第二章钢的热处理素材.pptx

金属工艺学 主编：王英杰 张芙丽 副主编：金升 王成国 机械工业出版社 第二章 钢的热处理 一、钢在加热时的组织转变 二、钢在冷却时的组织转变 三、退火与正火 四、淬火 六、金属的时效 七、表面热处理与化学热处理 八、热处理新技术简介 九、热处理工艺应用 五、回火 第一节　钢在加热时的组织转变 大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间,使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织,但奥氏体一般不是人们最终需要的组织,而是在随后的冷却中,采用适当的冷却方法,获得人们需要的其他组织,如马氏体、贝氏体、托氏体、索氏体、珠光体等组织。 金属材料在加热或冷却过程中,发生相变的温度称为临界点(或相变点)。铁碳合金相图中A1、A3、Acm是平衡条件下的临界点。铁碳合金相图中的临界点是在缓慢加热或缓慢冷却条件下测得的,而在实际生产过程中,加热过程或冷却过程并不是非常缓慢地进行的,所以,实际生产中钢铁材料发生组织转变的温度与铁碳合金相图中所示的理论临界点A1、A3、Acm之间有一定的偏离,如图2-2所示。实际生产过程中钢铁材料随着加热速度或冷却速度的增加,其相变点的偏离程度将逐渐增大。为了区别钢铁材料在实际加热或冷却时的相变点,加热时在“A”后加注“c”,冷却时在“A”后加注“r”。因此,钢铁材料实际加热时的临界点标注为Ac1、Ac3、Accm;钢铁材料实际冷却时的临界点标注为Ar1、Ar3、Arcm。 一、奥氏体的形成 以共析钢(w(C)=0.77%)为例,其室温组织是珠光体(P),即由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)两相组成的机械混合物。铁素体为体心立方晶格,在A1点时w(C)=0.021 8%;渗碳体为复杂晶格,w(C)=6.69%。当加热到临界点A1以上时,珠光体转变为奥氏体(A),奥氏体是面心立方晶格,w(C)=0.77%。由此可见,珠光体向奥氏体的转变,是由化学成分和晶格都不相同的两相,转变为另一种化学成分和晶格的过程,因此,在转变过程中必须进行碳原子的扩散和铁原子的晶格重构,即发生相变。 图2-2　实际加热(或冷却)时,铁碳 研究结果证明:奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体的转变可以分为四个阶段:奥氏体形核、奥氏体核长大、残余渗碳体继续溶解和奥氏体化学成分均匀化。图2-3为共析钢奥氏体形核及其长大过程示意图。 (1)奥氏体晶核形成　共析钢加热到A1时,奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体的相界面上形成,这是由于相界面的原子是以渗碳体与铁素体两种晶格的过渡结构排列的,原子偏离平衡位置处于畸变状态,具有较高的能量;另外,渗碳体与铁素体的交界处碳的分布是不均匀的,这些都为形成奥氏体晶核在化学成分、结构和能量上提供了有利条件。 (2)奥氏体晶核长大　奥氏体形核后,奥氏体核的相界面会向铁素体与渗碳体两个方向同时长大。奥氏体的长大过程一方面是由铁素体晶格逐渐改组为奥氏体晶格;另一方面是通过原子扩散,即渗碳体连续分解和碳原子扩散,逐步使奥氏体晶核长大。 (3)残余渗碳体溶解　由于渗碳体的晶体结构和碳的质量分数与奥氏体差别较大,因此,渗碳体向奥氏体中溶解的速度必然落后于铁素体向奥氏体的转变速度。在铁素体全部转变完后,仍会有部分渗碳体尚未溶解,因而还需要一段时间继续向奥氏体中溶解,直至全部渗碳体溶解完为止。 (4)奥氏体化学成分均匀化　奥氏体转变结束时,其化学成分处于不均匀状态,在原来铁素体之处碳的质量分数较低,在原来渗碳体之处碳的质量分数较高。因此,只有继续延长保温时间,通过碳原子的扩散过程才能得到化学成分均匀的奥氏体组织,以便在冷却后得到化学成分均匀的组织与性能。 亚共析钢(0.021 8%≤w(C)0.77%)和过共析钢(0.77%w(C)≤2.11%)的奥氏体形成过程基本上与共析钢相同,不同之处是在加热时有过剩相出现。由铁碳合金相图可以看出,亚共析钢的室温组织是铁素体和珠光体;当加热温度处于Ac1~Ac3时,珠光体转变为奥氏体,剩余相为铁素体;当加热温度超过Ac3以上,并保温适当时间时,剩余相铁素体全部消失,得到化学成分均匀单一的奥氏体组织。同样,过共析钢的室温组织是渗碳体和珠光体,当加热温度处于Ac1~Accm时,珠光体转变为奥氏体,剩余相为渗碳体;当加热温度超过Accm以上,并保温适当时间时,剩余相渗碳体全部消失,得到化学成分均匀单一的奥氏体组织。 二、奥氏体晶粒长大及其控制措施 钢铁材料中奥氏体晶粒的大小将直接影响到其冷却后的组织和性能。如果奥氏体晶粒细小,则其转变产物的晶粒也较细小,其性能(如韧性和强度)也较高;反之,转变产物的晶粒粗大,其性能(如韧性和强度)则较低。将钢铁材料加热到临界点以上时,刚形成的奥氏体晶粒一般都很细小。如果继续升温或延长保温时间,便会引起奥氏体晶粒长大。因此,在生产中常采用以下措施来控