钢的热处理原理基础1

1、博深工具股份有限公司培训课程 使用性能使用性能 制备制备/加工加工 成分成分/组织组织 固有性能固有性能 成分成分/组织组织 制备制备/加工加工 制备、加工方法及其对性能的影响 固有性能固有性能 使用性能使用性能 将材料的固有性能和产品设计、 工程应用能力等联系起来。如寿 命、速度、能量利用率、安全可 靠性。 原子结构原子结构结合键结合键 原子排列方式原子排列方式显微组织显微组织 晶体结构的钢球模型 为了表示小球的 排列规律，将小球中 心用平行的直线连接 起来，形成的空间格 子，称为晶格。直线 间的交点称为结点 （阵点）。 能够完全反映晶 格特性的最小、 最基本的几何单 元称晶胞。 a b c

2、 晶胞的棱边长度: a, b, c。确定了晶胞 的大小。晶胞棱边 夹角：, , 确定 了晶胞的形状。 a, b, c及, , 称为晶格参数 体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方 90%的金属具有下述的金属具有下述 三种晶体结构之一三种晶体结构之一 BCC FCC 铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、 镍(Ni)、铅(Pb)、铁(Fe)等 HCP 钛(Ti)、锆(Zr)、镁（Mg)、锌(Zn)等 晶体结构与材料性能：晶体结构与材料性能： （一般规律）面心立方的金属塑性（一般规律）面心立方的金属塑性 最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。最好，体心立方次之，密排六方的

3、金属较差。 按空间尺寸大小不同分为按空间尺寸大小不同分为点点、线线、面面三类缺陷。三类缺陷。 点缺陷点缺陷 空位空位 置换原子置换原子 间隙原子间隙原子 不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方 向的尺寸都很小。向的尺寸都很小。 线缺陷线缺陷 钛合金中的钛合金中的 位错线位错线 不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方 向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。 面缺陷面缺陷 晶界 亚晶界 点缺陷点缺陷 点缺陷周围晶格发生畸变，材点缺陷周围晶格发生畸变，材 料的屈服强度提高，塑

4、性韧性料的屈服强度提高，塑性韧性 下降，电阻增加。下降，电阻增加。 线缺陷线缺陷 附近的晶格畸变，对强度影响显附近的晶格畸变，对强度影响显 著。强度的变化与著。强度的变化与位错密度位错密度有关。有关。 位错密度位错密度 强强 度度 s 理论值理论值 金属须金属须 退火态退火态 106108cm-2 加工硬化加工硬化 10111012cm-2 位错密度很低或者很高时，位错密度很低或者很高时， 晶体的强度比较高。晶体的强度比较高。 晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强 度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发 生高

5、温氧化，耐腐蚀性能降低。生高温氧化，耐腐蚀性能降低。 面缺陷面缺陷 细晶强化细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的通过细化晶粒而使材料强度提高的 方法称为细晶强化。方法称为细晶强化。 强化材料的方法强化材料的方法 之一之一 固态铁有三种同素异构体固态铁有三种同素异构体 同素异构转变：同一种元素在固态下由于温度变同素异构转变：同一种元素在固态下由于温度变 化而发生的晶体结构的变化。化而发生的晶体结构的变化。 FeFeFe CC 00 9121394 固溶体固溶体 固溶体的分类固溶体的分类 置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 溶剂原子 溶质原子 置换固溶体 间隙固溶 体 铁素体 碳溶于碳

6、溶于-Fe中形成的固溶体称为铁素中形成的固溶体称为铁素 体，用体，用或者或者F表示。表示。BCC 奥氏体 碳溶于碳溶于 -Fe中形成的固溶体称为铁素中形成的固溶体称为铁素 体，用体，用 或者或者A表示。表示。FCC 铁素体铁素体 奥氏奥氏 体体 热处理基础之一 通过溶入某种合金元素形成固溶通过溶入某种合金元素形成固溶 体而使材料强度增加的现象。体而使材料强度增加的现象。 强化材料的方法之一强化材料的方法之一 固溶强化固溶强化 如，钢中加入如，钢中加入Mn, Si可置换可置换F中的中的Fe形形 成合金铁素体，使其强度提高。成合金铁素体，使其强度提高。 化合物的性能特点化合物的性能特点 以层片状或

7、者球形均匀分布在组织中，能 提高合金的强度； 以连续网状、粗大的片状或者作为基体出 现时，急剧降低材料的强度、塑韧性。 渗碳体对铁碳合金性能的影响取决于其形态形态 相相 铁碳合金中铁碳合金中：铁素体、奥氏体和渗碳体铁素体、奥氏体和渗碳体 是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可 是两相或者多相混合物。是两相或者多相混合物。 组织组成物组织组成物 铁碳合金中的组织组成物铁碳合金中的组织组成物 F P 二元相图（两个组元配成的合金体系）二元相图（两个组元配成的合金体系） 三元相图（三个组元配成的合金体系）三元相图（三个组元配成的合金体系） 相图的分类相图

8、的分类（根据组元数量分）（根据组元数量分） 组元组元 组成合金的最基本的独立的物质。组成合金的最基本的独立的物质。 碳钢：Fe、C (Fe3C) 黄铜：Cu、Zn MgO-Al2O3-SiO2系陶瓷： MgO、Al2O3、SiO2 液相线液相线 固相线固相线 L L 温温 度度 T wNi% Cu Ni T1 L1 1 T2 L2 2 T3 L3 3 wNi% Cu Ni 温温 度度 T 1 xL a x br x I I合金在T 1温 度为L+两相， 两 相 的 相 对 质 量 各 是 多 少？ 确定两相区确定两相区 中，两相的中，两相的 相对质量的相对质量的 方法方法 L wrb war

9、即 L warwrb ab b w L w r A B C D EF G H J N KP P S Q FeFe3C A B C D EF G H J N KP P S Q 点 Fe熔点 1538 1495 wC=0.53% 共晶点 1148 wC=4.3% 渗碳体熔点 1227 wC=6.69% C在-Fe中的 最大溶解度 1148 wC=2.11% 渗碳体 1148 wC=6.69% 同素异构转变点 912 wC=0% C在-Fe中的最 大溶解度 1495 wC=0.09% 包晶点 1495 wC=0.17% 渗碳体 727 wC=6.69% 同素异构转变点 1394 wC=0% C在中-

10、Fe中的是 大溶解度 727 wC=0.0218% 共析点 727 wC=0.77% C在室温-Fe中的 溶解度 wC=0.0008% 共有14个点 线液相线：液相线： ABCD A B C D EF G H J N KP P S Q 固相线：固相线： AHJECF 三条水平线三条水平线 （恒温转变）（恒温转变） HJB、ECF、 PSK 包晶转变线包晶转变线 HJB 共晶转变线共晶转变线 ECF 共析转变线共析转变线 PSK 同素异构转同素异构转 变线变线 NH、NJ GS、GP 固溶度线固溶度线 ES、PQ 包晶转变：HJB线 l 由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一由一定成分的液

11、相和一定成分的固相生成另一个一 定成分新固相地反应称定成分新固相地反应称包晶反应包晶反应。 %0.09,0.53 C w均会产生包晶反应。 J C HB L 0 1495 l J点成分的铁点成分的铁-碳合金冷却至碳合金冷却至1495，体系中，体系中 的液相和的液相和相在转变过程中恰好全部消耗完，相在转变过程中恰好全部消耗完， 得到单一的得到单一的J 相。相。 l 0.09wC%0.17的合金，液相消耗完后，还的合金，液相消耗完后，还 有剩余的有剩余的相，包晶转变完成后的产物为：相，包晶转变完成后的产物为： l 0.17wC%2.11%的合金均会发生共晶反应。 CFeL E C C3 11470

12、 共析产物为铁素体与渗碳体的机械混合 物，称珠光体用P表示。该线亦称A1线。 3 PS1 8SK Fe C F w w 含碳量大于0.02%的铁碳合金都会发生 共析转变，即室温下有P组织。 CFeFP C C3 7270 相图中共有5个单相： L、 、 、Fe3C 7个双相区： L+、L+ 、 L+Fe3C、 + 、 + 、 A+ Fe3C、 + Fe3C 3条三相共存线： HJB（包晶线）、ECF（共晶线）、PSK（共析线） A B C D EF G H J N KP P S Q L Fe3C L+ + + L+ L+Fe3C +Fe3C +Fe3C L+L+Fe3C +Fe3C A B C

13、 D F G H J N KP P S Q L E 工业纯铁工业纯铁钢钢白口铸铁白口铸铁 工业纯铁工业纯铁 wC.0218 钢钢 亚共析钢亚共析钢 wC (0.02, 0.77) 共析钢共析钢 wC = 0.77 过共析钢过共析钢wC (0.77, 2.11) 铸铁铸铁 共晶白口铁共晶白口铁 wC 4.3 亚共晶白口铁亚共晶白口铁 wC (2.11, 4.3) 过共晶白口铁过共晶白口铁 wC(4.3, 6.69) A B C D EF G H J N KP P S Q L 七七 种种 典典 型型 合合 金金 纯铁20钢钢 35钢钢 60钢钢 T10钢钢 白口铁的金相组织白口铁的金相组织 亚亚共

14、晶白口铁共晶白口铁 共晶白口铁共晶白口铁 过过共晶白口铁共晶白口铁 Ld（+e3C(共晶共晶)+Fe3C） P Ld Fe3CI wC,组织发生相应改变 3II PFe C 3III FFe C FPP 3II PFe C L d L d 3I L dFe C 工业纯铁工业纯铁 钢钢 白口铸铁白口铸铁 成份 wC % 组织特征 0.02 0.77 2.11 4.3 6.69 高温固体组织为单相A 有莱氏体组织 工业 纯铁 钢白口铸铁 亚共析 过共析亚共晶过共晶 组织组成 物相对量 % 相组成 物相对量 % F P Ld Fe3C F Fe3CII Fe3CI wC,Fe3C的数量 对性能的影响

15、： Fe3CIII(薄片状) 共析Fe3C (层片状) Fe3CII(网状) 共晶Fe3C(连续基体) Fe3CI (粗大片状) wC,Fe3C的形态会发生变化 Fe3C是钢中的强化相，当渗碳体与F基体组成P时， 随其含量 强度和硬度 塑性、韧性 HB b Ak 0.20.40.60.81.01.21.4 HB b 、 Ak wC % 设计选材设计选材 （五）（五）、 铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用 铁碳合金的性能是随含碳量而变化的，根据 零件的性能要求，可以确定铁碳合金的成分范围。 塑性、韧性 低碳钢 wC%(0.10-0.25) 塑性、韧性、强度中碳钢 wC%(0.25-0.60)

16、硬度、耐磨性 高碳钢 wC%(0.60-1.30) 制定热加工工艺制定热加工工艺 铸造工艺：确定浇注温度 锻造工艺：确定锻造温度 焊接工艺：分析HAZ的组 织和性能 热处理工艺：是制订热处理 工艺的基础。 第三节第三节 钢的热处理原理钢的热处理原理 温度温度 时间时间 加热加热 保温保温 冷却冷却 保温保温温度温度 保温保温时间时间 A1 A3 Acm A B C D EF G H J N KP P S Q 2.11 钢钢 铸铁铸铁 A A B E G H J N P S Q L A +A +L +A A+L A+Fe3C E G PS Q A F A+Fe3C F+A FPF+P P+Fe3C E G P S Q A1线线(PSK线线) 加热加热Ac1 冷却冷却Ar1 A3线线(GS线线) 加热加热Ac3 冷却冷却Ar3 Acm线线(SE线线) 加热加热Accm 冷却冷却Arcm A3 Acm A1