真空热处理和形变热处理课件

第十二章 真空热处理和形变热处理 材料与冶金学院 李伟第十二章 真空热处理和形变热处理 金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理 主要内容主要内容 12.1 12.1 真空热处理真空热处理 12.2 12.2 形变热处理形变热处理 主要内容金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理定义：定义：将热处理的加热和冷却过程置于真空中进行的热处将热处理的加热和冷却过程置于真空中进行的热处理。理。真空度：真空度：真空状态下，负压的程度。真空状态下，负压的程度。真空的分类：真空的分类：据真空度的大小，分为四类，据真空度的大小，分为四类，低真空低真空：（：（10-1010-10-2-2）133.3Pa133.3Pa；中真空：（中真空：（1010-3-3-10-10-4-4）133.3Pa133.3Pa；高真空高真空：（：（1010-5-5-10-10-7-7）133.3Pa133.3Pa；超高真空：超高真空：1010-8-8133.3Pa133.3Pa。12.1 12.1 真空热处理真空热处理12.1 真空热处理金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理真空热处理的特点：真空热处理的特点：高质量：高质量：零件表面无氧化、不脱碳、变形小；零件表面无氧化、不脱碳、变形小；提高机械性能，延长使用寿命：提高机械性能，延长使用寿命：其中塑、韧性的提高明其中塑、韧性的提高明显，是由于真空热处理的脱气作用所致；显，是由于真空热处理的脱气作用所致；低能耗：低能耗：采用绝热性能好及热容量小的隔热材料，使得采用绝热性能好及热容量小的隔热材料，使得炉子蓄热和散热损失都很小，热效率较高炉子蓄热和散热损失都很小，热效率较高减少污染、无公害：减少污染、无公害：真空电加热，不存在炉气，也没有真空电加热，不存在炉气，也没有燃烧的废气，所以对大气无污染燃烧的废气，所以对大气无污染高成本。高成本。真空热处理的特点：金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理真空热处理的特异效果和伴生现象：真空热处理的特异效果和伴生现象：表面保护作用；表面保护作用；表面净化作用：表面净化作用：防止氧化的同时，会使已氧化的物质分解；防止氧化的同时，会使已氧化的物质分解；脱脂作用：脱脂作用：机加时带入的油污，受热后分解为氧、水蒸气和二氧机加时带入的油污，受热后分解为氧、水蒸气和二氧化碳等；化碳等；脱气作用：脱气作用：金属中的气体向表面扩散、气体从金属表面逸出、气金属中的气体向表面扩散、气体从金属表面逸出、气体从真空炉中排出。体从真空炉中排出。元素的脱出（蒸发）现象：元素的脱出（蒸发）现象：蒸汽压高的合金元素从工件表面蒸蒸汽压高的合金元素从工件表面蒸发掉，造成材料性能的降低；同时，可能会发生真空蒸镀，影响真空发掉，造成材料性能的降低；同时，可能会发生真空蒸镀，影响真空热处理的质量。热处理的质量。真空加热油淬引起钢件渗碳：真空加热油淬引起钢件渗碳：如，对如，对30CrMnSiA30CrMnSiA和和30CrMnSiNi30CrMnSiNi2 2A A钢在真空度为钢在真空度为1010-2-2133.3Pa133.3Pa、加热、加热温度为温度为900900的情况下油淬，发现有渗碳现象。的情况下油淬，发现有渗碳现象。真空热处理的特异效果和伴生现象：金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理真空热处理的应用：真空热处理的应用：真空热处理工艺真空退火真空淬火真空气体淬火真空油淬火合金钢的真空热处理真空化学热处理真空渗碳真空离子渗碳真空碳氮共渗真空热处理的应用：真空热处理工艺真空退火真空淬火真空气体淬火金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理定义：定义：将压力加工与热处理操作相结合，起到形变强化与相将压力加工与热处理操作相结合，起到形变强化与相变强化的综合作用。变强化的综合作用。一种既可以提高强度、又可以改善塑性和韧性的有效工艺。一种既可以提高强度、又可以改善塑性和韧性的有效工艺。塑性变形中，合金内部缺陷（以位错为主）增加，且晶体塑性变形中，合金内部缺陷（以位错为主）增加，且晶体缺陷分布发生改变；缺陷分布发生改变；若有相变，则相变与缺陷相互影响，不是简单的形变强化若有相变，则相变与缺陷相互影响，不是简单的形变强化与相变强化的叠加，也不是任何变形与热处理的简单组合；与相变强化的叠加，也不是任何变形与热处理的简单组合；形变热处理与常规热处理相比，具有高密度位错和亚结构形变热处理与常规热处理相比，具有高密度位错和亚结构（亚晶）（亚晶）实质：实质：亚结构强化亚结构强化12.2 12.2 形变热处理形变热处理定义：将压力加工与热处理操作相结合，起到形变强化与相变强化的金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理适用范围：适用范围：冶金厂生产的钢材中供用户直接使用而不需要冶金厂生产的钢材中供用户直接使用而不需要再机械加工的板、管、丝、带、棒材、小型型材等。再机械加工的板、管、丝、带、棒材、小型型材等。分类：分类：按形变与相变过程的相互顺序，分为按形变与相变过程的相互顺序，分为相变前形变相变前形变、相变中相变中形变形变、相变后形变相变后形变按形变温度，分为按形变温度，分为高温形变高温形变、低温形变低温形变按相变类型，分为按相变类型，分为珠光体形变珠光体形变、贝氏体形变贝氏体形变、马氏体形变马氏体形变、时效时效复合形变热处理复合形变热处理：即形变热处理、化学热处理及表面淬火：即形变热处理、化学热处理及表面淬火相结合的热处理工艺相结合的热处理工艺适用范围：冶金厂生产的钢材中供用户直接使用而不需要再机械加工金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理一、相变前形变的形变热处理一、相变前形变的形变热处理（1 1）高温形变热处理：包括高温形变淬火、高温形变正火和高）高温形变热处理：包括高温形变淬火、高温形变正火和高温形变等温淬火。温形变等温淬火。加热温度：加热温度：AcAc3 3以上以上形变温度：形变温度：ArAr3 3以上或以上或ArAr1 1-Ar-Ar3 3之间之间形变冷却方式：形变冷却方式：高温形变淬火：高温形变淬火：快冷得到马氏体再回火快冷得到马氏体再回火高温形变正火：高温形变正火：空冷或水冷至空冷或水冷至550550，再空冷得到铁素体，再空冷得到铁素体+珠光体或贝氏体（控轧控冷）珠光体或贝氏体（控轧控冷）高温形变等温淬火：高温形变等温淬火：贝氏体区等温，获得贝氏体组织。贝氏体区等温，获得贝氏体组织。一、相变前形变的形变热处理加热温度：Ac3以上金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理高温形变淬火高温形变正火高温形变淬火材料强度提高10-30%，塑性提高40-50%，冲击韧性成倍增长，抗脆断能力提高；适用：碳钢，低、中合金钢的板、带、管、线、棒材，以及形状简单的机械零件。高温形变正火提高屈服强度的同时，可得到优异的低温韧性。适用：生产低碳钢、低碳含Nb、V、Ti的非调质可焊接钢的板、带、线材等产品。高温形变等温淬火高温形变等温淬火与一般的等温淬火相比，除了屈服强度略低外，其余别的性能均优越得多。高温形变淬火高温形变正火高温形变淬火高温形变正火高温形变等温金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理（2 2）低温相变热处理：包括低温形变淬火和低温形变等）低温相变热处理：包括低温形变淬火和低温形变等温淬火。温淬火。加热温度：加热温度：AcAc3 3以上；以上；形变温度：形变温度：迅速快冷至过冷奥氏体迅速快冷至过冷奥氏体稳定区（稳定区（500-600500-600），进行形变，），进行形变，然后淬火、回火；然后淬火、回火；优点：优点：在保证钢的塑性条件下，大在保证钢的塑性条件下，大幅度提高钢的强度；幅度提高钢的强度；适用：适用：强度要求高的中合金高强度强度要求高的中合金高强度钢的零件。钢的零件。（2）低温相变热处理：包括低温形变淬火和低温形变等温淬火。加金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理低温形变淬火低温形变淬火形变后淬火形变后淬火+回火，获得马氏体组织；回火，获得马氏体组织；适用于强度要求很高的零件，如固体适用于强度要求很高的零件，如固体火箭壳体、飞机起落架等；火箭壳体、飞机起落架等；低温形变等温淬火低温形变等温淬火形变后在贝氏体区等温后淬火，获得形变后在贝氏体区等温后淬火，获得贝氏体组织贝氏体组织。特点：零件强度较低温形变淬火略低，特点：零件强度较低温形变淬火略低，但塑性较高但塑性较高适用适用：热作模具、高强度小零件。：热作模具、高强度小零件。低温形变淬火低温形变等温淬火金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理二、相变中进行形变的形变热处理二、相变中进行形变的形变热处理 包含相变中进行的等温形变处理和马氏体相变中进行形变包含相变中进行的等温形变处理和马氏体相变中进行形变的形变热处理。的形变热处理。1、等温形变处理、等温形变处理加热温度：加热温度：AcAc3 3以上；以上；形变和相变温度：形变和相变温度：快冷至快冷至AcAc1 1以以下过冷奥氏体稳定的区域进行下过冷奥氏体稳定的区域进行形变和相变；形变和相变；相变中进行的等温形变热处理相变中进行的等温形变热处理包括包括珠光体相变珠光体相变中进行的等温中进行的等温形变热处理和形变热处理和贝氏体相变贝氏体相变中进中进行的等温形变热处理。行的等温形变热处理。二、相变中进行形变的形变热处理1、等温形变处理金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理2.2.马氏体相变中进行的形变热处理马氏体相变中进行的形变热处理利用形变可以诱发马氏体相变的原理使钢得以强化的热利用形变可以诱发马氏体相变的原理使钢得以强化的热处理工艺；处理工艺；加热温度：加热温度：AcAc3 3以上；以上；形变和相变温度：形变和相变温度：M Md d-M-Ms s间；间；应用：应用：对奥氏体不锈钢进行室对奥氏体不锈钢进行室温形变，形变诱发马氏体相变；温形变，形变诱发马氏体相变；形变还起到加工硬化的作用形变还起到加工硬化的作用诱发马氏体的室温形变，利用相变诱发塑性的原理使诱发马氏体的室温形变，利用相变诱发塑性的原理使钢在使用过程中不断发生马氏体转变，材料服役过程中钢在使用过程中不断发生马氏体转变，材料服役过程中兼具高强度与超塑性。兼具高强度与超塑性。2.马氏体相变中进行的形变热处理金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理三、相变后形变的形变热处理三、相变后形变的形变热处理对奥氏体转变产物进行形变强化的工艺。包括：珠光体的冷变对奥氏体转变产物进行形变强化的工艺。包括：珠光体的冷变形、珠光体的温加工、回火马氏体的形变时效形、珠光体的温加工、回火马氏体的形变时效1.1.珠光体的冷变形：珠光体的冷变形：如，钢丝的铅淬冷拔如，钢丝的铅淬冷拔钢丝坯料经奥氏体化后铅淬，得钢丝坯料经奥氏体化后铅淬，得到细密且均匀的珠光体组织，随后到细密且均匀的珠光体组织，随后冷拔。冷拔。细密的片状珠光体经冷拔后，渗细密的片状珠光体经冷拔后，渗碳体片更细小，铁素体基体中的位碳体片更细小，铁素体基体中的位错密度增加。错密度增加。三、相变后形变的形变热处理1.珠光体的冷变形：金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理2.2.珠光体的温加工珠光体的温加工一种快速球化碳化物的工艺一种快速球化碳化物的工艺将等温退火后的钢加热至将等温退火后的钢加热至700-750700-750进行形变，然后进行形变，然后慢冷至慢冷至600600出炉出炉工艺时间是普通球化退火工艺时间是普通球化退火的的15-2015-20分之一，且球化效分之一，且球化效果好。果好。2.珠光体的温加工金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理3.3.回火马氏体的形变时效回火马氏体的形变时效 形变使钢的强度提高，塑性、韧性降低；小变形时，形变使钢的强度提高，塑性、韧性降低；小变形时，塑性降低不明显。塑性降低不明显。形变强化原因：形变强化原因：形变使回火形变使回火马氏体基体中位错密度增高；马氏体基体中位错密度增高；碳原子对位错的钉扎作用（时碳原子对位错的钉扎作用（时效发生）；效发生）；形变后低温回火，形变后低温回火，更有利于碳的脱溶，钉扎作用更更有利于碳的脱溶，钉扎作用更强；强；继续提高回火温度，出现继续提高回火温度，出现碳化物的沉淀、聚集、长大，强碳化物的沉淀、聚集、长大，强化效果变差。化效果变差。3.回火马氏体的形变时效金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理四、形变热处理强韧化的机理四、形变热处理强韧化的机理1 1、显微组织细化、显微组织细化 珠光体细化的强化作用最强，马氏体细化的强化作用最珠光体细化的强化作用最强，马氏体细化的强化作用最弱，而贝氏体细化的强化作用居中。弱，而贝氏体细化的强化作用居中。（1 1）珠光体的形变等温处理（先形变后等温）和等温形变珠光体的形变等温处理（先形变后等温）和等温形变处理（相变中形变），处理（相变中形变），均能得到极细密的珠光体组织。且均能得到极细密的珠光体组织。且等温形变处理后获得的组织为铁素体基体上均匀分布着的等温形变处理后获得的组织为铁素体基体上均匀分布着的极细、粒状珠光体，铁素体基体被分割成许多等轴的亚晶极细、粒状珠光体，铁素体基体被分割成许多等轴的亚晶粒，强韧性得以提高；粒，强韧性得以提高；四、形变热处理强韧化的机理金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理（2）马氏体的高温形变淬火和低温形变淬火马氏体的高温形变淬火和低温形变淬火，均能使马，均能使马氏体细化。低温形变淬火是由于亚稳奥氏体形变后为马氏体细化。低温形变淬火是由于亚稳奥氏体形变后为马氏体提供了更多的形核部位，且形变带来的各种缺陷和氏体提供了更多的形核部位，且形变带来的各种缺陷和滑移带均能组织马氏体的长大，起到了细化的作用；但滑移带均能组织马氏体的长大，起到了细化的作用；但高温形变淬火下，在不发生奥氏体的再结晶条件下，奥高温形变淬火下，在不发生奥氏体的再结晶条件下，奥氏体沿形变方向被拉长，对组织细化效果有限。氏体沿形变方向被拉长，对组织细化效果有限。（3）贝氏体的形变等温淬火或等温形变淬火贝氏体的形变等温淬火或等温形变淬火，形变提高，形变提高了贝氏体转变的形核率且组织了了贝氏体转变的形核率且组织了相的共格生长，可是贝相的共格生长，可是贝氏体组织细化，起到了一定的强韧化作用。氏体组织细化，起到了一定的强韧化作用。（2）马氏体的高温形变淬火和低温形变淬火，均能使马氏体细化。金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理2.2.位错密度和亚结构位错密度和亚结构 马氏体的强化作用最明显，珠光体几乎没有强化作用，马氏体的强化作用最明显，珠光体几乎没有强化作用，贝氏体的强化作用居中。贝氏体的强化作用居中。低温形变淬火带来的大量的位错，被低温形变淬火带来的大量的位错，被马氏体马氏体所继承（马氏所继承（马氏体的亚结构主要是位错），形变后马氏体的位错密度较普通体的亚结构主要是位错），形变后马氏体的位错密度较普通淬火高得多，存在淬火高得多，存在“位错墙位错墙”；而高温形变淬火后，由于奥；而高温形变淬火后，由于奥氏体发生了较强的回复作用，使得位错密度有所下降，故其氏体发生了较强的回复作用，使得位错密度有所下降，故其强化效果较低；强化效果较低；珠光体珠光体转变的扩散性，使得奥氏体形变中得到的高密度位转变的扩散性，使得奥氏体形变中得到的高密度位错大部分消失，进而强化作用消失；错大部分消失，进而强化作用消失；由于由于贝氏体贝氏体转变存在扩散性和共格性，形变带来的位错部转变存在扩散性和共格性，形变带来的位错部分被贝氏体继承，因而强化效果明显。分被贝氏体继承，因而强化效果明显。2.位错密度和亚结构金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理3.3.碳化物的弥散强化碳化物的弥散强化 碳化物的析出指的是在奥氏体形变过程中发生的，与碳化物的析出指的是在奥氏体形变过程中发生的，与奥氏体随后转变为何种组织无关。奥氏体随后转变为何种组织无关。形变后产生的高密度位错为碳化物的形核提供了有利形变后产生的高密度位错为碳化物的形核提供了有利部位，同时也加速了碳化物形成元素的置换扩散；碳化部位，同时也加速了碳化物形成元素的置换扩散；碳化物在位错上沉淀，强烈钉扎了位错，使进一步变形时的物在位错上沉淀，强烈钉扎了位错，使进一步变形时的位错增殖，进而提供了更多的沉淀部位。周而复始，奥位错增殖，进而提供了更多的沉淀部位。周而复始，奥氏体中析出了大量细小的碳化物。氏体中析出了大量细小的碳化物。碳化物弥散分布在马氏体基体上，钢的硬度提高。碳化物弥散分布在马氏体基体上，钢的硬度提高。3.碳化物的弥散强化金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理五、影响形变热处理强韧化效果的工艺因素五、影响形变热处理强韧化效果的工艺因素奥氏体在高温下形变，位错密度增殖引起加工硬化；同时发奥氏体在高温下形变，位错密度增殖引起加工硬化；同时发生的回复和再结晶引起软化（动态回复和动态再结晶）生的回复和再结晶引起软化（动态回复和动态再结晶）主要影响因素：主要影响因素：形变温度形变温度形变量形变量形变后淬火前的停留时间形变后淬火前的停留时间五、影响形变热处理强韧化效果的工艺因素金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理随着形变量的增加，变形抗力逐渐增大，直至达到最大值；随着形变量的增加，变形抗力逐渐增大，直至达到最大值；随着变形量的增加，变形抗力达到峰值后逐渐降低；随着变形量的增加，变形抗力达到峰值后逐渐降低；变形量继续增加至某一数值后，变形抗力维持一恒定值。变形量继续增加至某一数值后，变形抗力维持一恒定值。随着形变量的增加，变形抗力逐渐增大，直至达到最大值；金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理（1 1）形变温度）形变温度 形变量一定时，形变温度愈低，强化效果愈好（不利形变量一定时，形变温度愈低，强化效果愈好（不利于动态回复和动态再结晶）。于动态回复和动态再结晶）。（2 2）形变量）形变量低温形变淬火时，形变量愈大，强化效果愈明显，而低温形变淬火时，形变量愈大，强化效果愈明显，而塑性有所下降；塑性有所下降；高温形变淬火时，强化效果分为两类：一是强化效果高温形变淬火时，强化效果分为两类：一是强化效果随形变量的增加单调的变化（如，随形变量的增加单调的变化（如，45CrMnSiMoA45CrMnSiMoA钢，在较钢，在较大的形变量下，合金元素有推迟再结晶的作用）；二是大的形变量下，合金元素有推迟再结晶的作用）；二是强化效果随着形变量出现峰值后下降（增加的形变量带强化效果随着形变量出现峰值后下降（增加的形变量带来的内热促使再结晶过程的进行）来的内热促使再结晶过程的进行）（1）形变温度金属热处理原理及工艺金属热处理原理及工艺真空热处理与形变热处理真空热处理与形变热处理（3 3）形变后淬火前停留的时间：）形变后淬火前停留的时间：低温形变淬火后回火，是将亚稳奥氏体形变钢加热至略低温形变淬火后回火，是将亚稳奥氏体形变钢加热至略高于形变温度，保温的过程中发生再结晶，然后淬火、回高于形变温度，保温的过程中发生再结晶，然后淬火、回火，钢的塑性显著提高，强度略有下降；火，钢的塑性显著提高，强度略有下降；高温形变淬火时，形变温度略高于再结晶温度，形变后高温形变淬火时，形变温度略高于再结晶温度，形变后停留会影响形变淬火钢的组织和性能停留会影响形变淬火钢的组织和性能.形变量不同，强度的下降不同，塑性上升的也不同。形变量不同，强度的下降不同，塑性上升的也不同。形变热处理工艺可以明显强化材料，但该工艺于实际生形变热处理工艺可以明显强化材料，但该工艺于实际生产应用有一定的难度（形变设备、工艺装备、设备布局及产应用有一定的难度（形变设备、工艺装备、设备布局及处理等），因此，该工艺的应用受到了一定的限制。处理等），因此，该工艺的应用受到了一定的限制。（3）形变后淬火前停留的时间：