钢铁热处理和组织转变

1、钢铁热处理和组织转变第五章 钢铁热处理加热时的组织转变冷却时的组织转变钢的常规热处理钢的其它热处理概 述一、热处理概念及应用 通过加热、保温、冷却的方法，改变材料的组织与结构，达到改善材料性能(力学、物理、化学及工艺性能)的工艺过程称为热处理。 热处理在机械制造业和材料的研究中应用十分广泛，重要的零(构)件都要进行适当的热处理后才能使用。机床中60%70%的零件需进行热处理；汽车中约80%零件需进行热处理；工具及模具则100%需进行热处理。转变时一般都有组织结构的变化，有的转变无新相生成(如再(重)结晶转变)。相变阻力大。新相形成除增加界面能外，由于存在体积变化造成应变能，相变阻力大。新相与母

2、相之间存在一定的晶体学位向关系。母相的晶体缺陷对相变起促进作用。原子扩散迁移成为控制因素，特别是伴随成分改变的相变过程。易出现过渡相，有些反应不能进行到底，过渡相可以长期保留。二、热处理转变过程及其产物的特点三、热处理分类热处理整体热处理最终热处理工序化学热处理表面热处理表面淬火预备热处理工序渗碳渗氮及渗金属等碳氮共渗及多元共渗等回火(含人工时效)退火正火淬火(含固溶处理)火焰加热、接触电阻加热 感应加热 (高、中频等) 激光、电子束加热 物理、化学气相沉积 5.1 加热时的组织转变 这些温度点是平衡转变温度，在固态转变中，转变实际发生需要一定的过冷或过热，显然加热转变的实际发生温度在临界点之

3、上，而冷却转变的实际发生温度在临界点之下。一、临界转变温度800766780855Ac3 或Accm-700730T10721695727607606827244583568073520Ar3Ar1Ac1钢号临界温度()某些碳钢的临界温度(近似值)AC1、AC3、Accm加热时转变温度 Ar1、Ar3、Arcm冷却时转变温度二、奥氏体的形成过程以共析钢为例P0.77%C( F0.02%CFe3C6.69%C) A0.77%C AC1温度 A形核A长大 Fe3C残余溶解A均匀化若是亚/过共析钢则存在过剩相F/Fe3C的溶解.三、影响奥氏体化的因素加热温度加热速度含 碳 量合金元素原始组织 加热温

4、度越高，原子活动迁移能力大，自由能差大，奥氏体化的进程也越快。 加热速度快，奥氏体化的时间自然短，但是均匀化程度差。 随碳量的增加,渗碳体与铁素体的界面数量也多, 转变速度加快。在过共析钢中, 二次渗碳体的溶解要求更高的温度,碳量的增加达到均匀化时间会增加。 珠光体的层片越细，界面数量多，扩散的距离小，转变速度加快，片状珠光体的转变速度高于球状化珠光体。 碳化物形成元素与碳的结合力高于铁，会阻碍碳的扩散迁移；在碳化物消失后，合金元素自己扩散达到均匀，达到均匀奥氏体化的时间要大大延长。四、奥氏体晶粒度及其影响因素1.奥氏体晶粒度 奥氏体晶粒度指奥氏体的晶粒尺寸大小，它对材料热处理后的性能有重要影

5、响。奥氏体晶粒度的三种不同概念：起始晶粒度 刚刚完成奥氏体化的晶粒大小叫起始晶粒度，此时奥氏体晶粒很细小又难以测定，无实际意义。实际晶粒度 在具体的加热温度、保温时间的条件下获得的奥氏体晶粒大小。它决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程，直接影响热处理后钢的力学性能 。 热处理冷却后得到的组织都是有奥氏体转变的产物，奥氏体晶粒细小，得到的组织也就细小，其力学性能也就优越。奥氏体化过程的晶粒长大是自发过程，只有控制好奥氏体化的工艺过程，才能得到较细的晶粒。本质晶粒度 不同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不一样，按冶金部标准，将钢加热到93010，保温8小时得到的实际晶粒度作为该钢的本质晶粒

6、度。本质晶粒度是一材料特性，表示的是钢在奥氏体化时奥氏体晶粒的长大倾向。本质晶粒度一般分为8级。1级 2级 3级 4级5级 6级 7级 8级8级为超细晶粒本质粗晶粒本质细晶粒 沸腾钢一般为本质粗晶粒钢； 并不是本质细晶粒钢奥氏体化得到的晶粒一定细小,通常加热温度在930以下,本质细晶粒钢奥氏体化得到的晶粒比本质粗晶粒钢细小,超过这个温度或工艺处理不当,结果可能完全相反(见右图). 镇静钢一般为本质细晶粒钢。 需热处理的钢应为本质细晶粒钢。 2.影响奥氏体晶粒度的因素 速度快用的时间少，转变在较高温度，形核率高，最终晶粒尺寸较细小。 温度高时间长则奥氏体长大速度快，长大的时间多，晶粒变粗； 珠光

7、体细小，奥氏体的晶粒也细小；片状比球状细小，非平衡组织往往也可得到细小的奥氏体晶粒。(相变组织的遗传性) 含碳量增加，奥氏体转变加快，生长时间长，奥氏体晶粒的长大倾向增加；碳化物形成元素(Ti、V、Ta、Nb、Zr、W、Mo、Cr)和碳结合力强，阻碍碳的扩散可阻碍奥氏体晶粒生长；不和碳作用而溶入基体的元素(Si、Ni、Cu)对奥氏体晶粒生长无明显的影响；Co、P、Mn对奥氏体晶粒的长大有加速作用。 加 热 速 度 温度和时间原 始 组 织合金元素(成分)五、加热时的组织缺陷 由于加热设备故障、工艺不合理或操作失误，加热过程中可能引起的缺陷有：氧化 脱碳过热 过烧 加热时工件表面和O2、CO2、

8、H2O等气氛接触,工件表面发生氧化,严重时氧化气氛沿晶界向内扩散造成较深的晶界氧化, 晶界处的易氧化元素和氧结合使晶界性能下降,为内氧化。加热时间较长、温度高且表面要求较高，加工余量小时特别注意氧化。 含碳量较高的钢加热时,碳和O2、CO2、H2O、H2等结合生成CO溢出,脱碳使钢表层出现贫碳区影响表层性能。可用CO、CH4等进行保护甚至渗碳。加热温度过高或保温时间过长使奥氏体晶粒过大。 加热温度太高，晶界过度氧化，甚至局部熔化，过烧工件只能报废。 钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体：等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行转变。连续冷却：将钢以某一固定速度

9、不停地冷却到室温，使奥氏体在连续降温的过程中转变。冷却方式： 钢奥氏体化后，从高温冷却到Ar1以下时奥氏体并不立即转变，而处于热力学不稳定状态.这种存在于Ar1温度下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。一、过冷奥氏体等温转变 过冷奥氏体等温转变图，也称TTT(或C)曲线,它综合反映了过冷奥氏体在不同温度下等温转变的开始和终了时间以及转变产物之间的关系。实验得到过冷奥氏体等温转变动力学曲线(转变时间-A转变量图)。对转变后的试样进行金相分析,确定转变产物。在转变时间-冷却温度坐标系中，将相同性质的连接起来, 并标明出相应的转变产物,即得TTT曲线或C曲线。 1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的

10、建立 以共析钢为例孕育期 2.等温转变曲线的特征3. 珠光体型转变 1)珠光体的形成 过冷奥氏体在Ar1到鼻尖(550)之间的转变方式属于珠光体型转变。 在A晶界形成Fe3C晶核；在Fe3C晶核附近出现铁素体晶核；铁素体和渗碳体的晶核长大,形成层片状组织；奥氏体晶粒内多处形核，各自沿不同方向长大直到奥氏体完全消失；珠光体晶粒长大并连成一体；奥氏体全部转变成珠光体。 2)转变产物 过冷奥氏体按珠光体型方式发生转变，通常所得产物为铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，随着转变温度的降低，片间距愈细，即不同温度下所得产物的差别是层片间距不同。 采用特殊的方式冷却，可能得到颗粒状渗碳体均匀分布于铁素体基

11、体上的球状珠光体。 3)珠光体的性能 不同类型的珠光体由于层片间距不同，力学性能有较大的区别，总体趋势是随着片间距的减小，材料的强度和硬度呈现上升；塑性和韧性以索氏体为最高,虽然强度最高，但塑性却下降。 组织符号片间距/m形成温度/硬 度/HRC可分辨层片的倍数珠光体P0.4 0.7A16505 25500X索氏体S0.25 0.465060025 351000X托氏体T0.25600550355 402000X4.贝氏体型转变 1)特点和组织特征 过冷到550以下,相变驱动力虽然较大,但铁原子的扩散系数已很小,相变时来不及扩散,碳尽管扩散速度比高温下小了很多,但因半径很小仍能进行短距离扩散,

12、所以发生混合型转变(半扩散型转变),在钢中叫贝氏体转变。 在较大的驱动力下，晶格中的铁原子以切变方式，将其晶格点阵从面心立方改组为体心立方。这时铁原子不改变相邻关系，每个原子相对周围原子发生仅为原来晶格间距几分之一的移动，整个晶体结构发生了变化。一方面原子移动距离小，另一方面，要求所有原子同时移动，所以变化阻力大，仅在驱动力足够大时才发生。碳在面心立方中的溶解度大于体心立方晶格，对切变形成了阻力，含碳量愈低，转变愈容易。贝氏体(B)-含碳过饱和铁素体和渗碳体的两相机械混合物.2)上贝氏体转变 这种以原奥氏体晶界为干线, Fe3C以小条状(短棒)或小片状断续的分布于平行而密集的铁素体片之间,呈现

13、羽毛状的组织叫上贝氏体。 转变温度:550350转变过程:a.奥氏体晶界因含碳量低优先生成形成铁素体晶 核,晶核向晶内长大; b.铁素体附近出现碳富集,形成Fe3C晶核,因长大慢, Fe3C以小条状(短棒)或小片状断续的分布于平行 而密集的铁素体片之间. 在碳钢中，上贝氏体的力学性能指标并不好，这时的强度和硬度不太高，而韧性很低，工业生产中一般不用这种组织的材料来制造机械零件。 组织、性能特点3)下贝氏体转变 转变温度: 350230转变过程:a.铁素体晶核优先在奥氏体晶界生成,并沿一定晶面呈针 叶状向晶内生长;b.由于转变温度较低,C原子不能长程扩散,只能在铁素体 片内沿一定晶面以极细小的碳

14、化物-FeC沉淀析出. 这种碳以极细小的碳化物(如-FeC)在针叶状铁素体内沿一定晶面析出的组织叫下贝氏体。 下贝氏体是生产中一种常见的组织,它有较高的强度、硬度和一定的韧性,即有较好的强韧性(或良好的综合力学性能)。 下贝氏体的转变时间长, 为了完成下贝氏体转变,生产时不能将钢直接冷到室温,需要保温设备,故生产效率不高。 组织、性能特点5、马氏体型转变 1)转变过程 当钢很快冷却到MS(共析钢约为230)以下, 这时碳的可迁移能力也很低, 在巨大的转变驱动力作用下, 铁以切变的方式进行从fcc到bcc的晶格改组, 形成了碳在铁素体中的过饱和间隙固溶体, 即马氏体(M). 由于碳的大量过饱和，

15、铁素体的晶格畸变很大，碳原子处于体心立方的八面体间隙处，体心立方的八面体间隙是一扁形，溶入碳原子基本在一个方向变形即可，为了减小晶格畸变，碳原子大多在同样的方向，故马氏体的晶格点阵已不是体心立方，而是体心正方，即晶格常数在一个方向被拉长(c), 马氏体的正方度c/a约为1。 2)马氏体转变特点 马氏体转变温度: 马氏体转变有一个温度范围(MS Mf ), 所得马氏体数量与最低转变温度有关; 无扩散型转变(切变转变): 转变速度非常快(瞬间形核长大); 转变的不完全性:即使冷至Mf以下也得不到100%的马氏体,存在残余奥氏体(A残或A), A残量与过冷A的稳定性、MS和Mf有关; 转变时体积膨胀

16、: 相变应力残余应力淬火裂纹.板条马氏体的形貌(光镜,500X)3)马氏体的形态 (板条状和针片状)a.板条马氏体 当奥氏体中的含碳量较低时(0.3%),形成的马氏体为板条状(低碳马氏体). 组织形貌:原奥氏体晶粒可以有几个板条束,在板条束中有时又可以分成几个平行的板条块,在板条内分步着稠密的平行的马氏体板条.稠密的板条之间是一层连续的高度变形的极薄的奥氏体薄膜(约20nm),板条马氏体内有大量位错。板条马氏体的示意图 奥氏体含碳量高)时，马氏体形状呈针片状或竹叶状,故叫片状马氏体(透镜M或高碳M). b.针片状马氏体 针片马氏体的形貌(光镜,500X)针片马氏体的示意图 组织形貌:立体形态是

17、双凸透镜片状. 在原奥氏体晶粒中,首先形成一个贯穿整个晶粒的马氏体片;以后形成的马氏体片尺寸受到限制，马氏体片越来越小;马氏体片之间互不平行,并存在一定夹角,最后的三角区为残余奥氏体.板条状马氏体针片状马氏体C%0.3%1.0缺 陷大量位错大量位错、显微裂纹和较大内应力性 能特 点较高的强度和韧性(良好综合力学性能)高硬度和强度低塑性和韧性淬火后的性能举 例低碳钢(0. 10.25%C) : 3050HRC, = 917%, = 4065%, ak=6080J/cm2,s=8201330MPa,b=10201330MPa,T8钢:65HRC, 1%, = 30%, ak=10J/cm2,s=2

18、040MPa,b=2350MPa,4) 马氏体的性能特点6、影响C曲线的因素 1)含C量的影响 钢的碳含量A的含碳量位置的变化； 形状的变化； 转变温度的变化 A的含碳量M的含碳量?2)加热温度和保温时间的影响 升高加热温度,延长保温时间,奥氏体的均匀化程度提高(奥氏体稳定性提高),不利于过冷奥氏体的转变形核和分解,使C曲线右移. 3)金属元素的影响 除Co外, 几乎所有金属元素都会使C曲线右移;(提高奥氏体稳定性) 大量合金元素加入, 还会改变C曲线的形状.(详解见“合金钢”) 二、过冷奥氏体连续转变1.连续冷却曲线及其建立 将奥氏体化后的钢置于某一介质中连续冷却, 材料温度随时间的延长而不

19、断下降, 奥氏体分解和转变在不同的温度下都进行, 得到比较复杂的组织. 冷却环境和冷却速度不同, 所得组织及其性能也不同. 这种过冷奥氏体连续冷却转变规律的冷却曲线叫连续冷却曲线或CCT曲线。2.碳钢CCT曲线特征 珠光体型转变滞后 只有大于临界冷却速度 才发生马氏体转变与TTT曲线比较: 贝氏体转变被抑制 有过冷A转变中止线共析钢的TTT图与CCT图的比较3. 碳钢连续冷却转变的组织 V冷5/S 得到 P 5/S V冷33/S 得到索氏体S或屈氏体T 33/S V冷138/S 得到 T + M + A残余(少量) V冷138/S 得到 M + A残余(少量)VK =138/S：临界冷却速度或

20、上临界冷却速度V K=33/S：下临界冷却速度5.3 钢的常规热处理一、退火退火：将钢加热到适当的温度, 保温一定时间后缓慢冷却 (如随炉冷)的热处理工艺叫做退火. 常用退火方法:完全退火等温退火球化退火去应力退火均匀化退火 各种退火工艺的加热温度规范退火方法操作规范目的用途适用钢材完全退火(普通或重结晶退火)AC3+ 3050缓冷,500后空冷改善组织, 去内应力,降低硬度,便于加工预先热处理工序或终热处理工序亚共析钢球化退火AC1+3050缓冷至Ar1附近得到球化体, 降低硬度,便于加工, 淬火前组织准备工具钢的预先热处理工序共、过共析钢和高碳合金钢去应力退火AC1以下(500650或20

21、0400 )消除残余应力锻、铸件、焊接件、冷加工件所有钢材等温退火缩短完全退火时间亚共析钢过共析钢的球化退火工艺高速钢的等温退火与完全退火的比较二、正 火45钢退火和正火状态的力学性能比较2. 目的、用途及性能预先热处理, 适当提高中、低碳钢的硬度, 改善加工性能;消除过共析钢中的网状渗碳体, 为求化退火做组织准备;终热处理, 细化组织, 消除应力, 得到所希望的强度和韧性.1. 定义 将钢加热到AC3 (亚共析钢)或Accm (过共析钢)以上3050，保温一定时间后从炉中取出在空气中冷却,得到珠光体型组织的热处理工艺称为正火.状态b/ MPa5/ %ak/ J/cm2HBS退火6507001

22、5204060180正火70080015205060220三、 淬 火1.定义和目的 淬火：将钢加热到AC3 或AC1以上3050 保温一定后,以大于VK的速度快冷到MS点以下以获得M或在MS点稍上等温获得B下的热处理工艺.目的：提高钢的高硬度、耐磨性和承受高的接触应力; 一般作为工具钢的终热处理工序.常用淬火介质的冷却特性及应用理想淬火介质的冷却能力如图. 2.淬火冷却介质冷却(能力)特性用途水不理想: “鼻尖”处不足而低温又太强形状简单的小碳钢件盐水鼻尖”处很强,低温较强,是最强冷却介质.(含1015NaCl)形状简单、硬度要求高而均匀、变形要求低的的碳钢件矿物油“鼻尖”处弱,低温也弱,冷

23、却能力为水的1/41/8形状复杂、变形要求高的中、小合金钢件碱浴或硝盐浴介于水和油之间形状复杂、变形要求严格的小件单液淬火深冷处理 4.淬火方法双液淬火(水淬+油冷)分级淬火 (碱浴或硝盐浴+空冷) 等温淬火 (盐浴淬火,得到B下 )局部淬火 单液双液分级等温卡规的局部淬火法变形与开裂 5.淬火时易出现的问题及其预防硬度不足或不均匀 原因： 冷却速度不够或不均匀； 加热工件表面氧化脱碳； 钢未完全A化。 预防措施有： 合理设计零件结构，正确选材； 预先热处理为淬火作组织准备； 控制加热温度和时间，避免过热； 采用适当的冷却方式； 及时回火。四. 回 火 将淬火后的钢制工件, 加热到AC1以下的

24、某一温度,保温一段时间, 然后冷却到室温的一种热处理工艺.目的：回火:消除内应力, 降低脆性;稳定工件尺寸; 获得不同组织以调整性能.回火温度转 变 特 征所得组织100 200M开始分解, 析出-FeC(与M保持一定共格), M饱和度, 正方度c/a, 内应力, A残的量未变.A残+M回 (F饱和+-FeC)200 300A残的分解: A残B下 (即FC饱和+-FeC) , M继续分解, 正方度c/a继续, 内应力继续M回+B下(少量)300 500FC饱和(片、条装) F(等轴晶); -FeC Fe3C(无共格关系, 颗粒状);500时内应力完全消除.T回 (F +Fe3C细)500 65

25、0Fe3C聚集长大S回 1.淬火钢回火时的转变及所得组织高温T回S回M回低温T回2回火组织的性能回火温度对中碳钢力学性能的影响回火温度及含碳量对钢硬度的影响低温回火脆性(250350) 又叫第一类回火脆性, 所有钢都存在,预防方法是避免在此温度回火.高温回火脆性(450650） 又叫第二类回火脆性, 含Ni、Cr、Mn 、Si等 钢回火后慢冷时发生,预防方法是回火后快冷和加W和 Mo等合金元素.3回火脆性4.回火种类及其应用回火类型组织和性能应 用低温回火150250A残+M回,高硬度,耐磨(5864HRC)工具钢、模具钢、轴承钢、表面淬火及渗碳淬火件中温回火350500T回,一定韧性和高屈强

26、比(s/b)(3545HRC)弹性零件和要求较高强度硬度又要一定韧性的工件(如刀杆、轴套等)高温回火500650S回，综合力学性能尤其是冲击韧性高(2535HRC)综合性能要求高的零件如轴、连杆、齿轮等,或预先热处理 淬火+高温回火的热处理工艺叫调质处理五. 钢的淬透性和淬硬性1.淬透性与淬硬性的区别 淬透性: 指钢在淬火时能获得淬硬层(马氏体层)深度的一种固有特性. 它主要受含碳量、合金元素和晶粒度等影响, 与零件尺寸和淬火工艺无关.淬 硬 性: 指在正常淬火情况下获得马氏体组织所能达到的最高硬度. 它主要决定于马氏体中的含碳量, 合金元素含量对其影响不大.一般规律：淬透性好的钢, 其淬硬性

27、不一定高, 反之亦然； 低碳合金钢的淬透性好, 但其淬硬性不高;高碳钢的淬硬性高, 但其淬透性却差.淬硬层深度: 指由钢表面到内部马氏体组织占50处的距离. 材料的淬透性常用末端淬火法测得的淬硬层深度值的大小来衡量. 钢的淬透性好坏取决于钢的过冷奥氏体的稳定性，即C曲线上的临界冷却速度。影响因素有：钢的含碳量: 共析钢的淬透性最高；2.影响淬透性的因素合金元素及其含量: 除Co外,绝大部分都使C曲线右移,提高淬透性；奥氏体化程度:淬火温度和时间因影响奥氏体的均匀性和稳定性, 故影响淬透性。3.淬透性的测定方法 末端淬火法(GB225-88) 加工标准试样钢奥氏体化喷水冷却测量到端面不同距离处表

28、面的硬度作硬度-距离曲线表示方法J-表示端淬法,HRC-硬度,d-到端面的距离,例如:40Cr钢的淬透性带(A)淬透性曲线举例；(B)钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量的关系(A)(B)4.淬透性的应用对心部性能要求较高的如连杆、锻模等,为保证心部的性能,选用高淬透性的钢；对焊接件为减小热影响区内出现淬火组织造成变形开裂, 应用淬透性较低的钢. 根据钢的淬透性,在淬火时选用合适的冷却介质. 由于淬透性影响,校核零件强度时,大小不同零件的性能数据是有区别的. 低淬透性的大钢件,因淬不透常用正火来代替调质,既可减少因淬火导致的开裂,又工艺简单经济. 可选用的热处理方法:一. 不改变材料成分, 表面和心

29、部经不同的热处理;二. 改变材料表面成分, 并热处理.5.4 钢铁的其它热处理 机械零件服役要求零件力学性能热处理方法如:齿轮和曲轴小型汽车用中型汽车用重型汽车用表面和心部性能要求不同概 况b.表面淬火用钢：中碳钢及中碳低合金钢最表层次表层里 层a.表面淬火工艺M或 M+F(少量)M + F 或 F + T原始组织d.表面淬火加热方法 感应加热、火焰加热、接触加热一、表面淬火c.表面淬火后的组织2.感应加热表面淬火a.基本原理及过程感应器交流电(非工频)工件内产生涡流电流集肤效应表面加热到温迅速水冷加热速度快, 变形小, 不易脱碳;马氏体组织极细, 硬度高(比普通淬火高23HRC)、脆性小,

30、疲劳强度好;加热层深度易控制, 易于自动化批量生产, 感应功率越大, 频率越高, 淬硬层越浅; 设备投资大.3.火焰加热表面淬火(自学)b.感应加热表面淬火特点定义： 化学热处理是指将材料置于一定的化学介质中加热、保温，使介质中一种或几种元素的原子渗入工件表层，以改变工件表层化学成分和组织结构，来获得心部和表层兼顾有不同性能要求的热处理方法。 过 程：介质分解出待渗元素活性原子;活性原子被材料表面吸附和溶解；活性原子向材料内部扩散。种 类： 渗碳、氮化、渗硼、渗铝等。 二、化学热处理简介 (1)目的及用途： 提高钢制工件表面的含碳量然后淬火，达到提高工件表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳性，并使心部具有良好的塑性和韧性。主要用