《金屬材料熱處理》課件：第六章金屬材料熱處理

1、第六章 金屬材料熱處理基本原理鋼的熱處理工藝特種熱處理有色金屬熱處理 基本原理熱處理定義熱處理的依據(jù)鋼在加熱過程中的組織轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變馬氏體相變與馬氏體熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞郊訜?、保溫和冷卻，以獲得所需的組織與性能的工藝 熱處理定義 熱處理的三要素 目的 應(yīng)用 溫度、時間、冷卻速度 成分、組織結(jié)構(gòu)、性能 目的應(yīng)用 液態(tài)金屬成形 壓力加工成形 焊接過程 機械加工 提高使用性能、強度、韌性 鑄態(tài)組織熱處理消除偏析非晶組織熱處理納米晶相加工硬化熱處理減小（消除）應(yīng)力 熱影響區(qū)（過熱區(qū)）高速鋼鉆頭（硬、耐磨）如高速鋼，結(jié)構(gòu)鋼飛機起落架：800MPa10200MPa20減重300%

2、重量差4倍熱處理是提高強度的主要方法熱處理的依據(jù)相圖相變相圖相區(qū)和相結(jié)構(gòu)包晶轉(zhuǎn)變，共晶轉(zhuǎn)變，共析轉(zhuǎn)變?nèi)龡l線，A1，A3，Acm舉例說明，45#鋼，共析鋼，純Fe變溫下的相轉(zhuǎn)變體心，面心，體心“同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變”相變溫度變化時，相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，組織組成發(fā)生變化，從而決定著材料的性能。相變的條件：熱力學(xué)條件，動力學(xué)條件，相變晶體學(xué)條件，相變溫度，過冷度，冷卻速度copper-aluminum phasediagram鋼在加熱過程中的組織轉(zhuǎn)變Fe+Fe3C片層結(jié)構(gòu)圖說明共析鋼如何轉(zhuǎn)變成奧氏體奧氏體的形核，碳濃度不同，結(jié)構(gòu)不同F(xiàn)e3C的溶解，奧氏體核長大成分均勻化過程奧氏體晶粒長大Fe(0.02%C)+F

3、e3C(6.69%C)(0.77%C)體心 正交 面心（粗大的奧氏體晶粒將要降低熱處理后材料的性能） 亞共析鋼 過共析鋼珠光體 奧氏體先共析鐵素體奧氏體珠光體 奧氏體過共析Fe3C 奧氏體后續(xù)課程中將再學(xué)奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線，奧氏體晶粒度及其影響因素鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變冷卻速度的確定及其對性能的影響講解等溫冷卻時過冷奧氏體，從12點時組織發(fā)生變化鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 C曲線 TTT圖分析 影響TTT圖的因素 亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 C曲線（TTT曲線）實驗方法：鹽浴爐中（不同溫度）保溫不同時間試樣淬火顯微觀察奧氏體開始轉(zhuǎn)變時間孕育期爐中奧氏體

4、化TTT圖分析孕育期，鼻尖處最短過冷度增大，自由能差增大，形核容易,孕育期短；低溫時C擴散慢，孕育期長。C曲線上半部分，過冷度起主要作用，轉(zhuǎn)變逐漸變快；C曲線下半部分，擴散慢，相變慢。三種類型固態(tài)相變（a）高溫轉(zhuǎn)變（A1至550） 珠光體轉(zhuǎn)變A1（727650）珠光體（粗珠光體片2502000nm） （650600）索氏體（細(xì)珠光體片） 屈氏體 （3080nm）（b）中溫轉(zhuǎn)變（C曲線凸點至Ms之間） 貝氏體轉(zhuǎn)變 形態(tài)已不能形成片狀結(jié)構(gòu)，極細(xì)的滲碳體分布在針狀鐵素體中（上貝） 或鐵素體和碳化物的復(fù)相組織（下貝）（c）低溫轉(zhuǎn)變，馬氏體轉(zhuǎn)變 因溫度太低，C原子無法擴散這里充分強調(diào)晶粒細(xì)化對性能的影響

5、！不同溫度轉(zhuǎn)變的組織形態(tài)的一致性和特點！影響TTT圖的因素 碳含量的影響 合金元素的影響 奧氏體化條件隨C含量增加，亞共析鋼右移，過共析鋼左移，共析鋼處于最右邊最穩(wěn)定所有溶入奧氏體中的合金元素，都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，僅Co、Al元素使C曲線左移成分越均勻，C曲線右移亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變 亞共析鋼的C曲線往左移過冷奧氏體不穩(wěn)定 上部多一條轉(zhuǎn)變線共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 圖4.8圖4.9特點：往右，往下，只有上半部分 不同冷卻速度下的組織結(jié)構(gòu) 臨界冷卻速度馬氏體相變與馬氏體 馬氏體相變熱力學(xué) 馬氏體相變動力學(xué)和晶體學(xué) 馬氏體性能馬氏體相變是一種無擴散的切變型相變共析鋼 AMMs以下面心

6、立方 0.77%體心正方 0.77%馬氏體相變熱力學(xué)G0G= -GAM +GS +GE Fe 0.0218%C，高碳時，c/a更大，易開裂馬氏體相變動力學(xué)和晶體學(xué)無擴散相變，切變方式，相變速度非?？?，不是靠馬氏體長大，而是生形成新晶核馬氏體性能高強，高硬，高應(yīng)力和體積變化，引起開裂鋼的熱處理工藝 退火 正火 淬火 回火退火 均勻化退火 完全退火 不完全退火（球化退火） 再結(jié)晶退火 去應(yīng)力退火溫度，時間，緩慢冷卻消除鑄造中凝固偏析，通過擴散完成。高溫時間長，當(dāng)然晶粒長大。A3以上3050，時間為熱均勻，緩冷目的：降低硬度，提高塑性溫度為再結(jié)晶溫度，消除加工硬化，去應(yīng)力，以便進一步塑性變形 過共析

7、鋼(共析鋼) A1+(2040)目的使網(wǎng)狀滲碳體球化，改善加工性能回復(fù)處理，只是去應(yīng)力，但保持加工硬化的硬度正火A3以上3050，保溫，空氣冷卻細(xì)化晶粒，提高強度和塑性，可以作為終處理(a)退火組織 （b）正火組織淬火 淬火工藝參數(shù)的確定 淬火介質(zhì)的選擇，淬火方式 鋼的淬透性（如何測量？） 合金元素在淬火中的作用加熱A3(亞共析鋼)或A1 (過共析鋼)線以上，保溫(奧氏體化)，快速冷卻得到馬氏體組織，高強度，高硬度，通過回火，在低溫下擴散分解得到極細(xì)小的Fe+Fe3C的兩相組織，具有高強度高塑性，韌性好！淬火工藝參數(shù)的確定 加熱溫度 淬火保溫時間 淬火冷卻速度亞共析鋼A3以上30-50共析鋼、

8、過共析鋼 A1以上2040 過共析鋼如果滲碳體全部溶解，則含碳量高C曲線左移，奧氏體 不穩(wěn)定，臨界冷卻速度加快，易開裂 高含碳量c/a值大，易開裂（相變體積變化大） 先共析滲碳體球化提高強度 細(xì)化奧氏體晶粒，從而細(xì)化馬氏體晶粒原因：亞共析鋼，讓先鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體，并使成分均勻化，淬火 后，沒有先共析鐵素體相，材料強度高，性能均一。保證零件各部分達到溫度即可 冷速過大，會加大內(nèi)應(yīng)力和開裂淬火介質(zhì)的選擇，淬火方式鹽水、冰水最快 水 常用 油 適中(較慢) 熔鹽單液淬火雙液淬火分級淬火等溫淬火鋼的淬透性指鋼在淬火時獲得馬氏體層深度的能力。工程上規(guī)定從表面達到50%馬氏體層的深度解釋 不同深度冷

9、卻速度不同，表面快，芯部慢，芯部不易得到馬氏體淬透性大小決定冷卻速度冷卻速度，以及工件全部被淬透的尺寸合金元素在淬火中的作用大尺寸如果選擇高冷卻速度，馬氏體，開裂！加入合金元素，使C曲線右移，提高淬透性，降低冷卻速度減小開裂 。等元素回火 低溫回火 中溫回火 高溫回火馬氏體分解，但在低溫下分解，獲得細(xì)小組織，提高性能溫度時間冷卻速度低溫回火（150250） 組織為馬氏體，過飽和碳部分析出 形成FexC材料硬度仍舊很高，適合工具、刀具、量具等中溫回火（350500）回火屈氏體，極細(xì)小的鐵素體和球狀滲碳體提高彈性和韌性，主要為彈簧鋼等高溫回火（500650）回火索氏體（較小的鐵素體和球狀滲碳體混合

10、物）良好的力學(xué)性能（高強度，高塑性，高韌性）重要零件如曲軸，連桿，齒輪等特種熱處理 鋼的表面淬火 化學(xué)滲碳、氮、金屬 形變熱處理鋼的表面淬火 高頻感應(yīng)加熱，火焰加熱 表面很硬，耐磨，芯部有韌性，承受載荷 如軸套化學(xué)滲碳、氮、金屬 化學(xué)滲碳、氮、金屬，提高表面硬度改善表面性能 在高溫下，通過擴散滲，改變表面成分，高碳馬氏體很硬，低溫回火，從而改善性能，滲金屬，抗氧化性等形變熱處理 將變形強化（加工硬化）和熱處理強化結(jié)合起來的形變熱處理工藝 e.g.軋制后立即淬火處理 晶粒軋碎細(xì)化 加工硬化強度、塑性、韌性均提高有色金屬熱處理 通過淬火獲得飽和固溶體，再時效使過飽和固溶體中溶質(zhì)彌散析出，提高強度！ 依據(jù) 相圖中固溶體的溶解度隨溫度變化大 溫度 時間 冷卻速度 時效處理（擴散分解） 溫度： 固溶溫度到室溫差的1525% 時效時間的影響 先析出提高性能 后聚集長大，性能降低鋁合金的固溶與時效處理固溶 Al-Cu合金：CuAl2相晶界