金属材料概论第六章ppt课件.ppt

学习内容：学习内容：第一节第一节 概概 述述 第二节第二节 钢的加热组织转变钢的加热组织转变 第三节第三节 钢钢 的冷却组织转变的冷却组织转变 第四节第四节 钢的整体热处理工艺钢的整体热处理工艺学习内容学习内容：一、一、热处理的概念和作用热处理的概念和作用 二、二、热处理的分类热处理的分类 三、三、钢的相变点（临界温度）钢的相变点（临界温度）一、热处理的概念和作用一、热处理的概念和作用 ：将钢在：将钢在固态固态下下加热加热到预定的温度，并在该温到预定的温度，并在该温 度下度下保持保持一端时间，然后以一定的速度一端时间，然后以一定的速度冷却冷却 下来的一种热加工工艺。下来的一种热加工工艺。时间时间温温度度加热加热保温保温冷却冷却目的：改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能目的：改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能通过适当的热处理可显著提高钢的机械性能，通过适当的热处理可显著提高钢的机械性能，延长延长 机器零件的机器零件的使用寿命使用寿命消除消除铸锻焊等热加工工艺造成的铸锻焊等热加工工艺造成的各种缺陷各种缺陷细化细化 晶粒，消除偏析，组织均匀晶粒，消除偏析，组织均匀使工件表面具有使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀抗磨损、耐腐蚀特殊物理化学性能特殊物理化学性能二、热处理的分类二、热处理的分类1、：指对热处理件进行：指对热处理件进行，以，以 改善改善整体整体的组织和性能的处理工艺。的组织和性能的处理工艺。2、 ：指仅对：指仅对进行热处理，以进行热处理，以 改变其组织和性能的工艺。改变其组织和性能的工艺。（一）按照国家标准分为：（一）按照国家标准分为：3、：将工件置于一定温度的：将工件置于一定温度的，使一种或几种元素，使一种或几种元素渗入它的渗入它的 以改变其化学成分、组织和性能的热处以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺理工艺: 主要有主要有渗碳渗碳、渗氮渗氮、碳氮共渗碳氮共渗（一）按照国家标准分为：（一）按照国家标准分为：（二）根据热处理工艺在（二）根据热处理工艺在生产工艺流程生产工艺流程中的中的位置和作用位置和作用 不同可分为：不同可分为：1、：指在生产工艺流程中，工件经：指在生产工艺流程中，工件经切削切削 加加 工工等成形工艺而得到等成形工艺而得到最终的形状最终的形状 和尺寸后和尺寸后，再进行再进行的赋予工件所需的赋予工件所需 使用性能的热处理。使用性能的热处理。2、：指为达到工件最终热处理的要求而获指为达到工件最终热处理的要求而获 得需要的得需要的预备组织预备组织或改善工艺性能或改善工艺性能 所进行的所进行的预先热处理预先热处理。举例：某钢制零件的生产工艺路线：举例：某钢制零件的生产工艺路线：备料备料铸造或锻造（铸件或锻件）铸造或锻造（铸件或锻件）预备热处理预备热处理退火或正火退火或正火切削加工切削加工最终热处理最终热处理精机械加工精机械加工装配装配机械产品机械产品三、钢的相变点（临界温度）三、钢的相变点（临界温度）钢在加热或冷却时可发生钢在加热或冷却时可发生类类似纯铁的同素异构转变似纯铁的同素异构转变发生固态相变发生固态相变钢可以进行热处理钢可以进行热处理金属或合金在加热或冷却过程中发生相变的温度金属或合金在加热或冷却过程中发生相变的温度 临界点临界点共析钢发生共析钢发生 P 与与 A 之间的相互转变之间的相互转变亚共析钢发生先共析亚共析钢发生先共析 F 完全溶入完全溶入A 或先共析或先共析 F开始从开始从 A 中析出中析出的转变的转变过共析钢发生过共析钢发生先共析先共析渗碳体完全溶入渗碳体完全溶入 A 或或开始开始从从 A 中析出中析出转变转变、 称为钢在称为钢在缓慢加热缓慢加热和冷却和冷却过程中组织转变的相变点过程中组织转变的相变点钢在热处理时出现钢在热处理时出现滞后现象滞后现象 实际转变温度实际转变温度偏离偏离平衡临界温度平衡临界温度过热度（加热时）和过热度（加热时）和 过冷度（冷却时）过冷度（冷却时）：实际加热条件实际加热条件下的相变点下的相变点 ：实际冷却条件实际冷却条件下的相变点下的相变点、 ：平衡条件平衡条件下的相变点下的相变点加热和冷却时碳钢的加热和冷却时碳钢的相变点在相变点在 Fe - Fe3C 相图上的位置相图上的位置：钢进行热处理时首先要钢进行热处理时首先要加热加热，使其全部，使其全部 或部分转变为或部分转变为，并使成分均，并使成分均 匀化。这种转变称为匀化。这种转变称为“奥氏体奥氏体”化。化。加热时形成的加热时形成的的的化学成分化学成分、均匀化程度均匀化程度及及晶晶粒大小粒大小直接影响到钢冷却后的直接影响到钢冷却后的组织和性能组织和性能 ! !727一、奥氏体化过程及影响因素一、奥氏体化过程及影响因素转变反应式：转变反应式：ACFeFCCCAc面心立方正交晶格体心立方%77.0%69.6%0218.013 晶格改组晶格改组和和 Fe、C 原子的原子的扩散扩散过程过程 遵循形核、长大规律遵循形核、长大规律 （一）奥氏体的形成（一）奥氏体的形成共析钢中奥氏体的共析钢中奥氏体的形成形成四个基本过程四个基本过程1 a奥氏体晶核优先在奥氏体晶核优先在铁素体铁素体与与渗碳体渗碳体的相界面的相界面上形成。上形成。(相界上原子排列紊乱相界上原子排列紊乱, 缺陷较多缺陷较多, 能量较高能量较高, 碳含量介碳含量介于于F与与Fe3C之间之间)A奥氏体晶粒长大奥氏体晶粒长大 AA渗碳体的渗碳体的溶解溶解碳在碳在 A 和和 F 中的中的扩散扩散 F 继续向继续向 A 转变转变进行进行CA - Fe3C CA - FA中出现中出现碳浓度梯度碳浓度梯度C在在A总总不断由高浓度向低浓度扩散不断由高浓度向低浓度扩散2 bFe3CFe3CF碳碳 浓浓 度度珠光体片间距珠光体片间距A破坏平衡破坏平衡促使促使 F 向向A转变转变及及渗碳体的溶解渗碳体的溶解破坏平衡破坏平衡恢复平衡恢复平衡F全部转变为全部转变为A奥氏体长大奥氏体长大Fe3CFe3CF碳碳 浓浓 度度珠光体片间距珠光体片间距AA3 c 向向转变的转变的速度速度 向向 的的溶解溶解渗碳体的渗碳体的 结构和含碳量与结构和含碳量与A 差别很大差别很大在在 全部消失后仍有全部消失后仍有部分渗碳体尚未溶解部分渗碳体尚未溶解，需要采用，需要采用 延长保温时间延长保温时间使残余渗碳体不断溶入使残余渗碳体不断溶入 ，直至全部，直至全部 消失为止。消失为止。4奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化渗碳体完全溶解后渗碳体完全溶解后,A中碳浓度的中碳浓度的分分布不均匀布不均匀。原先渗碳体的地方碳浓。原先渗碳体的地方碳浓度较度较高高，铁素体的地方碳浓度较，铁素体的地方碳浓度较低低;只有继续只有继续延长保温时间延长保温时间，通过碳，通过碳原子的扩散原子的扩散,奥氏体奥氏体成分均匀化成分均匀化亚共析钢室温组织：亚共析钢室温组织：P+FT加热加热 Ac1 P 转变为转变为A；提高加热温度和延长保温时间提高加热温度和延长保温时间 过剩过剩 F 转变为转变为 A;T加热加热 Ac3 F 完全消失，生成细小的完全消失，生成细小的 A 颗粒颗粒（二）珠光体向奥氏体转变的影响因素（二）珠光体向奥氏体转变的影响因素1 1 加热温度加热温度随加热温度随加热温度 碳原子扩散速度碳原子扩散速度 ，奥氏体中碳，奥氏体中碳浓度梯度大浓度梯度大 奥氏体化奥氏体化速度加快速度加快加热速度加热速度 ，过热度，过热度 ，发生转变的温度越高，转，发生转变的温度越高，转变温度范围越宽，奥氏体完成转变所需变温度范围越宽，奥氏体完成转变所需时间越短时间越短2 2 加热速度加热速度原始珠光体中的渗碳体为原始珠光体中的渗碳体为层片状层片状比比粒状粒状更容易形成更容易形成奥氏体奥氏体，因为它们的，因为它们的相界面积较大相界面积较大，形成奥氏体晶，形成奥氏体晶核的几率高。核的几率高。3 3 原始组织原始组织钢中的碳含量钢中的碳含量 ，奥氏体形成速度越快，奥氏体形成速度越快 C% ， 铁素体和渗碳体的相界面增加，使形核率铁素体和渗碳体的相界面增加，使形核率 。4 4 钢的成分钢的成分钢加热时钢加热时, 奥氏体晶粒的大小直接影响到热处理后钢奥氏体晶粒的大小直接影响到热处理后钢的性能的性能 奥氏体奥氏体晶粒晶粒越越细小细小，钢热处理后的强度、，钢热处理后的强度、塑性和韧性均塑性和韧性均较高较高。（一）（一）奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度衡量晶粒大小的尺度衡量晶粒大小的尺度描述方法：以描述方法：以单位面积内单位面积内晶粒的数目或以每个晶晶粒的数目或以每个晶 粒的平均面积与平均直径来描述奥氏粒的平均面积与平均直径来描述奥氏 体晶粒大小。体晶粒大小。实际生产中：采用金相组织放大实际生产中：采用金相组织放大100倍倍与与八级晶粒度八级晶粒度标标 准金相图片准金相图片相比较的方法测量相比较的方法测量确定晶粒度级别确定晶粒度级别 N N,单位面积内晶粒数越单位面积内晶粒数越， 晶粒尺寸晶粒尺寸越小越小八八 级级 奥奥 氏体氏体 晶晶 粒粒 度度 标标 准准粗粗晶晶粒粒细细晶晶粒粒（二）（二）奥氏体奥氏体晶粒晶粒的大小的控制的大小的控制奥氏体奥氏体实际晶粒实际晶粒细小细小 = 冷却后冷却后转变产物转变产物的组织的组织细小细小强度、塑性和韧性强度、塑性和韧性冷脆转变温度冷脆转变温度需获得细小而均匀的奥氏体晶粒需获得细小而均匀的奥氏体晶粒保证热处理产物质量保证热处理产物质量（二）奥氏体（二）奥氏体晶粒晶粒的大小的控制的大小的控制加热温度加热温度越越、保温时间、保温时间越越，奥氏体晶粒长得，奥氏体晶粒长得越越；1 1 加热温度和保温时间加热温度和保温时间22加热速度加热速度加热速度越加热速度越 过热度越过热度越，奥氏体的实际形成温度，奥氏体的实际形成温度越越，形核率形核率 长大速度长大速度 获得细小的起始晶粒获得细小的起始晶粒生产上采用生产上采用短时快速短时快速加热工艺是加热工艺是获得超细化晶粒的重要手段之一获得超细化晶粒的重要手段之一3 3 钢的化学成钢的化学成分分一定含碳量范围内，一定含碳量范围内，C%，晶粒长大倾向，晶粒长大倾向C在奥氏体中扩散速度在奥氏体中扩散速度当含碳量超过一定量后当含碳量超过一定量后 C以未溶碳以未溶碳化物的形式存在化物的形式存在作为作为第二相第二相阻碍晶阻碍晶粒长大粒长大 减少减少奥氏体晶粒长大倾向奥氏体晶粒长大倾向Al ：钢中的：钢中的Al 能形成难溶的能形成难溶的AlN质点在晶界上弥质点在晶界上弥 散析出散析出 阻碍加热时奥氏体晶界的迁移，阻碍加热时奥氏体晶界的迁移， 细化晶粒（细化晶粒（Al% : 0.02% 0.04%）Ti, Zr, V, Nb等：在钢中能形成高熔点的弥散碳化等：在钢中能形成高熔点的弥散碳化 物和氮化物物和氮化物 阻碍晶粒长大阻碍晶粒长大3 3 钢的化学成分钢的化学成分