鋼的熱處理和工藝

1、第二章第二章 鋼的熱處理和工藝鋼的熱處理和工藝第一節(jié)第一節(jié) 前言前言 鋼鐵材料作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)材料, 隨著現(xiàn)代化工業(yè)以及科學(xué)技術(shù)(如航天技術(shù)、空間技術(shù)、海洋技術(shù)等）的飛速發(fā)展，人們對鋼材性能的要求也愈來愈高。為了滿足這一點(diǎn)，一般可以采取兩種方法：l 研制新鋼種（改變化學(xué)成分，改進(jìn)合金體系）； l 對鋼進(jìn)行熱處理熱處理（主要利用合金體系中存在的相變）。1 1、熱處理的定義、熱處理的定義 根據(jù)鋼件的熱處理目的, 把鋼加熱到預(yù)定的溫度，在此溫度下保持一定的時(shí)間，然后以預(yù)定的速度冷卻下來的一種綜合工藝。 具體的工藝路線可以表示如下： 由上圖可見，影響熱處理過程的主要因素是：l 溫度溫度; ;l 時(shí)間

2、。時(shí)間。 l鋼的熱處理是通過鋼的熱處理是通過加熱、保溫和冷卻加熱、保溫和冷卻的方法，來改變鋼的方法，來改變鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善其性能的一而改善其性能的一種工藝。種工藝。l凡是材料體系（金凡是材料體系（金屬、無機(jī)材料）中屬、無機(jī)材料）中有相變發(fā)生，總可有相變發(fā)生，總可以采用熱處理的方以采用熱處理的方法，來改變組織與法，來改變組織與性能。性能。2、熱處理的分類 不同的熱處理工藝由于加熱溫度和冷卻的方式方法不同，具有不同的組織和性能變化，因而達(dá)到的目的也不同。 2.1 按工序分類l預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理為隨后的機(jī)械加工或進(jìn)一步熱處理作好組織準(zhǔn)備的熱處理；l最終熱處理最終熱處理直接賦

3、予工件所需要的使用性能的熱處理；2.2 2.2 按具體工藝的方式按具體工藝的方式退火；退火；正火；正火；淬火；淬火；回火；回火；表面淬火；表面淬火；化學(xué)熱處理以及；化學(xué)熱處理以及；形變熱處理等。形變熱處理等。3.3.熱處理的應(yīng)用熱處理的應(yīng)用熱處理在冶金生產(chǎn)或機(jī)械制造生產(chǎn)中均占有重要的地位。如特鋼廠熱軋后的合金鋼型材要進(jìn)行熱處理；汽車制造中70-80%的零件要進(jìn)行熱處理。為了保證冶金和機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，熱處理工序往往是最關(guān)鍵的工序。 軸件軸件 齒輪齒輪 彈簧彈簧 大梁大梁 聯(lián)接件聯(lián)接件第二節(jié)第二節(jié) 鋼的加熱轉(zhuǎn)變（奧氏體形成）鋼的加熱轉(zhuǎn)變（奧氏體形成）對于鋼鐵材料，加熱過程中會發(fā)生什么變化?我們要借助

4、于相圖。熱處理工藝的第一步為加熱。第二節(jié)第二節(jié) 鋼的加熱轉(zhuǎn)變（奧氏體形成）鋼的加熱轉(zhuǎn)變（奧氏體形成）鐵碳相圖鐵碳相圖根據(jù)Fe-Fe3C狀態(tài)圖可知，當(dāng)把鋼緩慢加熱到共析溫度以上時(shí)，珠光體珠光體將向奧氏體奧氏體轉(zhuǎn)變。鋼在熱處理時(shí)，通常第一道工序就是把鋼加熱，使之形成奧氏體組織。 加熱時(shí)鋼中奧氏體的轉(zhuǎn)變過程與條件，對最終形成的奧氏體晶粒尺寸、形態(tài)、轉(zhuǎn)變完善程度（如元素的均勻化程度）等有重要影響，而所有這些又都必然影響到熱處理后鋼的最終組織和性能。本節(jié)討論奧氏體形成的機(jī)理、動(dòng)力學(xué)以及影響奧氏體轉(zhuǎn)變的各種因素。1 1、奧氏體形成的熱力學(xué)、奧氏體形成的熱力學(xué) 根據(jù)熱力學(xué)一般原理，系統(tǒng)發(fā)生的變化都是由于新舊

5、狀態(tài)的能量高低不同而引起的。一切自發(fā)過程的進(jìn)行方向，總是從自由能高的狀態(tài)向自由能低的狀態(tài)過渡。例如：l凝固過程；l再結(jié)晶過程。這也同樣是鋼中發(fā)生的各種轉(zhuǎn)變所必需的熱力學(xué)條件。P-珠光體；A-奧氏體；A1共析溫度由上圖可以知道:l 鋼中奧氏體奧氏體(Austenite(Austenite, 簡寫A)和珠光體珠光體( (PearlitePearlite, 簡寫P)的自由能都隨溫度而變化。隨溫度的升高，奧氏體與珠光體的自由能都降低，但二者的變化率不同，奧氏體的自由能隨溫度變化得更明顯些。l 因此，這兩條曲線在某一點(diǎn)必然相交。此交點(diǎn)的溫度A1即相當(dāng)于鐵-碳平衡相圖上的A1點(diǎn)，即奧氏體與珠光體的平衡溫度

6、。l 當(dāng)溫度低于A1點(diǎn)時(shí)，珠光體的自由能低于奧氏體的自由能，珠光體為穩(wěn)定狀態(tài)，反之則奧氏體為穩(wěn)定狀態(tài)。 由右圖可知，由右圖可知，將將共析鋼共析鋼加熱至加熱至A A1 1（PSKPSK）以上可獲）以上可獲得完全的奧氏體；得完全的奧氏體；亞共析鋼亞共析鋼必須加必須加熱至熱至A A3 3線線(GS)(GS)；過共析鋼過共析鋼Acm Acm 線（線（ESES）以上才能）以上才能獲得單相奧氏體。獲得單相奧氏體。 、Ac1、Ac3、Accm的意義的意義對于一個(gè)具體鋼成分來說，A1、A3、Acm是一個(gè)點(diǎn)，而且是無限緩慢加熱或冷卻時(shí)的平衡臨界溫度。我們可以從相圖中讀取。但是，實(shí)際上，退火、正火或淬火退火、正火

7、或淬火等熱處理都是有一定的加熱或冷卻速度，相變并不按照相圖上所示的臨界溫度進(jìn)行，總存在不同程度的滯后現(xiàn)象，即實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度偏離平衡的臨界溫度，如下圖所示。 加熱與冷卻速度對平衡相變點(diǎn)的影響。 隨著加熱和冷卻速度增加，偏離程度也愈大。為區(qū)別于平衡臨界溫度：l加熱時(shí)的實(shí)際臨界溫度加注腳字母“C”，用Ac1、Ac3、Accm表示；l冷卻時(shí)的實(shí)際臨界溫度加注腳字母“r”，用Ar1、Ar3、Arcm表示。 熱處理或合金鋼手冊上列出的各種鋼的實(shí)際臨界溫度，大多是在30-50/h的加熱或冷卻下測定的，可作緩慢加熱或冷卻時(shí)參考。 2 2、奧氏體的形成過、奧氏體的形成過程程 從鐵碳相圖可知，任何成分碳鋼加熱到Ac

8、1以上，珠光體就向奧氏體轉(zhuǎn)變；加熱到Ac3或Accm以上，將全部變?yōu)閵W氏體。這種加熱轉(zhuǎn)變稱奧氏體化。奧氏體化。 1、室溫緩冷組織的相組成？2、能否進(jìn)行熱處理？能得話，如何進(jìn)行？ 以共析鋼（組織為層片狀的鐵素體和滲碳體兩相混和）為例： 當(dāng)加熱到Ac1 以上，其轉(zhuǎn)變過程可用下列反應(yīng)式表示： 體心立方體心立方0.0218%C正交正交6.69%C面心立方面心立方0.77%C + Fe3C 這是一種擴(kuò)散性相變，轉(zhuǎn)變過程分四個(gè)階段進(jìn)行，如圖下圖所示：固態(tài)相變的特征？ （1 1）形核）形核 將珠光體加熱到Ac1以上，在鐵素體和滲碳體的相界面上奧氏體優(yōu)先形核。根據(jù)相變的一般規(guī)律，臨界晶核的生成是需要一定的能量

9、起伏和濃度起伏。相界、晶界、亞晶界、位錯(cuò)、非金屬夾雜等相界、晶界、亞晶界、位錯(cuò)、非金屬夾雜等局部區(qū)域的自由能高，這些區(qū)域具有較大的能量起伏和濃度起伏，因而有利于奧氏體晶核的形成。 l 能量起伏l 結(jié)構(gòu)起伏l 濃度起伏這是因?yàn)樵谙嘟缑嫔显优帕胁灰?guī)則，處于能量較高狀態(tài)，具備形核所需的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏條件，同時(shí)相界面上處于碳濃度過渡，易出現(xiàn)濃度起伏，符合奧氏體所需的碳濃度，所以奧氏體晶核優(yōu)先在相界面上形成。 （2 2）長大）長大 當(dāng)奧氏體在鐵素體和滲碳體相界面上形核后：l 如下圖所示，建立起界面濃度平衡；l 在奧氏體和鐵素體內(nèi)部出現(xiàn)濃度差，碳原子由高濃度向低濃度擴(kuò)散，使C2、C4濃度降低，而C1

10、、C3升高，從而破壞濃度平衡；l 必須通過滲碳體逐漸溶解，以提高C2、C4，同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，以降低C1、C3，維持界面濃度平衡；l 這樣所進(jìn)行的碳原子擴(kuò)散，滲碳體溶解，點(diǎn)陣重構(gòu)的反復(fù)，奧氏體逐漸長大。奧氏體奧氏體長大機(jī)理示意圖長大機(jī)理示意圖Fe3CFe3C碳碳含含量量距離距離碳含量，碳含量，% %溫溫度度T1C2C1C3C4C4AC3C2C1-Fe-Fe-Fe-Fe l 實(shí)驗(yàn)表明，鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變速度，往往比滲碳體的溶解要快，因此珠光體中鐵素體總比滲碳體消失得早。（3）殘余滲碳體的溶解殘余滲碳體的溶解 鐵素體消失后，隨著保溫時(shí)間的延長，通過碳原子擴(kuò)散，殘余滲碳體逐漸溶入奧氏體，使奧氏體逐漸趨

11、近共析成分。 （4）奧氏體的均勻化奧氏體的均勻化 殘余滲碳體完全溶解后，奧氏體中碳濃度仍是不均勻的，原是滲碳體的位置碳濃度較高，原是鐵素體的位置碳濃度較低。為此必須繼續(xù)保溫，通過碳原子擴(kuò)散，獲得均勻化奧氏體。綜上所述，共析鋼的奧氏體化過程包括以下四個(gè)過程：l形核；形核；l長大；長大；l殘余滲碳體溶解；殘余滲碳體溶解；l奧氏體成分均勻化奧氏體成分均勻化。加熱時(shí)奧氏體化程度會直接影響冷卻轉(zhuǎn)變過程，以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組成和性能。 3 3、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)l 依據(jù)Fe-Fe3C相圖對奧氏體化過程所進(jìn)行的分析，只能定性地說明加熱時(shí)轉(zhuǎn)變的粗略過程，這對制定熱處理工藝規(guī)范來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

12、的;l 必須進(jìn)一步研究不同溫度等溫時(shí)奧氏體化過程與時(shí)間的關(guān)系，即奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)，它對制定熱處理工藝規(guī)范具有重要的指導(dǎo)意義。 共析碳鋼的奧氏體等溫形成曲線共析碳鋼的奧氏體等溫形成曲線 3.1 3.1 共析碳鋼的奧氏體等溫形成過程共析碳鋼的奧氏體等溫形成過程 +Fe3C 上圖以共析碳鋼的奧氏體等溫形成的動(dòng)力學(xué)為例，由圖可知：l 隨加熱溫度升高，奧氏體化過程的四個(gè)階段都加速；l 奧氏體均勻化時(shí)間遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)變基本完成及殘余滲碳體溶解的時(shí)間。 奧氏體晶核的長大速度（G），即奧氏體/鐵素體及奧氏體/滲碳體的界面移動(dòng)速度，可用下式表示：)11(CCdxdcDG D碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)； dxdc碳在奧

13、氏體中的濃度梯度， dc=C- C-, dx為生成的奧氏體小晶粒的厚度； CC 分別為奧氏體/鐵素體及奧氏體/滲碳體界面上的碳濃度差。 上式說明，奧氏體界面的移動(dòng)速度與碳在奧氏上式說明，奧氏體界面的移動(dòng)速度與碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)以及濃度梯度成正比，而與界體中的擴(kuò)散系數(shù)以及濃度梯度成正比，而與界面上的碳濃度差成反比。面上的碳濃度差成反比。l 由于滲碳體與奧氏體相界面上高的碳濃度差以及滲碳體本身復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，使得奧氏體向滲碳體方向的長大速度遠(yuǎn)比向鐵素體方向?yàn)樾?，所以鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變比滲碳體的溶解要快得多。l 此時(shí)所獲得的奧氏體，其成分也是不均勻的。由于擴(kuò)散過程落后于滲碳體的溶解，在原來是滲

14、碳體的部位碳含量仍然很高。同樣，在原來是鐵素體的地方碳含量則仍然較低。 珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的示意圖 3.2亞共析鋼奧氏體的形成過程l對亞共析鋼而言，對亞共析鋼而言，除去珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變以外，由于還存在先共析鐵素體，故在Ac1AC3之間加熱時(shí)，還應(yīng)有一個(gè)從（先共析）鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程。l鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程既可以是已經(jīng)生成的奧氏體晶?！巴滩ⅰ敝車蔫F素體而進(jìn)行長大，也可以通過“形核-長大”機(jī)理形成新的奧氏體晶粒。 3.33.3過共析鋼的奧氏體形成過程過共析鋼的奧氏體形成過程l對于過共析鋼，對于過共析鋼，由于在其原始組織中含有二次滲碳體，故從Ac1到Accm之間還應(yīng)有一個(gè)（二次）滲碳體

15、向奧氏體中溶解的過程。l只有當(dāng)加熱溫度高于Accm時(shí)，這些過剩相才會完全轉(zhuǎn)變成奧氏體。 3.4合金鋼的奧氏體過程的特點(diǎn)l合金元素對碳在奧氏體中的擴(kuò)散影響1) Co、Ni增大碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，因而加快奧氏體形成速度；2)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等降低碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，且所形成的特殊碳化物較難溶解，所以減慢奧氏體形成速度； 3)Si、Al、Mn等元素對碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)影響不大，因此對奧氏體形成速度沒有多大影響。 l鋼中合金元素在原始組織各相中的分布是不均勻的。例如退火狀態(tài)下，碳化物形成元素主要集中在碳化物中，非碳化物形成元素主要集中在鐵素體中。這種合金元素分布的不均勻性，

16、直到殘余碳化物溶解完成后仍保留下來。因此合金鋼除了奧氏體中碳的均勻化外，還要進(jìn)行著合金元素的均勻化。 l在同一奧氏體化溫度下，合金元素在奧氏體中擴(kuò)散系數(shù)只有碳的擴(kuò)散系數(shù)的千分之幾到萬分之幾，可見合金鋼的奧氏體均勻化時(shí)間遠(yuǎn)比碳鋼長得多。 在制定合金鋼的熱處理工藝規(guī)范時(shí)，應(yīng)比在制定合金鋼的熱處理工藝規(guī)范時(shí)，應(yīng)比碳鋼的加熱溫度高些，保溫時(shí)間長些，促使合碳鋼的加熱溫度高些，保溫時(shí)間長些，促使合金元素盡可能均勻化。金元素盡可能均勻化。4.4.奧氏體晶粒奧氏體晶粒4.14.1前言前言對一般鋼來說，雖然在通常使用狀態(tài)下的組織并不是奧氏體，但熱加工或熱處理過程中加熱時(shí)所形成的奧氏體晶粒大小、形狀等，對冷卻后鋼

17、的組織和性能卻有重要的影響。因此，需要了解奧氏體晶粒的長大規(guī)律，以便在生產(chǎn)實(shí)踐中控制奧氏體晶粒大小，以獲得所希望的性能。 奧氏體晶粒大小與形狀?yuàn)W氏體晶粒大小與形狀?yuàn)W氏體晶粒大小與形狀?yuàn)W氏體晶粒大小與形狀?yuàn)W氏體晶粒大小與形狀?yuàn)W氏體晶粒大小與形狀4.24.2有關(guān)奧氏體晶粒的幾個(gè)重要概念有關(guān)奧氏體晶粒的幾個(gè)重要概念(1)奧氏體的初始晶粒奧氏體的初始晶粒 指加熱時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變過程剛剛結(jié)束時(shí)的奧氏體晶粒，這時(shí)的晶粒大小就是初始晶粒度初始晶粒度。l 加熱前原始組織愈彌散，加熱速度越快（導(dǎo)致過熱度增加，從而形核率增大），則初始晶粒越細(xì)小；l 在生產(chǎn)實(shí)際中，往往采用快速加熱的方法來獲得較細(xì)的組織（保溫時(shí)間不長）

18、，從而相應(yīng)地得到較好的常溫機(jī)械性能。例如：表面高頻淬火例如：表面高頻淬火 （2 2）奧氏體實(shí)際晶粒）奧氏體實(shí)際晶粒 指在熱處理時(shí)某一具體加熱條件下最終所得的奧氏體晶粒，其大小就是奧氏體的實(shí)際晶粒度。在一般熱處理的加熱條件下，奧氏體晶?？偸且L大的。在恒溫下，隨保溫時(shí)間的增加，奧氏體晶粒也不斷長大。長大分為三個(gè)階段：孕育期：孕育期：在奧氏體剛剛形成以后，并不馬上長大，而是需要一定的孕育期，溫度愈高，孕育期愈短； 不均勻長大不均勻長大 經(jīng)孕育期后，奧氏體晶粒開始長大，但各處長大的程度不一致：l 有些較大的晶粒靠吞并周圍的小晶粒而長成個(gè)別很粗大的晶粒；l 那些未被吞并的小晶粒則長大速度極慢； 結(jié)果形

19、成尺寸相差懸殊的晶粒共存的狀態(tài)； 均勻長大期均勻長大期 待細(xì)小晶粒全被吞并后，所有晶粒均開始緩慢而均勻地長大。 940奧氏體化所獲得的奧氏體晶粒大小34CrNi3Mo鋼980奧氏體化所獲得的奧氏體晶粒大小34CrNi3Mo鋼1020奧氏體化所獲得的奧氏體晶粒大小34CrNi3Mo鋼l因此，在熱處理時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制晶粒大小以獲得良好的綜合性能；l在冶金廠，熱軋鋼材終軋溫度終軋溫度下的奧氏體晶粒大小決定著鋼材軋后的性能，特別是對于不再進(jìn)行熱處理的熱軋鋼材，其終軋溫度必須嚴(yán)格控制。 （3 3）奧氏體的本質(zhì)晶粒）奧氏體的本質(zhì)晶粒指各種鋼的奧氏體晶粒的長大趨勢。晶粒容易長大的稱為本質(zhì)粗晶粒鋼；晶粒不容易長大的稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼；以上不同的趨勢主要由于鋼的成分不同而引起。4.34.3晶粒大小的表示方法晶粒大小的表示方法晶粒大小的理想表示方法應(yīng)是晶粒的平均體積、平均直徑或單位體積所包含的晶粒數(shù)，要測定上述數(shù)據(jù)是極其困難的。 奧氏體晶粒奧氏體晶粒長大示意圖長大示意圖本質(zhì)粗晶粒本質(zhì)細(xì)晶粒目前世界各國評定鋼鐵產(chǎn)品的晶粒大小，幾乎統(tǒng)一采用與標(biāo)準(zhǔn)金相圖片（晶粒大小標(biāo)準(zhǔn)圖如下圖）相比較，來確定晶粒度的級別。 通常將晶粒度分為8級，各級晶粒的大小如圖。 晶粒度級數(shù)N和放大100倍時(shí)平均每 6.45cm2（1平方英寸）內(nèi)所含晶粒數(shù)目n有以下關(guān)系：n=2N-1 由上式可知，晶粒度級數(shù)越大，晶粒越細(xì)。4