PPT《第三章 钢的热处理》

第三章 钢的热处理 通过加热、保温和冷却来改变钢的组织,从而改变钢机械性能的工艺,称为热处理.

热处理的这三个阶段,可以用工艺过程曲线来表示,如图3-1所示.

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.钢的加热程度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 注意:加热时,钢的组织实际转变温度往往是高于相图中的理论相变温度;

冷却时,也往往低于相图中的理论相变温度.在热处理工艺中,不加热时的临界点分别用AC

1、AC

3、ACCm表示;

而冷却是的临界点分别用Ar

1、Ar

3、Arcm表示.

二、奥氏体化过程珠光体转变为奥氏体是一个从新结晶的过程.由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物,铁素体与渗碳体的晶包类型不同,含碳量差别很大,转变为奥氏体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散.奥氏体化大致可分为四个过程,如图3-2所示. 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. 对于亚共析钢与过共析钢,若加热温度没有超过AC3或ACCm,而在稍高于AC1停留,只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体,而共析铁素体或二次渗碳体仍将保留.只有进一步加热至AC3或Accm以上并保温足够时间,才能得到单相的奥氏体.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.

三、 晶粒度的评定 晶粒的大小,或叫晶粒的粗细,是用晶粒度来表示的.1.起始晶粒度:指钢加热至奥氏体的过程中,当铁素体向奥氏体转变刚刚完了是所形成的晶粒度,既当奥氏体成核长大时 ,奥氏体晶粒的边界刚刚相碰时的晶粒的大小. 2.实际晶粒度:是指某一具体的热处理后或热加工条件下,所得到的奥氏体晶粒度.在加热温度升高和保温时间延长的情况下、会使奥氏体最初形成的晶粒长大,这是因为在奥氏体晶粒的边界处,原子排列是不规则的,因而活动的能力强,较大的晶粒吞并小的晶粒,使晶界迁移,晶粒就不断长大. 在实际生产中影响奥氏体晶粒长大的主要原因是加热温度,加热温度越高,奥氏体的晶粒就越大;

其次是保温时间,保温时间长,奥氏体的晶粒也大.因此,热处理时要特别注意控制好加热温度,并选择好适当的保温时间. 3.本质晶粒度:不同的铜奥氏体晶粒加热时长大的倾向不同,评定奥氏体晶粒在加热时长大倾向的标准叫本质晶粒度.根据冶金部的标准规定,加热到93010保温8h冷却下来后钢的晶粒大小,称为本质晶粒度.冶金部将钢分为两大类,一类叫本质粗晶粒钢,另一类叫本质细晶粒钢,其与温度的关系如图3-3所示. 钢的本质晶粒度是由钢的成分和冶炼条件决定的.含有钛、钒、钨等合金元素的钢,大多属于本质细晶粒钢.冶炼时采用铝脱氧的钢也为本质细晶粒钢,而只用硅、锰脱氧的钢则为本质粗晶粒钢. 工业生产采用奥氏体本质晶粒度来评定钢的长大倾向.奥氏体晶粒度的标准共定为1~8级,1级最粗,8级最细,是在放大100倍的金相显微镜下观察定的级,晶粒度为1~4级的定为本质粗晶粒钢,5~8级的定为本质细晶粒钢. 这是因为钛、钒、钨及铝等合金元素在钢中能形成金属化合物,这些化合物微粒分布在奥氏体晶界上能机械地阻止奥氏体晶粒的长大.但是,当温度升得较高时,这些化合物微粒会发生聚集甚至溶入奥氏体,这样也失去了机械阻碍的作用,晶粒便会迅速长大.

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.

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

(二)奥氏体等温转变产物的组织和性能根据转变温度的不同,C曲线分为高温转变、中温转变和低温转变三个区域.根据转变结构特点和转变产物的不同,钢在冷却时奥氏体转变可分为珠光体型转变、贝氏体型转变及马氏体型转变三种.高温转变的温度范围为A1至550℃区间,转变产物是珠光体组织,故称珠光体转变;

中温转变的温度范围为550℃至Ms线区间,转变产物是贝氏体组织,故称贝氏体转变;

低温转变的温度范围为Ms线至Mf线区间,转变产物是马氏体组织,故称马氏体转变. (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A1~550℃,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. 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*) (1)? 中温转变(贝氏体转变)转变温度为550℃~Ms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,550℃~350℃范围内,等温转变成的组织称为上贝氏体;

350℃~Ms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 (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. 3.低温转变(马氏体转变)转变温度为Ms~Mf ,当奥氏体以较快的速度冷却到Ms以下时,由于温度较低,铁原子和碳原子都不能进行扩散,铁原子只是作微小位移,使γ-Fe晶格转变为α-Fe的晶格,而碳原子来不及扩散全部固溶在α-Fe中,碳在α-Fe中的过饱和固溶体组织称为马氏体,用符号M表示. (1) 马氏体的形态马氏体的组织形态与含碳量有关,根据马氏体组织的不同,把马氏体分为低碳马氏体、高碳马氏体和混合型马氏体.当含碳量3H2+2[N]氨的分解在200℃以上开始,同时因为铁素体对氢有一定的溶解能力,所以气体渗氮一般均在500-570℃温度范围内进行的.渗氮处理速度较慢. 液体渗氮是把零件置于含有活性原子的熔盐中进行的.渗氮温度与气体渗氮相同,但是由于液态熔盐直接与零件相接触,使渗氮的时间大为缩短.渗氮用的熔盐主要成分为钾、钠的氰化盐,碳酸盐和氯化物;

氰化盐的作用是供给活性氮原子,碳酸盐和氯化物的作用是调整和控制盐浴的熔点并增加熔盐的流动性.

三、碳氮共渗 碳氮共渗又叫氰化,是使钢铁表面同时渗入碳原子和氮........