钢的热处理工艺课件.ppt
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- 热处理 工艺 课件
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1、金属材料及热处理主讲教师:赵忠魁回火转变可分为下列四种:(1) 马氏体转变,发生于100350;(2) 残余奥氏体转变,发生于200300, 属于低温回火,得到回火马氏体(M);(3) 碳化物转变,(), 发生于400,属于中温回火,得到回火屈氏体(T);(4) 相回复再结晶,碳化物聚集长大,发生于400550,属于高温回火,得到回火索氏体(S)。 1.马氏体中马氏体中C 原子偏聚原子偏聚(100) 由于转变温度较低, Fe与合金元素原子难以扩散; C、N溶质原子只能做短程偏聚。 板条马氏体板条马氏体晶内存在大量位错,C、N原子向位错线附近偏聚,降低弹性畸变能。 片状马氏体片状马氏体由于C、N
2、原子向孪晶面(110)偏聚,形成厚度几个直径十几个排的富碳区,使弹性畸变能可能升高。 (一) 马氏体的分解(1)板条状马氏体)板条状马氏体 低碳(0.2%C)板条马氏体在100200回火,C原子仍偏聚在位错线附近处于稳定状态,不析出碳化物。高于200时,析出碳化物。2.马氏体分解马氏体分解(80250) 回火温度超过80马氏体开始分解,马氏体中C%降低,c 轴减小,a 轴变大,正方度c/a降低,马氏体转变成回火马氏体。 低碳马氏体由于Ms点较高,淬火冷却时往往析出-Fe3C碳化物称自回火自回火。(2)片状马氏体)片状马氏体 从马氏体析出与其共格的-FexC。马氏体分解转变为回火马氏体。1.碳化
3、物析出 从高碳马氏体析出与其共格的-FexC -FexC为密排六方结构,X=23。 -FexC为亚稳相,温度升高可以继续转变。 光学显微镜下看不见-FexC,易腐蚀成黑色, 电子显微镜下可以观察到-FexC为长1000条状(空间形态为薄片状) 此时马氏体点阵常数a增加,c减小,正方度c/a降低。(二)碳化物的析出、聚集和长大2. 碳化物转变碳化物转变(270400 碳钢中马氏体过饱和的C 几乎全部脱溶,但仍具有一定的正方度。 形成两种比-FexC更加稳定的碳化物 *一种是-Fe5C2单斜晶系 *一种是-Fe3C正交晶系。 具体形成过程可表示为:相+-FexC 相+-Fe5C2+-FexC 相+
4、-Fe3C+-Fe5C2+-FexC 相+-Fe3C+-Fe5C2 相+-Fe3C。3.碳化物析出与转变规律(1)是否出现-Fe5C2与钢的C%有关,C%增加有利于-Fe5C2产生(板条马氏体不易产生-Fe5C2)。(2)回火时碳化物析出的惯习面和位向关系与碳化物类型有关。 中、低碳钢:-Fe5C2 的惯习面为112;位向关系为 (100)/(121),(010)/(101),001/111。-Fe3C 的惯习面为110或112;位向关系为 (001)/(112),(010)/(111) ,100/110。(3)碳化物转变取决于回火温度,也和时间有关。 随着回火时间的延长,转变温度可以降低。4
5、. 最终组织:回火屈氏体回火屈氏体 具有一定过饱和度的 相和与其无共格关系的-Fe3C 碳化物混合组织。 对于合金钢,回火过程中形成细小弥散的与 相共格的特殊碳化物,导致钢的硬度增加称为二次硬化二次硬化。(三)残余奥氏体转变(三)残余奥氏体转变(200300)1. 残余奥氏体与过冷奥氏体相比 两者都是C在-Fe中的固溶体,转变的动力学曲线很相似。 物理状态不同,残余奥氏体在淬火过程中发生了高度塑性变形,存在很大的畸变。 发生了机械稳定化和热稳定化。2. 淬火高碳钢,残余奥氏体转变产物是 相和-FexC 的混合组织,称回火马氏体或下贝氏体。 此时相的C%不仅与回火马氏体相近,而且与下贝氏体的C%
6、相近、结构也相似。 残余奥氏体分解可表示为:A 残M 回或B 下(相+-FexC),残余奥氏体转变为马氏体或下贝氏体称为二次淬火二次淬火。(四)(四)相回复再结晶及碳化物聚集长大相回复再结晶及碳化物聚集长大(400)主要发生主要发生相回复再结晶,同时碳化物聚集长大。相回复再结晶,同时碳化物聚集长大。1.相回复相回复2.再结晶再结晶3.碳化物长大碳化物长大4.最终组织最终组织1.相回复相回复 相回复包括内应力消除和缺陷的减少或逐渐消失。相回复包括内应力消除和缺陷的减少或逐渐消失。(1)三类内应力:)三类内应力: *第一类内应力:宏观的,存在于表面与心部之间。第一类内应力:宏观的,存在于表面与心部
7、之间。 *第二类内应力:晶粒间。第二类内应力:晶粒间。 *第三类内应力:晶胞内。第三类内应力:晶胞内。 (2)回复过程)回复过程 板条马氏体的位错降低,剩下的位错将重新排列形成二维板条马氏体的位错降低,剩下的位错将重新排列形成二维位错网络位错网络多边化。这些位错网络把板条马氏体晶粒分割成亚多边化。这些位错网络把板条马氏体晶粒分割成亚晶粒。晶粒。 片状马氏体回火温度高于片状马氏体回火温度高于250时孪晶开始消失,时孪晶开始消失,400孪孪晶全部消失,前三个阶段受晶全部消失,前三个阶段受C 扩散控制存在零件内回复就开始发扩散控制存在零件内回复就开始发生。生。 注意:回复过程马氏体晶粒空间形态不变注
8、意:回复过程马氏体晶粒空间形态不变(板条状马氏体仍板板条状马氏体仍板条状,片状马氏体仍片状条状,片状马氏体仍片状)。2.再结晶再结晶 回火温度高于回火温度高于600发生再结晶。这一过程也是形发生再结晶。这一过程也是形核核(亚晶界为核心亚晶界为核心)、长大过程。、长大过程。 板条马氏体形成位错密度很低的等轴板条马氏体形成位错密度很低的等轴相取代板条相取代板条晶粒晶粒再结晶再结晶 片状马氏体回火温度高于片状马氏体回火温度高于400孪晶全部消失,出孪晶全部消失,出现胞块组织,温度高于现胞块组织,温度高于600发生再结晶。发生再结晶。3.碳化物长大碳化物长大 温度高于温度高于400,碳化物已与,碳化物
9、已与相脱离共格关系而聚相脱离共格关系而聚集球化。细粒状弥散的碳化物迅速聚集长大并粗化。并集球化。细粒状弥散的碳化物迅速聚集长大并粗化。并对对相的再结晶有阻碍作用相的再结晶有阻碍作用 4.最终组织:回火索氏体组织最终组织:回火索氏体组织 回复和再结晶的回复和再结晶的相与聚集长大的粒状碳化物相与聚集长大的粒状碳化物(与与相无共格关系相无共格关系)的混合组织。的混合组织。(五)(五) 淬火钢回火时力学性能变化淬火钢回火时力学性能变化 按回火温度的不同,将回火分成按回火温度的不同,将回火分成500图1.46 低碳马氏体回火力学性能的变化1.低碳钢回火后的力学性能2.高碳钢回火后的力学性能高碳钢回火后的
10、力学性能(1)硬度)硬度 1)高碳钢高碳钢(0.8%C)100左右回火时硬度稍有左右回火时硬度稍有上升,是由于上升,是由于C 原子偏聚和共格原子偏聚和共格-FexC析出造成的。析出造成的。 2)200300回火时出现硬度平台是由于残余回火时出现硬度平台是由于残余奥氏体转变奥氏体转变(使硬度上升使硬度上升)和马氏体大量分解和马氏体大量分解(使硬度使硬度下降下降)两个因素综合作用的结果。两个因素综合作用的结果。 3)合金元素能够不同程度上阻碍回火硬度的降低,合金元素能够不同程度上阻碍回火硬度的降低,同时回火时同时回火时(500600)可以造成二次硬化。可以造成二次硬化。(2)强度和塑性)强度和塑性
11、 回火温度升高,强度不断下降,塑性不断上升。回火温度升高,强度不断下降,塑性不断上升。 1)低温回火时,高碳钢片状马氏体塑性几乎为零,低碳低温回火时,高碳钢片状马氏体塑性几乎为零,低碳钢具有良好的综合性能。钢具有良好的综合性能。 2)300450回火时钢的弹性极限最高回火时钢的弹性极限最高(回火屈氏体组回火屈氏体组织织)。 3)合金元素加入与相同含碳量的碳钢对比,强度高合金元素加入与相同含碳量的碳钢对比,强度高(回火回火高于高于300)。(六)回火脆性(六)回火脆性 钢在回火时,随回火温度升高,冲击韧性下降钢在回火时,随回火温度升高,冲击韧性下降(脆化脆化)的的现象,称为回火脆性。现象,称为回
12、火脆性。1.第一类回火脆性第一类回火脆性(1)定义:)定义:250400回火时出现的回火脆性称第一类回回火时出现的回火脆性称第一类回火脆性。火脆性。(2)特点:)特点: 1)断裂方式为沿晶断裂或穿晶断裂。断裂方式为沿晶断裂或穿晶断裂。 2)与回火冷却速度无关。与回火冷却速度无关。 3)产生第一类回火脆性的工件在更高的温度回火,脆性产生第一类回火脆性的工件在更高的温度回火,脆性消失,重新在其脆性温度区回火,也不产生回火脆性,这种消失,重新在其脆性温度区回火,也不产生回火脆性,这种特性称回火脆性的不可逆。特性称回火脆性的不可逆。3.产生机制产生机制(无定论无定论):杂质偏聚理论杂质偏聚理论杂质元素
13、杂质元素P、Sn、As、Sb 等向原奥氏体晶界等向原奥氏体晶界偏聚,合金元素偏聚,合金元素Ni、Cr、Mn也在原奥氏体晶界偏聚并促进杂质也在原奥氏体晶界偏聚并促进杂质元素的偏聚,处于韧性状态时没有发现上述杂质元素在原奥氏体元素的偏聚,处于韧性状态时没有发现上述杂质元素在原奥氏体晶界偏聚。杂质元素的偏聚引起强度降低。回火晶界偏聚。杂质元素的偏聚引起强度降低。回火500时,时,P 在在原奥氏体晶界显著偏聚,回火时间增加,原奥氏体晶界显著偏聚,回火时间增加,P 在原奥氏体晶界的偏在原奥氏体晶界的偏聚量增加,超过聚量增加,超过500时,时,P扩散离去,再次冷至扩散离去,再次冷至500时,时,P又又偏聚
14、在原奥氏体晶界偏聚在原奥氏体晶界可逆性。该理论不能解释第二类回火脆可逆性。该理论不能解释第二类回火脆性与冷却速度的关系。性与冷却速度的关系。4.避免方法:避免方法:(1)降低杂质元素含量,减少合金元素降低杂质元素含量,减少合金元素Ni、Cr、Mn含量。含量。(2)加入合金元素加入合金元素Mo、W等抑制杂质元素偏聚。等抑制杂质元素偏聚。(3)细化晶粒,奥氏体晶粒粗大,单位体积晶界数量减少,杂质在细化晶粒,奥氏体晶粒粗大,单位体积晶界数量减少,杂质在晶界处含量相对增加,第二类回火脆性增大。晶界处含量相对增加,第二类回火脆性增大。(4)回火快冷回火快冷(对尺寸小的零件、形状不太复杂对尺寸小的零件、形
15、状不太复杂)。(5)采用形变热处理方法减少第二类回火脆性。采用形变热处理方法减少第二类回火脆性。(6)亚共析钢采用亚温淬火使亚共析钢采用亚温淬火使P溶入到溶入到相中,减少其在奥氏体晶界相中,减少其在奥氏体晶界的偏聚。的偏聚。第二章 钢的热处理工艺 钢的热处理工艺 通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工技术。 分类 普通热处理(退火、正火、淬火、回火) 表面热处理(表面淬火、化学热处理) 形变热处理一、退火 什么是退火? 将钢加热到相变温度Ac1以上或以下,保温以后缓慢冷却(一般随炉冷却)以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。 目的: 均匀钢的化学成分及组织
16、,细化晶粒, 调整硬度,消除内应力和加工硬化调整硬度,消除内应力和加工硬化 ,改善,改善钢钢 的成形和切削加工性能,的成形和切削加工性能, 为淬火做好组织准备。 (1)按加热温度分为临界温度以上或以下按加热温度分为临界温度以上或以下临界温度以上l 完全退火l 扩散退火l 不完全退火l 球化退火临界温度以下l 再结晶退火l 去应力退火(2)按冷却方式)按冷却方式 等温退火 连续冷却退火 分类分类 加热温度范围1.完全退火 概念概念 将钢件或钢材加热到Ac3以上2030,经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却,以获得近于平衡组织的热处理工艺。 目的目的 均匀组织,细化晶粒均匀组织,细化晶粒 降低硬度,消
17、除内应力降低硬度,消除内应力 改善钢的切削加工性能改善钢的切削加工性能。 适用钢材适用钢材 中碳钢(消除魏氏组织、晶粒粗大、带状组织等) 实际生产中,实际生产中,600出炉空冷出炉空冷。 等温退火等温退火 将奥氏体化后的钢较快地冷却到稍低于Ar1温度等温,使奥氏体转变为珠光体,再空冷到室温的热处理工艺。 缩短退火时间 适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢。(1)概念(2)目的(3)适用钢种2.不完全退火 概念 将钢加热到Ac1Ac3(亚共析钢)或Ac1Accm (过共析钢)之间的双相区,保温后缓慢冷却的热处理工艺。 对亚共析钢,可代替完全退火。 对过共析钢,即为球化退火。3.球化退火 概念概念
18、钢随炉升温加热到钢随炉升温加热到Ac1Accm以下的双相区以下的双相区,保温,保温后缓慢冷却的热处理工艺。后缓慢冷却的热处理工艺。 目的目的 让其中的碳化物让其中的碳化物球化球化(粒化)和(粒化)和消除网状的二次消除网状的二次渗碳体渗碳体。(因此叫做球化退火。)。(因此叫做球化退火。)主要适用于共析或过共析的工模具钢主要适用于共析或过共析的工模具钢 适用钢种适用钢种T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 4.扩散退火(均匀化退火) 概念概念 将工件加热到将工件加热到略低于固相线的温度略低于固相线的温度(亚共析钢通常为(亚共析钢通常为10501150),长时间(一般),长时间(一般1020h
19、)保温,然后随)保温,然后随炉缓慢冷却到室温的热处理工艺。炉缓慢冷却到室温的热处理工艺。(也叫均匀化退火。) 目的目的均匀钢内部的化学成分,消除偏析。均匀钢内部的化学成分,消除偏析。主要于铸造后的高合金钢。主要于铸造后的高合金钢。 适用情况适用情况5.去应力退火 概念概念 为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为余内应力而进行的退火称为去应力退火去应力退火。 退火温度退火温度不超过不超过Ac1,一般,一般500650。6.再结晶退火 概念 把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间,使变形晶粒重新转变为均匀等轴
20、晶而消除加工硬化的热处理工艺。二、正火 概念概念 将钢材或钢件加热到将钢材或钢件加热到临界温度以上临界温度以上,保温后,保温后空冷空冷的热的热处理工艺。处理工艺。 亚共析钢的加热温度为Ac33050 过共析钢的加热温度为Accm3050。 正火与退火的主要区别正火与退火的主要区别 冷却速度不同,正火冷却速度较大,得到的珠光体组冷却速度不同,正火冷却速度较大,得到的珠光体组织很细,因而强度和硬度也较高。织很细,因而强度和硬度也较高。 应用应用(1)消除网状二次渗碳体)消除网状二次渗碳体(2)作为最终热处理,提高工件的力学性能)作为最终热处理,提高工件的力学性能(3)改善切削加工性能)改善切削加工
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