.,第六章鋼鐵熱處理,鋼在加熱時的組織轉變鋼在冷卻時的組織轉變鋼的退火與正火鋼的淬火鋼的回火鋼的表面熱處理,.,概述,一、熱處理,利用加熱、保溫、冷卻的方法，改變材料的組織與結構，達到改變材料性能的工藝過程稱為熱處理。,意義：合適的熱處理是讓材料達到希望的性能，有時是為了便于進行加工，有時讓材料滿足工作條件的要求。他是合理使用材料、充分發揮材料潛力必不可少方法。數熱處理過程中材料處于固態下，但內部都有不同程度的固態轉變發生。,二、固態轉變,固態轉變有：固態物質內部的組織結構的變化稱為固態相變。轉變過程只有組織結構變化，無新相生成的非相變型，如再結晶轉變。,.,三、固態相變的特點,概述,固態相變中由于母相為固體，原晶體有固定的排列和取向，并不能隨意改變其形狀或發生流動，轉變過程和產物有如下共同特點：,相變阻力大。新相形成除增加界面能外，由于存在體積變化造成應變能，相變阻力大，相變發生在較大的過冷度下。新相與母相之間存在一定的晶體學位向關系。母相的晶體缺陷對相變起促進作用。缺陷處形核可得到附加能量補充，同時缺陷的存在可加快擴散過程，有利于新相晶體的生長。原子擴散遷移成為控制因素，特別是伴隨成分改變的相變過程，固體中原子擴散速度慢，在溫度較低時，大的相變驅動力可能改變轉變類型，如從擴散型改變為協同型。易出現過渡相，有些反應不能進行到底，過渡相可以長期保留。轉變溫度較低，原子擴散慢，通常發生在穩定相的成分與母相相差較遠時，鋼中的滲碳體其實也是過渡相。,.,第一節鋼在加熱時的組織轉變,一、轉變溫度,對應鐵碳相圖中的線,這些溫度點是平衡轉變溫度，在固態轉變中，轉變實際發生需要一定的過冷或過熱下，顯然加熱轉變的實際發生溫度在臨界點之上，而冷卻轉變的實際發生溫度在臨界點之下。,AC1、AC3、Accm表示加熱時的轉變溫度Ar1、Ar3、Arcm表示冷卻時的轉變溫度,.,二、奧氏體的形成過程,第一節鋼在加熱時的組織轉變,以共析鋼(Wc0.77%)為例，原始組織為層片珠光體。,在鐵素體和滲碳體的交界處形成奧氏體的核心；奧氏體是同時消耗兩相來長大；實際上總是鐵素體先消失，隨后殘余滲碳體的溶解；奧氏體的均勻化，各處的碳濃度都達到平均成分，隨后所含其它合金元素經擴散達到成分均勻；亞(過)共析鋼中過剩相的溶解(溫度達到AC3或Accm以上)。,.,三、影響奧氏體轉變的因素,第一節鋼在加熱時的組織轉變,加熱溫度所以加熱溫度越高，提高原子活動遷移能力，自由能差(動力)大，奧氏體化的進程也越快。加熱速度材料處于連續加熱，奧氏體化的時間自然短，但是均勻化程度差。含碳量隨碳量的增加，滲碳體與鐵素體的界面數量也多，轉變速度加快。但過共析鋼中，二次滲碳體的溶解要求更高的溫度，碳量的增加達到均勻化時間會增加。合金元素碳化物形成元素與碳的結合力高于鐵，會阻礙碳的擴散遷移；在碳化物消失后，合金元素自己擴散達到均勻，達到均勻奧氏體化的時間要大大延長。原始組織珠光體的層片越細，界面數量多，擴散的距離小，轉變速度加快，片狀珠光體的轉變速度高于球化珠光體。,.,四、奧氏體晶粒度及其影響因素,第一節鋼在加熱時的組織轉變,1.奧氏體晶粒度,奧氏體的晶粒度指奧氏體的晶粒尺寸大小，對熱處理后的性能有重要影響。在熱處理過程中，以后所得到的組織都是有奧氏體轉變的產物，奧氏體的晶粒細小，所得到的組織也就細小，通常其力學性能也優越。在奧氏體化的過程中伴隨著晶粒的長大，這是自發過程，只有控制好奧氏體化的工藝過程，才能到較細的晶粒。,描述奧氏體晶粒度有以下三種不同的概念：,起始晶粒度剛剛完成奧氏體化的晶粒大小稱為起始晶粒度，原珠光體的層片本身細小，所有的鋼這時都是非常細小、均勻的。實際工程意義不大。實際晶粒度在具體的加熱溫度、保溫時間的條件下獲得的晶粒大小。它決定于鋼的成分和奧氏體化的工藝過程。,.,四、奧氏體晶粒度及其影響因素,第一節鋼在加熱時的組織轉變,1.奧氏體晶粒度,本質晶粒度不同的鋼在同樣的加熱條件下，奧氏體的長大傾向性不一樣，按冶金部標準，將鋼加熱到93010，保溫8小時得到的實際晶粒度作為該鋼的本質晶粒度。本質晶粒度是一材料特性，表示的是鋼在奧氏體化時奧氏體晶粒的長大傾向。其結果小于4級的鋼成為本質細晶粒鋼。并不是本質細晶粒鋼奧氏體化得到的晶粒一定細小，通常加熱溫度在930以下，本質細晶粒鋼奧氏體化得到的晶粒比本質粗晶粒鋼細小，超過這個溫度或工藝處理不當，結果可能完全相反。,.,四、奧氏體晶粒度及其影響因素,第一節鋼在加熱時的組織轉變,2.影響奧氏體晶粒度的因素,加熱速度速度快用的時間少，轉變在較高溫度，形核率高，最終晶粒尺寸較細小。保溫溫度愈高，保溫時間長，奧氏體長大速度快，長大的時間多，晶粒變粗；原始組織，固相轉變組織的遺傳性，珠光體細小，奧氏體的晶粒也細??；片狀比球狀細小，非平衡組織往往也可得到細小的奧氏體晶粒。合金元素(成分)含碳量增加，奧氏體轉變加快，生長時間多，奧氏體晶粒的長大傾向增加；碳化物形成元素(Ti、V、Ta、Nb、Zr、W、Mo、Cr)和碳結合力強，阻礙碳的擴散可阻礙奧氏體晶粒生長；不和碳作用而溶入基體元素(Si、Ni、Cu)對奧氏體晶粒生長無明顯的影響；Co、P、Mn對奧氏體晶粒的長大有加速作用。,.,五、加熱不當帶來的組織缺陷,第一節鋼在加熱時的組織轉變,由于加熱設備故障、工藝不合理或操作失誤，加熱過程中可能引起的缺陷有：,氧化加熱過程，工件表面和O2、CO2、H2O等氣氛接觸，工件表面發生氧化，更有甚者氧化氣氛延晶界向內擴散造成較深的晶界氧化，這時主要表現晶界處的易氧化元素和氧結合使晶界性能下降，為內氧化。保溫時間較長、溫度高且表面要求較高，無多的加工余量要注意保護。脫碳含碳量較高的鋼在加熱和O2、CO2、H2O、H2等結合，生成CO溢出，內層向表層擴散表層向內出現貧碳區，而影響表層性能?？捎肅O、CH4進行保護甚至滲碳。過熱加熱溫度過高或保溫時間過長，造成奧氏體晶粒過大。過燒加熱溫度太高，晶界過度氧化，甚至局部熔化，過燒工件只能報廢。,.,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,過冷奧氏體：鋼奧氏體化后，從高溫冷卻到A1以下，此時奧氏體并不立即轉變，而處于熱力學不穩定狀態，把這種存在于A1溫度以下暫未發生轉變的不穩定奧氏體稱為過冷奧氏體。,等溫冷卻：將鋼迅速過冷到臨界點(Ar1)以下某一溫度，使奧氏體保持在該溫度下進行轉變。連續冷卻：將鋼以某一固定速度不停頓地冷卻(到室溫)，使奧氏體在連續降溫的過程種轉變。,冷卻方式：,引子,.,一、共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線的建立,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,過冷奧氏體等溫轉變圖，也稱TTT(Time-Temperature-Transformation)曲線，或C曲線。它綜合反映了過冷奧氏體在不同溫度下等溫轉變的開始和終了時間及轉變產物之間的關系。,快冷到某溫度下保溫，過冷奧氏體要經過一段時間a1后才開始轉變，這個時間稱為轉變的孕育期。隨后隨著時間的延長，轉變量不斷增加。經過時間b1后全部轉變完畢。圖中橫坐標為時間，利用對數坐標(log)；縱坐標為相對轉變量(%)。然后對轉變后的試樣進行金相分析。另建一坐標，橫坐標還是時間，縱坐標為轉變溫度，將相同性質的連接起來。,.,一、共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線的建立,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,TTT曲線特征,這是實際測定得到的T8鋼的等溫冷卻轉變曲線(TTT曲線)，得到象字母“C”的曲線，俗稱C曲線。在C曲線上，有一個孕育期最短的點，大約在550500附近，這個點俗稱為C曲線的“鼻尖”。隨溫度降低，鼻尖上部因動力加大而轉變速度加快；下部因降低原子活動能力而減慢。當快速冷卻的溫度低于某一臨界值Ms后，孕育期消失，到達Ms立即發生轉變，轉變的方式發生了變化，Ms溫度稱為馬氏體點。,.,二、珠光體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,1.珠光體的形成,過冷奧氏體在Ar1到鼻尖(550)之間的轉變方式基本相同,屬于珠光體型轉變。,首先在奧氏體晶界處形成Fe3C的核心，然后不斷長,大，周圍奧氏體將發生晶格改組轉變為鐵素體，鐵素體的生成促使滲碳體的長大和形核，長大的滲碳體可以分枝，它們共同生長的結果便得到層片的分布。在一個奧氏體晶粒中可能有數處形核，各自分別發展成不同的領域，直到奧氏體完全消失。此外，滲碳體形核與原奧氏體有一定的位向關系，所以珠光體在奧氏體中常為幾種特定方向。,.,二、珠光體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,2轉變產物,過冷奧氏體按珠光體型方式發生轉變，通常所得產物為鐵素體和滲碳體交替分布的層片狀組織，隨著轉變溫度的降低，片間距愈細，即不同溫度下所得產物的差別是層片間距不同。采用特殊的方式冷卻，也可能得到點狀(小球)的滲碳體均勻分布在鐵素體的基體上，如圖所示。工程上對不同片間距的產物有一些習慣的稱呼。,.,二、珠光體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3珠光體的性能,不同類型的珠光體由于層片間距不同，力學性能在一個較大范圍內變化，總體趨勢是隨著片間距的減小，材料的強度和硬度呈現上升；其塑性和韌性以索氏體為最高，它的組織比珠光體細小且分布均勻，而屈氏體因層片的細小，塑性相鐵素體的可變形范圍小，強度最高，但塑性卻下降了。,.,三、貝氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,1基本特點,到500以下，相變的驅動力較大，鐵的擴散系數已經很小，相變過程中來不及擴散，這時碳盡管擴散速度比高溫下小了很多，但還能在一定的范圍內進行短距離擴散，所以將發生混合型相變，在鋼中稱為貝氏體(Bainite)轉變。,在較大的驅動力下，晶格中的鐵原子以切變方式，將其晶格點陣從面心立方改組為體心立方。這時鐵原子不改變相鄰關系，每個原子相對周圍原子發生僅為原來晶格間距幾分之一的移動，整個晶體結構發生了變化。一方面原子移動距離小，另一方面，要求所有原子同時移動，所以變化阻力大，僅在驅動力足夠大時才發生。碳在面心立方中的溶解度大于體心立方晶格，對切變形成了阻力，含碳量愈低，轉變愈容易。,.,三、貝氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,2上貝氏體轉變,在“鼻尖”到350的溫度范圍內等溫，這時鐵從fcc向bcc結構轉變的趨勢相當大，這時碳有一定的擴散能力，類似珠光體型轉變，在原奧氏體的晶界形成Fe3C的核心，并慢慢長大，在碳化物的形成生長時，周圍的奧氏體的溶碳量明顯下降，從fcc向bcc結構轉變的阻力就減小，這些鐵原子就立即以切變方式發生晶格改組。,貝氏體的生長方式為從原奧氏體晶界開始，邊向奧氏體晶內生長同時不斷加寬，其組織為以奧氏體晶界為干線的羽毛狀，在羽毛的毛翎之間分布著析出的Fe3C，這種碳化物存在于平行分布的鐵素體片之間的貝氏體稱為“上貝氏體”。,.,三、貝氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,2上貝氏體轉變,性能特點：在碳鋼中，上貝氏體的力學性能指標并不好，這時的強度和硬度不太高，而韌性很低，工業生產中一般不用這種組織的材料來制造機械零件。,.,三、貝氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3下貝氏體轉變,在350到MS點(約230)的溫度區間，轉變的趨勢更大，但碳的擴散遷移能力又進一步減慢，當碳在小范圍內遷移聚集是，主體的奧氏體基體就出現貧碳區就可以發生切變，從奧氏體轉變為鐵索體。切變區一般為凸鏡狀，發展的程度在一個奧氏體晶粒之內，再形成的在已有的貝氏體和奧氏體晶界或兩個已有的貝氏體之間。聚集的碳在轉變的鐵素體內部形成極細小的碳化物，不一定是Fe3C，在光學顯微鏡下看不見，但它的存,在會使貝氏體制樣侵蝕加快成暗色；在電子顯微鏡下可以看到它們成細片狀，這種碳化物在貝氏體內的組織稱為“下貝氏體”。,.,三、貝氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,2下貝氏體轉變,性能特點：下貝氏體有較高的強度和硬度，還有一定的韌性，即有較好的強韌性配合，或稱有良好的綜合力學性能。在生產實際中這是一種常用的狀態，但為了完成下貝氏體轉變，不能直接冷卻到室溫，需要保溫設備，并且轉變時間長，生產的效率不高。,.,四、馬氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,1轉變過程,當鋼很快冷卻到MS(共析鋼約為230)以下，這時碳的可遷移能力也很低，在巨大的轉變驅動力作用下，鐵以切變的方式進行從fcc到bcc的晶格改組，形成了碳在鐵素體中的過飽和固溶體，成為“馬氏體”。,由于大量碳的過飽和，將會給這時的鐵素體帶來巨大的晶格畸變，碳原子處在的位置是體心立方的八面體間隙處，體心立方的八面體間隙是一扁形，溶入碳原子基本在一個方向變形即可，為了減小晶格畸變，碳原子大多在同樣的方向，所以馬氏體的晶格點陣嚴格說來已經不是體心立方，而是體心正方，即晶格常數在一個方向被拉長。如果拉長的方向的晶格常數為c，另兩個方向相等為a，對于馬氏體來說，c/a的值一般在11.05之間。,.,四、馬氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,2轉變特點,速度非?？熹搹膴W氏體向馬氏體的轉變速度非常快，幾乎無法測量，一般認為是以聲速發展。轉變數量不決定于保溫時間，而取決于冷卻到的溫度當奧氏體迅速冷卻到MS溫度以下，立即發生相應的馬氏體轉變，繼續停留盡管還存在未轉變完的奧氏體，但馬氏體的數量并不再增加；而是隨著溫度的降低，馬氏體的數量不斷增加，一直到某一溫度Mf以后，馬氏體的數量不再增加了。因此，把MS溫度稱為鋼的馬氏體點，即過冷奧氏體開始發生馬氏體轉變的溫度，把溫度Mf稱為馬氏體轉變的結束溫度。轉變不能進行到底就是冷卻到Mf溫度以下，鋼中總有一定數量的奧氏體存在不能轉變，這部分奧氏體成為殘余奧氏體，通常簡記為A殘或A。一般鋼的Mf溫度在室溫以下，快速冷卻到室溫的鋼中必然存在一定數量的殘余奧氏體。,.,四、馬氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3馬氏體的形態,快速冷卻得到的馬氏體，隨著原奧氏體中的含碳量的不同，轉變產物的組織形態也不相同，主要有兩大類：板條馬氏體和透鏡狀馬氏體。,板條馬氏體奧氏體中的含碳量較低時，指小于0.3%Wt時，形成的馬氏體為板條狀，也稱為低碳馬氏體。組織形貌為一個原奧氏體晶?？梢杂袔讉€板條束，在板條束中有時又可以分成幾個平行的板條塊，在板條內分步著稠密的平行的馬氏體板條。稠密的板條之間是一層連續的高度變形的極薄的奧氏體薄膜(約20nm)，馬氏體內有大量位錯。,.,四、馬氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3馬氏體的形態,特點：得到的低碳板條馬氏體過飽和度不大，位錯的強化結構有較高的強度和韌性，具有良好的綜合力學性能。如0.2%C淬火后，HRC50、b1500MPa、ak150180J/cm2。,.,四、馬氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3馬氏體的形態,片狀馬氏體奧氏體的含碳量大于1.0時，得到的馬氏體形狀呈針片狀或竹葉狀，故稱為片狀馬氏體，其立體形態是雙凸透鏡片狀，所以又稱為透鏡馬氏體或高碳馬氏體。在一個原奧氏體晶粒中，首先形成一個貫穿整個晶粒的馬氏體片，以后形成的馬氏體片尺寸受到限制，在已經存在的馬氏體和奧氏體晶,界或馬氏體片之間，越后形成的馬氏體片越小。馬氏體片之間互不平行，最后的三角區為殘余奧氏體。,.,四、馬氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3馬氏體的形態,性能特點：得到的高碳片狀馬氏體過飽和度大，嚴重的晶格畸變產生大的內應力，大片之間易產生顯微裂紋。片狀馬氏體具有高的硬度和強度，但塑性和韌性很低。HRC60、ak1J/cm2。,.,四、馬氏體型轉變,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3馬氏體性能,馬氏體一般是很硬的，硬度隨馬氏體中的含碳量的提高而增加，同時殘余奧氏體的數量也正加。原因時過飽和的碳引起的晶格畸變和馬氏體轉變體積膨脹造成周圍的強烈塑性變形，形成的高密度的位錯或孿晶帶來的加工硬化。,高碳馬氏體雖很硬，但塑性和韌性卻很差，并且內部存在巨大的內應力，如共析鋼淬火得到的片狀馬氏體力學性能：硬度達60HRC，沖擊韌性僅1J/cm2。低碳的板條馬氏體的硬度雖不算很高，卻具有一定的塑性和相當好的韌性，0.2%C碳鋼淬火得到的板條馬氏體力學性能指標：硬度3540HRC，屈服強度8001000MPa，伸長率917%，沖擊韌性60180J/cm2。,.,五、影響C曲線的因素,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,1含C量的影響,鋼的碳含量偏離共析點成分，平衡轉變時存在先共析相的析出轉變，在C曲線的上方有一條先共析相析出線，上趨近于Ac3或Accm，下到C曲線的鼻尖處，如圖所示。在亞共析鋼中為鐵素體的開始析出線，而過共析鋼則為二次滲碳體的開始析出線。,.,五、影響C曲線的因素,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,2加熱溫度和保溫時間,奧氏體中的含碳量對C曲線有明顯的影響，注意奧氏體的含碳量和鋼的含碳量在轉變的過程中是不一致，如鋼的含碳量各不相同，但緩慢冷卻到A1溫度，奧氏體的含碳量均向S點看齊。與共析鋼相比，在亞共析鋼中，隨著含碳量的增加，C曲線右移，即轉變的孕育期和轉變時間都加長；在過共析鋼中，隨著含碳量的增加，C曲線也左移，即轉變的孕育期和轉變時間都減少，先析出的碳化物會促使奧氏體的分解，所以共析鋼的奧氏體是最穩定的。在一般的碳鋼中，鼻子處的孕育期僅不到一秒鐘。,隨著加熱溫度的提高，保溫時間的加長，奧氏體的均勻化程度高，不利于轉變形核，不利于過冷奧氏體的分解，或稱奧氏體的穩定性得到提高，C曲線右移。,.,五、影響C曲線的因素,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3合金元素的影響,除Co以外，幾乎所有元素都會使C曲線右移，即提高奧氏體的穩定性。此外，大量合金元素的加入，還會改變C曲線的形狀，具體的分析到合金鋼章節再講。,.,六、過冷奧氏體的連續冷卻曲線,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,1.CCT(ContinuousCoolingTransformation)曲線,將奧氏體化后的材料置于某一定的介質中冷卻，隨著時間的推移，材料的溫度不斷下降，奧氏體的分解過程在不同的溫度下進行，得到的組織就較復雜。冷卻環境不同，或冷卻介質不同，材料的冷卻速度也就不相同，得到的產物也不相同，對應的性能將不相同。這就是連續冷卻過程，為了研究連續冷卻過程的轉變規律，許多鋼也建立了相應的冷卻曲線，即連續冷卻曲線，也稱CCT曲線。,.,六、過冷奧氏體的連續冷卻曲線,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,2.曲線的建立,將鋼奧氏體化后，以不同的冷卻速度冷卻到室溫，測量出奧氏體的開始分解和轉變結束的時間，在標注溫度時間(對數坐標)圖中，先畫出溫度時間關系曲線，標出奧氏體開始分解的時間和轉變結束時間，下方同時記錄轉變產物的硬度，最后將不同冷卻速度下的相同性質的點連接所得到的曲線就得到CCT曲線。,.,六、過冷奧氏體的連續冷卻曲線,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,2.碳鋼的CCT曲線分析,如果將TTT曲線用虛線畫在同一圖中，比較后發現：珠光體型轉變對應轉變曲線沒有明顯的差別，開始和結束點滯后，CCT曲線在TTT曲線的右下方。達到同樣的溫度，等溫轉變在較低溫度下所處的時間比連續冷卻長。貝氏體轉變被抑制不能發生，,在CCT曲線上有一奧氏體轉變中止線，只有部分奧氏體分解，隨后的一段時間內，剩余的奧氏體并不發生轉變，直到馬氏體點后，發生馬氏體轉變，所得組織為TMA；馬氏體點及以下的狀態，連續冷卻曲線和等溫冷卻轉變曲線沒有明顯的差別。,.,六、過冷奧氏體的連續冷卻曲線,第二節鋼在冷卻時的組織轉變,3.碳鋼連續冷卻轉變的組織,冷卻速度小于5/S時，如隨爐冷卻過程，得到珠光體。隨著冷卻速度加快，轉變類型相同，組織從珠光體、索氏體、屈氏體，即層片不斷細化，同一冷卻速度不同的轉變階段轉變產物也有一定的差別。冷卻速度大于VK=138/S時，不與曲線相交,全部得到MA，這個,冷卻速度稱為臨界冷卻速度或上臨界冷卻速度。把VK=33/S稱為下臨界冷卻速度，小于這個速度冷卻則無馬氏體轉變。在上下臨界冷卻速度之間，如在油中冷卻，通過了珠光體型轉的開始線，未通過轉變結束線，而通過轉變的停止現，得到的組織為TMA,.,第三節鋼的退火與正火,一、退火操作及其應用,退火：將組織偏離平衡狀態的鋼加熱到適當的溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻(例如隨爐冷卻)，以獲得接近平衡狀態組織的熱處理工藝叫做“退火”。,.,一、退火操作及其應用,第三節鋼的退火與正火,1完全退火,方法：將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫一定時間，緩慢冷卻(隨爐冷卻或埋入石灰、干沙中自然冷卻)到500以下，取出空冷。,目的：先得到均勻的奧氏體，緩慢冷卻轉變基本接近相圖描述轉變過程，得到接近平衡組織，降低硬度，便于加工，消除內應力。用途：碳鋼和合金結構鋼的鍛、鑄、軋制型材，可以作為一般要求工件的最終熱處理，大多為重要零件的預先熱處理。,.,一、退火操作及其應用,第三節鋼的退火與正火,2等溫退火,方法：,加熱方法同上(將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫一定時間)，在加熱溫度到珠光體開始轉變前快速冷卻(打開爐門，甚至吹風)到珠光體轉變溫度區等溫保溫到珠光體轉變完畢后，取出空冷。目的和用途同完全退火，生成率和組織控制較好，操作要求也相應高一些。,.,一、退火操作及其應用,第三節鋼的退火與正火,3球化退火,方法：將過共析鋼加熱到Ac1以上3050，保溫較長時間，冷卻到Ar1溫度附近時要足夠慢的冷卻(保溫冷卻，比隨爐冷卻還要緩慢)。目的：最終組織為鐵素體的基體上均勻分布顆粒狀的滲碳體，稱為球狀珠光體。用途：降低過共析鋼材料的硬度，保證足夠的韌性，便于進行機械加工，均勻組織為以后淬火作好組織準備。,.,一、退火操作及其應用,第三節鋼的退火與正火,4去應力退火,方法：將鋼較慢(100150/hr)加熱到500650(低于A1)，保溫后隨爐慢冷(50100/hr)到200300以下出爐。目的：這個過程中，鋼中應無相變發生，組織沒有明顯變化，可完全消除殘余內應力。如果材料原始有大的彈性應變能存在，可發生再結晶，組織也會有對應的變化。用途：鍛造冷卻未全恢復塑性變形，鑄件的冷卻熱應力，焊接構件的熱應力，拉、拔、擠壓的加工硬化等都會存在殘余內應，利用去應力退火可以消除變形或其它原因產生的內應力。,.,二、正火,第三節鋼的退火與正火,將鋼加熱到Ac3和Accm以上3050，保溫一定時間(得到均勻的奧氏體)，從爐中取出在自由流動的空氣中冷卻，發生珠光體型轉變的熱處理工藝稱為“正火”。由于冷卻速度大于退火，得到的珠光體的組織較細，材料的硬度和強度均比退火要高。合金鋼在空氣中冷卻可能是發生珠光體型、貝氏體型甚至馬氏體型相變，但一般正火是指空冷時珠光體轉變的這一部分。,用途：,中低碳鋼用正火代替退火進行預先熱處理，改善加工性能。普通結構鋼(中碳鋼)正火盡管為達到最好的性能，已經達到希望的強度和韌性，可以進行機械加工，作為最終熱處理的成本較低。過共析鋼正火時，可以抑制二次滲碳體網狀析出，對已經存在網狀碳化物的工具鋼，利用正火先溶化后抑制，用來消除網狀碳化物，為下一部的球化處理作組織準備。,.,第四節鋼的淬火,一、淬火概念,淬火：將鋼加熱到臨界點以上，保溫一定時間進行奧氏體化，然后快速冷卻到Ms點以下，發生馬氏體轉變的熱處理工藝，叫作“淬火”。目的：鋼的淬火組織主要是馬氏體，可以提高鋼的高硬度，保證高的耐磨性和承受高的接觸應力。雖然馬氏體不是熱處理所要得到的最終組織，但馬氏體再經過適當的回火，可以得到需要的組織和使用性能，最終達到理想的熱處理目的。,.,二、淬火加熱溫度,第四節鋼的淬火,淬火加熱溫度的確定應以獲得晶粒細小、成分均勻的奧氏體為原則，以便得到細小的馬氏體組織。,亞共析鋼：Ac3以上3050，鐵素體可以全部溶解得到得到單一的奧氏體，從而消除未溶鐵素體而帶來的軟相。也不宜過高，防止奧氏體晶粒粗大帶來馬氏體粗大，并且溫度高帶來的熱變形也將嚴重。過共析鋼：Ac1以上3050，含碳量在0.8以上，這時得到的馬氏體有了足夠的硬度，反而提高溫度，淬火時開裂的傾向加大，并且淬火后殘余奧氏體量增加反而降低硬度；同時保持未溶解的顆粒狀碳化物也可以提高材料的硬度和耐磨性。合金鋼：合金元素大多可以阻止奧氏體晶粒長大，為了合金元素的均勻，加熱溫度和保溫時間都要比碳鋼稍微提高一些。,.,三、淬火冷卻介質,第四節鋼的淬火,理想的淬火冷卻速度為了保證得到多的馬氏體，冷卻速度應該大于臨界冷卻速度Vk；為防止零件變形、開裂，冷卻應慢一些。所以理想的冷卻速度如圖，開始冷卻可以慢一些，在快要發生組織轉變時快冷，以躲開鼻子尖，隨后又可以慢冷讓馬氏體轉變慢慢的進行。,常用介質,鹽水、堿水1015的NaCl水溶液這是最強的冷卻介質。清水直接冷卻和沸騰的蒸汽冷卻，冷卻能力也很強。堿浴、硝鹽浴熔融的氫氧化鈉、硝酸鹽、亞硝酸鹽導熱能力很強，在120180以上的高溫下有好的冷卻能力。礦物油冷卻能力約為水的1/41/8，用于奧氏體較穩定鋼，如大多數合金鋼，可以有效防止零件的變形開裂。,.,四、淬火方法,第四節鋼的淬火,單液淬火直接放入某液體介質(水或油)中冷卻到室溫。方法簡單，易于操作。雙液淬火(水淬油冷)對復雜的碳鋼零件，先在水或鹽水中快速冷卻，躲開鼻子溫度，估計溫度低于500時立即轉入油中，放慢冷卻速度繼續冷卻到室溫。操作者的經驗控制。,分級淬火淬入150260硝鹽浴中躲過了鼻尖，停留一段時間讓表面和心部溫度均勻，熱應力松弛。取出空冷。等溫淬火直接淬入硝鹽浴中保溫，發生貝氏體轉變。局部淬火局部加熱法或局部冷卻法冷處理冷卻到室溫以下的過程稱為“冷處理”。,.,五、淬火組織缺陷,第四節鋼的淬火,加熱缺陷過熱、過燒、氧化脫碳、奧氏體晶粒過大等。硬度不足或出現軟點前者是整體硬度低于要求，后者是個別部位硬度低于要求。產生原因有加熱不足，冷卻介質的冷卻能力不夠，工件表面不干凈，局部散熱不良等。變形與開裂零件淬火后發生變形是熱應力和組織應力綜合作用的結構，完全不變形是困難的，但超量的變形甚至開裂則是要防止的。減小變形的途徑有：零件結構設計合理，結構對稱，避免過大的尺寸突變；淬火前組織要均勻，必要時經過退火或正火；加熱溫度適當，不要過熱；冷卻介質和方法適當，包括入水的角度；及時回火，防止當時未裂在放置時開裂。,.,六、鋼的淬透性,第四節鋼的淬火,1.淬透性的概念,淬硬層深度當試樣尺寸較大時，從表面向內冷卻速度逐漸減小，當冷卻速度低于Vk，就不能得到全部馬氏體，隨著深度的加深，馬氏體的數量愈來愈少，得到一定的深度后，冷卻速度低于Vk，根本不能發生馬氏體相變。所以大尺寸試樣想全部得到馬氏體是不可能的，隨著馬氏體數量的減少，對應的硬度也不斷下降，通常把淬火鋼從表面到馬氏體組織占50處的距離成為淬硬層深度。實際淬硬層的深度除了與材料本身有關外，還與試樣的大小、冷卻方式有密切的關系。,淬透性同樣形狀和尺寸的工件，在同樣加熱和冷卻條件下淬火，由于鋼種類不同，淬硬層的深度也不同，把鋼在淬火后能獲得淬硬層深度的一種性質叫淬透性。它是一種材料特性，與零件的尺寸和淬火工藝無關，并不直接表明鋼淬火能得到多大的淬硬層深度，同樣淬透性的鋼，用不同冷卻方法得到的淬硬層深度是不一樣的。,.,六、鋼的淬透性,第四節鋼的淬火,1.淬透性的概念,淬硬性指在正常情況下，淬火后能得到多高的硬度，也就是能形成全部馬氏體所能達到的最高硬度。顯然它決定于淬火時奧氏體的含碳量。淬火后的實際硬度決定于鋼的淬硬性和實際獲得的馬氏體比例。,影響淬透性的因素鋼的淬透性好壞取決于鋼的過冷奧氏體的穩定性，即C曲線上的臨界冷卻速度?？偟膩碚f有：,鋼的含碳量，共析鋼的淬透性最高；合金元素中除Co外，絕大部分都使C曲線右移，提高淬透性；鋼的成分組織不均勻，或因含有某些微量雜質，組成第二相質點存在，可促使奧氏體分解，降低鋼的淬透性；奧氏體化的溫度、時間參數影響奧氏體的均勻性和穩定性，影響淬透程度，但這不全部為材料特征。,.,六、鋼的淬透性,第四節鋼的淬火,2.淬透性的測定方法,目前普遍采用的是“末端淬火法”(簡稱端淬)方法，按國家標準GB22563執行。,將25X100的試樣加熱奧氏體化后，迅速放在專門的設備中噴水冷卻。噴水條件：噴水管孔直徑12.5，水溫2330，自由水柱高度655，噴水口到端面距離12.5mm。測量出到端面不同距離的硬度，作出硬度距離曲線，即淬透性曲線。,淬透性的表示方法：，其中J表示端淬法，HRC為硬度，d到端面的距離。例如，。不同鋼的淬透性帶在相關手冊中可以查到。,.,六、鋼的淬透性,第四節鋼的淬火,3.淬透性的意義,鋼的淬透性不同，淬火后表層和心部的組織、性能也有一定的差別，在機械設計和施工工藝種要主義以下問題：,重要零件對心部性能要求較高的，如連桿、鍛模等，為保證心部的性能需要淬透，選用淬透性較高的鋼；對焊接件為減小熱影響區內出現淬火組織，造成變形開裂，應用淬透性較低的鋼為宜。根據鋼的淬透性不同，在淬火時選用合適的淬火冷卻介質。由于淬透性的影響，在零件強度校核時，大小零件的性能數據要有區別。對于大尺寸、低淬透性的鋼，反正淬不透，進行淬火后回火的意義不大，經常直接用正火來代替調質，可以減少因淬火帶來的可能開裂，并工藝簡單經濟。,.,第五節鋼的回火,一、回火概念,回火：,消除內應力鋼在淬火后，存在較大的內應力，加上淬火馬氏體性能較脆時，容易出現開裂，有的零件淬火當時未裂，在大的內應力作用下，放置或稍有受力就開裂。利用回火可以消除或減小內應力，達到防止以后變形開裂。,將淬火后的鋼制工件，加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一段時間，然后冷卻到室溫的一種熱處理工藝操作叫“回火”。,目的：,.,一、回火概念,第五節鋼的回火,目的：,穩定組織和尺寸淬火后的組織為馬氏體加殘余奧氏體，它們都是不穩定組織，使用過程中溫度發生變化，它們都會發生轉變，會帶來零件的尺寸和性能的變化。利用回火讓可能的變化的熱處理時發生，得到的亞穩組織在使用過程中不再發生變化，達到穩定零件的組織性能和尺寸。調整性能淬火后得到的馬氏體在含碳量較高時，材料的硬度高，脆性大，通過回火處理，控制回火的溫度和時間，達到需要的強度、塑性和韌性。便于加工實際也是調整性能，讓某些鋼經過回火，碳化物發生聚集，降低硬度，便于機械加工。,.,二、淬火鋼的回火過程中的轉變,第五節鋼的回火,淬火后的鋼組織為馬氏體加殘余奧氏體，都是不穩定組織，本身有向穩定組織轉變的趨勢，回火的加熱和保溫僅僅是加速這一過程的發展，是轉變發生的熱處理階段。,1馬氏體的分解（200以下）,回火時馬氏體中過飽和的碳發生短距離的遷移，形成極細的碳化物(Fe2.4C)，以薄片存在馬氏體片中，這種組織稱為回火馬氏體，馬氏體中碳的過飽和度下降，晶格從體心正方向體心立方發展，殘余奧氏體基本未發生變化。,2殘余奧氏體的分解（200300）,馬氏體向回火馬氏體轉變時，由于壓應力的減小，殘余奧氏體發生分解生產下貝氏體?；鼗瘃R氏體的組織與下貝氏體非常相象，難區區，分統一稱為回火馬氏體。碳化物在光學顯微鏡下是不可見的，組織形貌有原來亮白色變為灰暗色。,.,二、淬火鋼的回火過程中的轉變,第五節鋼的回火,3回火屈氏體的形成（250400）,這時碳的擴散運動能力有所加強，過渡碳化物轉變成穩定滲碳體，鐵素體的過飽和度明顯減少，內應力大大消除，碳化物和母相的共格關系消失，原馬氏體片的外形不清晰，大約到400全部完成，這時的組織為在鐵素體上均勻分布極細的滲碳體，稱為“回火屈氏體”。在光學顯微鏡下，可以看到部分殘存的原馬氏體的痕跡，但看不到碳化物，組織幾乎為一片黑。,4碳化物的聚集長大（400以上）,到400以上，鐵素體已經不是過飽和，一方面鐵素體中的缺陷按回復機制不斷下降，另一方面，滲碳體的顆粒在界面能的驅使下，以大吃小的合并方式不斷長大。得到平衡狀的鐵素體中分布著顆粒狀的碳化物混合組織，稱為“回火索氏體”。隨著到達的溫度愈高，相應滲碳體顆粒就愈大。在光學顯微鏡下可以看到滲碳體的顆粒。,.,三、回火組織的性能,第五節鋼的回火,回火組織,.,三、回火組織的性能,第五節鋼的回火,回火組織,微觀組織分析結果：隨著回火溫度的升高，馬氏體在150400變化明顯；殘余奧氏體200開始分解，300消失；內應力不斷減小，450基本消失；碳化物成分向滲碳體過渡，尺寸不斷增大，超過600會明顯加速生長。,.,三、回火組織的性能,第五節鋼的回火,2性能,硬度在200以下變化不明顯，以后隨溫度的上升而下降，強度也如此。塑性隨回火溫度提高而提高,到超過600因碳化物過大會下降；韌性變化的趨勢隨回火溫度的提高而提高，直到600附近最大而隨后下降，此外在350附近有一低谷。,.,四、回火脆性,第五節鋼的回火,第一類回火脆性普通碳鋼的韌性在300350附近有一低谷，稱為回火脆性。細小薄片狀過渡碳化物和剛形成的滲碳體在馬氏體的板條邊界或馬氏體片面的邊界析出，硬而脆的碳化物割裂了基體的連續性使鋼的韌性下降，殘余奧氏體分解的應力加重了脆性的程度，這種在回火時韌性出現谷值的現象成為“回火脆性”。所有的鋼幾乎都存在第一類回火脆性，因此一般應避免在250400進行回火。彈簧鋼加一定的合金元素來改變第一類回火脆性出現的溫度范圍。,第二類回火脆性對于含Ni、Cr、Mn的鋼在450600時，也出現韌性下降現象，其原因有多種說法，主要認為是回火后冷卻時，雜質元素在晶界的偏聚，這個現象稱為第二類回火脆性。第二類回火脆性僅在部分材料中發生，并且回火后采用快速冷卻可以抑制其發生，因此對具有第二類回火脆性的鋼在高溫回火后必須采用快速冷卻。,.,五、回火種類及其應用,第五節鋼的回火,低溫回火回火溫度為150250，得到的組織為回火馬氏體，保留淬火時的高硬度，消除淬火的殘余應力。這時鋼有好的耐磨性，常用于軸承、冷作模具的熱處理，回火溫度低于200時，硬度可達到5864HRC。,中溫回火回火溫度為350500，得到的組織是回火屈氏體，在具有一定韌性的同時，有高的彈性極限和屈服強度。主要用于彈簧類和要求較高強度硬度又要一定韌性的工件，如刀桿、軸套等。,高溫回火回火溫度為500650，得到的組織是回火索氏體，目的是使鋼得到強度、硬度、塑性、韌性有良好配合的綜合力學性能，尤其是沖擊韌性高，且可以直接進行機械加工。淬火后進行高溫回火的工藝通常稱為“調質”處理。主要用于承受較大應力，特別是有沖擊應力場合下的結構零件，如各種軸、連桿、齒輪等，對具有第而類回火脆性的鋼注意回火后應在水或油中冷卻。,.,第六節鋼的表面熱處理,引言,機械零件在服役時，常常要求表面與心部具有不同的力學性能，能更好的發揮材料的潛力作用。例如在機械中常用的齒輪，表面承受巨大的接觸應力，希望有高的硬度來提高其耐磨性和接觸疲勞抗力，同時又要傳遞動力，齒部經受彎曲疲勞，要求材料有高的韌性，但一般材料當硬度高時韌性就差，然而若材料表面具有高硬度，心部有高的韌性就可以兼顧二者的需求，內燃機的曲軸也是同樣的情況，傳遞動力且軸頸處耐磨。達到材料表面和心部具有不同性能的方法可能多種，一種是相同的材料，表面和心部經過不同方式的熱處理；另一種方法是通過改變材料表面成分的方法來達到具有不同的性能，以下分別介紹之。,.,一、表面淬火,第六節鋼的表面熱處理,基本原理：首先對零件進行整體熱處理，讓零件心部達到要求的性能，例如軸、機床齒輪類先，進行調質，再利用快速加熱的方法，只將工件的部分表層奧氏體化，然后淬火。表面淬火不改變材料的化學成分，只表面獲得馬氏體組織，得到強化和硬化心部組織并不發生變化，保持高的韌性。,淬火組織：加熱時，從表面到心部的溫度不同，淬火后在組織也不同，最表層加熱溫度到Ac3以上，為細小的馬氏體，可能有少量未溶的鐵素體；次表層的溫度在Ac1Ac3之間，加熱組織為鐵素體加奧氏體，淬火組織為鐵素體加馬氏體或鐵素體加屈氏體；里層溫度在Ac1以下，未奧氏體化，不可能形成馬氏體，心部依然保留原始組織。,.,一、表面淬火,第六節鋼的表面熱處理,3.加熱方法：,感應加熱表面淬火：,將工件置于中頻或高頻(500500KHz)的交變磁場中，在工件上有感應電流，由于電流的集膚效應，電流集中于表層，大的電流產生的熱量將工件表面迅速達到8001000，然后迅速置于水中或噴水冷卻，達到表層淬硬的結果。由于加熱速度快，溫度高，奧氏體晶粒細，硬度高于普通淬火硬度23HRC，象45、40Cr、40MnB經正火或調質后表面淬火，表層硬度大于50HRC。,.,一、表面淬火,第六節鋼的表面熱處理,3.加熱方法：,感應加熱表面淬火：,利用目測或用光學比色溫溫度計來