第八章 钢的热处理原理课件.ppt

第八章 钢的热处理原理 8.1 概述 一、热处理的作用 热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺。其工艺曲线如图所示。 热处理的作用（目的） 通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质量，节约材料和能源。 正确的热处理工艺还可以消除钢材经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。 热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。 可使工作表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。 最终热处理和预备热处理 在生产工艺流程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋于工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。 而将热加工后为随后冷拔、冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理称为预备热处理。 热处理的应用 热处理是一种重要的金属加工工艺，在机械制造工业中被广泛地应用着。例如：汽车、拖拉机工业中需要进行热处理的零件占70-80％ ，机床工业中占60-70％ ，而轴承及各种工模具则达100％。如果把预备热处理也包括进去，几乎所有的零件都需要进行热处理。 二、热处理与相图 钢之所以能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变（溶解度显著变化或类似纯铁的同素异构转变），在固态下不发生相变的纯金属或某些合金则不能用热处理的方法强化，只能采用加工硬化（形变强化）的方法。 钢的临界温度 虽然铁碳相图对研究钢的相变和制定热处理工艺有重要参考价值，但是对钢进行热处理时不仅要考虑温度因素，还必须考虑时间和速度的重要影响。因为所有的固态转变过程都是通过原子的迁移来进行的，而原予的迁移需要时间，没有足够的时间，转变就不能充分进行，其结果只能得到不稳定的非平衡组织（过渡型组织）。 冷却速度对钢从奥氏体冷却转变的影响 缓慢冷却：珠光体P(α+Fe3C） 温度较高，C，Fe扩散充分，接近平衡浓度 较快冷却：贝氏体B (α+Fe3C） Fe原子扩散难，C尚能扩散， α相中C浓度比平衡浓度高，Fe3C的分散度大。 很快冷却（水冷淬火）：马氏体M Fe，C扩散能力极低，γ不能分解为α+Fe3C，只能形成成分与γ相同的α相(α’相）,这种C在α－Fe中的过饱和固溶体叫做马氏体。 三 固态相变的特点 固态相变与液态结晶相比，有一些规律是相同的。例如，相变的驱动力都是新、旧两相之间的自由能差；相变都包含形核和长大两个基本过程。 但是，固态相变是由固相转变为固相，新相和母相都是晶体，因此又与结晶有着显著不同的特点 固态相变的特点 相变阻力大 体积变化增加应变能，扩散困难，需要更大的过冷度。 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系 母相晶体缺陷对相变有促进作用 易出现过渡相（亚稳定相）：M，Fe3C 四 固态相变的类型 根据生核和长大的特点 扩散型相变：P转变 非扩散（切变）型相变：M转变 过渡型相变：B转变 8.2 钢在加热时的转变 为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当方式（或速度）冷却，以获得所需要的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。 加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物等过剩相的数量、分布状况等都对钢的冷却转变过程及转变产物的组织和性能产生重要的影响。因此，研究钢在加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。 一、共析钢奥氏体的形成过程 珠光体是由含碳量很高（Wc＝6.69％） 、具有复杂晶格的渗碳体和含碳量很低（0.0218％） 、具有体心立方晶格的铁素体组成的，要转变为含碳量介于二者之间、具有面心立方晶格的奥氏体，三者的含碳量和晶体结构都相差很大。因此，奥氏体的形成过程包括碳的扩散重新分布和铁素体向奥氏体的晶格重组。 珠光体向奥氏体的转变过程 共析钢的珠光体到奥氏体的转变包括以下四个阶段：奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥氏体均匀化。 1 奥氏体的形核 奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是因为在相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，处于能量较高的状态，容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。 珠光体群边界也可能成为奥氏体的形核部位。 在快速加热时，由于过热度大，奥氏体临界晶核半径小，相变所需的浓度起伏小，这时，也可能在铁素体亚晶界上形核。 C在A和F中的扩散 实验研究发现，由于奥氏体的长大速度受碳的扩散控制，并与相界面碳浓度差有关。铁素体与奥氏体相界面碳浓度差（ ）远小于渗碳体与奥氏体相界面上的碳浓度差（