第五章鋼的退火

1、中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院第五章 鋼的退火與正火5. 1 5. 1 鋼的退火鋼的退火5. 2 5. 2 典型合金鋼退火組織及分析典型合金鋼退火組織及分析5. 3 5. 3 鋼的退火基本類型鋼的退火基本類型5. 45. 4 鋼的正火鋼的正火5. 5 5. 5 鑄鐵的石墨化退火和正火鑄鐵的石墨化退火和正火 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院51 Annealing of steel 5.1.1 Transformation during heating Critical T: A1 A3 Acm Superheating, undercoolin

2、gCritical points for Fe-C alloys (heating and cooling rates are both 0.124K/S) 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院1. Formation process of Austenite(1) Nucleation of A(2) Growth of nucleus (3) Solution of remained CM into A(4) Homogenization of A A: Austenite CM: Cementite F: FerriteM: Martensite B: Bainite

3、 P: Pearlite中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Nucleation of A Compositions of phases when A is formed (a) and concentration profile (b)Location: F/CM interface Composition & structure fluctuationNucleation frequency increases with T 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Growth of A nucleus/grainsCMAF The thicknesse

4、s of F and CMare in the same magnitude orderalthough that of F is larger. For diffusion-controlled growth, the rate of growthis inverse proportional tothe composition difference. The rate of growth of A to F is far larger than that to CM.dxCCdtxCD)(A grows into F and CM, but much faster to F.For eut

5、ectoid steel, F disappears firstly.xCCCDdtdxGFlux conservation中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Solution of remained CM, homogenization of A碳元素的含量在A不同位置不均勻，有濃度梯度,只有繼續(xù)保溫，通過(guò)碳原子擴(kuò)散，A才會(huì)均勻。一般情況下，滲碳體的完全溶解是在鐵素體溶解完成之后。-共析鋼偏離共析點(diǎn)時(shí)（亞共析、過(guò)共析），A形成的基本過(guò)程與共析鋼一樣，只是殘余相及量不同。For the eutectoid Fe-C alloy, if annealing continues

6、, the remained CM will dissolve after F disappears.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院注意：以上形成模式只適合加熱速度不太高的情況，對(duì)于高速加熱的早期階段，鋼中奧氏體轉(zhuǎn)變以位移型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變?yōu)橹? Referred to W.J. Kaluba et al., Acta Mater.,46(1998),5917-27中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院(At high heating rate!)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院At early stage for high

7、heating rate:Step 1: Superheating cause local supersaturate of carbon and diffusion along grain boundary of ferrite.Step 2: Lath formation of AStep 3: Coalescence of the A lath中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Microstructural features:(1) Lath-like products at early stage of formation;(2) Direct formation

8、 at ferrite grain boundaries;(3) Kurdjumov-Sachs orientation relationship with the parent grain of ferrite; (K-S)(4) Lateral growth of the sheaves of austenite by side-by side coalescence.(At high heating rate!)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院2. Kinetics for A formation at Isothemal conditionTTT map for

9、 A formation in eutectoid steel中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Factors affecting the formation rate of A(1) Temperature: main factor! Higher T leads to faster growth (2) Composition: F/CM interface, diffusion, homogenized? More C results in faster formation, Other alloying elements do not affect the bas

10、ic process but exert much influence on the rate. And most elements reduce C diffusion and diffuse much slower than C (several magnitudes!), Carbides and non-carbides distributions.(3) Primary microstructures: constituent phases, grain size, shape of the phases etc. (4) Heating rate: Continuous heati

11、ng in plant. Faster heating leads to faster formation of A. The really formation T increases at higher heating rate.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院 3Grain size of A 1) Growth of A grain After A formation, the grains will grow if annealing continues. This looks like recrystallization. The bigger grains

12、swallow up the smaller ones. This actually begins during homogenization of A. Growth rate: )/exp(0RTQGGGDRTQKGG)/exp(DTD at Hot-rolled T中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院 影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大及最終晶粒大小的因素影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大及最終晶粒大小的因素 1) 奧氏體起始晶粒度: 大小均勻？細(xì)？粗？F/CM 界面積 2) Temperature and duration for A formation 3) 加熱方式 ：形核率隨溫度增加更快。長(zhǎng)

13、大時(shí)間是否充分？慢熱？快熱？4) 鋼的成分：含碳量合金元素。Mn，P增大晶粒長(zhǎng)大傾向易導(dǎo)致粗晶。 5) Refining method: 脫氧制度（鋁脫氧生成細(xì)小的Al4N3和Al2O3，Mn、P脫氧無(wú)彌散析出相）。本質(zhì)粗/細(xì)晶粒鋼，10級(jí)。 930OC6) 原始組織：細(xì)粗均勻？片、粒狀；CM分布。某些合金鋼中粗大非平衡組織或魏氏組織易導(dǎo)致粗晶。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院鐵軌用彈簧鋼60Si2MnA: Fe-0.6C-1.74Si-0.7Mn-0.011P-0.006S-0.12Cr,Treated at different T for 1.5hr.(a) 850

14、(h) Hot-rolled(g) 1150(f) 1100(e) 1050(d) 1000(c) 950(b) 900中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（2 2）A的實(shí)際晶粒度的實(shí)際晶粒度鋼在實(shí)際熱處理或加工條件下獲得的A的晶粒大小稱為A的實(shí)際晶粒度。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際晶粒尺寸遠(yuǎn)大于起始晶粒尺寸。在熱處理中，無(wú)論隨后何種熱處理工藝，希望獲得細(xì)小晶粒尺寸的A。粗晶鋼淬火時(shí)易開(kāi)裂。晶粒度晶粒度：14級(jí)粗，58級(jí)細(xì)。12Nn過(guò)熱與過(guò)燒的處理？過(guò)熱與過(guò)燒的處理？-待續(xù)！待續(xù)！N-晶粒度；n-每平方英寸內(nèi)的晶粒數(shù)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院5.1.2 Tr

15、ansformations during cooling of steel1.Temperature-Time-Transformation (TTT) PearliteBainiteMartensiteA(P)(B)MHow to get ?TTT map for the eutectoid carbon steelMsMf中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Transformation products of undercooled A: HT-Pearlite type 3, MT-Bainite 2, LT-Martenite. The 3 fields may o

16、verlap!Text: P1443 types of P microstructure in the eutectoid carbon steel. (a) P, 500 x; (b) S, 2500 x; (c) T, 15000 x A1550OC: P type microstructure. Lamellar & granular! P: 0.5m; S: 0.40.2 m; T: 0.8%C. Casting or hot-forging or welding.It reduce the plasticity and may make the steel brittle, espe

17、cially reduce the toughness.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Fe-0.12C-3.28Ni: Primary F, Elongated Triangular PyramidsW-I type, 650 for 2s.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Fe-0.12C-3.28Ni: Secondary F, Plate/lathW-II type, 650 for 4.5s.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Different shapes of the proeutectoid Fin W mic

18、rostructure,By Dub中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Figures of proeutectoid FClassified by Aronson et al.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院4) Pseudo-eutectoid 共析點(diǎn)附近，較快冷速Forms of products in steels of different composition after annealed反常：反常：成分不均且冷速小可導(dǎo)致粗厚CM或游離F中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Extension: 離異共析（Divorce

19、d Eutectoid Microstrucutre-DEM）Such DEM forms, especially in the high-carbon steel such as 1.5%C.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院The DEM in the Fe-1.5C steel after a certain treat-treatment.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Microstructure of S40900 after annealed. Mainly consists of F containing dispersoid ni

20、tride and/or carbide.5. 2典型合金鋼退火組織及分析中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院2507 255 2205 2205 2304 (high N) (low N)Cr/Ni in equilibrium stateCr中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院2205型雙相不銹鋼在F固溶線以下退火組織。Cr, Mo,W等偏聚于F；Ni, C, N, Cu等偏聚于A。NiMoN中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院5. 3 Annealing process of steels: 4 types 1 1完全退火完全退

21、火“完全”：全部重結(jié)晶兩種工藝（右圖）組織：組織：均勻應(yīng)用：應(yīng)用：亞共析鋼的鑄件、 鍛件、熱軋鋼等作用：作用：細(xì)化晶粒 改善組織（粗、W、 帶狀等） 提高韌性冷拉彈簧鋼65Mn：冷拉前，500-550OC等溫退火，獲得偽共析的T。Complete annealing: (1) (2) cooling lead to different size中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院 2 2不完全退火和球化退火不完全退火和球化退火 (1)(1)亞共析鋼的不完全退火亞共析鋼的不完全退火 退火溫度退火溫度：加熱Ac1-Ac3，保溫？緩冷 目的目的：降低硬度以改善切削性能 組織細(xì)化（

22、F？）、降低硬度、消除內(nèi)應(yīng)力 (2)(2)過(guò)共析鋼的不完全退火和球化退火過(guò)共析鋼的不完全退火和球化退火 退火溫度退火溫度：加熱Ac1-Accm，較慢冷卻 組織結(jié)構(gòu)？（細(xì)化、消除網(wǎng)狀相、降硬、消內(nèi)應(yīng)力） 目的目的：過(guò)共析鋼不能采用完全退火 要求不高時(shí)用不完全退火 工模具需粒狀珠光體球化退火中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院球化退火的工藝：球化退火的工藝：0.71.4%C熱加工后，處理網(wǎng)狀碳化物，為后續(xù)淬火作組織準(zhǔn)備。一方面，含碳量高的過(guò)共析鋼熱加工后空氣中冷卻易形成粗片狀珠光體和網(wǎng)狀滲碳體；另一方面，過(guò)共析鋼正常淬火溫度為Ac1+ (30-50)OC，無(wú)法消除已生成的網(wǎng)狀滲

23、碳體。雖然正火可以消除網(wǎng)狀物，但對(duì)于后續(xù)需要機(jī)加工的產(chǎn)品硬度太高；即使不考慮機(jī)加工，在隨后的淬火加熱時(shí)組織粗化。Question: Try to analyze the change of microstructure of T12 steel during the whole process of annealing.Ac1Ar中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院退火前后顯微組織的變化退火前后顯微組織的變化(P169)網(wǎng)狀滲碳體和片狀珠光體粒狀珠光體球化機(jī)理：CM界面能減小球化退火前的冷加工和熱加工的影響 滲碳體碎化 缺陷增多若原始組織中滲碳體過(guò)厚、過(guò)粗，不能變形時(shí)，應(yīng)采

24、用周期球化退火或正火。工具鋼、軸承鋼淬火前用。特殊要求的亞共析鋼也用。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院 5.4鋼的正火鋼的正火 正火與完全退火的區(qū)別： 冷速不同，F(xiàn)/CM量，偽共析注意：？ 保證A不粗化，保溫溫度？應(yīng)用： 提高低碳鋼硬度 替代中碳鋼的調(diào)制處理 也可作為中碳鋼的預(yù)備熱處理 過(guò)共析鋼球化退火的預(yù)處理 滲碳鋼件：代替第一次淬火加熱至A相區(qū)后保溫一段時(shí)間，然后空氣中冷卻共析碳鋼得到正火索氏體（亞共析/過(guò)共析如何？）。合金鋼正火有可能有淬火效應(yīng)！How about the alloyed steel during normalizing?Ac1+ (30-50)OC中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院均勻化退火完全退火正火不完全退火球化退火再結(jié)晶退火低溫退火去氫退火Summary: annealing process of steels去氫退火：防應(yīng)力退火，熱鍛件20