金屬材料及熱處理11鋼的熱處理篇(3)

1、六、六、碳鋼及鋼的熱處理碳鋼及鋼的熱處理1、Fe-C相圖與碳鋼2、鋼的加熱轉(zhuǎn)變（奧氏體化）3、 奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變（奧氏體分解， C曲線）4、 珠光體轉(zhuǎn)變與鋼的退火、正火5、 馬氏體轉(zhuǎn)變與鋼的淬火6、 淬火鋼的加熱轉(zhuǎn)變與鋼的回火7、 貝氏體轉(zhuǎn)變與鋼的等溫淬火8、 表面淬火9、 化學(xué)熱處理10、熱處理的工藝基礎(chǔ)（略）4、珠光體轉(zhuǎn)變與鋼的退火、正火1）珠光體轉(zhuǎn)變）珠光體轉(zhuǎn)變 鋼中的共析轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物呈珠母條紋狀，而得名。 轉(zhuǎn)變反應(yīng)式： A（0.77%C，F(xiàn)CC）F（0.02%C，BCC）+Fe3C（6.69%C，復(fù)雜斜方）1864年索拜在碳素鋼中觀察到片狀碳化物和鐵素體混合物，定名為珠光的組成物（pea

2、rly constituent），后來(lái)金相學(xué)上稱為珠光體(pearlite)。珠光體轉(zhuǎn)變理論1960s似乎已成熟，但1980s再度引起重視，相應(yīng)地，珠光體鋼和珠光體組織的應(yīng)用也得到了新的發(fā)展，如微合金化非調(diào)質(zhì)鋼取代傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼、珠光體鋼重型鋼軌鋼、高強(qiáng)冷拔鋼絲（繩）用鋼等 片層間距不同的珠光體A1-650（P, 珠光體）片間距大于0.25m ，鑒別片間與片層可用普通光鏡，強(qiáng)度、硬度低，塑性好；650-600（S, 索氏體）片間距小于0.25m而大于0.10 m ，鑒別片間與片層可用高倍（X800-1000）光鏡，強(qiáng)度、硬度較高，塑性較好；600-550（T, 屈氏體）片間距小于0.10 m ，鑒

3、別片間與片層要用電鏡，強(qiáng)度、硬度高，塑性低。（尤其是伴生著貝氏體轉(zhuǎn)變，而混雜上貝氏體，韌性急劇下降）通常，從綜合性能來(lái)考慮，處理成索氏體（650-600 等溫退火或正火，要求不是很高時(shí)，通常用正火片狀索氏體，否則需回火粒狀珠光體）珠光體珠光體索氏體索氏體屈氏體屈氏體層狀珠光體層狀珠光體粒狀珠光體粒狀珠光體在晶界處形在晶界處形核，領(lǐng)先相核，領(lǐng)先相很可能是滲很可能是滲碳體碳體形成滲碳體，形成滲碳體，F(xiàn)e3C/A界面界面貧碳，貧碳，A改組改組成成F側(cè)（橫）向生長(zhǎng)，側(cè)（橫）向生長(zhǎng)，增加片層數(shù)增加片層數(shù)邊（縱）向生長(zhǎng)，邊（縱）向生長(zhǎng)，向片層平行方向向片層平行方向推進(jìn)推進(jìn)珠光體塊基珠光體塊基本上呈半球本上

4、呈半球生長(zhǎng)生長(zhǎng)珠光體球珠光體球珠光體領(lǐng)域（珠光體領(lǐng)域（pearlite colony）2）珠光體的形核長(zhǎng)大過(guò)程）珠光體的形核長(zhǎng)大過(guò)程 過(guò)冷奧氏體向珠光體組織轉(zhuǎn)變過(guò)程是一個(gè)形核長(zhǎng)大過(guò)程珠光體在奧氏體晶界（尤其是三叉晶界）處形核，向奧氏體晶粒中長(zhǎng)大3）珠光體的形核長(zhǎng)大過(guò)程的實(shí)驗(yàn)觀察）珠光體的形核長(zhǎng)大過(guò)程的實(shí)驗(yàn)觀察在奧氏體晶界（尤其是三叉晶界）處形核，向奧氏體晶粒中長(zhǎng)大開(kāi)始有點(diǎn)像不連續(xù)脫溶的過(guò)程只是隨后的長(zhǎng)大過(guò)程會(huì)貫穿并占滿整個(gè)奧氏體晶粒4）珠光體的形核長(zhǎng)大過(guò)程中珠光體界面推進(jìn)過(guò)程與界面前）珠光體的形核長(zhǎng)大過(guò)程中珠光體界面推進(jìn)過(guò)程與界面前沿的溶質(zhì)原子再分布沿的溶質(zhì)原子再分布C - (CF)C - (

5、C2)C Fe3C (C1)C Fe3C (6.69%C)造成C由F前沿相Fe3C前沿?cái)U(kuò)散，從而使FCC的A向BCC的F轉(zhuǎn)變，而同時(shí)Fe3C形成，二者一起向前發(fā)展和向側(cè)面發(fā)展，即縱向生長(zhǎng)和橫向生長(zhǎng)。5）層狀珠光體的片層間距與其形成溫度之間的關(guān)系）層狀珠光體的片層間距與其形成溫度之間的關(guān)系p隨溫度下降，片層間距減小，存在如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：S=(8.02/T)10-4 (cm/ )6）層狀珠光體的硬度、力學(xué)性能與片層間距之間的關(guān)系）層狀珠光體的硬度、力學(xué)性能與片層間距之間的關(guān)系片間距大于0.25m的珠光體強(qiáng)度、硬度低，塑性好；片間距小于0.25m而大于0.10 m的索氏體強(qiáng)度、硬度較高，塑性較好；片間

6、距小于0.10 m的屈氏體強(qiáng)度、硬度高，塑性低。（尤其是伴生著貝氏體轉(zhuǎn)變，而混雜上貝氏體，韌性急劇下降）通常，從綜合性能來(lái)考慮，處理成索氏體（650-600 等溫退火或正火，要求不是很高時(shí)，通常用正火片狀索氏體，否則需回火粒狀珠光體）7）亞、過(guò)共析鋼過(guò)冷奧氏體分解產(chǎn)物的組織特點(diǎn)）亞、過(guò)共析鋼過(guò)冷奧氏體分解產(chǎn)物的組織特點(diǎn)亞、過(guò)共析鋼過(guò)冷奧氏體分解時(shí)，首先有先共析相（先共析鐵素體或先共析滲碳體）析出，然后再A1溫度發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，從而形成F先+P或Fe3C先+P，而這些先共析相隨轉(zhuǎn)變溫度、時(shí)間、奧氏體晶粒大小、鋼中C含量不同而呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，主要有，（1）塊狀鐵素體低碳，緩冷或高溫等溫時(shí)易形成。

7、（2）網(wǎng)狀組織（鐵素體或珠光體）共析成分附近，即先共析相不多，冷速不大，即，緩冷或臨界點(diǎn)以下不太低的溫度等溫，F(xiàn)或Fe3C易在晶界形核長(zhǎng)大，成網(wǎng)。（性能不好，需防）（3）魏氏組織奧氏體晶粒大且成分不均勻，冷速中等，晶核少，先共析相較多（含較高C的過(guò)共析鋼和中碳的亞共析鋼中）時(shí)，易沿某些慣析面生成，切入基體而形成。（韌性大跌，需防）。F魏的慣析面111A，位向關(guān)系（110）F /（111）A， F / A ；Fe3C魏的慣析面227A，位向（001）Fe3C /（311）A ， Fe3C / A （4）偽共析組織成分接近共析成分，冷速較大或較低溫等溫時(shí)易形成。抑制了先共析相析出，直接發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)

8、變，獲得珠光體。這種非共析成分的珠光體謂之偽共析組織。深沖彈簧鋼中的魏氏組織MGBAGBAP+BP+BPWW8）鋼的退火與正火）鋼的退火與正火正火廣義上屬于退火的一種特殊形式。退火的形式很多：完全退火、不完全退火（球完全退火、不完全退火（球化退火）化退火）、擴(kuò)散退火（均勻化退火）、再結(jié)晶退火、低溫退火（去應(yīng)力退火）、正火正火等等（1）完全退火）完全退火用于亞共析鋼工藝：i、加熱溫度 T = Ac3+2040 （完全奧氏體化）ii、加熱時(shí)間 t = k加D（min）（碳鋼k加= 1.5min/mm,碳鋼k加= 2.0min/mm ）iii、冷卻方式與速率a、普通退火 緩冷（爐冷、埋沙冷等）（碳鋼

9、 100-200 /h，合金鋼50- 100 /h ，高合金鋼10- 50 /h ）（太快，淬火）b、等溫退火 在珠光體轉(zhuǎn)變范圍保溫溫度、時(shí)間由所需硬度而定，優(yōu)點(diǎn)：工藝周期短、斷面溫度一致，組織均勻；缺點(diǎn)：操作麻煩，多需一臺(tái)爐子。完全退火不完全退火，對(duì)于亞共析鋼很少用，除非利用F來(lái)提高塑性，犧牲強(qiáng)度（用F細(xì)化A，或防A長(zhǎng)大，或F溶解S、P雜質(zhì)時(shí)用）abAc3應(yīng)用：i、消除前面工序形成的組織缺陷（魏氏組織、帶狀組織、過(guò)熱粗晶等），重結(jié)晶以細(xì)晶；ii、機(jī)械加工前的軟化處理，有利于切削，或?yàn)榇慊鹱鰷?zhǔn)備，以最終細(xì)晶、均勻；iii、消除內(nèi)應(yīng)力（2）球化退火）球化退火用于過(guò)共析鋼（中、高C鋼）球化退火的對(duì)

10、象：球化退火的對(duì)象：過(guò)共析鋼，尤其是Fe3C成網(wǎng)嚴(yán)重，F(xiàn)e3C片大而粗的情況過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼工藝流程：工藝流程：下料鍛造 (有時(shí)需正火作為球化的預(yù)處理，以消除網(wǎng)、易球化)球化退火球化退火機(jī)加工淬火+回火；球化退火的目的球化退火的目的： （1）消除片狀P的Fe3C和網(wǎng)狀的Fe3C，利于加工或后續(xù)淬火+回火；（2）組織球化，硬度下降，改善切削性；（3）降低退火溫度，防晶粒粗大和魏氏組織；（4）細(xì)化晶粒，改善均勻性；（5）消除內(nèi)應(yīng)力。不完全退火完全退火，對(duì)于過(guò)共析鋼很少用低碳鋼一般不用中碳鋼若要求低硬低強(qiáng)，用球化退火的原因球化退火的原因： （1）熱鍛后片狀P的Fe3C和網(wǎng)狀的Fe3C，粗大、脆硬，不

11、利于加工或后續(xù)淬火+回火；（2）用完全退火能消除部分Fe3C，但緩冷時(shí)Fe3C沿晶界網(wǎng)狀析出，無(wú)法消除網(wǎng)狀Fe3C；（3）完全退火溫度過(guò)高，C，F(xiàn)e自擴(kuò)散加劇，易晶粒粗大，可能會(huì)出現(xiàn)魏氏組織；（4）普通的不完全退火，溫度低、時(shí)間短，也無(wú)法消除網(wǎng)、和粗塊Fe3C；（5）如使Fe3C球化，軟，以切削，晶粒易控制，且更易獲得板條馬氏體，淬火組織好。PFe3C PFe3C GB Fe3C容易沿 晶 界 以網(wǎng)狀析出溫度太高，A晶粒容易粗化嚴(yán)重。魏氏組織球化退火的機(jī)制球化退火的機(jī)制： （1）能量分析類似于顆粒粗化，第二相在固溶體中的溶解度與顆粒大小有關(guān)，通常顆粒大，溶解度小。換而言之，溶解度與曲率半徑有關(guān)

12、，曲率半徑大，表面平，溶解度??；（2）尖角、溝槽、或棱角處，曲率半徑小，溶解度大，而平直處，曲率半徑大，溶解度小，于是，構(gòu)成濃度差（梯度），形成的擴(kuò)散；（3）溶解，生長(zhǎng)，于是棱角消失，平直突起；（4）直到成球，曲率一致，擴(kuò)散為止。小大C小C大ABr小r大r首先在亞晶界或位錯(cuò)密度高（冷變形或熱變形時(shí)形成的）處溶斷。普通球化退火工藝普通球化退火工藝： i、加熱溫度 T = Ac1+3050 （20-30 ） （不完全奧氏體化）ii、加熱時(shí)間 t = k加D（min） +球化時(shí)間（時(shí)間很長(zhǎng)）（碳鋼k加= 1.5min/mm,碳鋼k加= 2.0min/mm ）iii、冷卻方式與速率 緩冷，比完全退火慢

13、（碳鋼 50-100 /h，合金鋼10- 50 /h ，高合金鋼小于10 /h ）（太快，淬火）等溫球化退火工藝：等溫球化退火工藝：Ac1+2030緩冷到Ar1+2030保溫長(zhǎng)時(shí)間空冷 Ar1+2030溫度較低可以防止Fe3C過(guò)分粗化，A晶粒粗化，有利于細(xì)晶abAccmFe3C球化其它球化退火工藝其它球化退火工藝：（a）普通球化退火工藝； （b）等溫球化退火工藝（c）周期球化退火工藝； （d）調(diào)質(zhì)球化退火工藝Ac1AccmAc1AccmAr1（a）（b）（c）（d）（3）正火）正火?；∟ormalizing）正火的對(duì)象：正火的對(duì)象：低、中、高碳鋼正火的目的正火的目的： （1）低碳鋼的車削前的

14、熱處理；（2）中碳鋼替代調(diào)質(zhì)處理，為最終熱處理；（3）消除過(guò)共析鋼的粗大Fe3C或網(wǎng)狀Fe3C（粗、大者球化退火的準(zhǔn)備） ；（4）消除缺陷，細(xì)化晶粒，改善均勻性，為最終熱處理做準(zhǔn)備；（5）對(duì)于存在魏氏組織的中碳鋼鑄件或鍛件。消除魏氏組織。正火的工藝正火的工藝：完全奧氏體化后空冷，奧氏體化溫度選擇與含碳量有關(guān)。雖C，溫度不宜太高，防粗晶。低TN=Ac3+100-150 中TN=Ac1+50-100 高TN=Accm+30-50 完全奧氏體化i、完全奧氏體化Ii、空冷正火的組織：細(xì)珠光體或正火索氏體亞、共則有先共析相，隨碳含量接近0.77%， 先共析相減少，0.6-0.7%C者可形成偽共析組織。進(jìn)入單相區(qū)，冷速較快，不宜成網(wǎng)，但TN不宜太高，防粗晶，和網(wǎng)Fe3C正火與退火的選擇：正火與退火的選擇：（1）正火與退火的異同點(diǎn)（略）工藝、原理、目的、安排、經(jīng)濟(jì)（2）正火可以作為最終熱處理，而退火很少用作最終（除了退火供貨的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）。鋼一般很少直接使用退火態(tài)。（3）作為中間熱處理工藝，兩者的選擇使用也