第八章 钢的热处理原理PPT讲稿.ppt
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1、第八章 钢的热处理原理第1页,共123页,编辑于2022年,星期三8.1 概述一、热处理的作用n热处理是将钢在固态下加热到预定的温度,保温一定的时间,然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺。其工艺曲线如图所示。第2页,共123页,编辑于2022年,星期三热处理的作用(目的)n通过热处理可以改变钢的内部组织结构,从而改善其工艺性能和使用性能,充分挖掘钢材的潜力,延长零件的使用寿命,提高产品质量,节约材料和能源。n正确的热处理工艺还可以消除钢材经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷,细化晶粒、消除偏析、降低内应力,使组织和性能更加均匀。n热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。n可使工作
2、表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。第3页,共123页,编辑于2022年,星期三最终热处理和预备热处理n在生产工艺流程中,工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后,再进行的赋于工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。n而将热加工后为随后冷拔、冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理称为预备热处理。第4页,共123页,编辑于2022年,星期三热处理的应用n热处理是一种重要的金属加工工艺,在机械制造工业中被广泛地应用着。例如:汽车、拖拉机工业中需要进行热处理的零件占70-80,机床工业中占60-70 ,而轴承及各种工模具则达100。如果把预备热处理也包括进去,几乎所有的零件都需
3、要进行热处理。第5页,共123页,编辑于2022年,星期三二、热处理与相图n钢之所以能进行热处理,是由于钢在固态下具有相变(溶解度显著变化或类似纯铁的同素异构转变),在固态下不发生相变的纯金属或某些合金则不能用热处理的方法强化,只能采用加工硬化(形变强化)的方法。第6页,共123页,编辑于2022年,星期三钢的临界温度n虽然铁碳相图对研究钢的相变和制定热处理工艺有重要参考价值,但是对钢进行热处理时不仅要考虑温度因素,还必须考虑时间和速度的重要影响。因为所有的固态转变过程都是通过原子的迁移来进行的,而原予的迁移需要时间,没有足够的时间,转变就不能充分进行,其结果只能得到不稳定的非平衡组织(过渡型
4、组织)。第7页,共123页,编辑于2022年,星期三冷却速度对钢从奥氏体冷却转变的影响n缓慢冷却:珠光体P(+Fe3C)温度较高,C,Fe扩散充分,接近平衡浓度n较快冷却:贝氏体B(+Fe3C)Fe原子扩散难,C尚能扩散,相中C浓度比平衡浓度高,Fe3C的分散度大。n很快冷却(水冷淬火):马氏体M Fe,C扩散能力极低,不能分解为+Fe3C,只能形成成分与相同的相(相),这种C在Fe中的过饱和固溶体叫做马氏体。第8页,共123页,编辑于2022年,星期三三 固态相变的特点n固态相变与液态结晶相比,有一些规律是相同的。例如,相变的驱动力都是新、旧两相之间的自由能差;相变都包含形核和长大两个基本过
5、程。n但是,固态相变是由固相转变为固相,新相和母相都是晶体,因此又与结晶有着显著不同的特点第9页,共123页,编辑于2022年,星期三固态相变的特点n相变阻力大 体积变化增加应变能,扩散困难,需要更大的过冷度。n新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系n母相晶体缺陷对相变有促进作用n易出现过渡相(亚稳定相):M,Fe3C第10页,共123页,编辑于2022年,星期三四 固态相变的类型根据生核和长大的特点n扩散型相变:P转变n非扩散(切变)型相变:M转变n过渡型相变:B转变第11页,共123页,编辑于2022年,星期三8.2 钢在加热时的转变n为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能,大多数热
6、处理工艺都必须先将钢加热至临界温度以上,获得奥氏体组织,然后再以适当方式(或速度)冷却,以获得所需要的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。n加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物等过剩相的数量、分布状况等都对钢的冷却转变过程及转变产物的组织和性能产生重要的影响。因此,研究钢在加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。第12页,共123页,编辑于2022年,星期三一、共析钢奥氏体的形成过程n 珠光体是由含碳量很高(Wc6.69)、具有复杂晶格的渗碳体和含碳量很低(0.0218)、具有体心立方晶格的铁素体组成的,要转变为含碳量介
7、于二者之间、具有面心立方晶格的奥氏体,三者的含碳量和晶体结构都相差很大。因此,奥氏体的形成过程包括碳的扩散重新分布和铁素体向奥氏体的晶格重组。第13页,共123页,编辑于2022年,星期三珠光体向奥氏体的转变过程n共析钢的珠光体到奥氏体的转变包括以下四个阶段:奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体均匀化。第14页,共123页,编辑于2022年,星期三1 奥氏体的形核n奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是因为在相界面上碳浓度分布不均匀,位错密度较高、原子排列不规则,处于能量较高的状态,容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。n珠光体群边界也可能成为奥氏体
8、的形核部位。n在快速加热时,由于过热度大,奥氏体临界晶核半径小,相变所需的浓度起伏小,这时,也可能在铁素体亚晶界上形核。第15页,共123页,编辑于2022年,星期三C在A和F中的扩散第16页,共123页,编辑于2022年,星期三n实验研究发现,由于奥氏体的长大速度受碳的扩散控制,并与相界面碳浓度差有关。铁素体与奥氏体相界面碳浓度差()远小于渗碳体与奥氏体相界面上的碳浓度差()。在平衡条件下,一份渗碳体溶解将促使几份铁素体转变。因此,铁素体向奥氏体转变的速度远比渗碳体溶解速度快得多。转变过程中珠光体中总是铁素体首先消失。当铁素体全部转变为奥氏体时,可以认为,奥氏体的长大即完成。但此时仍有部分渗
9、碳体尚未溶解,剩余在奥氏体中。这时奥氏体的平均碳浓度低于共析成分。第17页,共123页,编辑于2022年,星期三3 剩余渗碳体溶解n铁素体消失以后,随着保温时间延长或继续升温,剩余在奥氏体中的渗碳体通过碳原子的扩散,不断溶入奥氏体中,使奥氏体的碳浓度逐渐趋于共析成分。一旦渗碳体全部消失,这一阶段便告结束。第18页,共123页,编辑于2022年,星期三4 奥氏体成分均匀化n当剩余渗碳体全部溶解时,奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。原来是渗碳体的区域碳浓度较高,继续延长保温时间或继续升温,通过碳原子的扩散,奥氏体碳浓度逐渐趋于均匀化。最后得到均匀的单相奥氏体。至此,奥氏体形成过程全部完成。第19页,共
10、123页,编辑于2022年,星期三亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程n亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同,当加热温度仅超过Ac1时,只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体,仍保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体。只有当加热温度超过Ac3或Accm ,并保温足够的时间,才能获得均匀的单相奥氏体。第20页,共123页,编辑于2022年,星期三二、影响奥氏体的形成速度的因素第21页,共123页,编辑于2022年,星期三n从图中还可以看出,奥氏体形成所需的时间较短,剩余渗碳体溶解所需的时间较长,而奥氏体均匀化所需时间更长。n与共析钢相比,过共析钢的碳化物溶解和奥氏体均匀化所需的时间要长得
11、多。第22页,共123页,编辑于2022年,星期三影响奥氏体的形成速度的因素n奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的,整个过程受原子扩散所控制。因此,一切影响扩散、影响形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要因素如加热温度、原始组织和化学成分等。研究这些因素,对制订热处理工艺具有重要意义。第23页,共123页,编辑于2022年,星期三1 加热温度,保温时间和加热速度n一方面,由于珠光体转变为奥氏体的过程是扩散相变过程,随着加热温度的升高,原子扩散系数增加,特别是碳在奥氏体中的扩散系数增加,加快了奥氏体的形核和长大速度。同时加热温度升高,奥氏体中的碳浓度梯度加大,故原子扩散速度加快。n另一方
12、面,加热温度升高,奥氏体与珠光体的自由能差增大,相变驱动力增大,所以,随奥氏体形成温度的升高,奥氏体的形核率和长大速度急剧增加,因此,转变的孕育期和转变所需时间显著缩短,加热温度越高,转变孕育期和完成转变的时间越短。第24页,共123页,编辑于2022年,星期三n保温时间:保温时间越长,A形成速度越快n加热速度 连续加热,加热速度越快,孕育期越短,A开始转变的温度和转变终了温度越高,转变终了所需要的时间越短。加热速度较慢,转变将在较低温度下进行。第25页,共123页,编辑于2022年,星期三2 原始组织的影响n在化学成分相同的情况下,随原始组织中碳化物分散度的增大,不仅铁素体和渗碳体相界面增多
13、,加大了奥氏体的形核率;而且由于珠光体片层间距减小,使奥氏体中的碳浓度梯度增大,使碳原子的扩散距离减小,这些都使奥氏体的长大速度增加。因此,钢的原始组织越细,则奥氏体的形成速度越快。第26页,共123页,编辑于2022年,星期三3 化学成分的影响1)Cn钢中含碳量越高,奥氏体的形成速度越快。这是因为随含碳量增加,渗碳体的数量相应地增加,铁素体和渗碳体相界面的面积增加,因此增加了奥氏体形核的部位,增大奥氏体的形核率。同时,碳化物数量增加,又使碳的扩散距离减小,以及随奥氏体中含碳量增加,碳和铁原子的扩散系数将增大,从而增大奥氏体的长大速度。第27页,共123页,编辑于2022年,星期三2)合金元素
14、的影响n合金元素不改变奥氏体化的过程,但影响奥氏体的形成速度。一般来说,合金元素可从以下几个方面影响奥氏体的形成速度。n首先,合金元素影响了碳在奥氏体中的扩散速度,碳化物形成元素(Cr,W,Mo,V,Ti)大大减小了碳在奥氏体中的扩散速度,故显著减慢了奥氏体的形成速度。非碳化物形成元素(Co,Ni)能增加碳在奥氏体中的扩散速度,因而,加快了奥氏体的形成速度。而Al,Si,Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散速度影响不大,故对奥氏体的形成速度无明显影响。第28页,共123页,编辑于2022年,星期三合金元素的影响n其次,合金元素改变了钢的临界温度,故改变了奥氏体转变时的过热度,从而改变了奥氏体与珠光体
15、的自由能差,因此改变了奥氏体的形成速度。降低A1 点的元素,如Ni,Mn,Cu等,相对增大过热度,将增大奥氏体的形成速度。提高A1 点的元素,如Cr,W,Mo,V,Si等,相对地降低过热度,将减慢奥氏体的形成速度。第29页,共123页,编辑于2022年,星期三合金元素的影响n第三,合金元素在珠光体中分布是不均匀的,在平衡组织中,如等碳化物形成元素主要集中于共析碳化物中,而等非碳化物形成元素主要存在于共析铁素体中。碳化物完全溶解后,合金元素在钢中的分布仍是极不均匀的,因此,合金钢的奥氏体均匀化过程,除了碳在奥氏体中的均匀化外,还包括了合金元素的均匀化。但在相同条件下,合金元素在奥氏体中的扩散速度
16、比碳的扩散速度慢103倍,甚至104倍。此外,碳化物形成元素,特别是强碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散。n因此,合金钢奥氏体化要比碳钢缓慢得多。所以,合金钢热处理时,加热温度要比碳钢高,保温时间也需要延长。第30页,共123页,编辑于2022年,星期三三、奥氏体的晶粒大小及其影响因素n奥氏体的晶粒大小是评定钢加热质量的重要指标之一。奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影响。因此,需要了解奥氏体晶粒度的概念及影响奥氏体晶粒度的因素。第31页,共123页,编辑于2022年,星期三1 奥氏体的晶粒度n奥氏体的晶粒大小用晶粒度来表示。表示晶粒大小的理想方法是晶粒的平均体积、平均
17、直径或单位体积内含有的晶粒数,但要测定这样的数据是很麻烦的。所以,目前世界各国对钢铁产品几乎统一使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度的级别。通常把晶粒度分为八级,各级晶粒度的晶粒大小如图所示。n晶粒度级别与晶粒大小有如下关系:n通常1-4级为粗晶粒,5-8级为细晶粒,8级以外的晶粒称为超粗或超细晶粒。还可定为半级第32页,共123页,编辑于2022年,星期三第33页,共123页,编辑于2022年,星期三奥氏体晶粒度的概念有以下三种:1)起始晶粒度。奥氏体转变刚刚完成,其晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。一般情况,起始晶粒总是十分细小均匀的。起始晶粒大小决定于形
18、核率和长大速度,可用下式表示第34页,共123页,编辑于2022年,星期三2)实际晶粒度n钢在某一具体的热处理或热加工条件下获得的奥氏体的实际晶粒的大小称为奥氏体的实际晶粒度。它决定于具体的加热温度和保温时间。实际晶粒一般总比起始晶粒大。实际晶粒度对钢热处理后的性能有直接影响。第35页,共123页,编辑于2022年,星期三3)本质晶粒度n根据标准试验方法(YB27-64)在(93010)保温3-8h后测定的奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。如晶粒度为1-4级,称为本质粗晶粒钢,晶粒度为5-8级,则为本质细晶粒钢。n本质晶粒度表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。n钢的本质晶粒度与钢的脱氧方法和
19、化学成分有关。脱氧Al,Si,Mn;碳化物形成元素第36页,共123页,编辑于2022年,星期三奥氏体晶粒度的标准试验方法nWc0.35-0.60的碳钢和合金钢,将试样加热到(86010),保温1h后淬入冷水或盐水中,然后测定奥氏体晶粒度。第37页,共123页,编辑于2022年,星期三2 影响晶粒长大的因素n奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程,其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒长大。第38页,共123页,编辑于2022年,星期三1)加热温度和保温时间的影响n所示。奥氏体形成后随着加热温度升,晶粒急剧长大。这是由于晶粒长大是通过原子扩散
20、进行的,而扩散速度随温度升高呈指数关系增加。在影响奥氏体晶粒长大的诸因素中,温度的影响最显著。在一定温度下,随保温时间延长,奥氏体晶粒长大。在每一个温度下都有一个加速长大期,当奥氏体晶粒长大到一定尺寸后,继续延长保温时间,晶粒不再明显长大。第39页,共123页,编辑于2022年,星期三2)加热速度的影响n实际生产中有时采用高温快速加热、短时保温的方法,可以获得细小的晶粒。因为加热速度越大,奥氏体转变时的过热度越大,奥氏体的实际形成温度越高,则奥氏体的形核率越高,起始晶粒越细。由于在高温下保温时间短,奥氏体晶粒来不及长大,因此,可以获得细晶粒组织。但是,如果在高温下长时间保温,晶粒则很容易长大。
21、第40页,共123页,编辑于2022年,星期三3)含碳量的影响n钢中含碳量对奥氏体晶粒长大的影响很大。含碳量在一定范围之内,随含碳量的增加,奥氏体晶粒长大的倾向增大。但是含碳量超过某一限度时,奥氏体晶粒反而变得细小。这是因为随着含碳量的增加,碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加,故加速了奥氏体晶粒长大的倾向性。但是,当碳含量超过一定限度以后,钢中出现二次渗碳体,随着含碳量的增加,二次渗碳体数量增多,渗碳体可以阻碍奥氏体晶界的移动,故奥氏体晶粒反而细小。第41页,共123页,编辑于2022年,星期三4)合金元素的影响n钢中加入适量的形成难熔化合物的合金元素,如Ti,Zr,V,Al,Nb等,
22、强烈地阻碍奥氏体晶粒长大,使奥氏体晶粒粗化温度升高。物,阻碍晶粒长大。其中Ti,Zr,Nb的作用显著,Al 的作用最小。不形成化合物的合金元素如Si,Ni,Cu等对奥氏体晶粒长大的影响不明显。Mn,P,C,N等元素溶入奥氏体后,削弱-Fe原子间的结合力,加速Fe原子的自扩散,从而促进奥氏体晶粒长大。第42页,共123页,编辑于2022年,星期三5)钢的原始组织的影响n一般来说,钢的厚始组织越细,碳化物弥散度越大,则奥氏体的起始晶粒越细小。细珠光体与粗珠光体相比,总是易于获得细小而均匀的奥氏体起始晶粒度。在相向的加热条件下和球状珠光体相比,片状珠光体在加热时奥氏体晶粒易于粗化,因为片状碳化物表面
23、积大,溶解快,奥氏体形成速度也快,奥氏体形成后较早地迸入晶粒长大阶段。n对于原始组织为非平衡组织的钢,采用快速加热,短时保温的工艺方法,或者多次快速加热冷却的方法,便可获得非常细小的实际晶粒尺寸。第43页,共123页,编辑于2022年,星期三7.3 钢在冷却时的转变n一、概述n1 研究冷却转变的意义n钢的加热转变是为了获得均匀、细小的奥氏体晶粒。然而得到高温奥氏体组织不是最终目的。钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键工序。因为钢的性能最终取决于奥氏体冷却转变后的组织。因此,研究不同冷却条件下钢中奥氏体组织的转变规律,对于正确制定钢的热处理冷却工艺、获得预期的性能具有重要的实际意义。n 钢在铸
24、造、锻造、焊接以后,也要经历由高温到室温的冷却过程。虽然不作为一个热处理工序,但实质上也是一个冷却转变过程,正确控制这些过程,有利于减小或防止热加工缺陷。第44页,共123页,编辑于2022年,星期三2 过冷奥氏体n如果将奥氏体状态的钢冷却到A1温度以下,由于在此温度下奥氏体的自由能比铁素体与渗碳体两相混合物的自由能高,在热力学上处于不稳定状态。因此奥氏体将发生分解,向珠光体或其它组织转变,在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。第45页,共123页,编辑于2022年,星期三3 奥氏体的冷却方式n在热处理生产中,奥氏体的冷却方式可分为两大类:一种是等温冷却,将奥氏体状态的钢迅速冷至
25、临界点以下某一温度保温一定时间,使奥氏体在该温度下发生组织转变,然后再冷至室温;另一种是连续冷却,将奥氏体状态 的钢以一定速度冷至室温,使奥氏体在一个温度范围内发生连续转变。后者是热处理中常见的冷却方式。第46页,共123页,编辑于2022年,星期三两种冷却方式的比较n过冷奥氏休在连续冷却时的转变是在一个温度范围内发生的,其过冷度是不断变化的,因而可以获得粗细不同或类型不同的混合组织。虽然这种冷却方式在生产上广泛采用,但分析起来却比较困难。主要因素是冷却速度。n钢在等温冷却的情况下,可以控制温度和时间这两个因素,分别研究温度和时间对过冷奥氏体转变的影响,从而有助于弄清过冷奥氏体的转变过程及转变
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