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第五章 碳钢的热处理 Heat Treatment of Carbon Steel. 前言. 一、热处理的概念 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作 方法使钢的组织结构发生变化,以获得所需性 能的一种工艺。.
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第五章 碳钢的热处理 Heat Treatment of Carbon Steel 前言 一、热处理的概念 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作 方法使钢的组织结构发生变化,以获得所需性 能的一种工艺。
普通热处理:退火、正火、淬火、回火热处理表面淬火:火焰加热、 感应加热、电接触加热、 表面热处理激光加热、等离子体加热化学热处理:渗碳、氮化、 渗V、渗B、渗Nb 二、热处理的分类
三、热处理在机械零件制造工艺中的位置 坯料 →锻造→热处理I→粗加工→半精加工 →热处理Ⅱ→精加工→热处理Ⅲ→(抛光) →成品 热处理I:称为改善材料切削加工性能热处理 最佳切削硬度:HB170-230
(1)低碳钢 含有大量柔软的铁素体;切削加工性能较差, 易产生“粘刀”现象,影响加工面的表面质量 (粗 糙度), 刀具寿命也受到影响,故加工前应进行 正火热处理,以提高硬度,以改善加工性能。 (2)高碳钢 含有较多的网状渗碳体,难以切削,应退火处 理,再加工。
(3)冷加工硬化的坯料,应进行再结晶退火,(3)冷加工硬化的坯料,应进行再结晶退火, 以降低硬度,改善切削加工性能。 热处理Ⅱ:改善零件机械性能热处理。 正火,淬火+回火,化学热处理 热处理Ⅲ:消除加工残余应力热处理。 去应力退火、时效
四、热处理在机械制造业中的应用汽车制造业:70%—80%的零件需进行 热处理 机床创造业:60%—70%的零件需进行 热处理 各种工具、轴承等:100%的零件需进行 热处理
五、热处理的主要工艺参数 1、加热速度 2、加热温度 3、保温时间 4、冷却速度
第一节 钢在加热时的组织转变 一、奥氏体的形成 大多数热处理工艺的加热温度都高于钢 的临界点(A1 或 A3),使钢具有奥氏体组 织,然后以一定的冷却速度冷却,以获得所 需的组织和性能。
铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以 从Fe-Fe3C相图中反映出来,珠光体向奥氏体 的转变属于扩散型相变。以共析钢为例,珠 光体组织在A1(727℃)以下,组织保持不变 (α相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化); 当加热到A1点以上时,珠光体全部转 变为奥 氏体。
奥氏体的形成过程可以分为四个步骤: ①奥氏体晶核的形成 ②奥氏体晶粒长大 ③残余渗碳体溶解 ④奥氏体成分均匀化
对于亚共析钢(过共析钢),当缓慢 加热到A1以上时,除珠光体全部转化为奥 氏体外,还有少量先共析铁素体转变为奥 氏体 ( 过共析钢二次渗碳体溶解 ),随着 温度升高,先共析铁素体不断向奥氏体转 变,当温度高于A3时,组织为单相奥氏体。
二、奥氏体形成的热力学条件 钢加热时组织转变的动力是奥氏体与旧相之 间的体积自由能之差ΔFv,而相变进行的条件是 系统总的自由能降低。根据相变理论,奥氏体形 成晶核时,系统总自由能变化ΔF为: ΔF=-ΔFv +ΔFs +ΔFe式中:ΔFs——形成奥氏体时所增加的表面能ΔFe——形成奥氏体时所增加的应变能
由于奥氏体是在高温下形成的,其相变应 变能ΔFe很小,可以忽略,故上式可写为: ΔF= -ΔFv +ΔFs 显然,只有当ΔFv能克服因奥氏体形成 所增加的表面能ΔFs时,珠光体才能自发地 形成奥氏体,因此奥氏体的形成必须有一定 的过热度ΔT。
体积自由能 ΔFv Fp FA T1 A1 温度 ℃ 奥氏体形成的热力学条件
三、影响珠光体向奥氏体转变的因素 1、温度的影响 提高温度,原子的扩散能力增大。特别 是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大,奥氏 体的形成速率加快。
2、含碳量的影响 钢中含碳量增加,铁素体与渗碳体的相 界面总量增多,有利于加速奥氏体形成。 3、合金元素的影响 钢中加入合金元素,可影响奥氏体的 形成:强碳化物元素(减缓C的扩散,减 缓A的形成); 非碳化物形成元素加速A 形成。
4、钢组织中珠光体越细,奥氏体形成速度越 快(相界面积大)。 5、加热速度越快,奥氏体形成温度升高,形 成速度越快。
四、奥氏体晶粒度及其影响因素 1、奥氏体晶粒度的概念 a、起始晶粒度:指珠光体刚刚全部转变为奥 氏体时的晶粒度。 b、实际晶粒度:指钢在具体的热处理或热加 工条件下实际获得的奥氏体 晶粒度。
c、本质晶粒度:不是指具体的晶粒大小,只 表示钢的奥氏体晶粒长大的 倾向性(易长大,还是不易 长大)。 一般将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为两类: 如图:
晶粒度级别 1 2 4级 加热温度 ℃ 930 Ac1 曲线1:随加热温度的升高,奥氏体晶粒一直长大,逐 渐粗化。 曲线2:一定温度下(Ac1)加热,奥氏体晶粒长大缓 慢,保持细小晶粒,超过一定温度(930℃后), 奥氏体晶粒急剧长大,突然粗化。
凡是符合曲线1的钢—本质粗晶粒钢 凡是符合曲线2的钢—本质细晶粒钢 一般钢的奥氏体晶粒度分为8级,1级最粗,8级最细。 晶粒度1-4级的钢,称为本质粗晶粒钢晶粒度5-8级的钢,称为本质细晶粒钢。 镇静钢为本质细晶粒钢,沸腾钢为本质粗晶粒钢。
需经热处理强化的零件一般都 采用本质细晶粒钢---镇静钢制作。
2、影响奥氏体晶粒度的因素 高温下,奥氏体晶粒长大,晶界总面积减 少,系统自由能降低,是自发过程。 a、奥氏体转化温度越高,晶粒越容易长大; 保温时间越长,晶粒越容易长大。 b、奥氏体含碳量越高,晶粒长大的倾向 越大。
c、在钢中加入合金元素绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长c、在钢中加入合金元素绝大多数合金元素都阻碍奥氏体晶粒长 大,而锰、磷则会加速奥氏体晶粒长大。
第二节钢在冷却时的组织转变 通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后, 仅完成了热处理的加热准备工作,将高温奥氏 体以不同的冷却速度冷却,获得所需的组织与 性能,才是热处理的最终目的。
高温奥氏体组织是稳定的,如冷却到 A1 以下,奥氏体就处于不稳定状态(过冷态),称为过冷奥氏体。 不同的过冷度,奥氏体发生转变的过程不同: ①转变开始与转变终了的时间不同②转变后产物的组织与性能不同
一、珠光体型转变——高温转变(A1~550℃) 1、转变过程及特点 过冷奥氏体在A1~550℃温度范围内,将 分解为珠光体类组织。
当奥氏体被过冷至A1以下温度时,在奥氏体晶界当奥氏体被过冷至A1以下温度时,在奥氏体晶界 处(含碳量高)优先产生渗碳体的核心,然后依靠奥 氏体不断供应碳原子(随着冷却,奥氏体溶解碳的能 力下降,碳从奥氏体内向晶界扩散),渗碳体沿一定 方向逐渐长大,而随着渗碳体的长大,又使其周围的 奥氏体碳浓度下降,这就促使贫碳的奥氏体局部区域 转变成铁素体(即渗碳体两侧出现铁素体晶核),在 渗碳体长大的同时,铁素体也不断长大,而随着铁素 体的长大,必然将多余的碳排挤出去,这就有利于形 成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗 碳体和铁素体——珠光体。
转变特点: 过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。 2、分类 在高温转变区形成的珠光体类组织,虽 然都是渗碳体与铁素体的混合物,但由于过 冷度大小不同,其片层距差别很大:
A1~650℃, 形成的组织层间距较大,在400-500倍 的金相显微镜下即可分辨,称为珠光体P。 650℃~600℃,形成的组织分散度较大,层间距 较小,在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨, 称为索氏体S。 600℃~550℃,形成的组织,层间距很小,只有 在电子显微镜下放大几千倍才能分辨,称为屈 氏体或托氏体T。
二、贝氏体型转变—中温转变(550℃~Ms) 1、转变过程及特点 过冷奥氏体在550℃~Ms(共析钢的Ms约230℃) 温度范围内,转变为贝氏体类组织。
由于过冷度增大,铁原子的扩散很困难, 碳原子的扩散能力也显著减弱,扩散不充分, 形成渗碳体所需的时间增长。 过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物 仍是铁素体和渗碳体的混合物,但它与珠光体 有本质的区别:贝氏体转变由于冷却速度快, 渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到 很大限制,部分碳来不及析出,固溶在铁素体 中形成过饱和的铁素体。
上贝氏体 (Upper Bainite)
因此,贝氏体型转变产物是: 过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。 转变特点: 过冷奥氏体向贝氏体转变是一种 半扩散型相变。
2、分类 贝氏体组织形态比较复杂,根据其中铁素体 与渗碳体的分布形态的不同,分为上贝氏体 B上 和下贝氏体B下。
上贝氏体B上:是过冷奥氏体在550℃~350℃范围 内的转变产物,其中过饱和铁素体形成密集而相 互平行的羽毛状扁片,一排一排地由晶界伸向晶 内,渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁 片之间。 上贝氏体由于转变温度较高,渗碳体长得较大 上贝氏体的组织形态决定了其强度较低, 塑性、韧性较差。
下贝氏体B下:是过冷奥氏体在350℃~Ms范围 内的转变产物。 其中过饱和的铁素体呈针片状,比较散乱地 成角度分布,而极细小的渗碳体质点呈弥散状分 布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体 呈竹叶状特征。 下贝氏体由于转变温度较低,渗碳体来不 及长大,而呈质点状
下贝氏体组织具有较高的强度、硬 度,良好的塑性、韧性,即具有良好的 综合机械性能。 生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。
三、马氏体型转变—低温转变(Ms~Mz) 1、转变过程 当过冷度很大,奥氏体被快速冷却至Ms时, 由于碳原子已无法扩散,上述珠光体或贝氏体 等扩散型相变已不可能进行,奥氏体只能进行 非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散,被 完全固溶于铁素体内,形成过饱和的铁素体, 这种过饱和的铁素体就是马氏体M。
所以: 马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同 室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马 氏体的含碳量与奥氏体相同,故马氏体的过饱 和程度很大,此时过饱和的铁素体的某些棱边 被撑长,形成了体心正方晶格。
由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重, 故马氏体具有很高的硬度,而塑性、韧性较低。 马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强 化组织,也是淬火钢的基本组织,凡是要求高 硬度、高耐磨性的零件,都需要经过淬火获得 马氏体组织。
硬度HRC ∆ ∆ • • • ∆ • ∆ • • ∆ • 合金元素 ∆ ∆ 碳 • • 含碳量% 合金元素含量 马氏体的硬度主要与含碳量有关,与其他合金元素 关系不大。因为合金元素在马氏体晶格中,不是处于间 隙位置,而是置换了某些铁原子的位置,它对马氏体晶 格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。
2、分类 马氏体按组织形态分为: a、板条状马氏体 每一马氏体的晶体呈细长的薄板条晶 片平行成束地分布,在金相显微镜下呈板 条状。
b、针状马氏体 每一马氏体晶体呈中间厚、两端薄的透 镜式晶片,在金相显微镜下呈针片状或竹叶 状。板条状马氏体主要存在于低碳钢的淬火组织中 针状马氏体主要存在于中、高碳钢的淬火组织中