哈工大金屬學(xué)與熱處理課件9.ppt

第八章鋼的熱處理原理 本章目的 1闡明鋼的熱處理的基本原理 2揭示鋼在熱處理過(guò)程中工藝 組織 性能的變化規(guī)律 本章重點(diǎn) 1 C曲線的實(shí)質(zhì) 分析和應(yīng)用 2 過(guò)冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變及回火轉(zhuǎn)變的各種組織的本質(zhì) 形態(tài)和性能特點(diǎn) 3 馬氏體高強(qiáng)度高硬度的本質(zhì) 一熱處理的定義及作用1熱處理的定義 金屬或合金在固態(tài)下于一定介質(zhì)中加熱到一定溫度 保溫一定時(shí)間 以一定速度冷卻下來(lái)的一種綜合工藝 2熱處理工藝曲線四個(gè)重要參數(shù) V加熱 T保溫 t保溫 V冷卻 三個(gè)基本過(guò)程 加熱 保溫 冷卻 8 1熱處理概述 2熱處理的意義及作用 意義 應(yīng)用廣泛 效果顯著 汽車(chē)零件80 工模具 軸承100 例 45 鋼 840 加熱 不同方式冷卻 作用 1 顯著提高材料的使用性能 2 改善加工性能 切削 熱處理 二熱處理的條件 有固態(tài)相變加熱時(shí)溶解度顯著變化的合金 L L L 為什么鋼能熱處理 固態(tài)相變 有相變重結(jié)晶 C溶解度顯著變化 可固溶強(qiáng)化熱處理溫度區(qū)間 A1 T TNJEF熱處理第一步 加熱奧氏體化 8 2鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 一奧氏體形成的機(jī)理1奧氏體組織結(jié)構(gòu)和性能 定義 C及合金元素固溶于面心立方結(jié)構(gòu)的 Fe中形成的固溶體 C溶于 相八面體間隙中 R間隙 0 535A Rc 0 77A 晶格畸變 并非所有晶胞均可溶碳 1148 2 5個(gè)晶胞溶一個(gè)C原子 性能 順磁性 比容最小 塑性好 線膨脹系數(shù)較大 奧氏體化中成分組織結(jié)構(gòu)的變化以共析鋼為例F Fe3C A 727 成分 C 0 02186 690 77結(jié)構(gòu)體心立方復(fù)雜斜方面心立方 說(shuō)明奧氏體化中須兩個(gè)過(guò)程 C成分變化 C的擴(kuò)散 鐵晶格改組 Fe擴(kuò)散 3奧氏體形成熱力學(xué)條件熱力學(xué)條件 T A1原因 以珠光體與奧氏體的體積自由能之差來(lái)提供驅(qū)動(dòng)力以克服新相晶核的表面能及彈性能 影響過(guò)熱度主要因素 V加熱 V加熱 過(guò)熱度 T T T實(shí)際 存在過(guò)熱度 T T實(shí)際 T理論 同理 冷卻過(guò)程的固態(tài)相變需過(guò)冷度鋼的熱處理中六個(gè)重要的溫度參數(shù) A1A3Acm Ac1Ac3Accm 加熱過(guò)程Ar1Ar3Arcm 冷卻過(guò)程 4奧氏體形成過(guò)程 共析鋼 4 奧氏體中C的擴(kuò)散均勻化 萬(wàn)秒 3 剩余Fe3C的溶解 千秒 2 奧氏體向F及Fe3C兩側(cè)長(zhǎng)大 幾百秒 四個(gè)階段 1 奧氏體在F Fe3C界面上形核 10秒 任何固態(tài)相變均需形核與長(zhǎng)大過(guò)程 形核需要 三個(gè)起伏條件 成分起伏 結(jié)構(gòu)起伏 能量起伏 故晶界或缺陷處易形核 5亞共析鋼 過(guò)共析鋼的奧氏體化過(guò)程 亞共析鋼 F P F A A過(guò)共析鋼 Fe3C P Fe3C A A 例 球化退火 要求獲得粒狀珠光體 要求A中C不均勻 控制第三 四階段 奧氏體化的目的 獲成分均勻 晶粒細(xì)小的奧氏體晶粒 實(shí)際熱處理中須控制奧氏體化程度 三奧氏體晶粒度及影響因素 1奧氏體晶粒度概念?yuàn)W氏體晶粒度表示奧氏體晶粒大小 工業(yè)上一般分為8級(jí) 1 4級(jí)粗 0 1 5 8級(jí)細(xì) 8級(jí)以上極細(xì) 計(jì)算式 n 2N 1N 晶粒度級(jí)別n 1平方英寸視場(chǎng)中所包含的平均晶粒數(shù) 100X 標(biāo)準(zhǔn)晶粒度級(jí)別圖 標(biāo)準(zhǔn)晶粒度級(jí)別圖 奧氏體有三種不同概念的晶粒度 1 初始晶粒度 奧氏體轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時(shí)的晶粒大小 通常極細(xì)小 2 實(shí)際晶粒度 具體加熱條件下獲得的奧氏體晶粒大小 與具體熱處理工藝有關(guān) 熱處理溫度 時(shí)間 晶粒長(zhǎng)大 與晶粒是否容易長(zhǎng)大有關(guān) 引入本質(zhì)晶粒度概念 3 本質(zhì)晶粒度指鋼在特定的加熱條件下 奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向性 分為本質(zhì)粗晶粒度和本質(zhì)細(xì)晶粒度 測(cè)定方法 加熱至930 10 保溫8h 若A晶粒1 4級(jí) 本質(zhì)粗晶粒度鋼 5 8級(jí) 本質(zhì)細(xì)晶粒度鋼 關(guān)于本質(zhì)晶粒度概念的要點(diǎn) 表征該鋼種在通常的熱處理?xiàng)l件下A晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì) 不代表真實(shí) 實(shí)際晶粒大小 本質(zhì)粗晶粒度鋼實(shí)際晶粒度并非一定粗大 本質(zhì)細(xì)晶粒度鋼實(shí)際晶粒度并非一定細(xì)小 而與具體的熱處理工藝有關(guān) 本質(zhì)晶粒度主要與成分或冶煉條件有關(guān)機(jī)理 難溶粒子的機(jī)械阻礙作用Al脫氧鎮(zhèn)靜鋼含V Ti Nb Zr鋼 機(jī)理 難溶粒子的機(jī)械阻礙作用例如 AlN VN TiN NbN ZrN 本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 本質(zhì)粗晶粒鋼 是確定熱處理工藝參數(shù)以及熱處理質(zhì)量的重要依據(jù) 過(guò)熱 熱處理加熱中A晶粒顯著粗化本質(zhì)粗晶粒鋼 須嚴(yán)格控制加熱T t 需熱處理件盡可能選擇本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 例如 滲C用鋼20MnVB 20CrMnTi 本質(zhì)細(xì)晶粒度鋼 2影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素 加熱溫度和保溫時(shí)間T t A晶粒長(zhǎng)大 T的影響遠(yuǎn)大于t 加熱速度 常規(guī)加熱速度下影響不大 快速加熱 短時(shí)保溫的超細(xì)化工藝如高頻加熱 激光加熱等 成分強(qiáng)烈阻礙 Al V Ti Zr Nb原因 機(jī)械阻礙理論 形成難溶碳 氮化物中等阻礙 Cr W Mo促進(jìn)長(zhǎng)大 Mn P 溶入A的C 降低鐵原子的結(jié)合力 促進(jìn)鐵的擴(kuò)散 8 3鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 冷卻過(guò)程 熱處理工藝的關(guān)鍵部分 對(duì)控制熱處理以后的組織與性能起著極大作用 不同的冷卻速度獲不同的組織與性能 1高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 Fe C均擴(kuò)散亞共析鋼 F P 共析鋼 P 過(guò)共析鋼 P Fe3C 珠光體類型化學(xué)成分與晶格類型的轉(zhuǎn)變均靠擴(kuò)散實(shí)現(xiàn) 擴(kuò)散類型 2中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 Fe不擴(kuò)散 C部分?jǐn)U散 C過(guò)飽和的 Fe3C的機(jī)械混合物 貝氏體類型 B 化學(xué)成分的變化靠擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)晶格類型的轉(zhuǎn)變非擴(kuò)散性 半擴(kuò)散性 3低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 Fe C均不擴(kuò)散 非擴(kuò)散型得C在 Fe中的過(guò)飽和固溶體 馬氏體 馬氏體類型 M 熱處理的兩種冷卻方式 等溫冷卻 過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線連續(xù)冷卻 過(guò)冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線 一過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線 Temperature Time Transformation T A1 Ms Mf A M M AR A過(guò)冷 A B A P A P B 700 500 200 孕 HRC 15 40 45 55 60 1 10 102 103 104 105 過(guò)冷奧氏體與奧氏體的區(qū)別 C曲線 產(chǎn)物 P 珠光體B 貝氏體M 馬氏體鼻點(diǎn) 2要點(diǎn) 不同溫度下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不同 高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 A1 550 珠光體 P 擴(kuò)散型中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 550 MS 貝氏體 B 半擴(kuò)散型低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 MS Mf 馬氏體 M 非擴(kuò)散型 存在孕育期 過(guò)冷奧氏體等溫分解所需的準(zhǔn)備時(shí)間 代表A過(guò)冷穩(wěn)定性 存在鼻點(diǎn) 孕育期最短 A過(guò)冷最不穩(wěn)定 T轉(zhuǎn) 產(chǎn)物硬度 馬氏體是過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻中的一種轉(zhuǎn)變組織 非等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 將其畫(huà)入 使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線更完備 實(shí)用 亞共析鋼 過(guò)共析鋼C曲線 亞共析鋼 過(guò)共析鋼C曲線 以珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)槔?亞共析鋼珠光體型轉(zhuǎn)變式 A F先共析 P過(guò)共析鋼珠光體型轉(zhuǎn)變式 A Fe3C先共析 P 多一條先共析相析出線 先共析相量隨轉(zhuǎn)變溫度下降而減少 鼻點(diǎn)溫度以下無(wú)先共析相析出 轉(zhuǎn)變溫度的降低會(huì)抑制先共析相的析出 當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度足夠低 先共析相的析出被完全抑制 由非共析成分獲得的共析組織稱為偽共析體 二影響C曲線的因素 與奧氏體狀態(tài)有關(guān)1化學(xué)成分 1 含碳量 理論 奧氏體中C C曲線右移 F相難析出 珠光體轉(zhuǎn)變難進(jìn)行 實(shí)際 亞共析鋼 C C曲線右移 過(guò)共析 C 左移 未溶Fe3C 指溶入奧氏體中的C 0 9 C 0 9C 0 5Mn 0 9C 1 2Mn 0 9 2 8Mn T T 0 5C 0 5C 2 Cr 0 5C 4 Cr 0 5C 8 Cr 2 合金元素 除Co Al WAl 2 5 外 其它合金元素隨Me C曲線右移 須溶入A中 T Ms Co Al Ni Si Cu Mn Si Ni Cu Mn Co Al外所有合金元素 非碳化物形成元素 只改變C曲線位置Co Al Ni Cu Si 強(qiáng)碳化物形成元素W Mo V Ti Nb等的影響 改變C曲線位置和形態(tài) 碳化物形成元素改變C曲線位置和形狀Cr W Mo V Ti Nb Zr等 對(duì)Ms點(diǎn)的影響 Co Al使Ms 其它合金元素使Ms 2奧氏體組織 愈細(xì) 成分及組織愈不均勻 未溶第二相愈多 左移 T t 晶粒粗大 成分 組織均勻 A穩(wěn)定性 右移 其它 應(yīng)力和塑性變形 三過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 ContinousCoolingTransformation CCT Vc 連續(xù)冷卻中全部A過(guò) M的最小V冷 臨界淬火速度 上臨界冷卻速度VC 連續(xù)冷卻中全部A過(guò) P的最大V冷 下臨界冷卻速度 P M P M 冷卻速度對(duì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型的影響 可用VC VC 判斷 當(dāng)V VC時(shí) A過(guò)冷 M 當(dāng)V VC 時(shí) A過(guò)冷 P 當(dāng)VC V VC時(shí) A過(guò)冷 P M 實(shí)際中由于CCT曲線測(cè)量難 可用TTT曲線代替CCT曲線作定性分析 判斷獲得M的難易程度 連續(xù)冷卻的VC值是等溫冷卻C曲線中與鼻點(diǎn)相切的VC的1 5倍 故可用等溫冷卻C曲線中VC代替或估算 四鋼的珠光體轉(zhuǎn)變 1珠光體的組織形態(tài)片狀珠光體與球 粒 狀珠光體 1 片狀珠光體按層片間距不同又分為 粗珠光體 S0 0 6 1 0 m 索氏體 S S0 0 25 0 3 m 屈氏體 T S0 0 1 0 15 m 取決于過(guò)冷度 過(guò)冷度 T S0 B上 B下 球 粒 狀珠光體珠光體的形態(tài)取決于加熱時(shí)奧氏體化的程度 奧氏體成分較均勻時(shí) 片狀 不均勻時(shí) 球 粒 狀 F Fe3C相界面多少 Fe3C形態(tài)分布 P粒的HB b P片 P粒的 P片 2珠光體的性能 3偽共析組織 通過(guò)加快鋼冷卻速度 可獲得強(qiáng)硬度較好的偽共析組織 1 定義 偏離共析成分的A過(guò)冷形成的珠光體 2 形成條件 下圖紅線區(qū) 3 應(yīng)用 亞共析鋼熱軋后即水冷或噴霧冷卻 F先 P b V冷 正火代替退火 抑制Fe3C先 消除網(wǎng)狀滲碳體 五鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變 V VK轉(zhuǎn)變式 A f c c 0 77C M b c corb c t 0 77C 只有晶格改組而無(wú)成分變化 1馬氏體晶體結(jié)構(gòu)馬氏體 C在 Fe中的過(guò)飽和固溶體 單相 亞穩(wěn) 正方度 c a c a 1 0 046C 馬氏體 體心立方 C 1另 體心斜方 C 1 4 c a 1 b a 1 2馬氏體組織特征 1 板條狀馬氏體 單元體 單晶體 板條狀組合特征 一些位向相同的板條晶構(gòu)成馬氏體束 原奧氏體晶粒中含3 5個(gè)位向不同的M束 塊狀馬氏體 主要存在于低碳鋼中 C 0 2 低碳馬氏體形成溫度較高 高溫馬氏體 片狀馬氏體 組織形態(tài)及特點(diǎn) 單元體 片狀 中間厚 兩邊薄 凸透鏡狀或針狀 組合特征 片與片之間不平行 約呈60 晶粒大小不等 先大后小 先形成的M片貫穿A晶粒 亞結(jié)構(gòu) 平行的細(xì)小孿晶 孿晶馬氏體 形成的溫度較低 低溫馬氏體高碳鋼中常出現(xiàn) 高碳馬氏體 孿晶 其它形態(tài)馬氏體閃電狀 蝴蝶狀等 4 工業(yè)用鋼中淬火馬氏體金相形態(tài) 低碳鋼 C1 0 片狀 淬火馬氏體金相形態(tài)影響因素 實(shí)質(zhì)取決于轉(zhuǎn)變溫度 高于200 板條狀馬氏體 低于200 片狀馬氏體因C Ms及Mf 形態(tài)與C 關(guān)系 低碳 板條狀 高碳 片狀 Ms A強(qiáng)度低 210Mpa 易孿生 所需應(yīng)力小 孿晶 片狀 分界溫度大約為200 200 本質(zhì) 奧氏體變形方式的分界溫度 3馬氏體的性能 1 硬度和強(qiáng)度特點(diǎn) 總體 高硬度 高強(qiáng)度注意 硬度 強(qiáng)度主要取決于C Me影響小 C 馬氏體HRC 須注意馬氏體硬度與鋼硬度的差異 C 淬火鋼HRC 0 6 C后基本趨于定值 注意馬氏體硬度與鋼硬度的差異 Fe3C AR 鋼中馬氏體強(qiáng)化機(jī)制 C的固溶強(qiáng)化 相變強(qiáng)化 亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化 高密度位錯(cuò) 孿晶 層錯(cuò) 時(shí)效 沉淀 強(qiáng)化 C向缺陷處擴(kuò)散偏聚或析出 釘扎位錯(cuò) 低碳M 自回火 2 塑性與韌性 片狀M 硬而脆 板條M 強(qiáng)而韌 與亞結(jié)構(gòu)有關(guān)板條M塑韌性好的原因 含碳量低 過(guò)飽和度小 淬火內(nèi)應(yīng)力小 形成微裂紋的敏感度小 高碳片狀M塑韌性差的原因 C過(guò)飽和度高 畸變大 淬火內(nèi)應(yīng)力大 形成微裂紋的敏感度高 4馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn) 無(wú)擴(kuò)散性 切變共格 不完全性 轉(zhuǎn)變?cè)谝欢囟确秶鷥?nèi)進(jìn)行 存在殘余奧氏體 轉(zhuǎn)變快速性 M形成速度極快 10 5 10 7S 1 形成原因 比容因素 M的形成為體積膨脹過(guò)程 淬火溫度通常高于Mf中高碳鋼 合金鋼的Mf 室溫 5殘余奧氏體及其控制因素 0 6 2 影響A殘 的因素主要取決于MS 化學(xué)成分 C AR 604020 0 50 70 91 1 經(jīng)驗(yàn)式 MS 535 317wc 33wMn 28wCr 17wNi 11 wSi wMo wW 注 非簡(jiǎn)單迭加 須固溶入A中 C Me MS Mf AR 1 C使MS 約300 3 殘余奧氏體的作用及控制 有害作用 組織不穩(wěn)定 尺寸不穩(wěn)定 軟 耐磨性差 有益作用 適量AR可一定程度提高韌性 例如 軸承鋼中保留適量AR控制方法 熱處理分解冷處理轉(zhuǎn)變?yōu)镸 40 60 1組織形態(tài) 上貝氏體 550 350 組織構(gòu)成 C Fe3C鐵素體 碳過(guò)飽和 0 03 成束 板條狀平行排列 位錯(cuò) 108 109cm 2 滲碳體 粒狀或短桿狀分布在F板條之間 六鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變 下貝氏體 350 230 組織 C FexC鐵素體 碳過(guò)飽和 0 3 針 片狀 互不平行 更高密度位錯(cuò) 滲碳體 粒狀或短桿狀平行分布在F相內(nèi)部 3貝氏體的機(jī)械性能 1 強(qiáng)度和硬度鐵素體 取決于晶粒大小 C及Me固溶強(qiáng)化 位錯(cuò)密度碳化物 取決于彌散度 數(shù)量 s B上 s B下 2 韌性ak B下 ak B上 原因 B上中碳化物分布條間 有明顯方向性 尺寸較大 4魏氏組織及性能 魏氏組織 在奧氏體晶粒較粗大 冷卻速度相對(duì)較快時(shí) 鋼中先共析相 先共析鐵素體或先共析滲碳體 以針狀或片狀形態(tài)從原奧氏體晶界沿奧氏體一定晶面往晶內(nèi)平行或規(guī)則生長(zhǎng) 并與片狀珠光體混合存在 該組織稱為 形成條件 A晶粒粗大 冷速適當(dāng)緩慢 Fe擴(kuò)散 網(wǎng)狀F 過(guò)快 C來(lái)不及擴(kuò)散 抑制F形成總體 冷速較大時(shí)易形成魏氏組織的機(jī)械性能 韌性 消除方法 正火 珠光體 貝氏體 馬氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)比較 七鋼的回火轉(zhuǎn)變 淬火 鋼加熱到AC3或AC1以上 保溫 V V臨界 M或B 回火 淬火鋼加熱到低于臨界點(diǎn)A1的某溫度 保溫后以適當(dāng)方式冷卻到室溫的熱處理工藝 目的 1 調(diào)整鋼強(qiáng)硬度與塑韌性的配合 獲要求的性能 2 降低內(nèi)應(yīng)力 防止工件變形或開(kāi)裂 3 穩(wěn)定組織 防尺寸變化 1回火過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變 M AR 不穩(wěn)定組織 C的析出 四個(gè)過(guò)程 馬氏體分解 250 M FexC x 2 4 過(guò)飽和 彌散 共格 亞穩(wěn) 回火馬氏體 2 殘余奧氏體分解 200 300 3 碳化物類型的轉(zhuǎn)變 250 400 Fe5C2 Fe3C 4 相回復(fù)與再結(jié)晶 碳化物聚集長(zhǎng)大 400 650 相等軸化 相球化回復(fù)態(tài) 相 相 Fe3C 回火屈氏體再結(jié)晶 相 球化與聚集長(zhǎng)大的 Fe3C 回火索氏體 2回火鋼的機(jī)械性能 1 硬強(qiáng)度及塑韌性 回火T 強(qiáng)硬度 塑韌性 但ak有低谷 回火脆性 強(qiáng)硬度 塑韌性 的原因 C脫溶 相過(guò)飽和度 或 位錯(cuò)密度 或?qū)\晶消失 碳化物的聚集長(zhǎng)大 相的回復(fù) 再結(jié)晶畸變片狀晶 平衡等軸晶 2 內(nèi)應(yīng)力變化 自學(xué) 回火溫度 100200300400500600700 AR 內(nèi)應(yīng)力 M中C 滲碳體尺寸 3 回火脆性 分類 第一類回火脆性 低溫 250 400 不可逆性 第二類回火脆性 高溫 450 650 可逆性 定義 隨回火溫度提高 淬火鋼韌性在某些溫度區(qū)間顯著下降的現(xiàn)象 低溫回火脆性形成原因及防止方法形成原因 片狀碳化物沉淀理論 雜質(zhì)偏聚 防止方法 a