鐵碳相圖熱處理課件

鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖6.69500600900110015001400130012000.02

0.772.114.3珠光體+珠碳體II+珠光體奧氏體+液體+奧氏體奧氏體+

碳體II碳體II

+萊氏體碳體+萊氏體碳體+低溫萊氏體珠光體+

碳體II+低溫萊氏體萊氏體低溫萊氏體1000

G(913℃)727℃1148℃C%鐵體T℃1600

A(1538℃)700

P

鐵E液體CKF1227℃D液體

+

碳體奧氏體奧+鐵A800

3

S素A1Acm(1)

奧氏體——是碳在γ-Fe中的固溶體，用“A”表示。特點(diǎn)：①在1148℃時(shí)有最大溶解度2.11%C，727℃時(shí)可固溶0.77%C；②其力學(xué)性能與含碳量及晶粒大小有關(guān)，一般170～220HBS、δ=40～50%；③形變能力好，形變抗力小。(2)

鐵素體——碳在α-Fe中的固溶體，用“F”表示。特點(diǎn)：①在727℃有最大溶解度，為0.0218%C；②強(qiáng)度和硬度低，韌性塑性好。其力學(xué)性能大致為；σb180~280MN/m2ψ70~80%σ0.2100~170MN/m2δ30~50%HB50~80HBSak1.8~2.5MJ/m2(3) Fe3C—滲碳體滲碳體——是由鐵和碳組成的一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，含碳量為6.69%，用“Fe3C”或“Cem”(Cementite)表示。滲碳體的性能特點(diǎn)——硬度高，脆性大。硬度

HB=800kgf/mm2;抗拉強(qiáng)度

бb＝30MN/m2;塑性、韌性幾乎為零。(4)萊氏體：共晶產(chǎn)物，1148℃進(jìn)行，L

→

γ

+

Cm

（Ld）成分：4.3%C(5)珠光體：共析產(chǎn)物，727℃進(jìn)行，γ

→

+Cm

（P）成分：0.77%C典型合金結(jié)晶過程1.共析鋼的結(jié)晶過程(含碳0.77%珠光體)P6.69900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光體奧+鐵鐵+珠碳體II+珠光體碳體II液體

+

碳體液體碳體II奧氏體++萊氏體碳體+萊氏體碳體+低溫萊氏體珠光體+

碳體II+低溫萊氏體萊氏體低溫萊氏體1000

G(913℃)727℃液體+奧氏體1148℃C%鐵素800體700600500A(1538℃)PECKF1227℃

D奧氏體A3

SA1Acm奧氏體+A2-3

3ò???1ò?é?LA1-2L2.亞共析鋼的結(jié)晶過程含碳量為0.02%～0.77%。鐵素體+珠光體組織。F

4ò???6.69800900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光體奧+鐵鐵+珠碳體II+珠光體碳體II液體

+

碳體液體碳體II奧氏體++萊氏體碳體+萊氏體碳體+低溫萊氏體珠光體+

碳體II+低溫萊氏體萊氏體低溫萊氏體1000

G(913℃)727℃液體+奧氏體1148℃C%鐵素體700600500A(1538℃)PECKF1227℃

D奧氏體A3

SA1Acm奧氏體+A2-3AF3-4P1-2LA1ò?é?L3.過共析鋼的結(jié)晶過程含碳在0.77%～2.1%之間的鐵碳合金。珠光體+

碳體。6.69500900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光體奧+鐵鐵+珠碳體II+珠光體碳體II液體

+

碳體液體碳體II奧氏體++萊氏體碳體+萊氏體碳體+低溫萊氏體珠光體+

碳體II+低溫萊氏體萊氏體低溫萊氏體1000

G(913℃)727℃液體+奧氏體1148℃C%鐵素800體700600A(1538℃)PECKF1227℃

D奧氏體A3

SA1Acm奧氏體+A1ò?é?L1-2AL4ò???

P3-4

Fe3CFe3CA2-34.亞共晶(白口)鑄鐵的結(jié)晶過程含碳量為2.1%～4.3%之間的鐵碳合金。室溫組織為P+Fe3CⅡ+Ld

‘。6.69500900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光體奧+鐵鐵+珠碳體II+珠光體奧氏體+碳體II液體+奧氏體液體

+

碳體液體碳體II奧氏體++萊氏體碳體+萊氏體碳體+低溫萊氏體珠光體+

碳體II+低溫萊氏體萊氏體低溫萊氏體1000

G(913℃)727℃1148℃C%鐵素800體700600A(1538℃)PECKF1227℃

D奧氏體A3

SA1AcmA2-3Ld3ò???Ld’PA1-2L1ò?é?L1判斷合金的組織根據(jù)相圖可以判斷在溫度緩慢變化條件下，任一成分的合金在某個(gè)溫度時(shí)的組織是由哪些相組成的，各相的化學(xué)成分以及各相所占的比例。相圖的應(yīng)用鐵碳合金室溫組織比例圖100%FFe3C3Fe

C￠òPLd’00.772.114.36.69C%6.69500900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光體奧+鐵鐵+珠碳體II+珠光體碳體II液體

+

碳體液體碳體II奧氏體++萊氏體碳體+萊氏體碳體+低溫萊氏體珠光體+

碳體II+低溫萊氏體萊氏體低溫萊氏體1000

G(913℃)727℃液體+奧氏體1148℃C%鐵素800體700600A(1538℃)PECKF1227℃

D

液+

液體液+奧ABNJ奧+

奧氏體奧氏體A3

SA1Acm奧氏體+2根據(jù)相圖分析機(jī)械性能400MPa(100HB)800MPa(200HB)HB00.41.2

ak

σbσbHB1200MPa(300HB)40%12J/cm2

ak60%14J/cm20.8C%20%8J/cm21)

鑄造工藝性共晶或近共晶合金有較好的流動(dòng)性，產(chǎn)生分散縮孔(縮松)的傾向小。í?3-23×′ì?í?ó??y?ìD??ü1??μ集中縮孔分散縮孔縮孔傾向流動(dòng)性3

相圖與加工工藝之間的關(guān)系(2)

鍛壓工藝性鍛壓要求材料有較好的塑性和較小的變形抗力(強(qiáng)度)。奧氏體ABEGJNPQγαH

δα+γγ+δSα+Fe3Cγ+Fe3CL+γLL+δ2.制定工藝參數(shù)的重要依據(jù)。ABEGJNPQγαH

δα+γγ+δSα+Fe3Cγ+Fe3CL+γLL+δ淬火正火鐵碳合金分類鑄鐵亞共晶鑄鐵-------2.11~4.3%C共晶鑄鐵----------4.3%C過共晶鋼鑄鐵----4.3~6.69%C共析鋼-------------0.77%C過共析鋼----------0.77~2.11%C工業(yè)純鐵------------------<0.0218%C亞共析鋼----------0.0218~0.77%C鋼C-曲線C-曲線是對(duì)碳鋼加熱得到奧氏體后，在冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行分析的工具。熱處理原理溫度時(shí)間加熱Heating保溫Insulation

Work冷卻CoolingA

A

A1

3

cm鋼的熱處理工藝有兩種冷卻方式：(1)等溫冷卻轉(zhuǎn)變:就是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。（2）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變：是指在冷卻過程中，隨著時(shí)間的延長溫度連續(xù)下降。在實(shí)際生產(chǎn)中大多數(shù)的冷卻過程是連續(xù)冷卻。一.鋼在熱處理時(shí)的冷卻方式熱加保溫時(shí)間溫度臨界溫度連續(xù)冷卻等溫冷卻共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖3-6 共析鋼等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線0B下B上TSPM+A殘A過冷A1400300200Ms

(240

℃

)Mf

(-55℃)M1

10

102

103

104

105106T℃700600500τ(s)高溫轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變低溫轉(zhuǎn)變a.高溫轉(zhuǎn)變共析鋼奧氏體過冷到A1～550℃之間，等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物屬于珠光體型組織。奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體的過程也是一個(gè)鐵素體與滲碳體交替生核長大的過程。如圖3-7所示。珠光體的形成首先在奧氏體的晶界上產(chǎn)生滲碳體晶核，滲碳體的含碳量高于奧氏體，所以要將周圍奧氏體中的碳原子吸收過來，與此同時(shí)，使附近的奧氏體含碳量降低,為鐵素體的形成創(chuàng)造了有利條件，使這部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。由于鐵素體的溶碳能力很低，在其長大過程中必

須將過剩的碳轉(zhuǎn)移到相鄰的奧氏體中，從而使相

鄰?qiáng)W氏體區(qū)域中的含碳量升高，又為產(chǎn)生新的滲

碳體創(chuàng)造了條件。如此反復(fù)進(jìn)行，奧氏體最終完

全轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體層片相間的珠光體組織。圖3-7珠光體轉(zhuǎn)變過程示意圖P(Fe3C+F)AFFe3CFe3C珠光體的形成過程中需要碳原子的移動(dòng)。溫度高時(shí)碳原子移動(dòng)距離大，所形成的珠光體片層較寬，溫度較低時(shí)碳原子移動(dòng)困難，所形成的珠光體片層較密。在727℃～650℃之間轉(zhuǎn)變得到的組織為珠光體；珠光體的形成過程中需要碳原子的移動(dòng)。溫度高時(shí)碳原子移動(dòng)距離大，所形成的珠光體片層較寬，溫度較低時(shí)碳原子移動(dòng)困難，所形成的珠光體片層較密。在727℃～650℃之間轉(zhuǎn)變得到的組織為珠光體；在650℃～600℃之間轉(zhuǎn)變而得到的組織為索氏體，又叫細(xì)珠光體；在600℃～550℃之間轉(zhuǎn)變而得到的為屈氏體，又叫極細(xì)珠光體。電鏡形貌這三種珠光體類組織只有層片間距大小之分，并無本質(zhì)區(qū)別。b.中溫轉(zhuǎn)變共析鋼奧氏體過冷到550℃～240℃之間等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物屬于貝氏體型的組織。在這一溫區(qū)上部轉(zhuǎn)變形成上貝氏體;在這一溫區(qū)下部轉(zhuǎn)變得到下貝氏體。下貝氏體有較高的硬度和強(qiáng)度，塑性和韌性也較好，而上貝氏體基本上無實(shí)用價(jià)值。c.低溫轉(zhuǎn)變奧氏體在240℃以下碳原子移動(dòng)極為困難。奧氏體只發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由面心立方的γ-鐵，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的α—鐵。原奧氏體中所有的碳原子都保留在體心立方晶格內(nèi)，形成過飽和的α—鐵。這種碳在α—鐵中的過飽和固溶體叫馬氏體。殘余奧氏體共析鋼奧氏體過冷到240℃(Ms)時(shí)，開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，隨著溫度下降，馬氏體逐漸增加，過冷奧氏體不斷減少，直至-50℃(Mf)時(shí)，過冷奧氏體才全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。所以，Ms與Mf之間的組織為馬氏體和殘余奧氏體。由于含碳量不同，馬氏體有兩種形態(tài)。含碳量較高的馬氏體組織呈針葉狀，叫針葉馬氏體。含碳量較低的馬氏體組織為板條狀，叫板條馬氏體。組織含碳量%機(jī)械性能HRCσb(Mpa)akJ/cm2ψ(%)低碳0.240~4515006020~30高碳1.260~6550052~4(2)連續(xù)冷卻圖3-9共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線0200400600800A1Msabcde

秒

T℃a.為隨爐冷卻，冷卻曲線與珠光體轉(zhuǎn)變開始線相交時(shí)，奧氏體開始向珠光體轉(zhuǎn)變；冷卻曲線與轉(zhuǎn)變終了線相交后轉(zhuǎn)變完成。由于轉(zhuǎn)變是珠光體區(qū)進(jìn)行的，所以得到

珠光體組織。b.為在空氣中冷卻，由于冷速較快，轉(zhuǎn)變

在索氏體區(qū)進(jìn)行，所以轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為索氏體。c.為油冷，冷卻曲線只與珠光體轉(zhuǎn)變開始線相交(在屈氏體轉(zhuǎn)變區(qū))，未與轉(zhuǎn)變終了線相交。所以只有一部分奧氏體發(fā)生了轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為屈氏體；而另一部分奧氏體則在冷卻到Ms線后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。最后得到的是馬氏體和屈氏體的混合組織。

即為油中冷卻的產(chǎn)物。d.為水冷，由于冷速快，冷卻曲線未與珠光體轉(zhuǎn)

變開始線相交，待冷到馬氏體轉(zhuǎn)變開始線以下時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。連續(xù)冷卻曲線與等溫C曲線的比較連續(xù)冷卻曲線位于等溫C曲線右下方，P轉(zhuǎn)變溫度更低，時(shí)間更長；共析鋼及過共析鋼的連續(xù)冷卻曲線中無B型轉(zhuǎn)變，而多了一條P轉(zhuǎn)變終止線；亞共析鋼在連續(xù)冷卻時(shí)在一定溫度范圍內(nèi)過冷A會(huì)部分轉(zhuǎn)變?yōu)锽。由于CCT曲線測定比較困難，許多鋼至今仍無，實(shí)際熱處理中常參照C曲線來定性估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程。二)共析碳鋼TTT

曲線與CCT曲線的比較穩(wěn)定的奧氏體區(qū)時(shí)間(s)102103104101-1000溫度(℃)8007006005004003002001000A1MsMfCCT曲線TTT曲線時(shí)間A１TA溫度

MsMfA→MA→PA→B時(shí)間A１TA溫度

MsMfA→MA→PA→BA→FA→Fe3C亞共析鋼 過共析鋼亞、過共析鋼的TTT曲線熱處理工藝常用熱處理工藝可分為普通熱處理和表面熱處理兩大類:普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火。表面熱處理包括表面淬火、滲碳、滲氮和碳氮共滲等。滲碳、滲氮和碳氮共滲又叫化學(xué)熱處理。1、退火將鋼件加熱到臨界溫度（A1、A3、Acm）以上（有時(shí)以下）保溫一定時(shí)間，然后緩冷（爐冷、坑冷、灰冷）以得到平衡狀態(tài)的組織的熱處理工藝稱退火。ABEGJNPSQγαH

δγ+δα+Fe3CL+γLL+δ低溫?cái)U(kuò)散退火溫度γ+Fe3Cα+γ

球化完全完全退火主要用于亞共析鋼和合金鋼的鑄、鍛、及熱軋型材。也可以用于焊件。細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力和組織缺陷，↓硬度，↑塑性。加熱保溫

Ac3+20℃～30℃冷卻 緩慢冷卻（隨爐或者埋在砂中或石灰中冷卻）到500℃以下，在空氣中冷卻。目的 細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力和組織缺陷，降低硬度，提高塑性，為機(jī)加工及后續(xù)熱處理（淬火）作組織準(zhǔn)備。常用退火工藝完全退火球化退火(不完全退火)(3)等溫退火(4)去應(yīng)力退火

(5)再結(jié)晶退火

(6)擴(kuò)散退火完全退火工藝完全退火的局限性需要時(shí)間很長，特別對(duì)于某些A比較穩(wěn)定的合金鋼，需要十幾個(gè)小時(shí)甚至幾天，為了↑生產(chǎn)效率，產(chǎn)生了等溫退火。等溫退火與完全退火工藝相同，所不同的是鋼件經(jīng)過A化后，以較快的速度冷卻到某一T，保溫一定時(shí)間A→P，然后以較快的速度冷卻到室溫。等溫退火工藝保溫Ac3+20

～30℃快冷TpA→P空冷時(shí)間溫度球化退火

T=Ac1+20～40℃，進(jìn)行較長時(shí)間的保溫，使鋼的Fe3C（碳化物）趨于球化，然后緩慢冷

卻到600～550℃再出爐冷卻。使Fe3C網(wǎng)變成球，以降低硬度，改善切削加工性能，并為淬火

作組織準(zhǔn)備。ABEGJNPSQγαH

δγ+δα+Fe3CL+γLL+δ低溫?cái)U(kuò)散退火溫度γ+Fe3Cα+γ

球化完全2、 鋼的正火Ac3、Accm+30～80℃，保溫后空冷。ABEGJNPQγαH

δα+γγ+δSα+Fe3Cγ+Fe3CL+γLL+δ應(yīng)用范圍對(duì)普通結(jié)構(gòu)件為最終熱處理，以細(xì)化組織，提高其強(qiáng)度和韌性；使中、低碳結(jié)構(gòu)鋼組織正?；?，改善切削加工性能；為淬火作組織準(zhǔn)備；抑制或消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備。退火與正火的選擇改善切削加工性能低碳鋼：硬度低，粘刀，正火；高碳鋼：硬度高，難切削，退火；中碳鋼：退火、正火。經(jīng)濟(jì)性正火周期短，耗能少，操作簡便，盡量以正火代替退火。3（1）淬火–將鋼加熱至Ac

線或Ac1線以上的某一溫度，保溫一定時(shí)間使之奧氏體化后，迅速冷卻，從而獲得馬氏體組織的工藝叫淬火。3、淬火與回火

ABGJNPSQγα

α+γH

δγ+δ3α+Fe

Cγ+Fe3CL+γLL+δ（2）回火–將淬火后的鋼加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后取出空冷或油冷的熱處理工藝過程稱為回火。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。a.低溫回火加熱溫度在150～250℃之間，回火組織為回火馬氏體。這種回火主要是為了降低鋼中的殘余應(yīng)力和脆性，而保持淬火后得到的高硬度和耐磨性。主要用于各種工具，滾珠軸承及滲碳件等。硬度一般為HRC58～64。b.中溫回火加熱溫度在350～500℃之間,回火組織為回火屈氏體。中溫回火后鋼的內(nèi)應(yīng)力大大降低，同時(shí)具有較高的彈性極限的屈服極限，硬度為HRC35～45。主要用于彈簧元件、鍛模等。c.高溫回火加熱溫度在500～600℃之間，回火組織為回火索氏體。淬火加高溫回火又稱為“調(diào)質(zhì)處理”。它可以消除鋼的內(nèi)應(yīng)力，獲得較高的韌性，使鋼具有良好的綜合性能。因此，調(diào)質(zhì)被廣泛用于要求具有一定強(qiáng)度和較高塑性、韌性的各類機(jī)械零件。調(diào)質(zhì)處理后的硬度一般為HRC25～35。在硬度相同的情況下調(diào)質(zhì)鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能明顯高于正火。35鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系4。表面淬火–表面淬火