钢的热处理原理.docVIP

PAGE PAGE 13 第九章 钢的热处理原理 内容提要： 热处理是改善金属材料的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。在机械工业中，绝大部分重要的机件都必须经过热处理。热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。根据热处理后所要求的性能的不同，热处理的类型有多种多样，但所有的热处理工艺都包括加热、保温和冷却三个阶段。根据热处理时加热和冷却的规范及组织性能变化的特点，热处理可分为普通热处理、表面热处理、化学热处理、可控气氛热处理、真空热处理和变形热处理等。 基本要求： （1）掌握钢在加热和冷却时的转变——奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体转变的特点、三种组织形态及性能及影响因素。 （2）掌握淬火钢回火的组织转变过程和与之相对应的基本组织；掌握并区分相似名称的各种显微组织(如淬火马氏体和回火马氏体；奥氏体、过冷奥氏体和残余奥氏体；索氏体和回火索氏体；屈氏体和回火屈氏体。 第一节 概述 1 热处理的作用 热处理是改善金属材料的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。在机械工业中，绝大部分重要的机件都必须经过热处理。热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。 1 热处理与相图 金属材料的特点之一是可以用热处理方法较大幅度地调整与改变其性能，这是由于金属材料在加热与冷却过程中内部组织结构发生了各种类型的变化的缘故。为了使钢件在热处理后获得所需要的性能，大多数热处理工艺（如淬火、正火和普通退火等）都要将钢件加热到高于临界点温度，以获得全部或部分奥氏体组织并使之均匀化，这个过程称为奥氏体化。然后通过不同的冷却制度，使奥氏体转变为不同的组织（包括平衡组织与不平衡组织），从而获得所需的性能。 亚共析钢、过共析钢的奥氏体形成，以及先共析铁素体或二次渗碳体继续向奥氏体转变或溶解的过程，只有加热温度超过A3（亚共析钢）或Acm（过共析钢）后，才能全部转变或溶入奥氏体。特别地，对过共析钢，在加热到Acm以上全部得到奥氏体时，因为温度较高，且含碳量多，使所得的奥氏体晶粒明显粗大。 应该指出，在Fe-Fe3C相图中A1、A3、Acm是平衡时的相变温度（称为临界点），在实际生产中加热速度比较快，相变是在不平衡的条件下进行的，因此相变点要比相图中所示的相变温度高一些，分别以Ac1、Ac3、Accm表示，理论相变温度和实际相变温度之间的差值称为过热度；同理，冷却时相变的临界点分别以Ar1、Ar3、Arcm表示,其差值称为过冷度。实际生产中相变的临界温度不是固定不变的，它随着加热和冷却速度的不同而变化。 3 固态相变的特点 3.1 相变阻力大 3.2 新相晶核和母相之间存在一定晶体学位向关系 3.3 母相晶体缺陷对相变起促进作用 3.4 易于出现过度相 4 固态相变的类型 扩散型相变、非扩散型相变、过渡型相变。 第二节 钢在加热时的转变 1 共析钢奥氏体的形成过程 钢在加热时奥氏体的形成过程是一个新相的形核、长大和均匀化的过程。以共析钢为例，根据Fe-Fe3C相图，加热前的原始组织为珠光体（即铁素体和渗碳体形成的机械混合物）。当加热到A1以上温度后，珠光体向奥氏体转变，转变包括以下四个基本的过程： 1）奥氏体晶核的形成 当钢加热到A1以上温度时，珠光体处于不稳定状态。首先，在铁素体与渗碳体的交界处产生奥氏体晶核，这是由于F/Fe3C相界面上原子排列不规则以及碳浓度不均匀，为优先形核提供了有利条件，既有利于铁的晶格由体心立方变为面心立方，又有利于Fe3C的溶解及碳向新生相的扩散。 2）奥氏体晶核的长大 也就是体心立方的铁向面心立方的铁的连续转变和Fe3C向奥氏体的不断溶解。通过碳原子的扩散，奥氏体的晶核从F/Fe3C相界面向两边长大。 3) 剩余渗碳体的溶解 实验表明，在奥氏体长大的过程中，铁素体比渗碳体先消失，因此奥氏体形成之后还有残余渗碳体不断溶入奥氏体，直到渗碳体全部消失。 4）奥氏体的均匀化 剩余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳的浓度仍不均匀。原先是渗碳体的地方碳浓度较高；原先是铁素体的地方碳浓度较低，继续保温，通过扩散使奥氏体中含碳量逐渐均匀化，最终得到细小均匀的奥氏体。 2 影响奥氏体形成速度的因素 2.1 加热温度和保温时间 奥氏体的形成需要孕育期，温度越高，孕育期越短。 2.2 原始组织的影响 原始组织为片状珠光体时，其片层越细，越易形核，晶核长大速度越快，加快奥氏体的形成。 2.3 化学成分的影响 ①碳：含碳量高，奥氏体的形核率和长大速度越大。 ②合金元素：不影响珠光体转变奥氏体机制。 影响碳化物稳定性。 影响碳在奥氏体中的扩散系数，强碳化物形成元素Cr、Mn、