热处理原理之加热转变学习教案.pptx
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1、会计学1热处理原理热处理原理(yunl)之加热转变之加热转变第一页,共65页。2加热(ji r)在临界点A1以下(yxi)的加热在临界点A1以上(yshng)的加热不发生组织变化奥氏体化钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体,然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织,从而得到钢的不同性能。奥氏体的形成和奥氏体晶粒的大小显著影响随后冷却时奥氏体的转变特点和转变产物的组织与性能。第1页/共65页第二页,共65页。3共析钢加热到超过A1温度时,全部转变为奥氏体;而亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能(cinng)获得单相奥氏体。第2页/共65页第三页,共65页。4在实际(shj)热处理条件
2、下,相变是在不平衡条件下进行的,加热或冷却时的温度会出现滞后现象。把加热时的实际临界温度标以字母“c”把冷却时的实际临界温度标以字母“r”第3页/共65页第四页,共65页。5Ac1加热时珠光体转变为奥氏体的温度Ar1冷却时奥氏体转变为珠光体的温度Ac3加热时F先全部转变为奥氏体的温度Ar3冷却时奥氏体开始析出 F先的温度Accm加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的温度Arcm冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度第4页/共65页第五页,共65页。63.2 奥 氏 体 的 形 成(xngchng)奥氏体是碳溶于-Fe的八面体间隙(jin x)中的间隙(jin x)固溶体 奥氏体的性能(xngnng)碳
3、的最大溶解度为2.11如果-Fe的每个八面体间隙均溶一个碳原子,最多可溶20wt%的碳。碳原子半径 0.077nm八面体间隙半径 0.053nm第5页/共65页第六页,共65页。7第6页/共65页第七页,共65页。812CrNi3 钢的原奥氏体晶粒组织第7页/共65页第八页,共65页。9奥氏体的面心立方(lfng)结构奥氏体具有高的塑性和低的屈服强度在相变过程中容易(rngy)发生塑性变形产生(chnshng)大量的位错或出现孪晶相变硬化随后的再结晶、高温下晶粒的反常细化低温下M相变的系列特点第8页/共65页第九页,共65页。10比容奥氏体最小在钢中可能出现的各种组织中线膨胀系数奥氏体最大残余
4、应力(yngl)和一系列的相变特点在奥氏体形成或由奥氏体转变为其它组织时,都会发生体积变化第9页/共65页第十页,共65页。11奥氏体顺磁性铁素体马氏体铁磁性可以利用这个特点来研究钢中的相变铁碳合金奥氏体在 A1温度以上才能稳定存在加入足量的A形成元素Mn、Ni、Co等奥氏体在室温下也可稳定存在奥氏体的成分对于它向其它组织转变的动力学影响很大,从而对钢的性能也有很大的影响。第10页/共65页第十一页,共65页。12 奥氏体的形成(xngchng)条件根据铁碳相图,在极缓慢(hunmn)加热时,珠光体向奥氏体的转变是在PSK线即A1温度开始的,而先共析铁素体和先共析渗碳体向奥氏体的转变则是始于A
5、1,分别结束于A3(GS线)和Acm(ES线)。第11页/共65页第十二页,共65页。13珠光体(P)和奥氏体()自由能随温度的变化曲线(示意图)然而当加热速度提高时,上述(shngsh)转变是在过热情况下发生的,即实际转变温度分别高于A1、A3和Acm。也就是说,奥氏体形成(xngchng)的热力学条件为存在一定的过热度。只有(zhyu)存在一定的过热度才存在转变动力(G=G-GP0)第12页/共65页第十三页,共65页。14奥氏体的形成遵循(zn xn)相变的一般规律,即包括形核和长大两个基本过程。3.3 奥 氏 体 的 形 成(xngchng)机理 共析碳钢(含0.77%C)加热前组织(
6、zzh)为珠光体,共析钢的加热转变即为珠光体将转变为奥氏体。共析钢的加热转变 奥氏体的等温形成过程对于不同的原始组织,奥氏体形成时在形核和长大方面都将表现出不同的特点。第13页/共65页第十四页,共65页。15珠光体向奥氏体转变示意图 奥氏体晶核的形成(xngchng)奥氏体的长大(chn d)残余(cny)渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化珠光体奥氏体化过程第14页/共65页第十五页,共65页。16第一阶段:奥氏体晶核的形成(xngchng)因此,由珠光体转变为奥氏体,既需要有碳原子的扩散(kusn),也需要有晶体结构的变化。0.0218%6.69%0.77%在A1温度下含碳量铁素体渗碳体奥氏体
7、晶体结构体心立方面心立方复杂斜方第15页/共65页第十六页,共65页。17对于(duy)不同的原始组织,奥氏体优先形核的位置是不一样的。球状珠光体 片状珠光体优先在与晶界相连 的/Fe3C界 面形核其次在不与晶界相 连 的/Fe3C界面上形核优先在珠光体团的界面上形核其 次 在/Fe3C片层界面形核第16页/共65页第十七页,共65页。18在/Fe3C界面处的浓度起伏较大,有利于达到奥氏体形核所需要的碳浓度;在/Fe3C界面界面处,原子排列(pili)不规则,有利于铁原子通过短程扩散实现晶体结构的转变;在/Fe3C界面处,存在着其它晶体缺陷及杂质等,能量起伏较大,有利于形核。两相交(xingj
8、io)界面越多,奥氏体晶核越多奥氏体晶核在/Fe3C界面(jimin)上优先形核的原因第17页/共65页第十八页,共65页。19当奥氏体形成(xngchng)后,立即建立了Fe3C/与/两个相界由于(yuy)在奥氏体的两个相界处的碳浓度不等,造成碳浓度差CC-cC-。第二阶段:奥氏体的长大(chn d)第18页/共65页第十九页,共65页。20这个浓度差必然导致C从高浓度的/Fe3C相界向低浓度的/相界扩散。扩散的结果导致相界碳浓度平衡被破坏,为了保持(boch)相界碳浓度的局部相平衡,/相界必须向相一侧推进,同时/Fe3C相界向Fe3C相一侧推进。这种“相界扩散移动”的不断进行,晶体就不断长
9、大。第19页/共65页第二十页,共65页。21奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大(chn d),直至铁素体完全消失,奥氏体彼此相遇,形成一个个的奥氏体晶粒。奥氏体长大阶段的实质(shzh),就是铁素体与奥氏体之间的晶格重构、同时渗碳体不断溶入奥氏体中、以及碳在奥氏体中的扩散。奥氏体的长大(chn d)方向:球化体、片状珠光体第20页/共65页第二十一页,共65页。22第三阶段:残余(cny)渗碳体的溶解在奥氏体晶体长大过程中,/相界处的碳浓度差远远小于/Fe3C相界处的碳浓度差,在/Fe3C界面一侧只需溶解一小部分渗碳体,就足以维持/Fe3C的相界平衡(pnghng)。而在/
10、界面另一侧必须溶解大量铁素体,才能维持/相间平衡(pnghng)。第21页/共65页第二十二页,共65页。23由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度,在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“残余渗碳体”存在,因此(ync),还需一定时间保温,让渗碳体全部溶解。第22页/共65页第二十三页,共65页。24在渗碳体全部溶解后,奥氏体内的成分仍不均匀,在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低,在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高,还需要保温足够(zgu)时间,让碳原子充分扩散,才可能使奥氏体内的成分均匀。第四阶段:奥氏体成分(chng fn)的均匀化原铁素体一侧原渗碳体一侧第23页/共65页第二
11、十四页,共65页。25上述分析表明,珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须(bx)有两个必要而充分条件:一是温度条件,要在 Ac1以上温度加热;二是时间条件,要在 Ac1以上温度保持足够时间。在一定加热(ji r)速度条件下,超过Ac1的温度越高,奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短;在一定的温度(高于Ac1)条件(tiojin)下,保温时间越长,奥氏体成分越均匀。第24页/共65页第二十五页,共65页。26亚共析钢、过共析钢的珠光体奥氏体化过程(guchng)与共析钢转变过程(guchng)是一样的:即在Ac1温度以上加热,无论亚共析钢或是过共析钢中的珠光体均要转变为奥氏体。亚共析钢还存
12、在铁素体的转变;过共析钢还存在二次渗碳体的溶解。非共析钢的加热(ji r)转变与共析钢的加热转变(zhunbin)相比相 同不 同第25页/共65页第二十六页,共65页。27具有相同(xin tn)的四个形成阶段 连续(linx)加热时奥氏体的形成过程连续(linx)加热时,奥氏体形成过程四个阶段的温度都随着加热速度的增大而向高温移动;连续(linx)加热时,奥氏体是在一个温度范围内形成的。与奥氏体等温形成相同的是:与奥氏体等温形成不同的是:第26页/共65页第二十七页,共65页。28 奥氏体等温形成(xngchng)动力学研究奥氏体等温形成动力学的方法通常是:将小试样迅速加热到 Ac1以上不
13、同(b tn)温度;在各温度下保持不同(b tn)时间;迅速淬冷;再用金相法测定奥氏体转变量与时间的关系(实际上是测定奥氏体淬冷后转变成马氏体的量与时间的关系)。3.4 奥氏体形成(xngchng)动力学 第27页/共65页第二十八页,共65页。29 奥氏体形成(xngchng)需要一定的孕育期。孕育期的作用是等待临界晶核的形成(xngchng),也就是等待出现适当的能量起伏和浓度起伏。从奥氏体等温形成动力学曲线(qxin)可以看到:第28页/共65页第二十九页,共65页。30 等温转变开始阶段,转变速度逐渐增大,在转变量约为50时达到最快,然后逐渐减慢。在开始阶段,在已形成(xngchng)
14、的晶核不断长大的同时,又有新的晶核不断形成(xngchng)并长大,因此单位时间内形成(xngchng)的奥氏体越来越多;当转变超过50后,未转变的珠光体越来越少,假定形核率保持不变,新形成(xngchng)的晶核也会越来越少;此外,不断长大的奥氏体会越来越多地彼此接触而停止长大,因此,单位时间内形成(xngchng)的奥氏体量越来越少。第29页/共65页第三十页,共65页。31 温度越高,奥氏体的形成速度越快。这是因为,随着温度的升高,过热度(rd)增大,使临界晶核的半径减少,.第30页/共65页第三十一页,共65页。32将不同温度下奥氏体等温形成的进程综合表示(biosh)在一个图中,就得
15、到奥氏体等温形成动力学图,又称为TTA图。Time-Temperature-Austenitization第31页/共65页第三十二页,共65页。33亚共析钢与过共析钢的奥氏体等温形成(xngchng)动力学与共析钢基本一样。过共析钢退火(tu hu)组织为珠光体和渗碳体,而且钢中渗碳体的数量比共析钢中多,因此残留渗碳体的溶解与奥氏体均匀化需要的时间更长。不同(b tn)的是亚共析钢退火组织由珠光体和铁素体组成,当加热至Ac1以上温度时,除了有铁素体存在外,还有残留渗碳体存在;加热至Ac3以上温度时,铁素体全部转变为奥氏体后仍可能有部分残留渗碳体存在,因此,也必须有足够的保温时间。第32页/共
16、65页第三十三页,共65页。34 连续加热(ji r)时奥氏体的形成动力学由于实际生产中奥氏体基本上都是在连续加热条件下形成(xngchng)的,因此,连续加热TTA图比等温TTA图具有更大的实用价值。近年来出现的激光热处理、电子束冲击、感应脉冲加热热处理等,都要求了解在快速加热条件下奥氏体形成(xngchng)的规律。因此,连续加热时TTA图的测定,显得越来越重要。第33页/共65页第三十四页,共65页。35钢在连续加热时的TTA图的测定:所用的一组试样分别以不同加热速度加热,加热到不同温度后迅速淬冷,然后(rnhu)观察其显微组织,配合膨胀试验结果确定奥氏体的形成进程。钢的连续加热TTA图
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