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第五章 钢的热处理,热处理:通过加热、保温、冷却的操作方法 使钢的组织发生变化,以获得所需 性能 的一种加工工艺。 实施热处理是改善钢 的性能的重要的途径,5.1 钢在加热时的转变,加热转变主要为A的形成过程 A1以上PA Ac1 Ac3 Accm 碳原子和铁原子扩散,晶格类型改变,A1 A3 Acm:平衡时的转变温度 Ac1 Ac3 Accm:实际加热时的转变温度 Ar1 Ar3 Arcm:实际冷却时的转变温度,一、A 的形成过程,(一)基本过程 PA的过程通过形核和长大来完成 分四个步骤描述其基本过程 第一步:A晶核的形成 在F 和 Fe3C的相界面形核 第二步:A的长大 晶格转变,原子扩散, Fe3C溶解,第三步:参与Fe3C的溶解 第四步:A的均匀化 亚共析钢的A形成: 过共析钢的A形成:,亚共析钢的A形成: 过共析钢的A形成: Ac1Accm,Ac1Ac3,(二)影响PA转变的因素,1. 温度 T 加速转变 2. C C,相界面多,有利于形核加速 3. 原始组织粗细 组织细,相界面多,有利于形核加速 4. 加热速度 速度快,转变温度,加速,二、A晶粒的长大及影响因素,A晶粒度分为起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度 起始晶粒度:P刚刚全部转变为A时的晶粒度 实际晶粒度:钢在具体的热处理和热加工 条件下实际获得的晶粒度 晶粒度等级:18级 14级为粗晶粒,58级为细晶粒,本质晶粒度:表示A晶粒长大的倾向性 测定:加热到92010,保温8小时, 缓冷,测其晶粒大小。 若14级,则本质粗晶粒钢 若58级,则本质细晶粒钢 生产中,需热处理的钢一般采用本质细 晶粒钢,(二)A晶粒长大及其影响因素,在高温下,晶粒长大是一个自发过程 A晶粒大小影响冷却后的组织粗细,进而 影响工件的机械性能。应加以控制。 影响因素: 温度 温度越高,晶粒越粗大 第二相颗粒 阻碍晶粒长大 合金元素 除了Mn以外,均阻碍长大,5.2 钢在冷却时的转变,冷却过程是热处理的第二步,也是关键的 一步。 热处理生产中,冷却往往比较快,转变组织不符合FeFe3C相图所反映的规律。 两个曲线:奥氏体等温转变曲线 TTT 奥氏体连续冷却转变曲线 CCT,一、过冷奥氏体等温转变曲线,又称C曲线,也称TTT曲线 C曲线的建立 共析钢的C曲线 用磁性法 一批试样加热到A1以上温度在A1的不同温度保温测动态转变曲线转换坐标,时间温度坐标,一批试样 加热到A1以上温度 在A1的不同温度保温 测动态转变曲线 转换坐标,时间温度坐标,二、过冷奥氏体转变产物的组织与性能,三种类型的转变 (一)珠光体类转变 扩散类转变,碳原子和铁原子都扩散 A1鼻尖(550)区域 组织特征:由铁素体和Fe3C两相组成 呈层片状,根据粗细(层片间距)其产物分为三种,珠光体 P A1650,形成温度高,层片间距最大 在低倍光学显微镜下能分辨两相 索氏体 S 650 600 ,层片间距比珠光体小 在高倍光学显微镜下能分辨两相 屈氏体 T 600 550 ,层片间距最小 只有在电子显微镜下才能分辨两相,珠光体类组织的性能: 与层片间距有关 层片间距越小(组织越细小),强度、硬度越高,塑性有所下降,(二)贝氏体类转变,鼻部Ms温度区域 只有碳原子扩散,铁原析不扩散。 组织由铁素体和渗碳体组成,但不是呈 层片状 有两种类型的贝氏体,上贝氏体 550350 形态:呈羽毛状,短杆状的渗碳体分布在铁素体条之间,性能:脆性大,无实用价值,下贝氏体 350Ms区域,因温度低,原子扩散不充分,析出的碳化物在过饱和的铁素体针内分布,性能:具有良好的强韧性,(三)马氏体转变,Ms温度以下 因温度低,原子无扩散能力 马氏体转变为非扩散型转变 特点:转变前后新相和母相的成分相同 马氏体是过饱和的固溶体 不完全的转变 残余奥氏体AR或A,AR:因马氏体转变不完全而残留下来的A AR量:与A中的C有关, C, AR ,按形态马氏体分为两种 板条状马氏体 0.25 ,全部为板条状马氏体 板条状马氏体的塑性韧性好,因为 a)过饱和度小 b) 亚结构为位错,片状马氏体 1.0 ,全部为片状马氏体 片状马氏体的塑性韧性不好,因为 a)过饱和度大 b) 亚结构为孪晶,马氏体的硬度取决与马氏体中的含碳量 C,马氏体的硬度越高,A中的C,残余奥氏体量越多,三、影响C曲线的因素,1. 碳的影响 亚共析钢: C,C曲线右移 过共析钢: C, C曲线左移,与共析钢相比,在鼻尖多了先共析铁素体转变线,2. 合金元素的影响 除了Co以外,均使C曲线右移 3. 加热温度和保温时间 温度 时间, C曲线右移,四、过冷奥氏体的连续转变曲线,生产实践中,大部分是连续冷却过程 应参考连续冷却转变曲线图(CCT) 共析钢的CCT曲线, 临界冷却速度:Vk,测定CCT曲线比TTT曲线困难,所以定性分析多用TTT,5.3 钢的退火和正火,一、目的 是应用广泛的热处理工艺,一般作为预先 热处理工序,一些普通铸件、焊接件以及 不重要件的最终热处理工序,主要目的: 1)软化钢件,以便进行切削加工 2)消除残余应力,以防钢件的变形、开裂 3)细化晶粒,提高机械性能 4)为最终热处理作好组织准备,二、退火和正火操作及其应用,(一)退火操作及其应用 不同的退火工艺,其目的不同 1. 完全退火与等温退火 完全退火:加热 AC3+3050,随炉冷却 等温退火: AC3+3050,在鼻部等温处理 随后较快速度冷却 目的相同,等温退火的工艺周期较完全退火短,2.球化退火 用于过共析的碳钢和合金工具钢 目的:降低硬度,改善切削加工性,为以后淬火作组织准备 球化退火后的组织:渗碳体转变为颗粒状, 分布在铁素体基体上球化体,3. 去应力退火 又称低温退火 退火温度低于AC1,缓慢加热,缓慢冷却 用于消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、 冷拉件等的残余应力,(二) 正火操作及应用,亚共析钢: AC3+3050 过共析钢: Accm+3050 冷却方式:空气中冷却 应用:用于普通件,作为最终热处理 用于低、中碳钢,获得合适的硬度, 便于切削加工 用于过共析钢,可抑制网状二次渗 碳,球化退火前的处理,5.4 钢的淬火,一、目的 亚共析钢: AC3+3050 过共析钢: AC1+3050 冷却方式:以大于临界冷却速度(Vk)冷却 目的:获得马氏体,二、淬火温度的选择 亚共析钢: AC3+3050 获得细小的马氏体组织 若温度过高,组织粗大,性能降低,变形大 过共析钢: AC1+3050 获得细小马氏体和颗粒状渗碳体的混合组织 以具有高硬度和耐磨性,若温度超过ACCm: 组织粗大 变形、开裂的倾向大 渗碳体溶解得多,A中的含碳量 高,淬火后AR量多,硬度,三、淬火冷却介质 冷却能力必须大于临界冷却速度(Vk) 但不是越大越好 理想淬火介质的特征: 常见介质:水 油 盐水,四、常用淬火方法 1. 单液淬火法 2. 双液淬火法 3. 分级淬火法 获得M组织 4.等温淬火法 获得B下组织 5. 冷处理 以减少AR为目的,5.6 钢的淬透性,一、概念 淬透性:钢在淬火后能获得淬硬层深度的 能力。或 钢在淬火后获得马氏体的能力 淬硬性:钢在正常淬火条件下所能达到的 马氏体组织的最高硬度 主要取决于含碳量,二、影响淬透性的因素,决定性因素是临界冷却速度VK VK越小,淬透性越好 VK取决于C曲线的位置,C曲线右移, VK越小 所以影响C曲线的因素都影响VK ,进而影响淬透性 C,合金元素,加热温度和加热时间,三、淬透性与淬硬层深度,淬透性主要取决于化学成分,加热温度范围不大时,可看作是钢的固有属性。 淬硬层深度:与淬透性有关 还与外部条件有关,如工件尺寸, 冷却介质等,5.6 钢的回火,一、目的 淬火后的钢加热到低于AC1的温度,而后冷却的工艺 1)降低脆性,消除或减少内应力 2)获得工件所需要的性能 3)稳定工件尺寸 4)对于某些钢,降低硬度,便于切削,二、回火转变,淬火后的组织是不稳定的,有转变为稳定组织的倾向性,回火促使其转变 回火转变的四个阶段: 第一:100200 马氏体开始分解,过饱和的碳以 碳化物的形式析出,并与母相 保持共格关系,相仍为过饱和 性能:硬度降低不明显,具有高硬度,第二:200300 参与奥氏体的分解,分解为下贝氏体 马氏体继续分解 性能:马氏体继续分解导致硬度降低 参与奥氏体的分解,硬度升高 硬度变化不大,第三:250400 碳化物转变为Fe3C 碳从过饱和固溶体中析出,成为 平衡状态 此时组织为,F+Fe3C 性能:内应力大量消除,高的屈服极限,第四:400 随着温度的提高,Fe3C聚集长大 温度越高, Fe3C颗粒越大 钢的强度、硬度越低,塑性、韧性 较大提高,三、回火种类及应用,1. 低温回火(150250) 组织:回火马氏体 性能:保持淬火后的高硬度、高耐磨性 2. 中温回火(400500 ) 组织:回火屈氏体 性能:一定的韧性,高的弹性极限和 屈服极限,3. 高温回火(500650) 组织:回火索氏体 性能:良好的综合机械性能 调质处理:淬火+高温回火,表面淬火及化学热处理 通过表面处理,改善表面性能,如提高表面硬度、提高耐磨性等,而心部具有良好的塑性、韧性。 即,通过表面处理可获得“表硬心韧”工件,一、以下几种说法是否正确?为什么? 1. 过冷奥氏体的冷却速度越快,则淬火后钢的硬度越高。 2. 钢经淬火后处于硬、脆状态。 3. 钢中合金元素含量越多,则淬火后钢的硬度越高。 4. 本质细晶粒钢加热后实际晶粒比本质粗晶粒钢的细。,5. 同一种钢材在相同的加热条件下,水淬的比油淬的淬透性好。 二、用T10钢制造形状简单的冲压模,其工艺路线为: 锻造热处理1机加工热处理2磨削 试指出热处理工艺,并说明其作用。,共析钢加热到奥氏体化以后,以如下图中所示的四种方式冷却。 试指出冷却后的组织。,
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