热处理原理与工艺钢的热处理－钢的热处理工艺.ppt

钢的热处理,钢的热处理工艺,钢的回火,回火的定义：把淬火钢件加热到低于A1温度，保温一定时间后以适当方式冷却到室温的热处理工艺。回火的目的：减小淬火工件的内应力，降低脆性，提高塑性、韧性和组织稳定性，以获得强度与韧性良好配合的最佳使用性能。对某些含氢量比较高的钢，回火还能起到除氢、减少氢脆的作用。,回火处理的原因,（1）通常情况下，工件淬火后强度和硬度明显增加，但塑性和韧性却明显下降，回火能使强度和塑性达到良好的配合；（2）淬火组织处于亚稳状态，它有自发地向稳定组织转变的趋势，引起工件的性能与尺寸稳定性的改变；（3）淬火钢内通常存在很大的内应力，如不及时消除，会引起工件的变形甚至开裂。,回火工艺的种类,（1）低温回火低温回火温度为150-250，回火组织为回火马氏体。回火马氏体保持了钢的高强度、高硬度和良好的耐磨性，又适当提高了韧性。低温回火工艺适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳及高频表面淬火工件。,（2）中温回火中温回火温度一般在350-500之间，回火组织主要是回火屈氏体（细针状铁素体+细粒状碳化物）。中温回火后工件的淬火应力基本消除。回火后的钢具有较高的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。适合于各种弹簧钢和热锻模具。,（3）高温回火高温回火的温度约为500-650，组织为回火索氏体（铁素体+大颗粒碳化物）。将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺称为调制处理。经调质处理后，钢具有优良的综合力学性能。主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢制造的机械零件。如发动机曲轴、连杆、汽车半轴、机床主轴和齿轮，等等。,一、回火过程中钢的组织状态变化,碳原子的偏聚与原子团的形成碳原子在位错处偏聚，降低能量。大多数低碳钢（0.2%C）MS点在室温以上，在淬火时就发生碳原子的偏聚。大于0.2%C的碳素钢，一部分碳原子偏聚在位错处，剩余原子占据间隙位置，马氏体显示出正方性。,马氏体分解和碳化物的形成大于0.2%C的钢在20150回火，从马氏体中析出碳化物。碳化物：密排六方晶体结构，比Fe3C碳含量高，与相保持共格关系，(011)M(0001)，101M1011。尺寸：10nm100nm。回火马氏体：马氏体在250以下温度回火时，分解为低碳马氏体和碳化物的混合物，称为回火马氏体。,回火马氏体马氏体及其中析出的碳化物,渗碳体的析出、球化与聚集长大约在250以上，碳化物向渗碳体转变，结果碳化物消失，渗碳体形成。碳化物颗粒逐渐溶入到相中消失，渗碳体形成，有放热现象。有人认为碳化物的溶解和渗碳体的析出在同一地点形成（渗碳体就地形核）。碳化物形成元素推迟碳化物向渗碳体的转化，使碳化物存在于更高的温度。在450以上温度回火时，含Ti、Nb、V、Mo、Cr的钢在马氏体的基体上形成碳化物，起弥散强化作用，有时引起二次硬化。,相的回复与再结晶回复：400渗碳体开始球化，铁素体胞状结构的边界和亚晶粒内部的位错密度急剧降低，点阵畸变开始消失，亚晶粒逐渐长大变成多边晶粒。再结晶：600以上温度，铁素体由细小的晶粒长成为较大的等轴晶粒。碳化物也聚集长大。,二、钢中残余奥氏体的转变,对碳素钢来说，在通常回火条件下，残余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体。残余奥氏体回火时，转变的产物随回火温度的不同而异。在珠光体形成温度范围内，从残余奥氏体中可以析出先共析相，随后分解为珠光体。在贝氏体的形成温度内，残余奥氏体转变为贝氏体。,回火过程中未能完全分解的残余奥氏体，在随后冷却过程中（低于Ms温度）有可能再一次转变为马氏体，这个过程称为二次淬火。这种二次淬火产生的马氏体，还需进行再一次回火，使之转变成回火马氏体。注意：只有一些含有强碳化物形成元素（Cr、W、Mo、V）的高碳高合金钢才需要二次回火，例如高速工具钢和高铬模具钢。,回火脆性的概念：有些钢在某些温度范围内回火时，其冲击韧性比在较低温度回火时反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆性。回火脆性可分为低温回火脆性和高温回火脆性。,三、钢的回火脆性及其本质,低温回火脆性,碳钢和低合金钢在250400回火时出现的脆性称为低温回火脆性，或第一类回火脆性。几乎所有淬火后形成马氏体组织的碳钢及合金钢，在300左右温度回火时都会或多或少地发生这种脆性。特点：在此温度范围内回火，无论采用何种回火方法或回火后采用何种冷却速度，都不可避免地使韧性降低。如果将这种已经产生脆性的工件在更高一些温度回火后，其脆性将消失。再置于300左右温度重新回火时，脆性不再重复出现。因此，低温回火脆性又叫不可逆回火脆性。,不同含碳量钢的冲击韧性随回火温度变化关系,低温回火脆性产生的原因,回火脆性的机理目前不十分清楚。以往大多认为，低温回火脆性是韧性较高的残余奥氏体转变为脆性较大的马氏体造成的。另一种观点认为，在低碳和中碳钢内，由于原奥氏体晶界在高温加热时溶有氮、碳和氧，低温回火时这些元素以化合物的形式析出，使脆性增大。目前大多认为，低温回火脆性可能与马氏体分解初期析出的渗碳体具有特殊的形态有关。,影响低温回火脆性的因素及消除方法,钢的碳含量越高，脆化的程度越严重。合金元素一般都不能抑制第一类回火脆性，但可改变脆性产生的温度范围。目前无有效方法消除低温回火脆性。（）尽量避免在这一温度范围内回火是最好方法；（）用快速加热回火的方法可以减小脆性；（）用等温淬火的方法代替淬火；（）Ti、Al、B等元素对低温回火脆性有一定的抑制作用。,高温回火脆性（第二类回火脆性）,概念：钢在450550或更高温度（650左右）回火时出现的脆性，称为高温回火脆性或第二类回火脆性。特点：在上述温度范围内回火，如果快速冷却（水冷或油冷），韧性并不降低；反之，慢冷（空冷或炉冷）则韧性显著下降，冷却越慢，韧性降低的越显著。一般都是沿晶断裂。,高温回火脆性产生的原因,迄今无一致看法。（）相中的氮、碳和氧，低温回火时这些元素以化合物的形式沿晶界析出，使脆性增大。（）碳化物从相中析出导致体积变化，从而在原来的奥氏体晶界产生应力集中引起。（）晶界富集和偏析理论。合金元素或微量的的杂质元素（P、Sb、Sn、As）偏聚到原来的奥氏体晶界上，减弱了原奥氏体晶界上原子间的结合力，使钢变脆。,防止和消除高温回火脆性的方法,（）两次淬火法，第一次在正常的Ac3点以上温度淬火，第二次是在Ac1Ac3之间不完全淬火；（）变形热处理，高温锻、轧后立即进行热处理；（）细化奥氏体晶粒；（）快速加热回火；（）缩短产生回火脆性温度下的保温时间。最常用的方法：回火后快冷或向钢中加入0.30.5%的钼。,高温回火脆性的评定方法,（1）把高温回火后快冷及慢冷的试样在室温下做冲击韧性试验，以两者冲击断裂时所吸收能量的比值来表示这种钢的回火脆性倾向，称为回火脆性敏感系数（）。（2）用不同温度回火后快冷与慢冷试样的脆性转化温度之差来评价。,通过一系列不同温度下的冲击值，找出脆性转化温度，并根据此温度的高低来判断钢的脆性倾向。脆性转化温度越低，表示处于这种热处理状态下的工件的脆性倾向越小。,钢的退火与正火,退火：将钢加热到低于或高于Ac1点温度，保持一定时间后随炉缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织。正火：将钢加热到Ac3点或Acm以上3050或更高温度的奥氏体区域，保持一定时间后在空气中进行冷却，以获得珠光体类的组织。（正火又叫常化或正常化）,一、退火与正火的目的与用途,退火的目的及其分类目的：（）降低钢的硬度，便于切削加工；（）消除内应力或冷作硬化，提高塑性以利于继续冷加工；（）改善或消除毛坯在铸、锻、焊时所造成的成分或组织不均（偏析、带状组织和魏氏组织），以提高其工艺性能和组使用性能；（）细化晶粒，改善高碳钢中碳化物的分布和形态，为最终热处理作好准备。,退火的类别：,（）低温退火加热温度低于Ac1点，退火过程中没有相变发生，其目的在于消除内应力，降低硬度，恢复塑性和消除冷作硬化。（）不完全退火加热到Ac1点以上2030，使珠光体转变成奥氏体，对亚共析钢的先共析铁素体和过共析钢的先共析渗碳体均无改变。对锻、轧后的亚共析钢，不完全退火可消除内应力，降低硬度。对过共析钢不完全退火使片状珠光体球化，降低硬度，改善切削性能。因此，有时也把这种退火称为球化退火。,（）完全退火加热到Ac3点以上3050，目的在于消除组织缺陷，细化晶粒。主要适用于亚共析钢，消除铸造、锻、轧工艺产生的组织缺陷。过共析钢很少使用这种工艺，一般使用正火工艺消除组织缺陷。（）扩散退火加热到Ac3点以上150250，长时间保温，使钢的成分和组织在高温下通过扩散均匀化。,正火的目的和用途,目的：（）对大型锻件和较大界面的钢材，可使组织均匀化，细化晶粒，为淬火作好组织上的准备；（）改善一些钢种的板材、管材、带材和型钢的机械性能，正火往往是最终热处理工艺；（）改善低碳钢和低碳合金钢的显微组织和性能，提高切削加工性能；（）改善和细化铸钢件的铸态组织；（）对大型工件，淬火容易产生变形，用正火工艺代替淬火工艺。,退火与正火工艺的应用,（）冷加工钢材，一般使用再结晶退火工艺消除加工硬化。包括有色金属、软钢、硅钢片、精密合金、各种冷加工的板、管、丝、带、型钢等金属材料。（）结构钢热轧后，为了消除内应力，通常采用低温（低于Ac1点，约650700)退火，均匀热透后出炉空冷或随炉冷却。（）为了消除中碳结构钢铸、锻、轧后组织中的魏氏组织、晶粒粗大、带状组织，常采用完全退火或正火工艺进行热处理。,（）低碳结构钢（小于0.25%C）和低合金钢，如果采用退火工艺处理，反而使少量的珠光体球化，钢变的更软。为了提高硬度和切削加工性能，大多采用正火处理，以获得细片状的珠光体。（）工具钢常使用球化退火（不完全退火，加热到加热到Ac1点以上2030）。碳素工具钢、一部分合金工具钢和轴承钢，在轧（锻）后的堆冷或空冷时，组织中会出现片状珠光体（甚至网状渗碳体），淬火过程中工件容易开裂。,冷加工钢的再结晶退火,再结晶退火：就是将冷变形的金属加热到高于其再结晶温度，使之重新形核和长大，以获得原来晶体结构不变的、没有内应力的稳定组织，恢复其加工变形能力。再结晶退火主要用于有色金属、软钢、极低碳的硅钢片、精密合金和各种冷加工的扳、管、丝、带、型钢等金属材料的加工过程中。决定再结晶退火温度的因素：（1）变形程度，变形程度越小，再结晶温度越高；（2）合金元素或杂质含量越高，再结晶退火温度越高；（3）原始晶粒度，晶粒越大，再结晶温度越高。,结构钢热轧（锻）后的退火与正火,1.消除内应力的退火钢材热轧（锻）后，在冷却过程中由于表层和心部冷却速度不同，有温差存在，导致残余热应力的产生。这种内应力与后续工艺因素产生的应力叠加，有可能造成工件的变形和开裂。因此，对大多数结构钢采用退火的方法消除内应力。单纯为了消除内应力，通常只需采用低温退火，即加热到Ac1温度以下（650-700），均匀热透后出炉空冷或随炉冷却。,2.消除组织缺陷的完全退火或正火,中碳结构钢铸、锻、轧后的组织中，有时会出现魏氏组织、晶粒粗大和带状组织等组织缺陷。采用完全退火或正火工艺来消除这些组织缺陷。完全退火或正火的加热温度相同，都使组织发生重结晶，只是冷却速度不同，这要根据工件的形状和对硬度的要求决定。对比较严重的带状组织缺陷，需要在1200左右的温度进行扩散退火，然后再经正火方能消除。,3.低碳结构钢的正火,低于0.25%C的碳素钢和低合金钢，由于碳含量低，如果采用退火处理，反而使少量的珠光体发生球化，钢变得更软，切削加工时容易粘刀。采用正火工艺处理，可获得细片状的珠光体。一般情况下，碳含量低于0.5%C的钢，适宜采用正火工艺处理以提高可加工性能。大于0.8%C的钢，采用退火工艺处理。碳含量低于0.15的碳素钢，一般采用淬火工艺代替正火工艺提高其加工性能。,工具钢的球化退火,球化退火：将钢加热到Ac1以上温度，使珠光体中的片状碳化物由片状转变为球状的热处理工艺。热力学原理：片状面积大，处于不不稳定状态，若转化为球状则有最小的界面，能量最低，处于稳定的平衡状态。,进行球化退火的原因,碳素工具钢、一部分合金工具钢(Cr2、9SiCr、CrMn、CrWMn、9CrWMn,CrW5等）和滚珠轴承钢，在轧（锻）后堆冷或空冷时，组织中都会出现片状珠光体（甚至网状渗碳体）。它的硬度较高，切削加工后零件的表面光洁度差，淬火过程中工件易变形和开裂。使用部门要求冶金厂能供球状珠光体组织，即在铁素体的基上均匀分布着球状或粒状的碳化物。,碳化物球化机理,片状渗碳体的两端棱角处，界面的曲率半径小，表面碳原子易于迁移到奥氏体中去，使奥氏体的碳浓度增高。而片状渗碳体中部边界较为平直的地方，界面的曲率半径大，碳原子比较难以由渗碳体表面转入奥氏体中去，因而其附氏体中碳的浓度较低，这样，就造成奥氏体晶粒内碳原子的浓度差，引起碳原子的扩散。,碳原子,碳化物,球形碳化物,影响球化退火的工艺因素,（1）加热温度如果加热温度略高于正常的温度，保留下来的未溶碳化物量较少，冷却时将在奥氏体晶粒内形成一部分粗片状珠光体，形成过热的组织。如果加热温度低，已析出的碳化物来不及聚集长大，而形成大部分细粒状的碳化物和一部分接近于细片状或链状的碳化物，形成欠热组织。,（2）冷却速度,当加热温度一定时，冷却速度越小或冷却的的越缓慢，奥氏体向珠光体转变时经历的时间越长，因而析出的碳化物进行扩散、聚集的时间也越充分，形成的碳化物颗粒就越大，而且均匀。反之，冷却速越大，形成的碳化物尺寸越小，因而得到的是细粒状组织，硬度偏高，对切削加工不利。,（3）钢的原始组织,原始珠光体细薄、碳化物细小并分布均匀的正火或淬火组织以及经冷加工变形的组织，最易于球化。,如何消除工具钢中的网状碳化物,过共析成分的碳素工具钢如T11-T13和合金工具钢中的CrMn、CrWMn、CrW5等钢种，由于先共析碳化物往往沿奥氏体晶界析出，呈网状分布，降低了钢的塑性和韧性，增大了脆性，同时给退火时的珠光体球化以及淬火时加热温度的选择都带来严重的影响。,网状碳化物的消除方法,（1）在锻（轧）时在两相区（800-900）停锻或停轧，先共析碳化物虽然沿着奥氏体晶界优先析出，但是形变仍在进行，尚可将析出的网状碳化物破碎。这种办法由于影响锻锤或轧机的生产率（通常形变的终止温度在1000左右），同时也影响设备的使用寿命，生产上很难采用这种方式。,（2）轧或锻后将钢材散置并快速冷却，例如在轧机轨道上安置喷水圈或采取吹风快冷，或者将钢材逐根进行淬火。（3）先进行正火处理（采用吹风或喷雾冷却，抑制碳化物沿晶界呈网状析出），然后再进行球化处理。即采用“先除网后球化”的处理工艺。,钢的淬火工艺,淬火的定义：淬火就是把钢加热到临界温度（Ac1或Ac3）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，从而获得马氏体组织的热处理方法。按淬火加热温度不同可分为完全淬火（加热温度高于Ac3全部奥氏体化后冷却，适用于亚共析钢和共析钢）和不完全淬火（加热温度高于Ac1，适用于过共析钢）。,一、淬火温度的选择,选择的依据：）钢的化学成分；）工件尺寸、形状与技术要求；）奥氏体晶粒的长大倾向；）采用的淬火介质与淬火方法。,（1）钢的化学成分与淬火温度,亚共析钢一般选择在Ac3以上3050淬火加热。原因是，如果低于Ac3，组织中会保留一部分先共析铁素体，淬火后出现软点，钢的硬度达不到要求。过共析钢淬火加热温度选为Ac13050。因为过共析刚淬火以前，一般都要经过球化处理，加热温度在Ac1以上时，钢的组织是奥氏体和一部分未溶解的粒状碳化物（渗碳体），淬火后，奥氏体转变为马氏体，未溶解碳化物保留下来，提高钢的耐磨性。,过共析钢不加热到Acm以上温度淬火的原因,1)奥氏体中溶入碳量的增加使Ms点降低，故淬火后所得的残余奧氏体量增多，使淬火钢的硬度下降；2)奥氏体的晶粒粗化，淬火后得到粗大马氏体，使钢的脆性大为增加；3)钢的氧化脱碳严重，降低淬火钢的表面质量；4)增大淬火应力，从而增加工件变形与开裂的倾向。,（）工件尺寸同一钢种的工件，如果尺寸小，应采用较低的淬火温度；工件大则应采用较高的淬火温度。因为小工件加热快，温度高可能引起棱、角处过热和变形，故淬火温度应取下限。大工件加热慢，容易造成加热不足及延长工时，故应适当提高淬火温度。,（3）工件形状对形状复杂、容易变形或开裂的工件，应在保证性能要求的前提下，尽量采用较低的淬火温度。,（4）淬火介质采用冷却能力强的淬火介质时，为减小应力可适当地降低淬火温度。如同一钢种的工件，水淬可比油淬的淬火温度低10-20。,（5）奥氏体晶粒长大倾向对奥氏体晶粒不易长大的本质细晶粒钢，其淬火加热温度范围较宽，为了提高加热速度，其淬火温度可适当提高。,二、保温时间的确定,（）钢的化学成分增加钢中碳或合金元素的含量都会使保温时延长，因为它们降低钢的导热性，而且合金元素一般均阻碍碳原子的扩散，其本身的扩散速度又比碳小得多，故显著延缓钢中的组织转变。因此，高碳钢比低碳钢、合金钢比碳素钢、高合金钢比低合钢的保温时间要长些。,（）工件的形状与尺寸,对相同材料与形状的工件，当加热条件相同时，保温时间将随其有效厚度（或直径）D的增加而延长。形状复杂或尺寸较大的碳素工具钢及合金工具钢工件，常在淬火前采用预热。预热可以减小高温加热时工件表里（或厚薄部分）的温差以及由此而产生的内应力，可以消除淬火加热前存在的残余内应力，并能缩短工件在高温的透热或保温时间（比不预热者约缩短2030%）。,（）加热介质,工件在不同介质中的加热速度不同，因而保温时间也各异。在常用的加热介质中，以铅浴炉加热最快，盐浴炉次之，空气电阻炉最慢。三者的保温时间之比大致为1/3：1/2：1。盐浴炉：t=0.20.4D（D-有效直径，分/mm）空气电阻炉：t=1.01.2D（碳钢）t=1.21.5D（合金钢）,（）装炉情况,工件在炉中的放置方法以及排列情况对工件的受热条件有明显影响，因而必然影响其保温时间。根据工件装炉量的不同，实际保温时间应为Kt。（K为装炉系数），一般K值为1-2，应根据实际生产条件经实验而定。,（）炉温,提高炉温是缩短加热保温时间的有效措施之一。但必须控制加热保温时间以防止过热。,三、加热介质的选择,空气、可控气氛、燃料气体、各种盐浴。液体介质主要是盐浴。优点：炉温容易控制、工件受热均匀、加热速度快、工件不易氧化脱碳、变形小。,常用盐浴成分及其使用温度,四、淬火介质,工件在淬火介质中的冷却过程（）蒸汽膜阶段(AB)（）沸腾冷却阶段(BC)（）对流冷却阶段(CD),常用淬火介质,（）水优点：易得、廉价、冷却能力强。缺点：在马氏体转变区间冷速太大；冷却能力对水温敏感；不溶杂质会显著降低其冷却能力。,（）盐水与碱水优点：蒸汽膜因盐的加入提早破裂，高温（650550）区间的冷却能力约为水的10倍；冷却能力受温度的影响较水为小。缺点：在低温区间（200300）的冷速过大；对工件有一定的腐蚀作用。,（）油优点：对流阶段开始温度比水高，在Ms点附近已经进入对流阶段，低温区间的冷速远小于水，可减小工件的开裂与变形。缺点：高温区间的冷却能力小，不能用于淬透性低的碳素钢；易老化；易着火；工件淬火后需要清洗。,五、钢的淬透性,工件断面不同冷速与未淬透区示意图,淬硬层深度：从工件表面向里深入到半马氏体区的深度。淬透性(hardenability)：指钢被淬透的能力，或者说钢在淬火时所能得到的淬硬层的深度。,临界淬透直径：指钢在某种淬火介质中，其断面中心被淬透（淬成50%马氏体）的最大直径。淬透性的测量方法：GB225-63、GB227-63。末端淬火法,末端淬火法示意图，（）淬火装置，（）淬透性曲线,淬火方法,（1）单液淬火淬火时将工件投入到一种淬火介质中一直冷却到相变结束为止，称为单液淬火。一般情况下，碳钢的淬透性低，故多用水淬。合金钢一般淬透性较高，水淬易开裂，故常用油淬。,（2）双液淬火先将工件淬入高温区冷却能力较强的介质（如水）中，待其冷却到Ms点稍上（约400-300）时，再立即转入低温区冷却能力较弱的介质（如油）中，直到马氏体转变结束，此法称为双液淬火。,（3）分级淬火分级淬火一般是将工件从淬火温度直接冷却到Ms点以上某一温度，经适当时间的保温（为减小工件表面和内部的温差），然后取出空冷或油冷获得马氏体组织。该方法适用于淬透性好或截面尺寸不大的碳钢及合金钢。,（4）等温淬火将工件由淬火温度以大于临界淬火速度的冷却速度冷到Ms点稍上的某一温度，并经较长时间保温，使过冷奥氏体发生下贝氏体转变，也称为贝氏体淬火。,（5）预冷淬火工件经加热与保温后，从炉中取出时并不立即淬火，而是先在空气（或热水）中经过一段时间的预冷，待工件降至一定温度（临界点稍上）后再淬入冷却介质中淬火。,（6）冷处理将淬火至室温的工件继续冷却到零下温度处理（实际上是淬火工艺的继续），称为冷处理。冷处理的作用:增加钢的硬度；增加尺寸稳定性（减少了残余奥氏体）；挽救尺寸缩小而将报废的产品。,钢的化学热处理,化学热处理与其它热处理方式比较，其特点是除了组织发生变化外，钢材表面的化学成分也发生变化。化学热处理的主要作用：（）强化表面，提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度和多次疲劳抗力；（）提高零件表面耐高温及抗腐蚀的能力。,化学热处理的优点,（1）不受零件外形的限制，零件表面都可以获得分布较均匀的淬硬层；（2）表面成分和组织同时发生变化，耐磨性和疲劳强度更高；（3）表面过热现象可以在随后的热处理过程中给以消除。,一、钢的渗碳,将低碳钢工件放入渗碳介质中，在900-950C加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面并获得高碳渗层的工艺方法叫做渗碳。渗碳后材料表面硬度高，耐磨性好，材料心部具有良好的塑性和韧性。渗碳可分为：固体渗碳，气体渗碳和离子渗碳。,渗碳的过程,（1）渗剂的分解分解过程是在工件表面得到活性原子，之后活性原子扩散到钢的内部。通常使用催化剂加速分解过程、降低反应温度及缩短反应时间。例如固体渗碳时常加入碳酸盐。,渗碳过程中的化学反应,固体渗碳：NaCO3=Na2O+CO2BaCO3=BaO+CO2CO2+C=2COCO在钢件表面发生如下界面反应：2CO=CO2+C,气体渗碳：2CO=CO2+CCH4=2H2+CCO+H2=H2O+C活性碳原子C在钢表面沉积，渗入钢工件表面。,（2）吸收,分解析出的活性原子被钢的表面吸附后溶入基体金属。吸附后又溶解的过程叫做吸收，故化学热处理中的吸收就是吸附和溶解的总称。铁对一氧化碳的分解有催化作用。2CO=CO2+C如果没有Fe的参与，反应很慢。,催化过程：首先是CO中的C和O分别地被吸附到相邻的Fe原子上Fe原子间距是0.228nm，比CO中C和O的间距（0.115nm）大约一倍，吸附后使C和O的间距增加，削弱它们之间的结合力。其次，气相中的CO分子与已经被吸附的CO分子碰撞，容易发生反应,（3）扩散,钢的表面吸附活性原子后，活性原子在表面的浓度大大提高，表面和内部之间形成浓度差，在一定温度下，原子向低浓度方向扩散，最终得到一定厚度的渗碳层。温度对渗碳过程影响较大，温度提高不仅能加快渗碳过程，渗碳层中碳浓度分布平缓，因此在材料和设备允许的情况下提倡高温渗碳。,气体渗碳,（1）渗碳剂液体介质：煤油、苯、甲苯、甲醇、乙醇、丙酮等。气体介质：天然气、城市煤气、液化石油气等。,液体渗碳介质的选择,（1）碳氧比当分子式中碳氧比（C/O）大于1时，高温下除了分解出大量的一氧化碳和氢外，同时还分解出一定数量的活性碳原子，因此可以选为渗碳剂。碳氧比越大，分解出的活性碳原子越多，渗碳能量越强。例如丙酮（CH3COCH3）,C/O=3，是一种较好的渗碳剂。,（2）碳当量产生一摩尔的碳所需物质的量。碳当量越大，渗碳能力越弱。（3）气氛成分的稳定性（4）成本和环境污染等因素,渗碳过程中的化学平衡及炉内碳势,碳势：在一定温度下，炉内气氛与钢件表面含碳量平衡时的相对含碳量。碳势用于描述炉气渗碳能力的大小。,碳势控制原理,在反应正常的情况下，CO和H2在很大碳势范围内保持恒定，因此碳势只决定于CO2和CH4的含量。而CH4是一种强渗碳剂，一般含量控制在1%以下。因此，决定碳势的主要因素是CO2。碳势与CO2含量成反比关系。,水煤反应：,CO2和H2O之间存在近似线性关系，控制其中一个，就能达到控制碳势的目的。,露点：一定压力下气氛中水蒸气达到饱和状态的温度，露点越高表示气氛中H2O含量越高。高露点促使CO2的形成，降低碳势，低露点使CO2减少，提高碳势。,固体渗碳,将工件埋在固体渗碳剂中密封起来，加热到钢的奥氏体区温度（900-930），然后保温一定时间出炉，取出零件淬火，或空冷后重新加热淬火。固体渗碳剂由两类物质组成：一部分是产生碳原子的物质，如木炭、焦炭、皮革炭或骨炭等，约占90%左右；另一部分是催化剂，如碳酸钠、碳酸钡等。,固体渗碳实际上是靠CO作为渗碳气体二进行的。固体渗碳发生的化学反应：2C+O22CO,液体渗碳,在熔融的液体介质中进行渗碳的方法称为液体渗碳。熔融的渗碳液体一般由三部分组成，第一部分是加热介质，例如氯化钠和氯化钡的混合盐，温度是850-950；第二部分是渗碳介质，例如碳化硅、石墨、木炭等；第三部分是催化剂，如碳酸钠和碳酸钡等。,渗碳后的热处理,为了充分发挥渗碳层的作用，使零件表面获得高硬度和高耐磨性，心部保持足够的强度和韧性，零件在渗碳后必须进行热处理。热处理工艺：淬火+低温回火。齿轮、凸轮、活塞、轴类零件。,（1）直接淬火工件渗碳完毕后，出炉经预冷后再淬火的热处理工艺叫直接淬火法。预冷的目的是为了减小淬火变形，减少表面残余奥氏体。预冷温度应略高于钢的Ar3，否则心部将析出铁素体。,（2）一次淬火法工件渗碳后随炉冷却或出炉坑冷或空冷到室温，然后再加热到淬火温度进行淬火和低温回火的处理方法，称为一次淬火法。,（3）二次淬火法第一次淬火是为了细化心部组织和消除表面网状碳化物，加热温度在心部Ac3以上（850-900）。第二次淬火是为了改善渗碳层的组织和性能，获得细针状马氏体和均匀分布的未溶碳化物，通常加热到Ac1以上30-50。,（4）减少残余奥氏体的热处理为了减少残余奥氏体的数量，在渗碳预冷淬火后随之在-70至-75进行冷处理，使马氏体转变充分进行，然后低温回火。,（5）等温处理工件渗碳后空冷到室温，然后加热至奥氏体化温度（心部），经适当保温之后，在表层马氏体点以上和心部马氏体点以下温度范围内进行等温，使心部首先产生马氏体和下贝氏体发生体积膨胀并强化。这时，渗碳层仍处于过冷奥氏体状态，在等温之后的冷却过程中，表层发生马氏体转变。表层会产生更大的残余压应力，进一步提高零件的强度。,钢的渗氮（氮化）,向钢件表面渗入氮元素，形成富氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮，也称为氮化。和渗碳相比，钢件表面渗氮后具有更高的表面硬度和耐磨性。而且这种高硬度和高耐磨性可保持到560-600。渗氮可在工件表面形成压应力状态，可提高工件的疲劳性能。渗氮温度低，渗氮工件不需要热处理，工件变形小。渗氮前钢件要进行调质处理。,氮化过程中的化学反应：2NH3=3H2+2N氨气分解温度在500-580C，温度较低，氮原子扩散速度很慢，渗氮时间很长，渗氮层也薄。,氮化处理的特点,（1）表面硬度高，耐磨性好，高温时（600-650）硬度和耐磨性不下降；（2）具有高的疲劳强度和抗腐蚀性；（3）氮化温度低（500-600），不需要淬火，避免变形。,氮化工艺的应用范围,氮化特别适用于某些精密零件的最终热处理，例如磨床的主轴、镗床的镗杆、精密机床的丝杠、内燃机曲轴、精密齿轮和量具，等等。,氮化原理,氨气在密闭渗氮环境中分解出氮原子，氮原子被钢表面吸收，之后扩散到钢表面一定深度，形成渗氮层。氮与钢中的合金元素形成氮化物，例如CrN、AlN、Mo2N等，这些氮化物具有很高的硬度和良好的耐磨性，同时还具有高的耐腐蚀性。含有Cr、Mo、Al的钢特别适合渗氮，例如最常用的渗氮钢是38CrMoAl。,渗氮工艺的缺点,（1）渗氮时间长（氨的分解温度低，通常渗氮温度在500-580之间，氮原子在钢中的扩散速度很慢）；（2）渗氮层薄；（3）渗氮时间长，例如38CrMoAl钢工件要获得0.4-0.6mm渗氮层深度，渗氮时间要超过60小时。,离子氮化工艺,在真空室中充入稀薄的H2和N2气的混合气体，把渗氮工件作为阴极，在阴极和阳极之间加上直流高压，产生大量的电子、离子和被激发的原子，它们在高压电场作用下冲向工件表面，产生的热量把工件加热，同时活性氮原子和氮离子被工件表面吸收，并迅速扩散，形成渗氮层。离子渗氮适用于所有钢种和铸铁，渗氮速度快，渗氮组织可控，工件变形小。,钢的碳氮共渗,向钢件表面同时渗入碳和氮的过程称为碳氮共渗，也叫做氰化。碳氮共渗分为高温、中温和低温三种。目前工业上广泛应用的是中温和低温碳氮共渗。中低温碳氮共渗主要是提高耐磨性和疲劳强度，硬度提高不多，故又称为软氮化。,中温气体碳氮共渗,将钢件放入密封炉内，加热到820-860，向炉内通入煤油或渗碳气体，同时通入氨气。高温下共渗剂分解形成活性原子C和N，被工件表面吸收并扩散，形成一定深度的碳氮共渗层。,中温碳氮共渗的组织和性能特点,中温碳氮共渗后一般采用淬火+低温回火工艺热处理。一般采用油淬，渗层组织是细针状的马氏体+碳氮化物和少量的残余奥氏体。（1）碳氮共渗速度高于单独渗碳和渗氮；（2）在渗层碳浓度相同的情况下，比渗碳件具有更高的表面硬度、耐磨性、耐蚀性、弯曲强度；（3）耐磨性和疲劳强度低于渗氮件。,低温气体碳氮共渗,温度一般在550-570，保温时间3-4小时，气体渗碳剂和氨气混合气分解出活性原子C和N，渗入钢表面，形成细小的含氮渗碳体（Fe3(CN)），它们是铁的氮化物的形成核心。渗层外表面是由Fe2N、Fe4N、Fe3C组成的化合物层，又称白亮层。里面是扩散层，主要由氮化物和含氮的铁素体组成。,低温气体碳氮共渗的特点,（1）表面白亮层硬度比纯气体渗氮低，但脆性小，故低温碳氮共渗层具有较好的韧性；（2）共渗层的硬度比纯气体渗氮稍低，但仍具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度，耐蚀性也明显提高；（3）加热温度低，处理时间短，钢件变形小，不受钢种限制，适用于碳钢、合金钢和铸铁材料。,钢的渗硼,用活性硼原子渗入钢件表面并形成铁的硼化物的化学热处理工艺称为渗硼。硼化物层具有很高的硬度，并且淬火和回火之后不发生变化，因此钢件渗硼后，其耐磨性比渗碳和碳氮共渗都高，尤其是高温下的耐磨性显得更为优越。,盐浴渗硼,渗硼剂：无水硼砂、硼铁、碳化硼。温度：900-950时间：4-6小时渗层厚度：0.1-0.3mm渗层组成：表层是FeB，次表层是Fe2B，应尽可能减少FeB，单相Fe2B最好。渗硼过程中，随着表面硼化物的形成，碳原子被排向内侧，形成珠光体组织，称为扩散层。,渗硼的特点,（1）渗硼层的硬度与冷却速度无关，无需淬火；（2）硼化物硬度高，淬火和回火后硬度不发生变化，耐磨性比单独渗碳或碳氮共渗硬度高，高温下耐磨性好；（3）800以下能保持高硬度和高的抗氧化性，耐硫酸、盐酸和碱的腐蚀。,求共析钢缓慢冷却后珠光体的片层厚度。计算时忽略铁素体和渗碳体之间的体积应变能，认为（铁素体和渗碳体之间的界面能）、Tm（相变温度）、H（相变潜热）、Vm（摩尔体积）已知。2.下列相变属于几级相变。铁在居里点的磁性变化；Ni3Al的有序无序转变；钢的马氏体相变；调幅分解,钢的变形热处理,一、钢的奥氏体经高温热加工后的组织结构变化,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,金属的应力应变曲线,工程应力应变曲线,应变,应力,o,A,C,断裂,工程应力和应变的概念,工程应力：工程应变：P载荷；A0试样的原始截面积；l0试样的原始标距长度；l试样变形后的长度。,弹性变形阶段,弹性变形外力去除后能够完全恢复的变形。弹性极限材料保持完全弹性变形的最大应力。胡克定律：,塑性变形阶段,屈服极限开始发生塑性变形的最小应力。0.2产生0.2塑性变形所对应的应力值称为工程屈服极限。极限强度材料断裂所需的最大应力。,真应力应变曲线,真应变与工程应变之间的关系,真应力,P任何时刻的载荷；A任何时刻的实际截面积。真应力与工程应力的关系：,真应力真应变曲线,晶粒尺寸或晶界对多晶体塑性变形的影响,霍尔佩奇（Hall-Petch）关系式：s是屈服强度，i、K为比例常数，d为晶粒直径。i相当于单晶体的屈服强度。,屈服现象,应变,应力,0,（1）应力应变曲线出现了平台区；（2）试验之前先对试样进行少量的预塑性变形，则屈服点可暂时不出现；（3）进行了少量的预塑性变形试样放置一段较长时间（或经200度加热）后再进行拉伸，屈服现象重新出现。,屈服现象的解释,屈服现象的出现与金属中溶有微量的杂质原子有关。溶质原子聚集在位错线附近以降低体系的畸变能，形成柯垂尔气团。已经被实验证实。杂质原子虽然是产生屈服现象的一个重要原因，但不是唯一的因素。,一、钢的奥氏体经高温热加工后的组织结构变化,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,（1）在第一阶段，金属发生塑性变形，位错密度不断提高，造成材料的加工硬化；（2）材料在高温下变形，变形中产生的位错能够在加工过程中通过交滑移和攀移的方式运动，使部分位错消失，部分重新排列，造成奧氏体的“恢复”（回复），称为动态恢复。当位错重新排列发展到一定程度，形成清晰的亚晶界，称为动态多边形化；（3）随变形量的增加金属内部畸变能不断升高，畸变能达到一定程度后，奥氏体内部将发生再结晶，称为动态再结晶。,由再结晶所形成的新晶粒，又发生了形变，产生了加工硬化，富集了新的位错，并开了新的动态恢复，形成新的亚晶，甚至产生了新的动态再结晶核心。当第一轮再结晶完成后，仍需要一定形量，才能产生新的再结晶核心，并在继续变形中核心长大，直到完成第二轮动态再结晶。如果继续变形，将以同样方式，发生第三轮，第四轮动态再结晶。,应力应变曲线波浪线形成的原因,形变速度对0.68%C钢应力应变的影响,应变曲线上，出现一段波浪形的曲线，曲线中应力值下降的一段，都表示每一轮新的动态再结晶的发展；应力值上升的一段，都表示需要补充的形变量，以达到下一轮动态再结晶的要求。整个波浪形曲线表示多次间断的动态再结晶。,奥氏体的组织结构变化与变形量大小的关系,发生动态再结晶所必需的最低变形量，称为动态再结晶临界变形量，以D表示，D0.80.9p。奥氏体在热加工过程中的组织结构变化，决定于一道次的变形量大小。当形变量小于D时，奥氏体内部加工硬化，位错密度升高，并发生恢复多边形化；当形变量大于D时，则发生动态再结晶。动态再结晶临界变形程度D受形变条件的影响，形变温度、形变速度以及钢的化学成分都影响D。,一、钢的奥氏体经高温热加工后的组织结构变化,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,奥氏体在热加工间隙及热加工后发生的变化,在热加工间隔时间，或加工后在奥氏体相区缓冷过程中，继续消除加工硬化，力图达到奥氏体结构更稳定的状态。继续软化，降低形变抗力。奥氏体组织结构变化的机理仍然是恢复与再结晶，叫作静态恢复与静态再结晶。,1.形变量对奥氏体变化的影响,（1）远小于p热加工中仅有动态恢复发生。当热加工停止后，奥氏体的软化立即发生。随时间增长，软化程度增大，软化达到一定程度，就停止不变，仍保留高温形成的高位错密度的结构。,（2）小于动态再结晶的临界变形量D,在热加工过程中，形变量小于D，未发生动态再结晶，仅有动态恢复，残留的形变量如超过静态再结晶临界变形量s，则将发生静再结晶，亚晶界及高位错的形变带将是形成再结晶核心的有利位置。静态再结晶发展的结果，形成新的低位错密度的再结晶晶粒，热加工形成的加工硬化全部消除。,（3）大于p,软化过程由三个阶段所组成。第一段为静态恢复，第二段为变质的动态再结晶，第三段为静态再结晶。变质的动态再结晶是另一种软化的机理，它不同于静态再结晶，不需要新的核心，而是利用奥氏体中已形成的动态再结晶的核心作为自己的核心。在已发生动态再结晶的奥氏体中已经存在不少刚形成的核心，在形变停止时，这些刚形成的核心，尚未形变就被冻结下来，这些小核心中无位错，比周围基体更稳定，因此停止形变后，周围的基体就以其为心，发生再结晶。变质的动态再结晶总是发生在静态再结晶之前。,（4）远大于p,软化过程由二段组且成，一是静态恢复，第二段为变质的动态再结晶。由于形变量很大，形变停止后，消除加工硬化的软化过程进行的很快，在静态再结晶未发生以前，奥氏体中已全部发生了变质的动态再结晶。,恢复、再结晶的速度及再结晶后的晶粒大小,当奥氏体成分一定时，增大形变量，提高形变速度，提高形变后的停留温度，都将提高恢复与再结晶的速度。同样的形变量情况下，提高形变速度，增高奥氏体中的位错密度，必然加速静态恢复的速度。变量增加一倍，达到同样静态再结晶数量所需要的时间可以缩短一量级。奥氏体中的微量元素，强烈地阻止再结晶的发生，大大减慢再结晶的速度。,实际生产中的再结晶,在正常生产中使用的形变速度情况下，D都比较大，因此只有在高温、大变形量时才能发生动态再结晶，多数的热加工生产是发生静态再结晶。静态再结后的晶粒尺寸，决定于再结晶的形核率与长大速度。细的原始奥氏体晶粒尺寸、低的热加工温度或大的变形量，都将增大再结晶的形核率，细化再结晶后的晶粒。,二、几种钢的变形热处理形式,相变前热处理,低温变形热处理突出优点：提高强度，塑性韧性提高或不显著降低,温度范围：450-600，低于再结晶温度，不可能发生再结晶，动态恢复与静态恢复进行的也慢。强化原因：奥氏体晶粒沿形变方向被拉长，晶粒内位错密度高，有清晰的亚晶界或者位错团。变形提高位错密度，碳化物在位错处析出，阻碍位错移动，进一步增加位错密度。淬火后马氏体继承奥氏体的位错结构，位错密度提高，马氏体强度增加。,低温形变热处理强韧化的本质,（1）形变奥氏体中析出细小的碳化物，具有一定程度的沉淀硬化作用，并增大位错增殖速度。（2）马氏体继承了形变奥氏体中的位错结构，使马氏体位错密度增高，对形变热处理的强化起重要作用。（3）马氏体组织细化，马氏体中的亚结构细化，马氏体中孪晶马氏体量减