工程材料-第六章_钢的热处理.ppt
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1、第六章钢的热处理第六章钢的热处理Chapter 6 Heat Treatment of SteelsChapter 6 Heat Treatment of Steels主要内容:主要内容:l热处理的基本概念l钢在加热时的转变l钢在冷却时的转变l钢的退火与正火l钢的淬火与回火l钢的表面热处理热处理原理热处理原理热处理工艺热处理工艺钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一,在机械制造业中钢铁材料是工程材料中最重要的材料之一,在机械制造业中的比例达到的比例达到90%90%左右,在汽车制造业中的比例达到左右,在汽车制造业中的比例达到70%70%,在其他,在其他制造业中也是最重要的材料之一。制造业中也是最重
2、要的材料之一。改善钢铁材料性能的途径:改善钢铁材料性能的途径:l 合金化合金化(Alloying)通过在钢中加入合金元素,调整钢的化学成分,从而获得优良的性能。l 热处理热处理(Heat Treatment)将金属在固态下经加热、保温和冷却,以改变金属的内部组织和结构,从而获得优良的性能。第六章 钢的热处理第一节热处理的基本概念第一节热处理的基本概念一、热处理的定义一、热处理的定义 热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却,以改变金属的内部组热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却,以改变金属的内部组织和结构,从而获得所需性能的一种工艺过程。织和结构,从而获得所需性能的一种工艺过程。加加热热保
3、温保温冷冷 却却临界温度临界温度第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念时间时间热处理工艺曲线示意图热处理工艺曲线示意图温度温度二、热处理的基本要素和作用二、热处理的基本要素和作用l 热处理的三大要素热处理的三大要素加热加热(Heating)目的是获得均匀细小的奥氏体组织。目的是获得均匀细小的奥氏体组织。保温保温(Holding)目的是保证工件烧透,并防止脱碳和氧化等。目的是保证工件烧透,并防止脱碳和氧化等。冷却冷却(Cooling)目的是使奥氏体转变为不同的组织。目的是使奥氏体转变为不同的组织。l 热处理后的组织热处理后的组织加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中,
4、根据冷却速度的不同加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中,根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。将转变成不同的组织。不同的组织具有不同的性能。第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念l 热处理的特点热处理的特点热处理不改变工件的形状,仅改变钢的内部组织和结构,从而改变热处理不改变工件的形状,仅改变钢的内部组织和结构,从而改变钢的性能。钢的性能。l 热处理的作用热处理的作用 改善钢(工件)的力学性能或工艺性能,充分发挥钢的性能潜力,改善钢(工件)的力学性能或工艺性能,充分发挥钢的性能潜力,提高工件质量,延长工件寿命。提高工件质量,延长工件寿命。
5、重要结论:重要结论:重要结论:重要结论:材料是否能够通过热处理而改善其性能,关键条件是材料在加热和材料是否能够通过热处理而改善其性能,关键条件是材料在加热和冷却过程中是否发生组织和结构的变化。冷却过程中是否发生组织和结构的变化。第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念普通热处理普通热处理(整体热处理整体热处理)退火退火表面淬火表面淬火热处理工艺热处理工艺化学热处理化学热处理表面热处理表面热处理其他热处理其他热处理控制气氛热处理控制气氛热处理真空热处理真空热处理形变热处理形变热处理三、热处理的类型三、热处理的类型1.1.按加热、冷却方式及钢的组织、性能不同分类按加热、冷
6、却方式及钢的组织、性能不同分类正火正火淬火淬火回火回火感应加热表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火电接触加热表面淬火渗碳渗碳渗氮(氮化)渗氮(氮化)碳氮共渗碳氮共渗第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念2.2.按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类按热处理在工件生产过程中的位置和作用不同分类预备热处理:预备热处理:为随后的加工或热处理作准备为随后的加工或热处理作准备热处理工艺热处理工艺最终热处理:最终热处理:赋予工件所需的力学性能赋予工件所需的力学性能毛坯毛坯(锻件)(锻件)预备热处理预备热处理(退火、正火)(退火、正火)
7、机加工机加工(车削)(车削)最终热处理最终热处理(淬火、回火)(淬火、回火)精加工精加工(磨削)(磨削)第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念举例:举例:举例:举例:零件的典型加工工艺路线:零件的典型加工工艺路线:A1A3AcmAc1Ar1Ac3Ar3ArcmAccm四、钢的临界转变温度四、钢的临界转变温度(Critical Temperature of Steels)wC(%)温温度度SPGEQFeFeFeFe3 3C C相图的共析转变部分相图的共析转变部分钢的临界转变温度是钢在钢的临界转变温度是钢在热处理时制定加热、保温、热处理时制定加热、保温、冷却工艺的重要依
8、据,由铁冷却工艺的重要依据,由铁碳合金相图确定。碳合金相图确定。重要结论:重要结论:重要结论:重要结论:钢的实际临界转变温度总钢的实际临界转变温度总是滞后于理论临界转变温度是滞后于理论临界转变温度,即加热时需要过热,冷却时即加热时需要过热,冷却时需要过冷。需要过冷。第六章 钢的热处理6.1 6.1 热处理的基本概念热处理的基本概念第二节钢在加热时的转变第二节钢在加热时的转变两种加热方式:两种加热方式:第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 加加热热保温保温冷冷 却却A Ac1c1时时 间间加热钢的两种方式加热钢的两种方式温温 度度细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥
9、氏体化细小的奥氏体组织。该过程又称为钢的奥氏体化(Austenitizing)。第第种加热方式发生在临界温种加热方式发生在临界温度度A Ac1c1以上,一定有组织转变,是以上,一定有组织转变,是一种相变过程。一种相变过程。第第种加热方式发生在临界温种加热方式发生在临界温度度A Ac1c1以下,不一定有组织转变。以下,不一定有组织转变。加热的目的:加热的目的:本节介绍第本节介绍第种加热过程,目种加热过程,目的是使钢从室温组织(如珠光体)的是使钢从室温组织(如珠光体)转变为奥氏体,即获得均匀转变为奥氏体,即获得均匀相变相变(Phase Transformation):材料中的一种相在一定条件下转变
10、材料中的一种相在一定条件下转变为另一种相的过程。为另一种相的过程。加加热热保温保温冷冷 却却一、奥氏体的形成过程一、奥氏体的形成过程 以共析钢为例:以共析钢为例:奥氏体的形成是一个形核和长大的固态相变过程,是铁素体奥氏体的形成是一个形核和长大的固态相变过程,是铁素体(F)(F)向奥向奥氏体氏体(A)(A)的晶格改组,渗碳体的晶格改组,渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)溶入奥氏体中,以及碳溶入奥氏体中,以及碳(C)(C)在奥氏体在奥氏体中扩散的过程。中扩散的过程。共析钢奥氏体化的四个基本过程:共析钢奥氏体化的四个基本过程:奥氏体的形核奥氏体的形核 奥氏体的长大奥氏体的长大 残余残余渗碳体渗碳体的溶
11、解的溶解 奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的均匀化第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变1.1.奥氏体的形核奥氏体的形核 A A晶核优先在晶核优先在F/FeF/Fe3 3C C相界处形成。相界处形成。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变分析:分析:分析:分析:形核需要形核需要3 3个起伏,即个起伏,即能量起伏能量起伏、结构起结构起伏伏、成分(浓度)起伏成分(浓度)起伏,在晶界处容易满足在晶界处容易满足这这3 3个起伏。个起伏。相界处晶格畸变较大,能量较高,有相界处晶格畸变较大,能量较高,有利于获得利于获得A A形核所需的能量要求。形核所需的
12、能量要求。相界处晶格畸变较大,原子排列不规相界处晶格畸变较大,原子排列不规则,有利于获得奥氏体的则,有利于获得奥氏体的fccfcc结构要求。结构要求。相界处碳浓度相差较大,有利于获得相界处碳浓度相差较大,有利于获得A A形核所需的碳浓度要求。形核所需的碳浓度要求。FA形核形核Fe3CA2.2.奥氏体的长大奥氏体的长大A A晶核形成后晶核形成后,将通过将通过FAFA转变和转变和FeFe3 3C C溶溶入入A A的过程不断长大。的过程不断长大。分析:分析:分析:分析:A A形核后,由于形核后,由于A A与与FeFe3 3C C相界处存在碳浓相界处存在碳浓度梯度,将引起度梯度,将引起A A中中C C
13、的扩散。通过的扩散。通过FeFe原子原子和和C C原子的扩散、原子的扩散、FeFe原子的晶格由原子的晶格由bccbcc转变转变为为fccfcc,A A不断向不断向F F和和FeFe3 3C C两侧扩展长大两侧扩展长大,直直至至F F完全消失。完全消失。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变Fe3CFAA长大长大3.3.残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解FeFe3 3C C的溶解落后于的溶解落后于FAFA转变,残留转变,残留FeFe3 3C C将继续溶入将继续溶入A A中。中。分析:分析:分析:分析:在奥氏体的形成过程中,在奥氏体的形成过程中,F F比比FeFe3 3C
14、 C先先消失,因此奥氏体形成之后,还残留未消失,因此奥氏体形成之后,还残留未溶的溶的FeFe3 3C C。这些残余。这些残余FeFe3 3C C将随着时间的将随着时间的延长,继续不断地溶入奥氏体,直至全延长,继续不断地溶入奥氏体,直至全部消失。部消失。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3C的溶解的溶解第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变A成分的均匀化成分的均匀化A4.4.奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的均匀化残余残余FeFe3 3C C溶解完成后溶解完成后,A,A成分极不均匀。成分极不均匀。最终通过最终通
15、过C C原子的扩散,奥氏体的成分达原子的扩散,奥氏体的成分达到均匀一致。到均匀一致。分析:分析:分析:分析:残留的残留的FeFe3 3C C全部溶入全部溶入A A后后,原先是原先是FeFe3 3C C的的地方碳浓度高地方碳浓度高,原先是原先是F F的地方碳浓度低,的地方碳浓度低,必须继续保温,通过必须继续保温,通过C C原子的扩散,使原子的扩散,使A A成成分均匀化。分均匀化。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变F奥氏体的形核奥氏体的形核Fe3CAFe3CFA奥氏体的长大奥氏体的长大未溶未溶Fe3CA残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解 奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的
16、均匀化A珠光体向奥氏体转变的过程珠光体向奥氏体转变的过程二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素奥氏体晶粒的大小关系到随后冷却的组织的粗细程度,对钢的性能奥氏体晶粒的大小关系到随后冷却的组织的粗细程度,对钢的性能有着重大的影响。控制奥氏体晶粒度具有重要的意义。有着重大的影响。控制奥氏体晶粒度具有重要的意义。1.1.奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度l 起始晶粒度起始晶粒度(Initial Grain Size)在临界温度以上,奥氏体化过程刚完成,晶粒边界恰好相互接触时在临界温度以上,奥氏体化过程刚完成,晶粒边界恰好相互接触时的晶粒大小。的晶粒大小。l 实际晶粒度实际晶粒度(Pra
17、ctical Grain Size)在具体热处理条件下所获得的在具体热处理条件下所获得的A A晶粒度。晶粒度。l 本质晶粒度本质晶粒度(Inherent Grain Size)根据标准试验方法测定的根据标准试验方法测定的A A晶粒大小,表示了不同的钢在一定的加热晶粒大小,表示了不同的钢在一定的加热条件下条件下A A晶粒长大的倾向。晶粒长大的倾向。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变本质晶粒度的标准试验方法:本质晶粒度的标准试验方法:参数:参数:930930 C C 1010 C C加热、加热、3 38h8h保温。保温。规定:规定:经上述试验,晶粒尺寸在八级标准晶粒
18、度中经上述试验,晶粒尺寸在八级标准晶粒度中1 14 4级者为级者为本质粗本质粗晶粒钢晶粒钢;5 58 8级者为级者为本质细晶粒钢本质细晶粒钢。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢本质细晶粒钢本质细晶粒钢Ac1930930 C C950950 C C温度温度本质晶粒度示意图本质晶粒度示意图晶粒度晶粒度讨论:讨论:讨论:讨论:F本质粗晶粒钢随加热温度本质粗晶粒钢随加热温度的升高,晶粒不断长大。的升高,晶粒不断长大。F本质细晶粒钢在本质细晶粒钢在930930 C C以以下,当温度升高时,晶粒尺下,当温度升高时,晶粒尺寸没有明显的增大。寸没有明显的
19、增大。F本质细晶粒钢并不意味着本质细晶粒钢并不意味着在任何温度条件下都能保持在任何温度条件下都能保持细小的晶粒度。细小的晶粒度。1 级级2 级级3 级级4 级级8 级级7 级级6 级级5 级级第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变标准晶粒度等级标准晶粒度等级2.2.影响奥氏体晶粒度的因素影响奥氏体晶粒度的因素l 工艺因素工艺因素(1 1)加热温度和保温时间)加热温度和保温时间加热温度越高、保温时间越长,加热温度越高、保温时间越长,A A晶粒越粗大。晶粒越粗大。其中,温度的影响尤为显著。其中,温度的影响尤为显著。过热组织过热组织(Overheated Structur
20、e):过热是指由于加热温度过高而产生的晶粒变粗的现象,因过热过热是指由于加热温度过高而产生的晶粒变粗的现象,因过热而导致的粗大晶粒组织,称为过热组织。而导致的粗大晶粒组织,称为过热组织。(2 2)加热速度)加热速度加热速度越快,加热速度越快,A A晶粒越细小。晶粒越细小。工业生产上常采用短时快速加热工艺短时快速加热工艺,以获得超细晶粒。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变l 化学成分因素化学成分因素(1 1)含碳量)含碳量对于亚共析成分的钢,随对于亚共析成分的钢,随wC%增加,增加,A A晶粒长大的倾向增大;晶粒长大的倾向增大;对于过共析成分的钢,随对于过共析成分
21、的钢,随wC%增加,增加,A A晶粒长大的倾向减小。晶粒长大的倾向减小。原因:原因:过共析钢中呈颗粒状的过共析钢中呈颗粒状的FeFe3 3C C有阻碍晶粒长大的作用。有阻碍晶粒长大的作用。(2 2)碳化物形成元素)碳化物形成元素碳化物形成元素与碳形成细小的颗粒状碳化物可阻碍晶粒的长碳化物形成元素与碳形成细小的颗粒状碳化物可阻碍晶粒的长大,从而使大,从而使A A晶粒细化。晶粒细化。碳化物形成元素碳化物形成元素(Carbide-forming Element):合金钢中与碳的亲和力较大、因而易形成碳化物的合金元素。合金钢中与碳的亲和力较大、因而易形成碳化物的合金元素。如如TiTi、V V、NbNb
22、、WW、MoMo、CrCr等。等。含有上述元素的钢均是本质细晶粒钢。含有上述元素的钢均是本质细晶粒钢。(3 3)MnMn、P P等元素等元素促进促进A A晶粒长大,易产生过热组织。晶粒长大,易产生过热组织。第六章 钢的热处理6.2 6.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第三节钢在冷却时的转变第三节钢在冷却时的转变两种冷却方式:两种冷却方式:等温冷却等温冷却(Isothermal Cooling)将将A A快速冷至临界温度以下某一温度,使快速冷至临界温度以下某一温度,使A A在该温度下转变成其他组在该温度下转变成其他组织,然后再冷却至室温。织,然后再冷却至室温。连续冷却连续冷却(Continu
23、ous Cooling)A A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变保温保温连连 续续 冷冷 却却临界温度临界温度等等 温温 冷冷 却却时间时间温度温度 加加热热一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程 过冷奥氏体过冷奥氏体(Undercooling Austenite):被过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生分解(即奥氏被过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生分解(即奥氏体转变为其他组织)的奥氏体,称为过冷奥氏体。体转变为其他组织)的奥氏体
24、,称为过冷奥氏体。分析:分析:分析:分析:第六章 钢的热处理6.3 6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变保温保温A r1时间时间温度温度 加加热热(稳定的稳定的)奥氏体奥氏体过冷奥氏体过冷奥氏体过冷奥氏体转变产物:过冷奥氏体转变产物:珠光体珠光体(Pearlite)符号:符号:P P 过冷奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温,或过冷奥氏体在临界温度过冷奥氏体以缓慢的冷却速度冷却至室温,或过冷奥氏体在临界温度以下的高温范围内等温,将转变成珠光体。以下的高温范围内等温,将转变成珠光体。典型的冷却方式:典型的冷却方式:炉冷(退火)炉冷(退火)珠光体相比马氏体和贝氏体,其强度和硬度较低。珠光体相比马氏
25、体和贝氏体,其强度和硬度较低。马氏体马氏体(Martensite)符号:符号:M M过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温,将转变成马氏体。过冷奥氏体以极快的冷却速度冷却至室温,将转变成马氏体。典型的冷却方式:典型的冷却方式:水冷或油冷(淬火)水冷或油冷(淬火)马氏体具有很高的强度和硬度。马氏体具有很高的强度和硬度。贝氏体贝氏体(Bainite)符号:符号:B B 过冷奥氏体在临界温度以下的中温范围内等温,将转变成贝氏体。过冷奥氏体在临界温度以下的中温范围内等温,将转变成贝氏体。贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。贝氏体的强度和硬度介于珠光体和马氏体之间。第六章 钢的热处理6.3 6.3
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