 形成T越低 碳化物顆粒較小 數(shù)量較多 故B下好于B上 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 5 B的機械性能 5 2 B的塑性 B的塑性和韌性同樣受組織因素所擰制 當然也與形成溫度密切相關 形成溫度低的B下塑性和韌性均高于形成溫度高的B上 B的形成T 形成T低則B的塑性和韌性就高 B的含碳量 當B的形成T相同時 若B的含碳量低 則其塑性和韌性就高 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 5 B的機械性能 5 3 B的沖擊韌性 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 B上的韌性大大低于B下的原因 B上由彼此平行的F板條構成 好似一個晶粒 而B下的F片彼此位向差很大 即B上的有效晶粒直徑大于B下 5 B的機械性能 5 3 B的沖擊韌性 B上碳化物分布在F板條間 而且碳化物顆粒粗大 容易形成大于臨界尺寸的裂紋 B下組織中 較小的碳化物顆粒不易形成裂紋 即使形成裂紋也難以達到臨界尺寸 并且其擴展也受到大量彌散碳化物顆粒和位錯的阻止 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 5 B的機械性能 力學性能總結 一般 下貝氏體的強度較高 韌性也較好 上貝氏體的強度較低 韌性也較差 變化趨勢 隨著B形成溫度的降低 強度和硬度提高 塑性和韌性也提高 下貝氏體具有優(yōu)良的綜合力學性能 第七章鋼的熱處理原理與工藝 B M混合組織的應用 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 例1 Cr12鋼是一種應用廣泛的冷作磨具鋼 這種鋼具有較好的淬透性 微變形性 高熱穩(wěn)定性及良好的耐磨性 廣泛用于制造負荷大 耐磨性要求高 熱處理變形量要求小 形狀復雜的模具 但因其含有較多的殘余碳化物 常規(guī)淬火 回火后往往韌性不足 使得制作的模具經(jīng)常出現(xiàn)崩刃 碎裂 折損等現(xiàn)象 造成早期失效 采用等溫淬火后 獲得下B M混合組織 與常規(guī)淬火 回火處理相比 除硬度有所降低外 抗彎曲強度提高40 撓度提高37 沖擊韌性提高170 耐磨性提高38 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 例2 低碳貝氏體鋼作為近幾十年來發(fā)展起來的新鋼種 被譽為環(huán)保型綠色鋼種 已廣泛應用于工程機械 壓力容器 橋梁 船艦 集裝箱等諸多領域 它成分上采用低碳 復合加入合金元素 Si Mn等 因此 鋼的強度除了依靠碳含量以外 還通過位錯強化和微合金強化來完成 獲得高密度位錯亞結構的均勻細小的貝氏體組織 具有高強度 超韌性和良好的焊接性能 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第六節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變 對于具有回火脆性的鋼 等溫淬火與淬火回火處理獲得的馬氏體相比 如在回火脆性溫度范圍內(nèi)回火 當硬度或強度相同時 貝氏體組織的沖擊韌性高于回火馬氏體 當?shù)葴卮慊饻囟容^低時 獲得下貝氏體組織時 可保持較高的沖擊韌性 優(yōu)于淬火回火處理 當?shù)葴卮慊饻囟容^高時 獲得上貝氏體組織時 不僅強度降低而且沖擊韌性也下降 甚至低于淬火回火處理 所以等溫淬火處理只有獲得下貝氏體加殘余奧氏體組織時 鋼件才能具有較高的沖擊韌性和較低的脆性轉(zhuǎn)折溫度 本節(jié)結束 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 一 熱處理 把鋼在固態(tài)下通過加熱 保溫和冷卻 改變其內(nèi)部組織結構 以獲得所需性能的工藝過程 二 熱處理方法 1 普通熱處理 2 表面熱處理 3 特殊熱處理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 化學熱處理 火焰加熱 感應加熱 滲碳 滲氮 碳氮共滲 其他 形變 真空 其他 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 1 退火 2 退火的目的 將鋼加熱至臨界點Ac1以上或以下溫度 保溫后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝 3 降低硬度 提高塑性和韌性 改善切削加工性能 1 消除組織缺陷 2 均勻化學成分及組織 細化晶粒 提高鋼的力學性能 減少殘余應力 總之 退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內(nèi)應力 又為后續(xù)工序作好準備 故退火是屬于半成品熱處理 又稱預先熱處理 為淬火做好組織準備 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 1 完全退火 將鋼件加熱到Ac3以上30 50 經(jīng)完全奧氏體化后進行緩慢冷卻 以獲得近于平衡組織的熱處理工藝 主要應用于亞共析鋼 目的 細化晶粒 均勻組織 消除內(nèi)應力 降低硬度和改善鋼的切削加工性 不宜采用完全退火 低碳鋼 完全退火后硬度偏低 不利于切削加工 過共析鋼 加熱到Accm以上A狀態(tài)緩慢冷卻退火時 有網(wǎng)狀Fe3C 析出 使鋼的強度 塑性和沖擊韌性顯著降低 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 2 不完全退火 將鋼件加熱到Ac1 Ac3 亞共析鋼 或Ac1 Accm 過共析鋼 之間 經(jīng)保溫后緩慢冷卻 以獲得近于平衡組織的熱處理工藝 目的 消除內(nèi)應力 降低硬度 亞共析鋼 如F已均勻細小 P片間距較小 硬度偏高 內(nèi)應力較大 可以通過不完全退火來降低硬度和消除內(nèi)應力 過共析鋼 主要獲得球狀P組織 以消除內(nèi)應力 降低硬度 改善切削加工性能 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 3 等溫退火 由于完全退火所需時間較長 為了提高生產(chǎn)率 常常將鋼較快冷卻到稍低于Ar1溫度 約600 等溫 使A轉(zhuǎn)變?yōu)镻 再空冷到室溫 可大大縮短退火時間 這種退火叫等溫退火 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 4 球化退火 使鋼中碳化物球化 獲得粒狀P的一種熱處理工藝 目的 降低硬度 均勻組織 改善切削加工性能 主要用于過共析鋼和合金工具鋼 使未溶碳化物顆粒和局部高碳區(qū)形成碳化物核心并局部聚集球化 得到粒狀P組織 1 溫度一般在Ac1以上20 30 的溫度范圍內(nèi)進行 2 保溫時間不能太長 2 4h為宜 3 冷卻方式采用爐冷 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 4 球化退火應用舉例 碳素工具鋼 1 加熱到Ac1以上20 30 保溫后以極慢速度冷卻 以保證碳化物充分球化 冷至600 出爐冷卻 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 4 球化退火應用舉例 碳素工具鋼 2 加熱到Ac1以上20 30 保溫4h后 在快速冷卻到Ar1以下20OC左右等溫3 6h 使碳化物充分球化 以保證碳化物充分球化 冷至600 出爐冷卻 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 3 為了加速球化過程 提高球化質(zhì)量 可采用往復球化退火工藝 加熱到略高于Ac1點的溫度保溫后 又冷卻到略低于Ar1溫度保溫 并反復加熱和冷卻多次 最后空冷至室溫 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 4 球化退火應用舉例 碳素工具鋼 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 5 擴散退火 將鋼錠 鑄件或鍛坯加熱到略低于固相線的溫度下長時間保溫 然后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝 目的 消除枝晶偏析及區(qū)域偏析 使成分和組織均勻化 加熱溫度 Ac3或Accm以上150 300 具體根據(jù)鋼種而定 只是針對一些偏析程度大的鑄件進行 其他的采用完全退火即可 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 6 去應力退火 為了消除由于變形加工及鑄造和焊接過程中引起的殘余內(nèi)應力而進行的退火 目的 消除殘余內(nèi)應力 防治開裂和變形 降低硬度 提高工件的尺寸穩(wěn)定性 加熱溫度 550 650 鑄鐵一般處于500 550 超過550 容易造成P的石墨化 冷卻速度要緩慢 以免產(chǎn)生新的應力 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 把冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上保持適當時間 使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻容S晶粒而消除加工硬化的熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 3 7 再結晶退火 目的 消除加工硬化 使工件機械性能恢復到加工前的水平 加熱溫度 純鐵450 純銅270 純鋁100 一般來說 變形量越大 再結晶溫度越低 再結晶退火溫度也就越低 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 三 鋼的退火 3 退火方法分類 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 去應力退火 球化退火 不完全退火 完全退火 等溫球化退火 擴散退火 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的正火 將鋼加熱至Ac3或Acm以上適當溫度 保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝 1 正火 1 改善鋼的切削加工性能 2 消除熱加工缺陷組織 均勻組織 細化晶粒 消除內(nèi)應力 3 消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物 便于球化處理 4 提高普通結構零件的機械性能 2 目的 與完全退火不同點 正火冷卻速度較快 轉(zhuǎn)變溫度較低 因此獲得的P組織較細 鋼的強度和硬度也較高 應用 一般作為預備熱處理 也可作大型或形狀復雜零件的終熱處理 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的正火 2 正火的主要目的 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的正火 3 正火的加熱溫度 正火加熱溫度一般為 Ac3 Accm 30 50 對含有V Ti Nb等強碳化物形成元素的合金鋼 可用Ac3以上100 150OC的高溫正火 目的是加速合金碳化物的溶解和A均勻化 正火保溫t同完全退火 以工件透燒為準 還應考慮鋼材成分 原始組織 裝爐量和加熱設備等因素 正火的加熱溫度范圍見圖 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的正火 4 退火和正火的選用 原則 一般根據(jù)鋼種 冷熱加工工藝 零件的使用性能及其經(jīng)濟性綜合進行考慮 1 C 0 75 的高碳鋼 采用球化退火 如有網(wǎng)狀Fe3C 則應該先進行正火消除 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 1 淬火 將鋼加熱至Ac3或Ac1以上一定溫度 保溫后以大于臨界冷卻速度冷卻得到M 或B下 的熱處理工藝 必須將鋼加熱至Ac3或Ac1以上獲得A組織 冷卻速度必須大于臨界冷卻速度獲得全部M組織 含殘余A 基體組織 A M 并回火獲得各種需要的性能 2 目的 淬火 中溫回火 可以顯著提高彈簧鋼的彈性極限 例如 淬火 低溫回火 提高工具 軸承 滲碳零件或其他高強度耐磨件的硬度和耐磨性 淬火 高溫回火 可以使結構鋼得到強韌結合的優(yōu)良綜合機械性能 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 3 淬火工藝分類 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 根據(jù)鋼的臨界點來確定 同時還應考慮工件的形狀尺寸 原始組織 加熱速度 冷卻介質(zhì)和冷卻方式等 4 1 淬火加熱溫度 亞共析鋼 Ac3 30 50 全部A化后淬火后為細小M 若溫度過低 于Ac1 Ac3之間 在淬火組織中將出現(xiàn)F 造成淬火硬度不足 若加熱遠遠超過Ac3以上 將使A晶粒長大 淬火后得到粗大M 使鋼性能下降 但對于某些合金鋼為了使其中合金元素完全溶于A中 溫度可適當提高 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 4 1 淬火加熱溫度 若淬火溫度過低 得到非M組織 鋼的硬度達不到要求 共析鋼和過共析鋼 Ac1 30 50 全部A化或A Fe3C淬火后為細小M和少量A Fe3C 如果加熱溫度過高 在Accm以上 Fe3C全部溶入A中 結果A中含碳量增加 Ms和Mf降低 淬火后AR增多 鋼的硬度和耐磨性降低 也會使A晶粒增大 增大脆性 低合金鋼 Ac3或Ac1 50 100 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 4 2 淬火加熱時間 淬火加熱時間包括升溫時間和保溫時間 生產(chǎn)中一般不將升溫與保溫時間分開 而以總的加熱時間考慮 加熱時間長短立接影響產(chǎn)品質(zhì)量 影響加熱時間的因素很多 如加熱介質(zhì) 爐溫 鋼的化學成分 零件尺寸形狀裝爐方式及裝爐量等 所以 確定加熱時間是一復雜問題 生產(chǎn)中目前多是依據(jù)零件有效厚度用經(jīng)驗公式計算 t K D 式中 t 加熱時間 min 加熱系數(shù) min mm K 裝爐修正系數(shù) 取1 5 2 D 工件有效厚度 mm 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 1 D 直徑2 D 邊長3 D 短邊長4 D 厚度5 D 壁厚6 D 小頭2 3處直徑7 D 0 6直徑 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 4 2 淬火加熱時間 工件有效厚度D的計算原則 mm 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 4 3 淬火冷卻介質(zhì) 要得到M 淬火的冷卻u就必須大于該鋼種的uk u越大 內(nèi)應力也越大 往往會引起鋼件的變形和開裂 冷卻介質(zhì)對鋼的理想淬火冷卻u應是 慢 快 慢 理想的淬火介質(zhì) 在A1 650 冷卻慢 在600 400 快速冷卻 在300 200 緩慢冷卻 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 4 3 淬火冷卻介質(zhì) 常用淬火冷卻介質(zhì)有 中 低溫區(qū)冷卻能力強 保證獲得M 常用于碳鋼 冷卻能力最強 兼有油與水的優(yōu)點 水 油 水 油 堿浴 硝鹽浴等 多為礦物油 冷卻能力弱 多用于合金鋼 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 4 4 淬火方法 優(yōu)缺點 操作簡單 適用于形狀簡單的工件 單液淬火 在一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的方法 優(yōu)缺點 既可淬硬 又能減少淬火的內(nèi)應力 主要用于形狀復雜的高碳工具鋼 缺點是操作困難 雙液淬火 先在水或鹽水中冷卻到 300 400 迅速移入油中冷卻 兩種介質(zhì)冷卻 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 4 4 淬火方法 把工件在Ms附近保溫 待其表面與心部達到介質(zhì)溫度后取出空冷 使之發(fā)生M轉(zhuǎn)變 分級淬火 優(yōu)缺點 比雙液淬火進一步減少了應力和變形 操作較易 但由于鹽浴 堿浴的冷卻能力較小 故只適用于形狀較復雜 尺寸較小的工作 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 4 淬火工藝參數(shù)的確定 4 4 淬火方法 把工件在略高于Ms溫度保溫 以獲得下貝氏體組織 然后取出空冷 等溫淬火 優(yōu)缺點 由于淬火內(nèi)應力小 能有效地防止變形和開裂 但此法缺點是生產(chǎn)周期較長又要一定設備 常用于薄 細而形狀復雜的尺寸要求精確 并且要求強韌性高的工件 如成型刀具 模具和彈簧等 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 四 鋼的淬火 5 淬透性與淬硬性及淬硬層 淬硬性 鋼淬火后所能達到的最高硬度 與含碳量有關 淬透性 是指鋼淬火獲得M的能力 跟合金元素有關 淬透性是鋼本身的固有屬性 它主要取決于鋼的臨界淬火速度uk 孕育期的大小 uk越小 則淬透性好 反之亦然 淬透層 淬硬層 淬火工件表面到半馬氏體區(qū)深度 淬透性好 則淬硬層大 表示鋼淬火容易 但是其硬度并不一定高 淬硬性主要取決于鋼的含碳量 淬透性取決于合金元素 第七章鋼的熱處理原理與工藝 第七節(jié)熱處理工藝 五 鋼的回火 1 回火 將淬火鋼在A1以下溫度加熱保溫一定時間 并以適當方式冷卻到室溫的工藝過程 2 目的 減小或消除淬火應力 保證相應的組織 AR 轉(zhuǎn)變 穩(wěn)定尺寸和性能 例如 淬火 低溫回火 150 250 得到M回 提高硬度和耐磨性 降低