工程材料及熱加工鋼的熱處理原理

工程材料及熱加工鋼的熱處理原理第1頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、概述1、定義：將鋼在固態(tài)下通過(guò)不同的加熱、保溫、冷卻來(lái)改變金屬整體或表層的組織，從而改善和提高其性能的一種熱加工工藝。工藝曲線：第2頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、目的：充分發(fā)揮材料的性能潛力。調(diào)整材料的工藝性能和使用性能。3、分類(lèi)：普通熱處理：整體穿透加熱表面熱處理：表層的成分、組織、性能特殊熱處理：形變熱處理、真空熱處理第3頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、鋼的熱處理原理1、鋼的臨界溫度鐵碳合金相圖中組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度A1、A3、Acm是在極其緩慢的加熱和冷卻條件下測(cè)定的。而在熱處理中，加熱和冷卻并不是極其緩慢的，和相圖的臨界溫度相比發(fā)生一定的滯后現(xiàn)象，也就是通常所說(shuō)的需要有一定的過(guò)熱和過(guò)冷，組織轉(zhuǎn)變才能充分進(jìn)行。與相圖上A1、A3、Acm相對(duì)應(yīng)，通常把實(shí)際加熱時(shí)的臨界溫度用Ac1、Ac3、Accm表示，把實(shí)際冷卻時(shí)的臨界溫度用Ar1、Ar3、Arcm表示。第4頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第5頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼的熱處理首先是加熱，使鋼奧氏體化，隨后才能通過(guò)不同的冷卻方式使其轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織和性能。其奧氏體化的程度以及晶粒的大小對(duì)冷卻過(guò)程及最終組織性能都將產(chǎn)生極大的影響。2.1奧氏體的形成（以共析鋼為例，說(shuō)明奧氏體的形成過(guò)程。）2.1.1奧氏體形核：奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體相界面處形成。這是由于此處原子排列紊亂，位錯(cuò)、空位濃度較高，容易滿足形成奧氏體所需的能量和碳濃度所致。第6頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2奧氏體長(zhǎng)大：奧氏體晶核形成之后，它一面與滲碳體相接，另一面與鐵素體接。這使得在奧氏體中出現(xiàn)了碳的濃度梯度，即奧氏體中靠近鐵素體一側(cè)含碳量較低，而靠近滲碳體一側(cè)含碳量較高,引起碳在奧氏體中由高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)擴(kuò)散。隨著碳在奧氏體中的擴(kuò)散，破壞了原先相界面處碳濃度的平衡，即造成奧氏體中靠近鐵素體一側(cè)的碳濃度增高，靠近滲碳體一側(cè)碳濃度降低。為了恢復(fù)原先碳濃度的平衡，勢(shì)必促使鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變以及滲碳體的溶解。這樣，奧氏體中與鐵素體和滲碳體相界面處碳平衡濃度的破壞與恢復(fù)的反復(fù)循環(huán)過(guò)程，就使奧氏體逐漸向鐵素體和滲碳體兩方向長(zhǎng)大，直至鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體為止。第7頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3剩余滲碳體溶解：鐵素體消失以后，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)或繼續(xù)升溫，剩余滲碳體通過(guò)碳原子的擴(kuò)散，不斷溶入奧氏體中，使奧氏體的碳濃度逐漸接近共析成分。這一階段一直進(jìn)行到滲碳體全部消失為止。2.1.4奧氏體成分均勻化：當(dāng)剩余滲碳體全部溶解后，奧氏體中的碳濃度仍是不均勻的，原來(lái)存在滲碳體的區(qū)域碳濃度較高，只有繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，才能得到成分均勻的單相奧氏體。2.2奧氏體晶粒度及其影響因素

奧氏體的晶粒大小對(duì)鋼隨后的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能都有重要影響。通常，粗大的奧氏體晶粒冷卻后得到粗大的組織，其力學(xué)性能指標(biāo)較低。2.2.1奧氏體晶粒度的概念。奧氏體晶粒的大小是用晶粒度來(lái)度量的。晶粒度的評(píng)定一般采用比較法，即金相試樣在放大100倍的顯微鏡下，與標(biāo)準(zhǔn)的圖譜相比。晶粒度分為8級(jí)，1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。第8頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2影響晶粒長(zhǎng)大的因素。a.加熱溫度和保溫時(shí)間:溫度的影響最顯著。在一定溫度下，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大。b.加熱速度:實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常采用快速加熱，短時(shí)保溫的辦法來(lái)獲得細(xì)小晶粒。因?yàn)榧訜崴俣仍酱?，奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的過(guò)熱度越大，奧氏體的形核率越高，起始晶粒越細(xì)，加之在高溫下保溫時(shí)間短，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大。c.鋼的化學(xué)成分:⑴隨著含碳量的增加，奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向增大。⑵加入適量能形成難熔中間相的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb等，能強(qiáng)烈阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。第10頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變當(dāng)奧氏體被冷至A1線以下不同溫度處發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，由于冷卻過(guò)程為非平衡過(guò)程，因此不能依據(jù)鐵碳相圖來(lái)判定和分析其組織轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物隨轉(zhuǎn)變溫度和冷卻速度的不同而不同，性能也有很大的差別。常用等溫轉(zhuǎn)變曲線和連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線來(lái)說(shuō)明這一規(guī)律。3.1過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變使加熱到奧氏體的鋼，先以較快的冷卻速度冷到A1線以下一定的溫度，然后進(jìn)行保溫，使奧氏體在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。3.1.1過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線反映了奧氏體在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度、時(shí)間和轉(zhuǎn)變量之間的關(guān)系。它是在等溫冷卻條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法（金相法）繪制的。該曲線頗似“C”，故簡(jiǎn)稱C曲線。簡(jiǎn)介試驗(yàn)過(guò)程。第11頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第12頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第13頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能⑴珠光體型轉(zhuǎn)變：（A1～550℃）轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：擴(kuò)散型相變。組織：珠光體是鐵素體和滲碳體兩相的機(jī)械混合物。其組成相通常呈片層狀。根據(jù)珠光體片間距的大小，可將珠光體類(lèi)型組織分為三種:①珠光體:片間距約為450~150nm，形成于A1~650℃范圍內(nèi)。在光學(xué)顯微鏡下可清晰分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)。第14頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②索氏體:片間距約為150~80nm，形成于650~600℃范圍內(nèi)。只有在800倍以上光學(xué)顯微鏡下觀察才能分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)。③屈氏體:片間距約為80~30nm，形成于600~550℃范圍內(nèi)。在光學(xué)顯微鏡下已很難分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)。第15頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月比較：珠光體、索氏體、屈氏體之間無(wú)本質(zhì)區(qū)別，其形成溫度也無(wú)嚴(yán)格界線，只是其片層厚薄和間距不同。性能：珠光體類(lèi)組織的機(jī)械性能主要取決于片層間距的大小。通常情況下，片層間距愈小，其強(qiáng)度、硬度愈高，同時(shí)塑性、韌性也有所改善。第16頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑵貝氏體型轉(zhuǎn)變：（550℃～Ms）定義：貝氏體(B)是含碳過(guò)飽和鐵素體和滲碳體或碳化物的混合物。轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：半擴(kuò)散型相變。組織：由于轉(zhuǎn)變溫度的不同，貝氏體有兩種基本形態(tài)。a.上貝氏體:在550~350℃溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w。上貝氏體的特點(diǎn)是鐵素體呈大致平行的條束狀，自?shī)W氏體晶界的一側(cè)或兩側(cè)向奧氏體晶內(nèi)伸展。滲碳體分布于鐵素體條之間。在光學(xué)顯微鏡下觀察呈羽毛狀。第17頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b.下貝氏體:下貝氏體在350℃~Ms溫度區(qū)間形成。典型的下貝氏體是由含碳過(guò)飽和的片狀鐵素體和其內(nèi)部沉淀的碳化物組成的機(jī)械混合物。在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針狀或竹葉狀。性能：上貝氏體的強(qiáng)度和韌性均較低（鐵素體條粗大，它的塑變抗力低；滲碳體分布在鐵素體條之間，易于引起脆斷），下貝氏體不但強(qiáng)度高，而且韌性也好（鐵素體細(xì)小、分布均勻；在鐵素體內(nèi)又析出細(xì)小彌散的碳化物）。第18頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑶馬氏體型轉(zhuǎn)變定義：是指鋼從奧氏體狀態(tài)快速冷卻(即淬火)而發(fā)生的無(wú)擴(kuò)散型相變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為馬氏體，馬氏體是碳溶于α-Fe中的過(guò)飽和間隙式固溶體，記為M。轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：⑴無(wú)擴(kuò)散性：⑵降溫轉(zhuǎn)變:過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度用Ms表示。而馬氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度用Mf表示。馬氏體轉(zhuǎn)變量是在Ms~Mf溫度范圍內(nèi)，通過(guò)不斷降溫來(lái)增加的。由于多數(shù)鋼的Mf在室溫以下，因此鋼快冷到室溫時(shí)仍有部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體存在，稱之為殘余奧氏體，記為Ar。組織形態(tài)：鋼中馬氏體的形態(tài)很多，其中板條馬氏體和片狀馬氏體最為常見(jiàn)。⑴板條馬氏體:低碳鋼＜0.2﹪中的馬氏體組織是由許多成群的、相互平行排列的板條所組成，故稱為板條馬氏體。板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要為高密度的位錯(cuò)，故又稱為位錯(cuò)馬氏體。第19頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第20頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b.片狀馬氏體:在高碳鋼（＞1.0﹪）中形成的馬氏體完全是片狀馬氏體。在顯微鏡下觀察時(shí)呈針狀或竹葉狀。片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。因此，片狀馬氏體又稱為孿晶馬氏體。第21頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月性能特點(diǎn)⑴硬度和強(qiáng)度:鋼中馬氏體力學(xué)性能的顯著特點(diǎn)是具有高硬度和高強(qiáng)度。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量。通常情況下，馬氏體的硬度隨含碳量的增加而升高。⑵塑性和韌性:主要取決于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。片狀馬氏體脆性較大，其主要原因是片狀馬氏體中含碳量高，晶格畸變大；同時(shí)馬氏體高速形成時(shí)互相撞擊使得片狀馬氏體中存在許