航空工程材料教案鋼的熱處理實(shí)踐

1、項(xiàng)目 （任務(wù)）學(xué)習(xí)子情境:鋼的熱處理實(shí)踐的認(rèn)知之二授課班級(jí)授課教師地 點(diǎn)課時(shí)/累計(jì)審批/日期多媒體教室2/28授課周次課程類型理論課教學(xué)方法舉例教學(xué)目標(biāo)知 識(shí) 目 標(biāo)能力（技能）目標(biāo)1、掌握鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變；2、了解“C”曲線的分析方法；會(huì)利用“C”曲線重難點(diǎn)及解決方法重點(diǎn)：鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變；“C”曲線的分析方法難點(diǎn)：C”曲線的分析方法解決方法：多媒體演示、舉例能力訓(xùn)練任務(wù)及案例T8鋼在不同冷卻方式下的組織教學(xué)回顧回顧前面所學(xué)的鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變和C”曲線的建立方法教學(xué)過程設(shè)計(jì)：1.復(fù)習(xí)上節(jié)課的內(nèi)容。2.多媒體演示、講解“C”曲線的分析方法。3.多媒體演示、掛圖講解共析鋼在冷卻時(shí)的組

2、織轉(zhuǎn)變。§學(xué)習(xí)子情境： 鋼的熱處理實(shí)踐的認(rèn)知之二 一、教學(xué)回顧：鋼在加熱時(shí)和冷卻時(shí)組織的轉(zhuǎn)變，鋼加熱是為了得到奧氏體組織。冷卻時(shí)方式不同，得到的組織也不同。二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變（二）：1、A等溫冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變（二）（2）影響“C”曲線的因素：a、含碳量的影響：碳鋼中以共析鋼的過冷A最穩(wěn)定（“C”曲線最靠右）。d、合金元素的影響：常用合金元素（除Co外）溶入過冷A中都增加過冷A的穩(wěn)定性，使“C”曲線右移。c、其它：A晶粒越粗大，或A成分越均勻，過冷A越穩(wěn)定（“C”曲線右移）；A中殘存的未溶質(zhì)點(diǎn)越多，過冷A越不穩(wěn)定（“C”曲線左移）。（可以從成核率方面考慮理解）（3）奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變

3、產(chǎn)物的組織與性能：a、珠光體轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變）（擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變）珠光體組織及其性能特點(diǎn)在溫度A1以下至550左右的溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是珠光體，即形成鐵素體與滲碳體兩相組成的相間排列的層片狀的機(jī)械混和物組織（見圖），所以這種類型的轉(zhuǎn)變又叫珠光體轉(zhuǎn)變。在珠光體轉(zhuǎn)變中，由A1以下溫度依次降到鼻尖的550左右，層片狀組織的片間距離依次減小。根據(jù)片層的厚薄不同，這類組織又可細(xì)分為三種。第一種是珠光體，其形成溫度為A1650，片層較厚，一般在500倍的光學(xué)顯微鏡下即可分辨。用符號(hào)“P”表示。第二種是索氏體，其形成溫度為650600，片層較薄，一般在8001000倍光學(xué)顯微鏡下才可分辨。用符號(hào)“S”表

4、示。第三種是屈氏體，其形成溫度為600550，片層極薄，只有在電子顯微鏡下才能分辨。用符號(hào)“T”表示。實(shí)際上，這三種組織都是珠光體，其差別只是珠光體組織的“片間距”大小，形成溫度越低，片間距越小。這個(gè)“片間距”越小，組織的硬度越高，屈氏體的硬度高于索氏體，遠(yuǎn)高于粗珠光體。 珠光體轉(zhuǎn)變過程奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的過程也是形核和長(zhǎng)大的過程。如圖示，當(dāng)奧氏體過冷到A1以下時(shí)，首先在奧氏體晶界上產(chǎn)生滲碳體晶核，通過原子擴(kuò)散，滲碳體依靠其周圍奧氏體不斷地供應(yīng)碳原子而長(zhǎng)大。同時(shí)，由于滲碳體周圍奧氏體含碳量不斷降低，從而為鐵素體形核創(chuàng)造了條件，使這部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。由于鐵素體溶碳能力低（<0.021

5、8%C），所以又將過剩的碳排擠到相鄰的奧氏體中，使相鄰?qiáng)W氏體含碳量增高，這又為產(chǎn)生新的滲碳體創(chuàng)造了條件。如此反復(fù)進(jìn)行，奧氏體最終全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體片層相間的珠光體組織。 珠光體轉(zhuǎn)變過程示意圖 珠光體轉(zhuǎn)變是一種擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，即鐵原子和碳原子均進(jìn)行擴(kuò)散。 b、貝氏體轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）（半擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變）貝氏體組織及其性能特點(diǎn)過冷奧氏體在550Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度）的轉(zhuǎn)變稱為中溫轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體型，所以也叫貝氏體轉(zhuǎn)變。貝氏體用符號(hào)“B”表示，它仍是由鐵素體與滲碳體組成的機(jī)械混和物，但其形貌與滲碳體的分布與珠光體型不同，硬度也比珠光體型的高。根據(jù)貝氏體的組織形態(tài)和形成溫度區(qū)間的不同又可將其劃

6、分為上貝氏體（B上）與下貝氏體（B下）。上貝氏體的形成溫度為550350，它的硬度比同樣成份的下貝氏體低，韌性也比下貝氏體差，所以上貝氏體的機(jī)械性能很差，脆性很大，強(qiáng)度很低，基本上沒有實(shí)用價(jià)值。下貝氏體的形成溫度為350Ms，它有較高的強(qiáng)度和硬度，還有良好的塑性和韌性，具有較優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，是生產(chǎn)上常用的組織。獲得下貝氏體組織是強(qiáng)化鋼材的途徑之一。貝氏體的轉(zhuǎn)變過程在中溫區(qū)發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于溫度較低，鐵原子擴(kuò)散困難，只能以共格切變的方式來完成原子的遷移，而碳原子則有一定的擴(kuò)散能力，可以通過短程擴(kuò)散來完成原子遷移，所以貝氏體轉(zhuǎn)變屬于半擴(kuò)散型相變。在貝氏體轉(zhuǎn)變中，存在著兩個(gè)過程，一是鐵原子的

7、共格切變，二是碳原子的短程擴(kuò)散。當(dāng)溫度較高（550350）時(shí)，條狀或片狀鐵素體從奧氏體晶界開始向晶內(nèi)以同樣方向平行生長(zhǎng)。隨著鐵素體的伸長(zhǎng)和變寬，其中的碳原子向條間的奧氏體中富集，最后在鐵素體條之間析出滲碳體短棒，奧氏體消失，形成上貝氏體。 當(dāng)溫度較低（350Ms）時(shí)，碳原子擴(kuò)散能力低，鐵素體在奧氏體的晶界或晶內(nèi)的某些晶面上長(zhǎng)成針狀。盡管最初形成的鐵素體固溶碳原子較多，但碳原子不能長(zhǎng)程遷移，因而不能逾越鐵素體片的范圍，只能在鐵素體內(nèi)一定的晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出，從而形成下貝氏體。c、馬氏體轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）（非擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變）馬氏體組織及其性能特點(diǎn)過冷奧氏體在馬氏體開始形成溫度Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

8、馬氏體，這個(gè)轉(zhuǎn)變持續(xù)至馬氏體形成終了溫度Mf。在Mf以下，過冷奧氏體停止轉(zhuǎn)變。除Al、Co元素外，溶解到奧氏體中的元素均使Ms、Mf下降，奧氏體中碳含量對(duì)Ms、Mf溫度的影響是：碳含量增多，Ms、Mf點(diǎn)降低。經(jīng)冷卻后未轉(zhuǎn)變的奧氏體保留在鋼中，稱為殘余奧氏體。在Ms與Mf溫度之間過冷奧氏體與馬氏體共存。在Ms溫度以下，轉(zhuǎn)變溫度越低，殘余奧氏體量越少。隨奧氏體中含碳量的增加Ms和Mf均會(huì)降低，可見在同樣的冷卻速度下（或冷卻介質(zhì)中），奧氏體中含碳量越高，馬氏體中的殘余奧氏體就越多。馬氏體形成的溫度已是碳原子難以擴(kuò)散的溫度，它是由過冷奧氏體按無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變機(jī)制的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，馬氏體與過冷奧氏體含碳量相等，晶

9、格同于鐵素體體心立方。體心立方晶格的鐵素體在室溫含約0.008%C，對(duì)共析鋼馬氏體的晶格內(nèi)含約0.77%C，為此導(dǎo)致體心立方晶格畸變?yōu)轶w心正方晶格，見圖，因此馬氏體是含過飽和碳的固溶體，是單一的相，同高溫、中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有本質(zhì)區(qū)別。馬氏體的形貌常有針狀及板條狀兩種，前一種一般出現(xiàn)在高碳鋼中，后一種一般出現(xiàn)在低碳鋼中?！搬槨被颉皸l”的粗細(xì)主要取決于奧氏體晶粒的尺寸大小，奧氏體晶粒越大，“針”或“條”越粗。也可分為低碳馬氏體、高碳馬氏體、混合馬氏體。馬氏體的硬度主要取決于其中含碳量，含碳量越高，馬氏體硬度越高。實(shí)際淬火鋼硬度取決于馬氏體，殘余奧氏體，以及其它不轉(zhuǎn)變物（鐵素體或二次滲碳體）的含量。馬氏

10、體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)馬氏體轉(zhuǎn)變同樣是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過程。它的主要特點(diǎn)是：（1）無擴(kuò)散性；（2）有共格位向關(guān)系；（3）在不斷降溫的過程中形成；（4）高速長(zhǎng)大，轉(zhuǎn)變時(shí)體積膨脹，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，是熱處理裂紋產(chǎn)生的主要原因；（5）馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性（馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)體積膨脹，對(duì)尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體產(chǎn)生多向壓應(yīng)力，抑制其轉(zhuǎn)變；大多數(shù)鋼的Mf都低于室溫）。（殘余奧氏體馬氏體，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成尺寸變化或變形，必須進(jìn)行冰冷處理）。2、奧氏體連續(xù)冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變下圖是共析鋼的CCT 曲線。圖中，Ps線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的開始線，Pf為轉(zhuǎn)變終了線，兩線之間為轉(zhuǎn)變過渡區(qū)。KK線為轉(zhuǎn)變的中止線，當(dāng)冷卻曲線碰到此線時(shí)，過冷奧氏體就中止向珠光體型組織轉(zhuǎn)變，繼續(xù)冷卻一直保持到Ms點(diǎn)以下，使剩余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。Vk稱為CCT曲線的臨界冷卻速度，它是獲得全部馬氏體組織（實(shí)際還含有一小部分殘余奧氏體）的最小冷卻速度。以不同的冷卻速度連續(xù)冷卻時(shí)，過冷奧氏體將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。通過連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線可以了解冷卻速度與過冷奧氏體轉(zhuǎn)變組織的關(guān)系。根據(jù)連續(xù)冷卻曲線與CCT曲線交點(diǎn)的位