材料科学与工程专业金属热处理原理及工艺淬火与回火.pptx

一、回火时钢的组织转变一、回火时钢的组织转变 随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化：马氏体中碳原子偏聚（100以下）马氏体的分解（100250）产物：M回 残余奥氏体的转变（200300）产物：M回（主要）+B下（微量）碳化物析出和转变（250400）产物：T回 相状态变化及碳化物聚集长大（400)产物：S回第1页/共57页一、回火时组织转变一、回火时组织转变 按回火温度划分如下阶段，但各阶段也不是单独发按回火温度划分如下阶段，但各阶段也不是单独发生，而是相互重叠的。生，而是相互重叠的。1.碳原子偏聚（时效阶段）碳原子偏聚（时效阶段）(100以下以下)由于淬火马氏体为过饱和固溶体，组织中有大量亚结构。由于淬火马氏体为过饱和固溶体，组织中有大量亚结构。位错马氏体，低温下位错马氏体，低温下C、N原子短程扩散到位错线附近原子短程扩散到位错线附近孪晶马氏体，低温下孪晶马氏体，低温下C、N原子短程扩散聚集到某一晶原子短程扩散聚集到某一晶面面第2页/共57页第3页/共57页 （1 1）高碳马氏体分解）高碳马氏体分解 a.a.马氏体双相分解（马氏体双相分解（100100150 150 ）当当温温度度低低于于150150时时，回回火火后后可可出出现现两两种种不不同同正正方方度度的的M M。2.马氏体分解（100-250 ）回火温度回火温度 回火时间回火时间 acc/a碳含量碳含量(%)室室 温温 10d2.846 3.02 1.062 1.4 1001h2.846 3.02 1.062 1.21251h2.846 2.886 1.013 0.291501h2.852 2.886 1.0120.271751h2.8572.8841.0090.212001h2.8592.878 1.0060.14 2251h2.861 2.8741.0040.082501h2.8632.8721.0030.06含碳含碳 1.4%1.4%的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化第4页/共57页 双相分解机制双相分解机制：a)a)在在碳碳原原子子的的富富集集区区，形形成成碳碳化化物物核核，周周围围碳碳原原子子的的扩扩散散促促使使其其长长大大。但但由由于于温温度度低低，进进行行的的仅仅仅仅是是近近程程扩扩散散，从从而而形形成成具具有有二二个个浓浓度度的的相相，析析出出的的碳碳化化物物粒粒子子也也不不易易长长大。大。b)b)在在高高碳碳区区继继续续形形成成新新核核，随随时时间间延延长长，高高碳碳区区逐逐渐渐变成低碳区，高碳区减少。变成低碳区，高碳区减少。c)c)低低碳碳区区增增多多，平平均均成成分分将将至至0.250.25 0.3%0.3%，与与原原始始碳碳量、分解温度无关。量、分解温度无关。第5页/共57页 b.b.b.b.马氏体单相分解马氏体单相分解马氏体单相分解马氏体单相分解（150-250 ）当温度高于当温度高于150150时，时，碳原子扩散能力加大，碳原子扩散能力加大，相中不同浓度可通过长程相中不同浓度可通过长程扩散消除，析出的碳化物扩散消除，析出的碳化物粒子可从较远处得到碳原粒子可从较远处得到碳原子而长大。故在分解过程子而长大。故在分解过程中，不再存在两种不同碳中，不再存在两种不同碳含量的含量的相，碳含量和正相，碳含量和正方度不断下降，当温度达方度不断下降，当温度达300300时，正方度时，正方度c c/a a接近接近1 1。（1）高碳马氏体分解 2.马氏体分解（100-250 ）第6页/共57页 （2 2）低碳及中碳马氏体的分解）低碳及中碳马氏体的分解 低碳钢及中碳钢低碳钢及中碳钢M MS S点高，淬火过程中会发生碳原子点高，淬火过程中会发生碳原子偏聚及碳化物析出，这一特征称为偏聚及碳化物析出，这一特征称为自回火自回火自回火自回火。淬火后，。淬火后，在在150150回火时，不再发生碳化物的析出。当回火温度回火时，不再发生碳化物的析出。当回火温度高于高于200200时，发生单相分解析出碳化物。中碳钢正常时，发生单相分解析出碳化物。中碳钢正常淬火得到板条与片状马氏体的混合组织，并有低碳、淬火得到板条与片状马氏体的混合组织，并有低碳、高碳马氏体特征。高碳马氏体特征。2.马氏体分解（100-250 ）第7页/共57页6007005003004002001000-100-2000.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00温温度度 Wc 100MsMf第8页/共57页 总总之之，这这一一阶阶段段转转变变完完成成后后，钢钢的的组组织织是是由由有有一一定定过过饱饱和和度度的的固固溶溶体体和和与与其其有有共共格格关关系系的的碳碳化化物物所所组组成成的的复相混合组织，称为回火马氏体复相混合组织，称为回火马氏体(如图如图)。M M回回（-碳化物）碳化物）在普通金相显微镜下，观察不出回火马氏体中的在普通金相显微镜下，观察不出回火马氏体中的碳化物。回火马氏体在形态上与淬火马氏体相似，但回火碳化物。回火马氏体在形态上与淬火马氏体相似，但回火马氏体易腐蚀，呈黑色组织。马氏体易腐蚀，呈黑色组织。产物：回火马氏体。性能：保留高硬度第9页/共57页20202020钢钢钢钢980980980980淬火淬火淬火淬火+200+200+200+200回火组织（回火组织（回火组织（回火组织（400400400400倍）倍）倍）倍）第10页/共57页T12T12T12T12钢钢钢钢1100110011001100淬火淬火淬火淬火+200+200+200+200回火组织（回火组织（回火组织（回火组织（400400400400倍）倍）倍）倍）M回回+Ar第11页/共57页T12T12T12T12钢钢钢钢780780780780淬火淬火淬火淬火+200+200+200+200回火组织（回火组织（回火组织（回火组织（400400400400倍倍倍倍）M回回+碳化物碳化物+Ar第12页/共57页碳化物碳化物第13页/共57页3.残余奥氏体分解（200-300 ）在在200200300300之之间间,钢钢中中的的残残余余奥奥氏氏体体将将发发生生分分解解，转变为回火马氏体或下贝氏体。其转变可用下式表示：转变为回火马氏体或下贝氏体。其转变可用下式表示：Ar MAr MAr MAr M回回回回或或或或 B B B B下下下下（碳化物）碳化物）碳化物）碳化物）碳化物可能是碳化物可能是FexC FexC，也可能是，也可能是Fe3C Fe3C。钢钢淬淬火火后后的的残残余余奥奥氏氏体体，与与过过冷冷奥奥氏氏体体同同属属亚亚稳稳组组织，但二者仍有不同点，如：织，但二者仍有不同点，如：(1)(1)已已发发生生的的转转变变会会对对残残奥奥氏氏体体带带来来影影响响，如如马马氏氏体体条条间间的的残残余余奥奥氏氏体体含含碳碳量量就就大大大大高高于于平平均均含含碳碳量量，已已转变的马氏体会使残奥处于三向压应力状态等。转变的马氏体会使残奥处于三向压应力状态等。(2)(2)回回火火过过程程中中，马马氏氏体体将将继继续续转转变变，这这必必然然影影响响到残余奥氏体的转变。到残余奥氏体的转变。第14页/共57页回火屈氏体4.碳化物的转变（碳化物的转变（250-400 ）亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在。亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在。高碳钢高碳钢：M M+M+M+M+M+（稳定的回火屈氏体）中碳钢：M M+M+（稳定的回火屈氏体）低碳钢：M 位错处偏聚 M+（稳定的回火屈氏体）产物：回火屈氏体（饱和相细小粒状渗碳体）第15页/共57页 综上所述综上所述 1.1.板条马氏体板条马氏体 马氏体中的马氏体中的碳碳原子全部析出，在原原子全部析出，在原马氏体内或晶界上析出渗碳体。马氏体内或晶界上析出渗碳体。相仍保持原相仍保持原M M的形态。的形态。2.2.片片 状状 马马 氏氏 体体 碳碳 化化 物物 溶溶 解解，形形 成成 碳碳 化化 物物（FeFe5 5C C2 2），碳碳化化物物再再转转变变成成渗渗碳碳体体。碳碳化化物物仍仍与与基基体体保保持持共共格格关关系系。渗渗碳碳体体与与基基体体无无共共格格关关系系。相相中的孪晶亚结构消失。中的孪晶亚结构消失。这这一一阶阶段段转转变变完完成成后后,钢钢的的组组织织由由饱饱和和的的针针状状相相和和细细小小粒粒状状的的渗渗碳碳体体组组成成，这这种种组组织织称称为为回回火火屈屈氏氏体体。回火屈氏体仍保持原马氏体的形态，但模糊不清。回火屈氏体仍保持原马氏体的形态，但模糊不清。第16页/共57页5.相状态变化和碳化物聚集长大（相状态变化和碳化物聚集长大（400-700 ）主要发生如下变化：主要发生如下变化：内应力消除：内应力消除：宏观区域性内应力（工件内外），宏观区域性内应力（工件内外），550 全部消除；全部消除；微观区域性内应力（晶粒之间），微观区域性内应力（晶粒之间），500 基本消除；基本消除；晶格弹性畸变应力（碳过饱和），晶格弹性畸变应力（碳过饱和），转变完即消除。转变完即消除。回复与再结晶：回复与再结晶：回火使亚结构（位错、孪晶）消失；板条和回火使亚结构（位错、孪晶）消失；板条和片状马氏体特征保留（回复）、消失（再结晶）。片状马氏体特征保留（回复）、消失（再结晶）。碳化物聚集长大：碳化物聚集长大：原棒状、片状、粒状渗碳体消失、溶解，原棒状、片状、粒状渗碳体消失、溶解，并逐渐球化长大，越来越粗大。并逐渐球化长大，越来越粗大。产物：产物：等轴状铁素体均匀的球状碳化物等轴状铁素体均匀的球状碳化物 回火索氏体。回火索氏体。第17页/共57页回火索氏体回火索氏体第18页/共57页回火组织回火组织（M M回回、T T回回、S S回回）比较比较第19页/共57页回火组织（回火组织（M M回回、T T回回、S S回回）比较）比较第20页/共57页T8T8钢的回火组织钢的回火组织（M M回回、T T回回、S S回回）第21页/共57页问题：1、回火组织M回、T回、S回的性能有何差别？2、T回与T、S回与S，在组织和性能上有何差别？第22页/共57页二、回火组织机械性能二、回火组织机械性能 回火组织机械性能取决于回火组织回火组织机械性能取决于回火组织第23页/共57页硬度硬度第24页/共57页强度第25页/共57页碳钢淬火后回火时的力学性能的变化总结碳钢淬火后回火时的力学性能的变化总结碳钢淬火后回火时的力学性能的变化总结碳钢淬火后回火时的力学性能的变化总结 钢在回火时力学性能变化如下：钢在回火时力学性能变化如下：（1 1 1 1）硬度）硬度）硬度）硬度：回火时硬度变化的总趋势是随回火温度的升高而下降：回火时硬度变化的总趋势是随回火温度的升高而下降但低、中碳钢在但低、中碳钢在250 250 以下回火硬度下降不多，高碳钢在以下回火硬度下降不多，高碳钢在100100回火时回火时硬度略有上升，出现一个峰值。硬度略有上升，出现一个峰值。250 250 以上回火硬度持续下降。以上回火硬度持续下降。（2 2 2 2）强强强强度度度度和和和和塑塑塑塑性性性性：回回火火时时强强度度变变化化的的趋趋势势是是随随回回火火温温度度的的升升高高，强强度度（bb、ss、S SK K）不不断断下下降降，塑塑性性（、）不不断断升升高高。但但低低温温回回火火时时强强度度略略有有上上升升，塑塑性性基基本本不不变变。弹弹性性极极限限ee在在300300400400有有一一峰峰值。值。（3 3 3 3）韧性）韧性）韧性）韧性：回火时韧性变化的趋势是随回火温度的升高，韧性升：回火时韧性变化的趋势是随回火温度的升高，韧性升高，但合金钢的韧性升高是不连续的，在高，但合金钢的韧性升高是不连续的，在T-aT-aK K和和 T-KT-KICIC曲线上出现两个曲线上出现两个谷值，即谷值，即回火脆性回火脆性。（4 4 4 4）高碳钢淬火裂纹）高碳钢淬火裂纹）高碳钢淬火裂纹）高碳钢淬火裂纹：回火时可发生自动：回火时可发生自动“焊合焊合”，消除或减少，消除或减少裂纹。裂纹。第26页/共57页 随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化：马氏体中碳原子偏聚（100以下）马氏体的分解（100250）产物：M回 残余奥氏体的转变（200300）产物：M回（主要）+B下（微量）碳化物析出和转变（250400）产物：T回 相状态变化及碳化物聚集长大（400)产物：S回第27页/共57页三、合金元素对回火的影响三、合金元素对回火的影响 合金元素对钢回火时组织转变的影响表现在：1.延缓钢的软化，提高钢的回火抗力；2.引起二次硬化现象；3.影响钢的回火脆性。第28页/共57页1、提高钢的回火抗力、提高钢的回火抗力第29页/共57页1.1.提高钢的回火抗力提高钢的回火抗力MeMe对低温回火的影响较小对低温回火的影响较小中中、高高温温下下，MeMe阻阻碍碍碳碳的的扩扩散散，显显著著提提高高了了马马氏氏体体的分解温度。的分解温度。MeMe可阻止碳化物长大和可阻止碳化物长大和F F等轴化，延缓了硬度的下降。等轴化，延缓了硬度的下降。发发生生二二次次淬淬火火现现象象。某某些些高高合合金金钢钢（如如高高速速钢钢）中中的的ArAr十十分分稳稳定定，在在回回火火加加热热时时ArAr发发生生部部分分分分解解，导导致致ArAr稳稳定定性性下下降降，在在随随后后的的快快速速冷冷却却过过程程中中剩剩余余的的ArAr转转变变为为马马氏氏体体，使使钢钢的的硬硬度度有有较较大大提提高高，这这种种现现象象称称为为二二二二次淬火次淬火次淬火次淬火。第30页/共57页2、引起二次硬化定义：定义：某些淬火钢在某些淬火钢在500650回回火后硬度又增加的现象。火后硬度又增加的现象。本质：本质：合金碳化物的弥散强化合金碳化物的弥散强化意义：意义：红硬性、高温强度红硬性、高温强度第31页/共57页Mo钢中碳化物在550时产生二次硬化。第32页/共57页高速钢三次高速钢三次560560回火，在回火，在560560回火时回火时 ,产生二次硬化产生二次硬化第33页/共57页合金钢回火时碳化物析出序列合金钢回火时碳化物析出序列第34页/共57页四、回火脆性四、回火脆性 在某些温度区间回火时，钢的韧性显著下降的现象。第35页/共57页 第一类（低温）回火脆性:l是指淬火钢在250-400回火时出现的脆性。l l特征特征:不可逆；与冷速无关，与回火时间无关。不可逆；与冷速无关，与回火时间无关。l当出现了第一类回火脆性后，再加热到较高温度回火，可将脆性消除；如再在此温度范围回火，就不会出现这种脆性。故称之为不可逆回火脆性不可逆回火脆性。l只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。l除弹簧钢之外，其它零件淬火后应避免在250400回火。第36页/共57页第37页/共57页第二类（高温）回火脆性：（450650）是指淬火钢在450-650范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。多发生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金钢中，特征:可逆性，与冷速有关（快冷不产生），可逆性，与冷速有关（快冷不产生），与回火时间有关（回火时间、脆性增加），与回火时间有关（回火时间、脆性增加），预防措施：（1）高温回火后，在水中快速冷却。一般适用于较小截面的零件。（2）加入降低回火脆性倾向的元素Mo或W。适用大截面零件或合金钢(如Cr-Ni钢等)。影响因素：影响因素：成分，碳钢一般不出现成分，碳钢一般不出现 第38页/共57页五、回火工艺五、回火工艺包括：包括：加热温度加热温度 保温时保温时间间 冷却方冷却方法法 回火方回火方法法第39页/共57页回火温度的确定回火温度的确定1、低温回火、低温回火回火温度：回火温度：150250组织转变：组织转变：从马氏体中从马氏体中析出细片状析出细片状-碳化物；碳化物；AR分解为分解为 -碳化物低碳碳化物低碳M。第40页/共57页这种在马氏体基体上分这种在马氏体基体上分布着细片状碳化物的组布着细片状碳化物的组织称为回火马氏体，用织称为回火马氏体，用M回回表示。表示。目的：目的：保留淬火后高硬保留淬火后高硬度、度、高耐磨性的同时，高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。l用途：处理各种工具、模具、量具、轴承（高碳、高碳高合金钢）及经渗碳（氮）和表面淬火的工件。第41页/共57页2、中温回火、中温回火 回火温度：回火温度：350-500 组织转变：组织转变：-碳化物转碳化物转变为变为Fe3C。到。到350,马马氏体中的氏体中的含碳量已降到含碳量已降到铁素体的平衡成分，内铁素体的平衡成分，内应力大量消除。应力大量消除。回火屈氏体 lM回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C的组织，称为回火屈氏体，用T回表示。第42页/共57页回回火火屈屈氏氏体体组组织织具具有有较较高高的的弹弹性性极极限限和和屈屈服服极极限限，并并具具有有一一定定的的韧韧性性，硬度一般为硬度一般为3545HRC3545HRC。l主要用于各类弹簧的热处理。汽车板簧汽车板簧热卷弹簧热卷弹簧第43页/共57页回火索氏体回火索氏体3 3、高温回火、高温回火 回火温度：回火温度：500-650 500-650 组织转变：组织转变：FeFe3 3C C发生聚集长大，铁素体发生多边形化。发生聚集长大，铁素体发生多边形化。l这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。第44页/共57页回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。的强度同时，具有良好的塑性和韧性。通常把淬火高温回火的热处理工艺称作通常把淬火高温回火的热处理工艺称作“调质处理调质处理”，简称简称“调质调质”。l调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。柴油机连杆柴油机连杆第45页/共57页具有二次硬化效应的高合金钢，采用高温回火来获得高硬具有二次硬化效应的高合金钢，采用高温回火来获得高硬度、高耐磨性和红硬性。度、高耐磨性和红硬性。但必须与恰当的淬火工艺配合。但必须与恰当的淬火工艺配合。高温回火还需进行一次低温回火，以消除二次淬火马氏体高温回火还需进行一次低温回火，以消除二次淬火马氏体第46页/共57页回火时间回火时间冷却方式冷却方式：回火后通常在空气中冷却。回火后通常在空气中冷却。对于第二类回火脆性倾向大的合金钢，中、高温回火后需对于第二类回火脆性倾向大的合金钢，中、高温回火后需 快冷（水或油冷）快冷（水或油冷）第47页/共57页用途 组 织 性 能温度()名 称耐磨件 回火马氏体 高硬度 5864HRC150250低温回火弹簧等回火屈氏体 高弹性 3545HRC 350500中温回火调质件回火索氏体 良好综合 力学性能500650高温回火 淬火淬火+高温回火高温回火=调质处理调质处理调质处理用于各种重要结构零件，如轴、连杆等调质处理用于各种重要结构零件，如轴、连杆等第48页/共57页 回火方法回火方法普通回火普通回火局部回火局部回火电热回火电热回火自回火自回火带温回火带温回火第49页/共57页6 6、回火转变产物与过冷、回火转变产物与过冷A A分解产物的区别分解产物的区别 回回火火转转变变产产物物与与过过冷冷奥奥氏氏体体分分解解产产物物的的（在在组组织织、性能等方面的）区别：性能等方面的）区别：1.1.回火马氏体、下贝氏体、马氏体回火马氏体、下贝氏体、马氏体 2.2.回火索氏体、索氏体回火索氏体、索氏体 3.3.屈氏体、回火屈氏体屈氏体、回火屈氏体 4.4.粒状珠光体、回火索氏体粒状珠光体、回火索氏体 5.5.回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体（来源、（来源、（来源、（来源、组织形态和结构、性能）组织形态和结构、性能）组织形态和结构、性能）组织形态和结构、性能）第50页/共57页回火索氏体和索氏体在组织和性能上的差别回火索氏体和索氏体在组织和性能上的差别回火索氏体综合力学性能回火索氏体综合力学性能优于索氏体优于索氏体第51页/共57页回火马氏体和下贝氏体在性能上的差别回火马氏体和下贝氏体在性能上的差别下贝综合性能优于下贝综合性能优于回火马氏体回火马氏体第52页/共57页7、回火缺陷、回火缺陷硬度不合格硬度不合格韧性过低韧性过低第53页/共57页本 章 小 结 1、掌握淬火温度的确定原则、掌握淬火温度的确定原则 2、熟悉常见的淬火冷却方法。、熟悉常见的淬火冷却方法。3、有物态变化冷却介质的冷却机理，熟悉常见冷却介质、有物态变化冷却介质的冷却机理，熟悉常见冷却介质 4、掌握淬透性、淬硬性的概念，掌握淬透性曲线的分析方、掌握淬透性、淬硬性的概念，掌握淬透性曲线的分析方法法 5、淬火时的主要缺陷，产生缺陷的原因及预防的方法。、淬火时的主要缺陷，产生缺陷的原因及预防的方法。6、回火的定义、目的、回火的定义、目的 7、掌握淬火钢的回火时的组织转变的五个阶段：、掌握淬火钢的回火时的组织转变的五个阶段：8、熟悉淬火钢回火时力学性能的变化、熟悉淬火钢回火时力学性能的变化 （1）回火时强度、硬度、塑性、韧性、淬火裂纹等的变化）回火时强度、硬度、塑性、韧性、淬火裂纹等的变化 （2）合金元素对钢回火时组织转变和性能的影响）合金元素对钢回火时组织转变和性能的影响 （3）回火脆性：类型、特征、减小和防止方法）回火脆性：类型、特征、减小和防止方法 9、掌握低、中、高温回火的产物、性能及应用范围。、掌握低、中、高温回火的产物、性能及应用范围。10、回火转变产物与过冷奥氏体分解产物在组织、性能等回火转变产物与过冷奥氏体分解产物在组织、性能等方面的区别方面的区别 第54页/共57页习题：1、钢在加热时，由于加热不当常出现那些缺陷？2、高碳钢淬火时容易变形和开裂的原因时什么？如何减少淬火冷却过程中的变形和开裂？3、回火可以分为哪三种？分别适用于哪三类零件？4、什么是钢的淬透性，淬硬性？影响钢的淬透性，淬硬性及淬透层深度的因素是什么？5、试述亚共析钢和过共析钢淬火加热温度的选择原则。为什么过共析钢淬火加热温度不能超过Accm线？6、简述碳钢在回火时的组织转变过程及相应性能变化，并简述合金元素对于回火转变的影响 7、何为第一类回火脆性和第二类回火脆性?如何消除？8、什么是淬火临界冷却速度？第55页/共57页1010、指指出出下下列列工工件件在在淬淬火火后后回回火火时时采采用用的的回回火火温温度度，并并说明其大致的硬度。说明其大致的硬度。(1)45(1)45、40Cr40Cr钢钢(要求较高的综合力学性能要求较高的综合力学性能)；(2)60(2)60、6565钢钢(60Si2Mn)(60Si2Mn)钢弹簧；钢弹簧；(3)T12(3)T12、T10T10钢锉刀；钢锉刀；11、有物态变化的淬火介质的冷却特性和冷却机理如何？第56页/共57页感谢您的观看！第57页/共57页