金属学与热处理

金属学与热处理---第3章钢的热处理热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺，作用:它不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能，如提高材料的强度和硬度，增加耐磨性，或者改善材料的塑性、韧性和加工性等。第一节热处理的基本原理一、钢在加热时的组织转变（一） 钢在加热和冷却时的相变温度铁碳合金相图中的A1、A3和Acm线是反映不同含碳量的钢在极为缓慢加热或冷却时的相变温度。但钢在实际加热和冷却时不可能非常缓慢，因此，钢中的相转变不能完全按铁碳合金相图中的A1、A3和Acm线，而有一定的滞后现象，即出现过热加热时）或过冷（冷却时）现象。加热或冷却时的速度越大，组织转变偏离平衡临界点的程度也越大。为区别起见，把冷却时的临界点记作Ar1、Ar3、Arcm；加热时的临界点记作Ac1、A1c3、Accm。例如，共析钢在平衡状态下珠光体和奥氏体的转变温度为A1；冷却时奥氏体转变为珠光体的温度为Ar1；加热时珠光体转变为奥氏体的温度为Ac1。这些临界点是正确选择钢在热处理时的加热温度和冷却时结构发生变化的温度的主要依据。（二） 奥氏体的形成共析钢在常温时具有珠光体组织，加热到Ac1以上温度时，珠光体开始转变为奥氏体。只有使钢呈奥氏体状态，才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。在铁素体和渗碳体的相界面上首先出现许多奥氏体晶核。这是因为铁素体与渗碳体是两个具有不同晶体结构的相，在二相界面上有晶格扭曲或原子排列紊乱等缺陷，原子处于高能量状态，有利于奥氏体核形成。奥氏体晶核形成后，便开始长大。它是依靠铁素体向奥氏体继续转变和渗碳体不断溶入而进行的。铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解快，因此，铁素体消失后，仍有部分残余渗碳体，它将随着时间的延长，继续不断地向奥氏体溶解直至全部消失。在刚形成的奥氏体晶粒中，由于原是渗碳体层地方的碳浓度高于原是铁素体层地方的碳浓度，必须继续保温通过碳原子扩散才能获得均匀的奥氏体组织。亚共析钢与过共析钢加热时的组织转变过程与共析钢相似，其差别在于：当亚共析钢被加热到Ac1~Ac3之间温度时，尚有一部分未溶的铁素体存在。过共析钢被加热到Ac1~Accm之间温度时，尚有一部分未溶的二次渗碳体存在，即不完全奥氏体化。只有进一步加热到Ac3或Accm以上并保温一定时间，才能获得单一奥氏体组织。由此可见，保温不仅是为了使工件热透，即工件心部达到与表面同样的温度，还为了获得均匀一致的奥氏体组织，以便在冷却时得到良好的组织和性能。（三） 奥氏体晶粒的长大由于珠光体层比较细密，在向奥氏体转变时形成的晶粒较多，因此，当珠光体刚全部转变为奥氏体时，奥氏体晶粒还是很细小的。这和加热前珠光体晶粒的大小无关。此时将奥氏体冷却后得到的组织晶粒也细小。如果在形成奥氏体后继续升温或延长保温时间，都会使奥氏体晶粒逐渐长大。晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的。此时将奥氏体冷却后得到的组织必然是粗大的。二、钢在冷却时的组织转变实际生产中，钢的热处理工艺有两种冷却方式：一是等温冷却一一将加热到奥氏体的钢迅速冷却到临界温度以下的某一温度保温，进行等温转变，然后再冷到室温，如等温退火、等温淬火等。二是连续冷却一一将加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变，如水冷、空冷、炉冷等，如图19-6所示。等温冷却方式对研究冷却过程中的组织转变较为方便。现以共析钢为例分析奥氏体在等温冷却时的转变。过冷奥氏体等温转变曲线图19-7为共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图，又称C曲线曲线。在等温转变开始线的左边为过冷奥氏体区，处于尚未转变而准备转变阶段，这段时间称为“孕育期”。在不同等温温度下，孕育期的长短不同。对共析钢来讲，过冷奥氏体在等温转变的“鼻尖”(约550r)附近等温时，孕育期最短，即说明过冷奥氏体最不稳定，易分解，转变速度最快。在高于或低于550°C时，孕育期由短变长，即过冷奥氏体稳定性增加，转变速度较慢。转变终了线右边为转变结束区，两条C曲线之间为转变过渡区。在C曲线下面还有两条水平线：一条是马氏体开始转变线Ms，一条是马氏体转变终了线Mf，在两条水平线之间为马氏体转变区。过冷奥氏体等温转变产物的组织及性能根据共析钢过冷奥氏体在不同温度区域内转变产物和性能的不同，可分为高温、中温及低温转变区，即珠光体型、贝氏体型和马氏体型的转变。1、高温等温转变区——珠光体型转变共析钢的过冷奥氏体在Ar1〜550C(鼻温)温度范围内，将发生奥氏体向珠光体转变。由于转变温度较高，原子有足够的扩散能力，能全部等温分解，最终形成铁素体■渗碳体组成的机械混合物，即珠光体型组织。在此温度范围内，由于过冷度不同，所得到珠光体的层片厚薄、性能也有不同。为区别起见分为以下三类：在Ar1〜650C之间，由于过冷度较高，转变产物为粗片状铁素体+粗片状渗碳体，即珠光体组织。在650〜600C之间，由于过冷度较大，生核较多，转变产物为层片较薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体，只有在高倍(1000倍左右)光学显微镜下才能分辨出片层。这种组织为细珠光体，也称为索氏体，用符号S表示在600〜550C之间，过冷度更大。转变的产物为层片极薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体，即使在高倍光学显微镜下也无法分辨出珠光体，也称为屈氏体，珠光体、索氏体和屈氏体实际上都是铁素体和渗碳体的机械混合物，仅片层粗细不同，并无本质差异。其力学性能主要取决于片层间距离。片层间距越小，则强度、硬度越高，塑性和韧性也有所改善。中温等温转变区一一贝氏体型转变转变温度在C曲线鼻尖至Ms点之间，即550〜230C的温度范围。转变特点是过冷度大，虽有。-Fe晶格结构，但由于转变温度较低，碳扩散能力减弱，转变产物由含碳量过饱和铁素体和微小的渗碳体混合而成。这种组织称为贝氏体，用符号B表示。在贝氏体转变区域，根据转变温度不同，可分为上和下贝氏体两种。⑴在550〜350C之间，转变产物在光学显微镜下呈羽毛状，如图19-9(a)所示。铁素体形成许多密集而互相平行的扁片，其间断断续续分布着渗碳体颗粒，但强度低，塑性差，脆性大，生产上很少采用。⑵在350C〜Ms之间，转变产物在光学显微镜下呈黑色竹叶状，如图19-9(b)所示。铁素体形成竹叶状，其内分布着极细小的渗碳体颗粒，这种组织为下贝氏体归下,) 总之，贝氏体的碳化物不是连续分布，而是由许多细颗粒或薄片呈断续分布。其次，贝氏体中的铁素体碳浓度高于珠光体，呈过饱和固溶状态。 与上贝氏体比较，下贝氏体有较高的硬度和强度，同时塑性、韧性也较好，并有高的耐磨性。因此，生产中常采用等温淬火的方法来获得下贝氏体组织。低温转变区——马氏体型转变转变温度在Ms及Mf之间。转变特点是:过冷度极大，转变温度很低，碳原子和铁原子的动能很小，都不能扩散。所以，奥氏体向马氏体转变，只发生Y-Fe—a-Fe的晶格改组，即铁原子作短距离的移动，而无碳原子的扩散，全部被迫过量地固溶在a-Fe晶格中。碳在a-Fe中的溶解度很小，常温只有0.008?，从而形成一种过饱和的固溶组织。这种碳在a-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号M表示。，热处理中的淬火就是为了得到这种组织。共析钢奥氏体过冷到230°C（Ms）时，开始转变为马氏体，随着温度下降，马氏体逐渐增多，过冷奥氏体不断减少，直至-50C（Mf）时，过冷奥氏体才全部转变成马氏体。所以Ms与Mf之间的组织为马氏体和残余奥氏体。三、等温转变曲线在连续冷却转变中的应用在热处理生产中，通常采用连续冷却的方式，如炉冷、空冷、水冷等。因为连续冷却转变曲线测定较难，生产中常用等温转变曲线定性地估计连续冷却转变，即将连续冷却时的冷却速度线画在等温曲线图上。根据冷却速度线和等温曲线相交位置，大致可估计出产物可能得到的组织和性能，对制定热处理工艺有重要意义。图19-11为共析钢等温转变曲线图上，估计连续冷却转变的情况。图中V1<V2<V3<V4它们分别表示不同冷却速度的冷却曲线。V1——相当于炉冷（退火）情况。它与C曲线相交于700〜650C，估计转变产物为粗片状珠光体。V2——相当于空冷（正火）情况。它与C曲线相交于650〜600C，估计转变后产物为细片状珠光体，即索氏体。V3——相当于油冷（淬火）情况，它只与C曲线开始转变线相交于鼻尖附近，随后又与Ms线相交，估计转变产物为屈氏体和马氏体。V4——相当于水冷（淬火）情况，它不与C曲线相交，而直接与Ms相交并继续冷却，估计它的组织为马氏体和残余奥氏体。Vk（V临）一一冷却速度曲线恰恰与C曲线相切，这是由奥氏体直接得到马氏体的最小冷却速度，称为临界冷却速度。凡是大于Vk的冷却速度都可以转变为马氏体组织。连续冷却转变由于是在一个温度范围内进行的，往往得到混合组织，如珠光体+索氏体，屈氏体+马氏体等。而过冷奥氏体在等温转变时只转变为单一的组织。第二节退火与正火在工厂里各种机器零件和工具一般都要经过如下的过程：选原料一一锻造一一预先热处理一一机械加工一一最后热处理退火和正火经常作为钢的预先热处理工序，安排在铸造、锻造和焊接之后或粗加工之前，以消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加工及热处理作好组织准备。对于某些不太重要的工件，退火和正火也可作为最终热处理工序。一、退火退火是将钢加热到高于或低于临界温度，保温一段时间后，然后缓慢冷却（如随炉或埋入导热性能较差的介质中），从而获得接近于平衡组织的一种热处理工艺。由于退火可获得接近平衡状态的组织，故与其它热处理工艺比较，退火钢的硬度最低，内应力可全部消除，可提高钢材冷变形后的塑性，又由于退火过程中发生重结晶，故可细化晶粒，改善组织，所以退火可以达到各个不同的目的。根据钢的成分和退火目的不同，主要的退火工艺有：完全退火、球化退火和去应力退火等。完全退火将亚共析钢工件加热到Ac3以上（30〜50）C，保温一定时间，然后缓慢冷却下来的热处理工艺称为完全退火，又称为重结晶退火。由于奥氏体进行全部的重结晶，故称为完全退火。它是应用最广泛的退火方法，主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧件有时也用于焊件。其目的是通过重结晶使晶粒细化，均匀组织，消除应力，降低硬度，以利于切削加工。完全退火不能用于过共析钢，因为加热到Accm以上再缓慢冷却时会析出网状渗碳体，使钢的机械性能变坏。球化退火是将过共析钢工件加热到Ac1以上（20〜30）°C，保温后，以极慢的冷速通过A1，使P中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状，球化退火加热时，未完全奥氏体化，因此属于不完全退火。由于硬而脆的网状渗碳体存在，在切削加工时，对刀具磨损很大，同时还增加了淬火时变形及开裂的倾向。因此球化退火可使钢中碳化物呈球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火做好组织准备。为了便于球化过程的进行，对于网状严重的过共析钢，应在球化退火之前进行一次正火，以消除网状渗碳体。去应力退火如果只是单纯为了消除内应力，则用去应力退火，又称低温退火，消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余内应力，以避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂。 去应力退火的加热温度为（500〜650）C，经适当保温后，随炉缓冷到（200-300）C以下，最后出炉在空气中冷却。由此可见，去应力退火是在A1以下进行的，组织并未发生变化，主要的作用是在缓慢冷却的过程中，使工件各部分均匀冷却和收缩，这样就不会产生内应力了。二、正火正火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上（30〜50）C的温度，保温后从炉中取出在空气中冷却的一种操作方法。正火的冷却速度较退火快些，所得到的组织较细，即珠光体组织的片层间距较小，强度和硬度较高。因此正火对于亚共析钢主要是细化晶粒，均匀组织，提高机械性能，对于力学性能要求不高的普通结构零件，正火可作为最终热处理；对于低中碳结构钢，由于硬度偏低，在切削加工时易产生“粘刀”现象，增大表面粗糙度，正火的主要目的是提高硬度，改善切削加工性能，高碳钢则应采用退火；对于过共析钢，由于正火冷却速度较快，使钢中渗碳体沿晶界析出不能形成连续的网状结构，而是呈断续的链条状分布，有利于球化退火，为淬火作组织准备。此外，正火是在炉外冷却，不占用加热设备，生产周期比退火短，生产效率高，能量消耗少，工艺简单、经济，所以，低碳钢多采用正火来代替退火。 各种退火和正火的加热温度范围如图19-12所示。第三节淬火将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上（30〜50）C，保温后在水或油中快速冷却的操作工艺称为淬火一、 淬火目的淬火的目的一般都是为了获得马氏体组织，随后再配合适当的回火，以获得多种多样的使用性能。如刃具和量具要求有高的硬度和耐磨性，各种轴和齿轮等要求有较好的强韧性等，都是通过淬火和回火来达到的，淬火回火通常作为最终热处理。二、 淬火的工艺（一）淬火温度碳钢的加热温度主要是由钢中的含C量根据Fe-Fe3C相图来确定的，如图19-13所示为碳钢的淬火加热温度范围。对于亚共析钢，适宜的淬火温度为Ac3+（30〜50）C，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。如将亚共析钢加热温度过低（于Ac1〜Ac3之间），在淬火组织中将出现铁素体，这样将造成淬火硬度不足。若将亚共析钢加热远远超过Ac3以上，将使A晶粒长大，淬火后得到粗大M，使钢性能下降，但对于某些合金钢为了使其中合金元素完全溶于A中，温度可适当提高。对于过共析钢，适宜的淬火温度为Ac1+（30〜50）°C,淬火后的组织为马氏体和粒状二次渗碳体。渗碳体比马氏体硬，有利于提高钢的耐磨性。如果加热温度过高（在Accm以下），不仅会得到粗片状马氏体组织，脆性极大，而且由于奥氏体含碳量过高，使淬火钢中残余奥氏体量增多，使钢的硬度和耐磨性降低。若淬火温度过低，则可能得到非马氏体组织，钢的硬度达不到要求。（二） 淬火冷却介质淬火操作的难度比较大，主要是因为要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于该钢种的临界冷却速度，而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形和开裂。根据C曲线可知，要获得马氏体组织，并不需要在整个冷却过程中都进行快速冷却。关键是在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近，即在（650〜400）C的温度范围内要快速冷却，而在650C以上以及400C以下，过冷奥氏体较稳定，并不需要快速冷却，特别是在（300〜200）C以下发生马氏体转变时，尤其不能快冷，否则因相变应力作用容易引起变形和开裂。根据上述要求，冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢--快--慢”。 实际上，还没有找到一种淬火剂能符合这一理想淬火冷却速度。生产中常用的冷却介质有水、水溶液、油等。水在（650-400）C范围内冷速很大，保证工件获得马氏体组织，但在300C以下冷却能力仍然很强，工件易发生变形和开裂，这是水的最大弱点。故水一般用于形状简单碳钢件的淬火。盐水冷却能力比一般清水还强，因为工件表面的结晶盐发生爆炸，破坏了包围工件的蒸汽膜，有利于散热。油类淬火剂多为矿物油，油在（650〜550）C之间冷却能力较弱，仅为水的1/4，不利于碳钢的淬硬，但它在（300-200）C范围内冷却速度比水小得多，相变应力小，故油一般用于合金钢或小尺寸碳钢件的淬火。常用淬火冷却介质的冷却性能如表19-2所示。（三） 常用的淬火方法由于淬火冷却介质不能完全满足要求，除不断探索新淬火剂外，还必须从淬火方法上加以解决，即利用现有各种淬火剂的不同特点，扬长避短，以保证淬火质量。单液淬火法将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法。碳钢放在水中淬火，合金钢在油中淬火，如图19-15a所示。这种淬火法操作简单，易实现机械化与自动化，适用于形状简单的工件，但此法水冷变形大，油冷难淬硬，可将油、水双冷结合起来进行如下的双液淬火。双液淬火法将加热的碳钢先在水或盐水中冷却，冷到（300-400）C时迅速移入油中冷却，这种水淬油冷的方法称为双液淬火法，如图19-15b所示。此法既可使工件淬硬，又能减少淬火的内应力，有效地防止产生淬火裂纹，主要用于形状复杂的高碳工具钢，如丝锥、板牙等。缺点是操作困难，技术要熟练。分级淬火法分级淬火法是把加热好的工件先投入温度稍高于Ms点的盐浴或碱中快速冷却停留一段时间，待其表面与心部达到介质温度后取出空冷，使之发生马氏体转变，它比双液淬火进一步减少了应力和变形，而且操作较易。但由于盐浴、碱浴的冷却能力较小，故只适用于形状较复杂、尺寸较小的工作。等温淬火法此法与分级淬火法相类似，只是在盐浴或碱浴中的保温时间要足够长，使过冷奥氏体等温转变为有高强韧性的下贝氏体组织，然后取出空冷。等温淬火由于淬火内应力小，能有效地防止变形和开裂，但此法缺点是生产周期较长又要一定设备，常用于薄、细而形状复杂的尺寸要求精确，并且要求强韧性高的工件，如成型刀具、模具和弹簧等。三、钢的淬透性概念钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。如果工件整个截面都能得到马氏体，说明工件已淬透。但有时工件表面冷却速度大就得到马氏体组织，而越往心部冷却速度越小就得到非马氏体组织。凡是冷却速度大于临界冷却速度的才能得到马氏体组织，小于临界冷却速度的就是非马氏体组织了，如图19-16所示。淬透性是指钢获得淬硬层深度的能力。按理，淬硬层的深度应该是全淬成马氏体的深度，但实际上，当钢的淬火组织中有少量非马氏体(如托氏体)时，硬度值并不明显变化，金相检验也较困难。因此一般规定从工件表层深入到半马氏体区(马氏体与非马氏体组织各占一半的地方易测定硬度)的深度为淬硬层深度。淬硬层越深，就表明钢的淬透性越好，如果淬硬层深度达到心部，则表明该钢全部淬透。钢的淬透性好坏对机械性能影响很大，当工件整个截面都淬透时，回火后表面和心部得到完全一致的机械性能。若不能全部淬透，表面和心部的组织不同，经回火后的性能就不一致，未淬透部分的屈服强度、冲击韧性会显著下降。生产实践表明，并非所有的机械零件都必须完全淬透。例如，承受弯、扭应力的轴类零件，表面热处理的零件等，只需要一定深度的淬硬层就已满足使用要求，就可选用低淬透性的钢，不必强调全部淬透。 钢的淬透性主要决定于临界冷却速度，临界冷却速度越小，过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性就越好，反之，则降低钢的淬透性。因此，除Co以外，大多数合金元素都能显著提高钢的淬透性。应当指出，钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬硬性指淬火后获得的最高硬度，主要取决于马氏体中的含碳量。淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高。如高碳工具钢与低碳合金钢相比，前者淬硬性高但淬透性低，后者淬硬性低但淬透性高。第四节回火经过淬火后的钢应及时进行回火，以保证达到所需要的性能要求。工件淬火后，其性能是硬而脆，并存在着由于冷却过快而造成的内应力，往往会引起工件变形甚至开裂的危险。回火就是将淬火的钢重新加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却。一、回火的目的降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。获得不同需要的机械性能，通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性，以满足各种工件的不同使用要求，淬火钢经回火后，其硬度随回火温度的升高而降低，回火，一般也是热处理的最后一道工序。二、回火时组织与性能的变化淬火钢中的马氏体及残余奥氏体都是不稳定的组织，具有向稳定组织转变的自发倾向。随回火温度的升高，钢的组织也相应发生以下四个阶段的转变：第一阶段：马氏体的分解(100〜250)°C在(100〜200)°C时，马氏体开始分解，固溶在马氏体中的过饱和碳原子部分以极细的£碳化物(即£-Fe2.4C)的形式析出，使过饱和