工程材料第二章3

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,纯,金属的结晶,2.2,合金的结晶,2.3,金属的塑性加工,2.4,钢的热处理,2.5,钢的合金化,2.6 表面技术,第2章 金属材料的 组织与性能控制,b,2.4.0,热处理的概念,2.4.1,钢在加热时的转变,2.4.2,钢在冷却时的转变,2.4.,3,钢的普通热处理,2.4.4,钢的表面热处理,2.4.5,钢的化学热处理,2.4.,6,钢的热处理新技术,2.4,钢的热处理,HEAT TREATMENT OF STEEL,热处理,的概念,General principles of heat treatment,将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种操作工艺。,2.4.,1,钢在加热时的转变,Formation of austenite,临界温度,平衡时：,A,1,、 A,3,、Acm,实际加热时：,Ac,1,、 Ac,3,、Accm,c-chauffage,实际冷却时：,Ar,1,、Ar,3,、Arcm,r-refroidissement,T,Beginning of PA-,transfomation,End of,p,A,-transformation,V,2,a,”,b,”,a,b,V,1,A,1,Fig. Transformation of,pealite(P,) into,austenite(A,),1,奥氏体的形成,Fe，C,原子扩散和晶格改变的过程。,共析钢加热到,Ac,1,以上时，,P A,共析钢,A,化过程, 形核 、长大、,Fe,3,C,完全溶解、,C,的均匀化。,亚（过）析钢的,A,化 ,P,A,后，先共析,F,或,Fe,3,C,溶解。,影响,A,转变速度的因素,加热温度,和,速度,转变快,C%,或,Fe,3,C,片间距,界面多，形核多 转变快,合金元素, A,化速度,或,A,晶粒度,加热温度，保温时间,晶粒尺寸,合金碳化物，,C% ,晶粒尺寸,2.4.2,钢在冷却时的转变,1,过冷,A,的等温转变,curve1,2,过冷,A,的连续冷却转变,curve2,T,2,1,图：热处理工艺曲线示意图,临界点,1. 过冷,A,的等温转变,过冷,A,:T S T,珠光体,P ，3800,Electron,microscccccopic,photograph,索氏体,S 8000,屈氏体,T 8000,高温,转变,过程 晶格改变和,Fe，C,原子扩散。,中温转变（550 ,M,S,）,C,原子扩散，,Fe,原子不扩散,过冷,A ,贝氏体,B,bainite,（,碳化物 + 含过饱和,C,的,F ）,上,B，,550 350,产物, 羽毛状，小片状,Fe,3,C,分布在,F,间。,上,B,强度和韧性差,光学显微照片 1300,电子显微照片 5000,45钢，上,B+,下,B,，400,下,B，,350 ,M,S,产物,下,B,韧性高，综合机械性能好。,F,针内定向分布着细小,Fe,2.4,C,颗粒,电子显微照片 12000,T8,钢，下,B,，,黑色针状,光学显微照片 400,亚,（过）,共析钢,过冷,A,的等温转变,与共析钢相比，,C,曲线左移，多一条过冷,A,F,（Fe,3,C,）,的转变开始线，且,M,s,、M,f,线上,（下）,移。,2. 过冷,A,的连续冷却转变,连续冷却,转变,(,CCT,),曲线,P,s, AP,开始线,P,f, AP,终止线,KK P,型转变中止线,Vk,上临界冷却速度,Vk, ,下临界冷却速度,M,S, A M,开始温度,M,f, A M,终止温度,T,K,K,P,s,P,f,A,1,M,S,M,f,V,k,V,k,Fig: continuous cooling transformation curve of austenite,连续冷却,转变产物,CCT,和,TTT,曲线的比较,CCT,位于,TTT,曲线 右下方,CCT,中没有,AB,转变,炉冷,P,(V,1,),空冷,S,(V,2,Vk),油冷,T+M+A (V,3,=,Vk,Vk,),水冷,M+A (V,4,Vk),等温淬火,B,下,V,5,T,A,1,M,s,M,f,V,1,炉冷,P,V,2,空冷,S,V,3,油冷,T+M+A,V,k,V,k,V,4,水冷,M+A,V,5,等温淬火,B,下,马氏体（,Martensite,）,转变特点,1) 无扩散,Fe,和,C,原子都不进行扩散，,M,可能是,体心立方,也可能是,体心正方,的,C,过饱和的,F，,固溶强化显著。,2),瞬,时性,M,的形成速度极快，,10,-7,S,温度则 转变量,3) 不彻底,M,转变,总要残留少量,A，,Retained austenite,(A,R,or A,) A,中的,C%,则,M,S,、M,f,，残余,A,含量,4),M,形成时体积,，造成很大内应力。,Fig: Effect of carbon on the quantity of retained austenite in hardened steel,M,的形态,C% 1.0 %,时，为,针状,M,（高碳马氏体），,体心正方，正方马氏体。,C% = 0.251.0 %,时，为,混合,M,。,Fe-1.8C,，冷至-100,Fe-1.8C,，冷至-60,M,的性能,C %,M,硬度,针状,M,硬,度,高，塑韧性差。,板条,M,强度较高，塑韧性较好。,M,HV,HRC,W(c,）,%,A,(A,R,),图：碳质量分数对马氏体硬度和残余奥氏体的影响,亚共析钢,连续冷却,转变,炉冷,F + P,空冷,F + S,油冷,T + M,水冷,M,T,A,3,A,1,M,s,M,f,A,F,A,P,水冷,M,油冷,T+M,空冷,F+S,炉冷,F+P,图：亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,过共析钢,连续冷却,转变,炉冷,P,+,Fe3C,空冷,S + Fe,3,C,油冷,T + M,+ A,水冷,M,+ A,T,A,cm,A,1,M,s,M,f,A,F,e3,C,A,P,炉冷,P+F,e3,C,空冷,S+Fe3C,油冷,T+M+A,水冷,M+A,图：过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,转变温度,对,共析钢,硬度,和,韧性,的影响,按转变温度的高低，,转变产物分别是：,P、S、T，,上,B、,下,B、M,，,其硬度依次增加。,2.4.,3,钢的普通热处理,The common heat treatment of steels,1,退火,Annealing,2,正火,Normalizing,3,淬火,Quenching,4,回火,Tempering,1,退火,annealing,加热、保温后，缓冷,(,炉冷,),近平衡组织,P（ + F,或,Fe,3,C,II,）,完全退火,（亚共析钢）,加热温度,Ac,3,+,2030,缓冷,F,+ P,目的：细化晶粒，均匀化组织,降低硬度 切削性,为最终热处理作组织准备,等温,退火：,等温,转变,F,+ P，,再缓冷,球化退火,（过共析钢）,在,Ac,+,2030,等温,， 使,Fe,3,C,球化，,再缓冷 ,球状,P,（F,+,球状,Cm）,目的：,硬度,切削性,韧性,为最终热处理作组织准备,扩散退火,homogenizing,加热至略低于固相线,目的：使成分、组织均匀,再结晶退火：,加热温度,T,R,+,3050,T,R,=(0.35,0.4,)T,m,目的：消除加工硬化,去应力退火,加热温度,Ac,1,，一般为,500650,目的：,消除冷热加工后的内应力,去应力退火,扩散退火,完全退火,球化退火,T,W(C)%,Fig,：,Heating temperatures for various types of annealing,正火,normalizing,应用：,1) 钢的最终热处理,细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中,P(S),% 强度、韧性、硬度,2) 预先热处理 淬火、球化退火前改善组织。,3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。,加热温度,Ac,3,(,Accm,),+ 3050，,空冷 ,S （ + F,或,Fe,3,C,II,）,3,淬火,（,quenching,）,加热到,Ac,3,、Ac,1,以上，保温，快速冷却 ,M 。,淬火温度,亚共析钢,Ac,3,+ 3050 ,组织：,M+A,2),过共析钢,Ac,1,+ 3050 ，,组织：,M + Fe,3,C,粒状,+ A ，,性能：硬度高，脆性大。,影响：,A,中,C%,M,脆性 ，残余,A%,淬火温度低,M,细小，韧性升高，淬火应力小。,T,W(C)%,Hardening temperature range,Fig:Optimum,temperature range for,hardering,ofcarbon,steel,冷却,介质,冷却速度,：,盐水,水,盐浴,油,淬火方法,单介质淬火：水、油冷,single quenching (curve 1),双介质淬火：水冷 + 油冷,double quenching (curve 2),分级淬火： ,Ms,盐浴中均温空冷,Interrupted quenching (curve 3),等温淬火（ 在盐、碱浴中）,B,下,Isothermal quenching (curve 4),1,2,3,4,钢的淬透性,钢接受淬火时形成,M,的能力（或：,淬火时获得,M,层深度的能力）,，取决于临界冷却速度,V,K,。,淬透性的应用,按负载，选择不同淬透性的材料。,淬硬性,：淬火后获得的最高硬度，,C%,淬硬性,影响淬透性的因素,除,Co,外，合金使,V,K, , 淬透性,(,a),完全淬透 (,b),淬透较大厚度 (,c),淬透较小厚度,淬透性不同的钢调质后机械性能的比较,4,回火,The tempering of,martensite,淬火后，加热到,Ac,1,以下，保温，冷却。,目的：消除淬火应力，调整性能。,低温回火（150250）,回火,M,(M,) (,过饱和,F +,薄片状,Fe,2.4,C ),+ A,淬火应力 ，韧性 ，保持淬火后的高硬度。,用于高,C,工具钢 、轴承等。,中温回火（350500）,回火,T,(F +,细粒状,Fe,3,C),弹性极限和屈服强度,，韧性和硬度中等,。,用于,弹簧等。,高温回火（500650）,回火,S,(,等轴状,F +,粒状,Fe,3,C),综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都较好,。,用于,重要零件。,调质处理, 淬火 + 高温回火,回火产物的组织形态比较,回火,M 400,回火,T 7500,回火,S 7500,M,低倍,T 1000,S 1000,回火时性能的变化,回火温度,硬度,、强度 ， 塑性,2.4.,4,钢的表面热处理,（表面淬火）,不改变心部组织，利用快速加热将表层,A,化后进行淬火。,目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。,感应加热表面淬火,交变磁场 感应表面电流 表面加热,特点,1) 加热速度快，晶粒度小，硬度，脆性,2) 表层残余压应力 提高疲劳强度,3) 不易氧化、脱碳、变形小。,4) 加热温度和淬硬层厚度容易控制。,火焰加热表面淬火,（乙炔氧等火焰）,设备简单，但生产率低。,2.4.,5,钢的化学热处理,将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。,分类,渗,C、N,化、,C,N,共渗、渗硼、渗铬、渗,Al,等,。,钢的渗,C,气体、固体渗,C,低,C,钢在高,C,介质中加热到900950、保温 高碳表层（约1.0%）,目的：表面硬度，耐磨性 ，心部保持一定的强度和塑韧性。,渗碳后的,的热处理,淬火,直接淬火 晶粒粗大，残余,A,多，耐磨性低，变形大。,一次淬火 加热温度,Ac,3,以上（心部性能 ）或,Ac,1,以上（表面性能 ）,二次淬火 ,Ac,3,以上（心部性能 ）+,Ac,1,以上（表面性能 ）,低温回火, 150200，,消除淬火应力，提高韧性。,钢的氮化,工件表面渗入,N,原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。,氮化温度低(500600)，时间长（20,50h），,渗层薄。,氮化前调质处理、氮化后无须淬火。,小结,重点要求,1.,A,等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态 、性能间的关系。,2. A,连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。,3. 四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。,一般要求,1.,A,晶粒长大的影响因素及控制方法。,2. 非共析钢,C,曲线的特点；淬透性的概念。,3. 钢的表面淬火；化学热处理。,“,钢的热处理,”,练习题,1. 共析钢加热到相变点以上，用,图1,的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？（工程材料习题与辅导，,P14，,第26题 ）,2.,T12,钢加热到,Ac,1,以上，用,图2,的各种方法冷却，分析其所得到的组织。,（,旧版,工程材料习题与辅导，,P 23 ，,第22题 ）,3.,残余奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？用什么方法可以减少残余奥氏体的数量？,思考题,1.,淬硬性和淬透性有什么不同？决定淬硬性和淬透性的因素是什么？,2.,淬火内应力是怎样产生的？它与哪些因素有关？,“,钢的热处理,”,练习题,作 业 2,e,P 9 14week10, Nov 2,2.,21),24）,3.,22),25）,4.,19),26）,作业2,d,参考答案,P 9-12,2.,18) 在过冷,A,等温转变产物中，,P,和,T,的主要相同点是：,都是共析体（,F +,层片状,Fe,3,C）,不相同点是：,T,的层片间距较小,19) 用光学显微镜观察，上,B,的组织特征呈（）状，而下,B,则呈（）状。,羽毛,黑色针,20),M,的显微组织形态主要有（）、（）两种。其中（）的韧性较好。,板条,状,针状,板条,M,3.,18),M,是,C,在,-,Fe,中的过饱和固溶体。当,A,向,M,转变时，体积要收缩。（ ）,No,19) 当把亚共析钢加热到,Ac,1,和,Ac,3,之间的温度时，将获得由,F,和,A,构成的两相组织，在平衡条件下，其中,A,的,w(C,),总是大于钢的,w(C,),。 （ ）,Yes,21) 当共析成分的,A,在冷却发生,P,转变时，温度越低，其转变产物组织越粗。（ ）,No,作业2,d,参考答案,P 14,4.,14),A,向,P,的转变是：,a.,扩散型转变,b.,非扩散型转变,c.,半扩散型转变,16) 共析钢的过冷,A,在,550 350,的温度区间等温转变时，所形成的 组织是：,a.,Sb,.,下,Bc,.,上,Bd,. P,18),M,的硬度取决于：,a.,冷却速度,b.,转变温度,c.,碳含量,5.,25),M,的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？,答：,M,的本质是,C,在,-,Fe,中的过饱和固溶体。,因为,M,中,C,的过饱和度大，固溶强化效果显著，所以其硬度很高。,高碳,M,的脆性大，是由于其,C,的过饱和度大，则内应力大。另外，孪晶结构增加了其脆性。,The End,of 2.4 (2b),