电厂金属材料与实训教学课件作者洪景娥冯刚主编第3章节钢的热处理课件幻灯片

2019/6/8,1,第三章 钢的热处理,2019/6/8,2,一 热处理的定义及作用 1 热处理的定义：金属或合金在固态下于一定介质中加热到一定温度，保温一定时间，以一定速度冷却下来的一种综合工艺。,2 热处理工艺曲线 四个重要参数： V加热、 T保温、 t保温、V冷却,三个基本过程：加热、保温、冷却,§ 3-1 热处理概述,2019/6/8,3,2 热处理的意义及作用,意义： 应用广泛、 效果显著 ： 汽车零件80%；工模具、轴承100% 例：45#钢，840加热，不同方式冷却,作用：（1）显著提高材料的使用性能 （2）改善加工性能（切削、热处理）。,2019/6/8,4,二 热处理的条件,有固态相变 加热时溶解度显著变化的合金。,+L,L + ,+ ,L,2019/6/8,5,为什么钢能热处理?, 固态相变 有相变重结晶 C溶解度显著变化 可固溶强化 热处理温度区间： A1 T TNJEF 热处理第一步 加热奥氏体化,2019/6/8,6,钢的热处理中六个重要的温度参数： A1 A3 Acm ； Ac1 Ac3 Accm 加热过程 Ar1 Ar3 Arcm 冷却过程,2019/6/8,7,第一节 钢在加热时的转变,热处理的第一道工序就是加热。铁碳合金相图是确定加热温度的理论基础。 共析钢在A1临界温度下是珠光体组织，当加热温度超过临界点后珠光体就转变为奥氏体。 亚共析钢在A1临界点温度下是铁素体和珠光体，当温度超过A1后，珠光体转变为奥氏体；如果继续加热，当温度A3临界点铁素体也可转化为奥氏体。 过共析钢在A1临界点温度下是渗碳体和珠光体，当加热温度超过A1后，珠光体转变；如果继续加热至Acm以上，渗碳体将全部溶入奥氏体。 钢的加热过程就是奥氏体的形成过程，这种组织转变可以称为奥氏体化。,一、加热温度的确定,2019/6/8,8,奥氏体化中成分组织结构的变化 以共析钢为例 F + Fe3C A (727 ) 成分(C%) 0.0218 6.69 0.77 结构 体心立方 复杂斜方 面心立方,说明奥氏体化中须两个过程： C 成分变化： C 的扩散 铁晶格改组： Fe 扩散,2019/6/8,9,3 奥氏体形成过程（共析钢）,（4）奥氏体中 C 的扩散均匀化。 (万秒),（3） 剩余 Fe3C 的溶解； (千秒),（2）奥氏体向 F 及 Fe3C 两侧长大(几百秒),四个阶段： （1）奥氏体在FFe3C 界面上形核（10秒）,2019/6/8,10,1奥氏体形核 奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。由于界面上的碳浓度处于中间值，原子排列也不规则，原子由于偏离平衡位置处于畸变状态而具有较高的能量。同时位错和空间密度较高 铁素体和渗碳体的交接处在浓度结构和能量上为奥氏体形核提供了有利条件。 2奥氏体长大 奥氏体一旦形成，便通过原子扩散不断张大 在于铁素体接触的方向上，铁素体逐渐通过改组晶胞向奥氏提转化；在与渗碳体接触的方向上，渗碳体不断溶入奥氏体。,3残余渗碳体溶解 由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大，因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。当珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，仍有少量的渗碳体尚未溶解。随着保温时间的延长，这部分渗碳体不断溶入奥氏体，直至完全消失。 4奥氏体均匀化 刚形成的奥氏体晶粒中，碳浓度是不均匀的。原先渗碳体的位置，碳浓度较高；原先属于铁素体的位置，碳浓度较低。因此，必须保温一段时间，通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥氏体。这就是热处理应该有一个保温阶段的原因。,2019/6/8,11,4 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程,亚共析钢：F + P F + A A 过共析钢： Fe3C + P Fe3C + A A,如果加热温度过高，或者保温时间过长，将会促使奥氏体 晶粒粗化。奥氏体晶粒粗化后，热处理后钢的晶粒就粗大， 会降低钢的力学性能。,* 奥氏体化的目的： 获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒 * 实际热处理中 须控制奥氏体化程度。,2019/6/8,12,三 奥氏体晶粒度及影响因素,1 奥氏体晶粒度概念 奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业上一般分为8级。 1-4 级粗(0,-1)，5-8 级细，8级以上极细; 计算式： n = 2 N-1 N：晶粒度级别 n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数(100X)。,2019/6/8,13,奥氏体有三种不同概念的晶粒度 (1) 初始晶粒度： 奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。 通常极细小 (2) 实际晶粒度： 具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小 与具体热处理工艺有关： 热处理温度，时间 ，晶粒长大。 与晶粒是否容易长大有关 引入本质晶粒度概念,2019/6/8,14,（3）本质晶粒度 指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢。 测定方法：加热至930±10，保温8h， 若A晶粒1-4 级：本质粗晶粒钢， 5-8 级：本质细晶粒钢。,2019/6/8,15,关于本质晶粒度概念的要点：, 表征该钢种在通常的热处理条件下 A 晶粒长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小； 本质粗晶粒钢实际晶粒度并非一定粗大，本质细晶粒钢实际晶粒度并非一定细小；而与具体的热处理工艺有关。, 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关 机理： 难溶粒子的机械阻碍作用 Al 脱氧镇静钢 含V、Ti、Nb、Zr 钢,2019/6/8,16,机理： 难溶粒子的机械阻碍作用 例如：AlN、VN、TiN、NbN、ZrN,本质细晶粒钢,本质粗晶粒钢,2019/6/8,17,第二节 奥氏体钢在冷却时的转变,冷却是钢热处理的三个工序中影响性能的最重要环节，所以冷却转变是热处理的关键。,热处理冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却。,2019/6/8,18,热处理的两种冷却方式： 等温冷却 过冷奥氏体等温转变动力学曲线 连续冷却过冷奥氏体连续转变动力学曲线,2019/6/8,19,一、奥氏体的等温转变,（一）奥氏体等温转变曲线 奥氏体等温转变曲线一般用金相硬度法测定。图3-5 是共析钢C曲线测定方法示意图。图3-6是实测的共析钢C曲线。,图3-6 共析钢等温转变曲线,2019/6/8,20,一 过冷奥氏体等温转变动力学曲线 (Temperature-Time-Transformation),T,A1,Ms,Mf,AM,M+AR,A过冷,AB,AP,A,P,B,700,500,200,孕,HRC,15,40,45,55,60,1,10,102,103,104,105,过冷奥氏体与奥氏体的区别,C曲线,产物： P：珠光体 B：贝氏体 M：马氏体 鼻点,2019/6/8,21,2 要点; 不同温度下转变产物不同； 高温转变产物(A1550)： 珠光体( P)扩散型 中温转变产物(550MS) ： 贝氏体( B)半扩散型 低温转变产物(MSMf)： 马氏体( M)非扩散型,2019/6/8,22, 存在孕育期 过冷奥氏体等温分解所需的准备时间 代表 A过冷稳定性。 存在鼻点： 孕育期最短， A过冷最不稳定； T转，产物硬度。 马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变组织，非等温转变产物。将其画入，使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用,2019/6/8,23,（1）高温转变（珠光体转变） 珠光体转变是奥氏体转变成珠光体的过程，通过碳原子和铁原子的扩散形成铁素体和渗碳体的层片状机械混合物，转变温度为A1550，珠光体转变是一种扩散性相变。 珠光体的转变机理如图3-7所示，微观组织如图3-8 所示。,2019/6/8,24,2019/6/8,25,图3-8 珠光体的显微组织,（a）光学显微组织（硝酸酒精侵蚀，500×）；,（b）电子显微组织（硝酸酒精侵蚀，3800×）,2019/6/8,26,（1） 中温转变（贝氏体转变） 转变温度为550Ms线，由于转变温度较低，原子的扩散能力较弱。奥氏体在转变过程中，碳原子只能作短距离的扩散，而铁原子几乎不能扩散，仅从面心立方晶格转变为体心立方晶格。奥氏体转变为贝氏体的过程与转变为珠光体的不同，转变时，先析出含碳过饱和的铁素体，随后在铁素体中陆续析出细的渗碳体。这种过饱和铁素体和细小颗粒状渗碳体的机械混合物，称为贝氏体，用符号B表示。,在中温转变区，550350范围内，等温转变成的组织称为上贝氏体；350Ms范围，等温转变成的组织称为下贝氏体。,图3-9上贝氏体的显微组织,图3-10下贝氏体的显微组织,2019/6/8,27,（3）粒状贝氏体 粒状贝氏体也是在中温转变区，由奥氏体转变成的组织。粒状贝氏体是由铁素体及由铁素体基体所包围着的小岛状组织所组成，这些小岛状组织形态很不规则，常呈粒状或长条状，如图3-15，图3-16所示。,粒状贝氏体的形成与钢的成分及转变温度有关。在电厂用钢中，粒状贝氏体常出现于低碳的Cr-Mo钢和Cr-Mo-V钢等钢种的原材料及焊接接头中。,2019/6/8,28,2019/6/8,29,2019/6/8,30,2019/6/8,31,2 马氏体组织特征,(1)板条状马氏体 单元体(单晶体) 板条状 组合特征：,马氏体束,一些位向相同的板条晶构成马氏体束； 原奥氏体晶粒中含35个位向不同的 M 束 块状马氏体,2019/6/8,32,3 马氏体的性能,(1) 硬度和强度 特点： 总体：高硬度、高强度 注意： 、硬度、强度主要取决于C%, Me影响小。 C%, 马氏体 HRC。 、须注意马氏体硬度与钢硬度的差异。 C%, 淬火钢HRC, 0.6%C后基本趋于定值。,2019/6/8,33,2019/6/8,34,含碳量在0.25%1%之间的碳快速冷却所得到的组织为低碳马氏体和高碳马氏体的混合结构。 （2）马氏体的性能： 高硬度是马氏体的主要特征。钢的硬度与其含碳量有关，如图3-21所示。含碳量愈多，硬度愈高；当含碳量超过0.6%以后，钢的硬度就增加不多。,钢的硬度与含碳量的关系,2019/6/8,35,马氏体具有高硬度的主要原因是由于过饱和的碳原子所起的固溶强化作用和形成马氏体时在马氏体内产生了大量的位错或孪晶引起了加工强化的结果。 高碳马氏体具有高的硬度，但韧性很低，脆性大；马氏体针叶愈粗大，韧性愈低，脆性愈大。所以，淬火得到高碳马氏体后，必须作消除脆性的回火处理才能应用。 低碳马氏体具有较高的硬度和强度，而且韧性也比较好；这种强度和韧性的良好配合，使低碳马氏体得到了广泛应用。,（3）马氏体转变的特点 奥氏体是在Ms点温度以下转变成马氏体的。由于转变温度很低，奥氏体中的铁、碳原子都不能进行扩散，因而只有铁元素的晶格改变，面心立方晶格-Fe转化为体心立方晶格-Fe。由于碳原子无扩散能力而过饱和固溶在-Fe中，当含碳量大于0.25%时，将使晶格撑开。,2019/6/8,36,马氏体的形成速度极快。 马氏体转变是在一定温度范围（MsMf）内进行的。 奥氏体向马氏体转变是一个连续冷却的过程。钢Ms和Mf点温度的高低取决于奥氏体中含碳量，奥氏体中含碳量愈高，Ms和Mf温度愈低，如图3-22所示。当含碳量大于0.6%后，Mf点已下降到0以下的温度；因此，高碳钢淬火后常常含有一定数量的残余奥氏体。,2019/6/8,37,残余奥氏体的存在会降低钢的强度和硬度，影响钢的耐磨能力。当然如果钢中有残余奥氏体存在，可减少淬火时的变形并