第一章金属材料的基础知识课件.ppt
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- 第一章 金属材料 基础知识 课件
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1、电厂金属材料第三章第三章 钢的热处理钢的热处理电厂金属材料 通过加热、保温和冷却来改变钢的组织,从而改变钢机械性通过加热、保温和冷却来改变钢的组织,从而改变钢机械性能的工艺,称为热处理。热处理的这三个阶段,可以用工艺能的工艺,称为热处理。热处理的这三个阶段,可以用工艺过程曲线来表示,如图过程曲线来表示,如图31所示。所示。电厂金属材料第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 热处理的第一道工序就是加热。铁碳合金相图是确定加热温度的理论基础。热处理的第一道工序就是加热。铁碳合金相图是确定加热温度的理论基础。共析钢在共析钢在A1临界温度下是珠光体组织,当加热温度超过临界点后珠光体就临界温度下
2、是珠光体组织,当加热温度超过临界点后珠光体就转变为奥氏体。转变为奥氏体。亚共析钢在亚共析钢在A1临界点温度下是铁素体和珠光体,当温度超过临界点温度下是铁素体和珠光体,当温度超过A1后,珠光体后,珠光体转变为奥氏体;如果继续加热,当温度转变为奥氏体;如果继续加热,当温度A3临界点铁素体也可转化为奥氏体。临界点铁素体也可转化为奥氏体。过共析钢在过共析钢在A1临界点温度下是渗碳体和珠光体,当加热温度超过临界点温度下是渗碳体和珠光体,当加热温度超过A1后,珠后,珠光体转变;如果继续加热至光体转变;如果继续加热至Acm以上,渗碳体将全部溶入奥氏体。以上,渗碳体将全部溶入奥氏体。钢的加热程度就是奥氏体的形
3、成过程,这种组织转变可以称为奥氏体化。钢的加热程度就是奥氏体的形成过程,这种组织转变可以称为奥氏体化。一、加热温度的确定一、加热温度的确定电厂金属材料注意:注意:加热时,钢的组织实际转变温度往往是高于相图中的理论相变温度;加热时,钢的组织实际转变温度往往是高于相图中的理论相变温度;冷却时,也往往低于相图中的理论相变温度。冷却时,也往往低于相图中的理论相变温度。在热处理工艺中,不加热时的临界点分别用在热处理工艺中,不加热时的临界点分别用AC1、AC3、ACCm表示;而冷却表示;而冷却是的临界点分别用是的临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。表示。二、奥氏体化过程二、奥氏体化过程珠光体转变为奥
4、氏体是一个从新结晶的过程。由于珠光体是铁素体和渗碳体的珠光体转变为奥氏体是一个从新结晶的过程。由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物,铁素体与渗碳体的晶包类型不同,含碳量差别很大,转变为奥氏机械混合物,铁素体与渗碳体的晶包类型不同,含碳量差别很大,转变为奥氏体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。奥氏体化大致可分为四个过程,如图奥氏体化大致可分为四个过程,如图32所示。所示。电厂金属材料 1奥氏体形核奥氏体形核奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。由于界面上的碳浓度处于中间值,奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。由于界面上的碳浓
5、度处于中间值,原子排列也不规则,原子由于偏离平衡位置处于畸变状态而具有较高的能量。同时位错和空原子排列也不规则,原子由于偏离平衡位置处于畸变状态而具有较高的能量。同时位错和空间密度较高间密度较高 铁素体和渗碳体的交接处在浓度结构和能量上为奥氏体形核提供了有利条件。铁素体和渗碳体的交接处在浓度结构和能量上为奥氏体形核提供了有利条件。2奥氏体长大奥氏体长大奥氏体一旦形成,便通过原子扩散不断张大奥氏体一旦形成,便通过原子扩散不断张大 在于铁素体接触的方向上,铁素体逐渐通过改在于铁素体接触的方向上,铁素体逐渐通过改组晶胞向奥氏提转化;在与渗碳体接触的方向上,渗碳体不断溶入奥氏体。组晶胞向奥氏提转化;在
6、与渗碳体接触的方向上,渗碳体不断溶入奥氏体。3残余渗碳体溶解残余渗碳体溶解由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大,因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。当由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大,因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。当珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后,仍有少量的渗碳体尚未溶解。随着保温时间的延长,珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后,仍有少量的渗碳体尚未溶解。随着保温时间的延长,这部分渗碳体不断溶入奥氏体,直至完全消失。这部分渗碳体不断溶入奥氏体,直至完全消失。4奥氏体均匀化奥氏体均匀化刚形成的奥氏体晶粒中,碳浓度是不均匀的。原先渗碳体的位置,碳浓度较高;原先属于铁刚形成的奥氏
7、体晶粒中,碳浓度是不均匀的。原先渗碳体的位置,碳浓度较高;原先属于铁素体的位置,碳浓度较低。因此,必须保温一段时间,通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥素体的位置,碳浓度较低。因此,必须保温一段时间,通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥氏体。这就是热处理应该有一个保温阶段的原因。氏体。这就是热处理应该有一个保温阶段的原因。电厂金属材料对于亚共析钢与过共析钢,若加热温度没有超过对于亚共析钢与过共析钢,若加热温度没有超过AC3或或ACCm,而在稍高于,而在稍高于AC1停留,只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体,而共析铁素体或二停留,只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体,而共析铁素体或二次渗碳体仍将保留。只
8、有进一步加热至次渗碳体仍将保留。只有进一步加热至AC3或或Accm以上并保温足够时间,以上并保温足够时间,才能得到单相的奥氏体。才能得到单相的奥氏体。如果加热温度过高,或者保温时间过长,将会促使奥氏体晶粒粗化。奥氏如果加热温度过高,或者保温时间过长,将会促使奥氏体晶粒粗化。奥氏体晶粒粗化后,热处理后钢的晶粒就粗大,会降低钢的力学性能。体晶粒粗化后,热处理后钢的晶粒就粗大,会降低钢的力学性能。电厂金属材料三、三、晶粒度的评定晶粒度的评定 晶粒的大小,或叫晶粒的粗细,是用晶粒的大小,或叫晶粒的粗细,是用晶粒度晶粒度来表示的。来表示的。1起始晶粒度起始晶粒度:指钢加热至奥氏体的过程中,当铁素体向奥氏
9、体转变刚刚完了是所形成:指钢加热至奥氏体的过程中,当铁素体向奥氏体转变刚刚完了是所形成的晶粒度,既当奥氏体成核长大时的晶粒度,既当奥氏体成核长大时,奥氏体晶粒的边界刚刚相碰时的晶粒的大小。,奥氏体晶粒的边界刚刚相碰时的晶粒的大小。2实际晶粒度:实际晶粒度:是指某一具体的热处理后或热加工条件下,所得到的奥氏体晶粒度。是指某一具体的热处理后或热加工条件下,所得到的奥氏体晶粒度。在加热温度升高和保温时间延长的情况下、会使奥氏体最初形成的晶粒长大,这是因在加热温度升高和保温时间延长的情况下、会使奥氏体最初形成的晶粒长大,这是因为在奥氏体晶粒的边界处,原子排列是不规则的,因而活动的能力强,较大的晶粒吞为
10、在奥氏体晶粒的边界处,原子排列是不规则的,因而活动的能力强,较大的晶粒吞并小的晶粒,使晶界迁移,晶粒就不断长大。并小的晶粒,使晶界迁移,晶粒就不断长大。在实际生产中影响奥氏体晶粒长大的主要原因是加热温度,加热温度越高,奥氏体的晶粒就越大;在实际生产中影响奥氏体晶粒长大的主要原因是加热温度,加热温度越高,奥氏体的晶粒就越大;其次是保温时间,保温时间长,奥氏体的晶粒也大。因此,热处理时要特别注意控制好加热温度,其次是保温时间,保温时间长,奥氏体的晶粒也大。因此,热处理时要特别注意控制好加热温度,并选择好适当的保温时间。并选择好适当的保温时间。电厂金属材料3 3本质晶粒度:本质晶粒度:不同的铜奥氏体
11、晶粒加热时长大的倾向不同,评定奥氏体晶不同的铜奥氏体晶粒加热时长大的倾向不同,评定奥氏体晶粒在加热时长大倾向的标准叫本质晶粒度。粒在加热时长大倾向的标准叫本质晶粒度。根据冶金部的标准规定,加热到根据冶金部的标准规定,加热到9301093010保温保温8h8h冷却下来后钢的晶粒大小,称为本质晶粒度。冷却下来后钢的晶粒大小,称为本质晶粒度。冶金部将钢分为两大类,一类叫本质粗晶粒钢,另一类叫本质细晶粒钢,其冶金部将钢分为两大类,一类叫本质粗晶粒钢,另一类叫本质细晶粒钢,其与温度的关系如图与温度的关系如图3 33 3所示。所示。电厂金属材料钢的本质晶粒度是由钢的成分和冶炼条件决定的。钢的本质晶粒度是由
12、钢的成分和冶炼条件决定的。含有钛、钒、钨等合金元含有钛、钒、钨等合金元素的钢,大多属于本质细晶粒钢。冶炼时采用铝脱氧的钢也为本质细晶粒钢,素的钢,大多属于本质细晶粒钢。冶炼时采用铝脱氧的钢也为本质细晶粒钢,而只用硅、锰脱氧的钢则为本质粗晶粒钢。而只用硅、锰脱氧的钢则为本质粗晶粒钢。工业生产采用工业生产采用奥氏体本质晶粒度奥氏体本质晶粒度来评定钢的长大倾向。来评定钢的长大倾向。奥氏体晶粒度的标准共奥氏体晶粒度的标准共定为定为18级,级,1级最粗,级最粗,8级最细,级最细,是在放大是在放大100倍的金相显微镜下观察定的级,倍的金相显微镜下观察定的级,晶粒度为晶粒度为14级的定为本质粗晶粒钢,级的定
13、为本质粗晶粒钢,58级的定为本质细晶粒钢。级的定为本质细晶粒钢。这是因为钛、钒、钨及铝等合金元素在钢中能形成金属化合物,这些化合物微粒分这是因为钛、钒、钨及铝等合金元素在钢中能形成金属化合物,这些化合物微粒分布在奥氏体晶界上能机械地阻止奥氏体晶粒的长大。但是,当温度升得较高时,这些布在奥氏体晶界上能机械地阻止奥氏体晶粒的长大。但是,当温度升得较高时,这些化合物微粒会发生聚集甚至溶入奥氏体,这样也失去了机械阻碍的作用,晶粒便会迅化合物微粒会发生聚集甚至溶入奥氏体,这样也失去了机械阻碍的作用,晶粒便会迅速长大。速长大。电厂金属材料第二节第二节 奥氏体钢在冷却时的转变奥氏体钢在冷却时的转变 冷却是钢
14、热处理的三个工序中影响性能的最重要环节,所以冷却转变是热处冷却是钢热处理的三个工序中影响性能的最重要环节,所以冷却转变是热处理的关键。理的关键。热处理冷却方式通常有两种,即等温冷却和连续冷却。热处理冷却方式通常有两种,即等温冷却和连续冷却。电厂金属材料一、奥氏体的等温转变一、奥氏体的等温转变(一)奥氏体等温转变曲线(一)奥氏体等温转变曲线奥氏体等温转变曲线一般用金相硬度法测定。图奥氏体等温转变曲线一般用金相硬度法测定。图3-5 3-5 是共析钢是共析钢C C曲线测定方曲线测定方法示意图。图法示意图。图3-63-6是实测的共析钢是实测的共析钢C C曲线。曲线。110102103104105106
15、100200300400500600700800奥氏体A1MSMf时间(s)温度()粗珠光体(HRC520)细珠光体(HRC 3040)上贝氏体(HRC 4045)下贝氏体(HRC 5060)马氏体残余奥氏体(HRC 55)图3-6 共析钢等温转变曲线电厂金属材料(二)奥氏体等温转变产物的组织和性能(二)奥氏体等温转变产物的组织和性能根据转变温度的不同,根据转变温度的不同,C曲线分为高温转变、中温转变和低温转变三个区曲线分为高温转变、中温转变和低温转变三个区域。域。根据转变结构特点和转变产物的不同,钢在冷却时奥氏体转变可分为根据转变结构特点和转变产物的不同,钢在冷却时奥氏体转变可分为珠光体型转
16、变、贝氏体型转变及马氏体型转变三种。珠光体型转变、贝氏体型转变及马氏体型转变三种。高温转变的温度范围为高温转变的温度范围为A1至至550区间,转变产物是珠光体组织,故称珠区间,转变产物是珠光体组织,故称珠光体转变;光体转变;中温转变的温度范围为中温转变的温度范围为550至至Ms线区间,转变产物是贝氏体组织,故称线区间,转变产物是贝氏体组织,故称贝氏体转变;贝氏体转变;低温转变的温度范围为低温转变的温度范围为Ms线至线至Mf线区间,转变产物是马氏体组织,故称马线区间,转变产物是马氏体组织,故称马氏体转变。氏体转变。电厂金属材料(1)高温转变(珠光体转变)高温转变(珠光体转变)珠光体转变是奥氏体转
17、变成珠光体的过程,通过碳原子和铁原子的扩散形珠光体转变是奥氏体转变成珠光体的过程,通过碳原子和铁原子的扩散形成铁素体和渗碳体的层片状机械混合物,转变温度为成铁素体和渗碳体的层片状机械混合物,转变温度为A1550,珠光体转,珠光体转变是一种扩散性相变。变是一种扩散性相变。珠光体的转变机理如图珠光体的转变机理如图3-7所示,微观组织如图所示,微观组织如图3-8 所示。所示。电厂金属材料图3-8 珠光体的显微组织(a)光学显微组织(硝酸酒精侵蚀,500);(b)电子显微组织(硝酸酒精侵蚀,3800)电厂金属材料(1)中温转变(贝氏体转变)中温转变(贝氏体转变)转变温度为转变温度为550Ms线,由于转
18、变温度较低,原子的扩散能力较弱。奥氏线,由于转变温度较低,原子的扩散能力较弱。奥氏体在转变过程中,碳原子只能作短距离的扩散,而铁原子几乎不能扩散,仅体在转变过程中,碳原子只能作短距离的扩散,而铁原子几乎不能扩散,仅从面心立方晶格转变为体心立方晶格。奥氏体转变为贝氏体的过程与转变为从面心立方晶格转变为体心立方晶格。奥氏体转变为贝氏体的过程与转变为珠光体的不同,转变时,先析出含碳过饱和的铁素体,随后在铁素体中陆续珠光体的不同,转变时,先析出含碳过饱和的铁素体,随后在铁素体中陆续析出细的渗碳体。析出细的渗碳体。这种过饱和铁素体和细小颗粒状渗碳体的机械混合物,称这种过饱和铁素体和细小颗粒状渗碳体的机械
19、混合物,称为贝氏体,用符号为贝氏体,用符号B表示。表示。在中温转变区,在中温转变区,550350范围内,等温转变成的组织称为范围内,等温转变成的组织称为上贝氏体上贝氏体;350Ms范围,等温转变成的组织称为范围,等温转变成的组织称为下贝氏体下贝氏体。图3-9上贝氏体的显微组织 图3-10下贝氏体的显微组织电厂金属材料(3)粒状贝氏体)粒状贝氏体 粒状贝氏体也是在中温转变区,由奥氏体转变成的组织。粒粒状贝氏体也是在中温转变区,由奥氏体转变成的组织。粒状贝氏体是由铁素体及由铁素体基体所包围着的小岛状组织所组成,这些小状贝氏体是由铁素体及由铁素体基体所包围着的小岛状组织所组成,这些小岛状组织形态很不
20、规则,常呈粒状或长条状,如图岛状组织形态很不规则,常呈粒状或长条状,如图3-15,图,图3-16所示。所示。粒状贝氏体的形成与钢的成分及转变温度有关。在电厂用钢中,粒状贝氏体常出现于低碳的粒状贝氏体的形成与钢的成分及转变温度有关。在电厂用钢中,粒状贝氏体常出现于低碳的Cr-Mo钢和钢和Cr-Mo-V钢等钢种的原材料及焊接接头中。钢等钢种的原材料及焊接接头中。电厂金属材料3低温转变(马氏体转变)低温转变(马氏体转变)转变温度为转变温度为MsMf,当奥氏体以较快的速度冷却到,当奥氏体以较快的速度冷却到Ms以下时,由于温度较低,铁原以下时,由于温度较低,铁原子和碳原子都不能进行扩散,铁原子只是作微小
21、位移,使子和碳原子都不能进行扩散,铁原子只是作微小位移,使-Fe晶格转变为晶格转变为-Fe的晶的晶格,而碳原子来不及扩散全部固溶在格,而碳原子来不及扩散全部固溶在-Fe中,碳在中,碳在-Fe中的过饱和固溶体组织称为中的过饱和固溶体组织称为马氏体,用符号马氏体,用符号M表示。表示。(1)马氏体的形态马氏体的形态马氏体的组织形态与含碳量有关,根据马氏体组织的不同,把马氏体分为低碳马氏马氏体的组织形态与含碳量有关,根据马氏体组织的不同,把马氏体分为低碳马氏体、高碳马氏体和混合型马氏体。当含碳量体、高碳马氏体和混合型马氏体。当含碳量0.25,形成低碳马氏体(条状马氏,形成低碳马氏体(条状马氏体),低碳
22、马氏体组织中有许多尺寸大致相同的细长薄条单元,薄条平行排列组成体),低碳马氏体组织中有许多尺寸大致相同的细长薄条单元,薄条平行排列组成一束,束和束之间位向不同。低碳马氏体过饱和程度低、内应力小,不仅强度高,一束,束和束之间位向不同。低碳马氏体过饱和程度低、内应力小,不仅强度高,而且塑性、韧性也较好,所以在生产中应用较广。而且塑性、韧性也较好,所以在生产中应用较广。图3-17低碳马氏体电厂金属材料当含碳量大于当含碳量大于1时,形成高碳马氏体(针状马氏体),时,形成高碳马氏体(针状马氏体),图图3-18为为T10钢经钢经1000加热,水冷淬火处理后得到的高碳马氏体组织。加热,水冷淬火处理后得到的高
23、碳马氏体组织。针叶一般以针叶一般以60120相交。马氏体的针叶一般在奥氏体晶粒内形成,第一相交。马氏体的针叶一般在奥氏体晶粒内形成,第一片马氏体粗大,往往横贯整个马氏体的晶粒,稍后形成的马氏体则较小,最片马氏体粗大,往往横贯整个马氏体的晶粒,稍后形成的马氏体则较小,最后形成的马氏体就更小,如图后形成的马氏体就更小,如图3-19所示。所示。针状马氏体可称为高碳马氏体,也称为孪晶马氏体,其组织结构如图针状马氏体可称为高碳马氏体,也称为孪晶马氏体,其组织结构如图3-20所所示。示。图3-18高碳马氏体电厂金属材料含碳量在含碳量在0.25%0.25%1%1%之间的碳快速冷却所得到的组织为之间的碳快速冷
24、却所得到的组织为低碳马氏体和高碳马氏低碳马氏体和高碳马氏体体的混合结构。的混合结构。(2 2)马氏体的性能:)马氏体的性能:高碳度是马氏体的主要特征。高碳度是马氏体的主要特征。马氏体的硬度与其含碳量有马氏体的硬度与其含碳量有关,如图关,如图3-213-21所示。含碳量愈多,硬度愈高;当含碳量超过所示。含碳量愈多,硬度愈高;当含碳量超过0.6%0.6%以后,马氏以后,马氏体的硬度就增加不多。体的硬度就增加不多。电厂金属材料马氏体具有高硬度的主要原因是由于过饱和的碳原子所起的固溶强化作用马氏体具有高硬度的主要原因是由于过饱和的碳原子所起的固溶强化作用和形成马氏体时在马氏体内产生了大量的位错或孪晶引
25、起了加工强化的结和形成马氏体时在马氏体内产生了大量的位错或孪晶引起了加工强化的结果。果。高碳马氏体具有高的硬度,但韧性很低,脆性大高碳马氏体具有高的硬度,但韧性很低,脆性大;马氏体针叶愈粗大,韧;马氏体针叶愈粗大,韧性愈低,脆性愈大。所以,淬火得到高碳马氏体后,必须作消除脆性的回性愈低,脆性愈大。所以,淬火得到高碳马氏体后,必须作消除脆性的回火处理才能应用。火处理才能应用。低碳马氏体具有较高的硬度和强度,而且韧性也比较好低碳马氏体具有较高的硬度和强度,而且韧性也比较好;这种强度和韧性;这种强度和韧性的良好配合,使低碳马氏体得到了广泛应用。的良好配合,使低碳马氏体得到了广泛应用。(3)马氏体转变
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