金属热处理工程材料及其热处理10.pptx
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1、工程材料及其热处理-31第第3 3章章金属金属的热的热处理处理工程材料及其热处理-32教学基本要求教学基本要求:1.1.了解强化金属基本途径。了解强化金属基本途径。2.2.具具有有分分析析和和应应用用C C曲曲线线的的初初步步能能力力,熟熟悉悉金金属属热处理基本概念。热处理基本概念。3.3.熟熟练练掌掌握握热热处处理理工工艺艺知知识识,熟熟知知整整体体热热处处理理方方法中退火、正火、淬火、回火特点与应用。法中退火、正火、淬火、回火特点与应用。4.4.掌掌握握热热处处理理在在零零件件加加工工工工艺艺流流程程中中的的位位置置和和作作用等基本知识。用等基本知识。5.5.了了解解热热处处理理工工件件的
2、的结结构构工工艺艺性性及及热热处处理理新新工工艺艺知识。知识。工程材料及其热处理-331 1 概概 述述 金金属属热热处处理理是是将将固固态态金金属属或或合合金金采采用用适适当当的的方方法法进进行行加加热热、保保温温和和冷冷却却,获获得得所所需需要要的的组组织织结构与性能的结构与性能的工艺工艺。热热处处理理用用于于消消除除上上一一工工艺艺过过程程所所产产生生的的金金属属材材料料内内部部组组织织结结构构上上的的某某些些缺缺陷陷,改改善善切切削削性性能能,还还可可进进一一步步提提高高金金属属材材料料的的性性能能,充充分分发发挥挥材材料料性性能能的的潜潜力力。因因此此,大大部部分分机机器器零零件件都
3、都要要进进行行热热处理。处理。工程材料及其热处理-34 金属热处理可分为金属热处理可分为:整体处理、表面热处理和化学热处理整体处理、表面热处理和化学热处理。整体处理包括:整体处理包括:退火、正火、淬火和回火退火、正火、淬火和回火等;等;本表要本表要熟记熟记!工程材料及其热处理-35 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变 由由Fe-FeFe-Fe3 3C C相相图图知知,A,A1 1、A A3 3和和A Acmcm是是碳碳钢钢在在极极缓缓慢慢地地加加热热或或冷冷却却时时的的转转变变温温度度,因因此此,A,A1 1、A A3 3和和A Acmcm点点都是平衡临界点。都是平衡临界点。在在
4、实实际际中中,加加热热和和冷冷却却并并不不是是极极缓缓慢慢的的,钢钢不不可可能在平衡点进行组织转变。能在平衡点进行组织转变。实实际际加加热热时时各各临临界界点点的的位位置置分分别别为为图图中中的的AcAc1 1、AcAc3 3、AcAccmcm线线,实实际际冷冷却却时时各各临临界界点点的的位位置置分分别别为为ArArl l、ArAr3 3、ArArcmcm。工程材料及其热处理-36 钢钢热热处处理理时时先先要要加加热热,任任何何成成分分的的碳碳钢钢加加热热到到A A1 1(PSKPSK线线)点点以以上上时时,其其组组织织都都要要发发生生P P向向A A的的转转变变,这种转变称为这种转变称为奥氏
5、体化奥氏体化A A化化。转转变变过过程程是是通通过过铁铁原原子子和和碳碳原原子子的的扩扩散散进进行行的的,因此因此P P向向A A的转变是一种的转变是一种扩散型相变扩散型相变。加加热热是是热热处处理理的的重重要要阶阶段段,下下面面以以共共析析钢钢为为例例,研究钢在加热时的组织转变规律。研究钢在加热时的组织转变规律。工程材料及其热处理-37 1.奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程 将共析钢加热至将共析钢加热至AcAc1 1时时,会发生会发生P P向向A A的转变的转变,过程过程也是也是形核和和长大形核和和长大的过程的过程,分四个阶段分四个阶段 A A晶核形成晶核形成 A A晶晶核核优优先先在在F
6、F和和FeFe3 3C C的的两两相相界界面面上上形形成成,因因为为相相界界面面处处成成分分不不均均匀匀,原原子子排排列列不不规规则则,晶晶格格畸畸变变大大,能能为为产产生生A A晶晶核核提提供供成成分分和和结结构构两两方方面面的的有有利利条条件。件。A A晶核的长大晶核的长大 工程材料及其热处理-38 A A晶核形成后晶核形成后,依靠依靠F F的晶格改组和的晶格改组和FeFe3 3C C的不断的不断溶解溶解,A A晶核不断向晶核不断向F F和和FeFe3 3C C二个方向长大二个方向长大。与此同。与此同时时,新的新的A A晶核也不断形成并随之长大晶核也不断形成并随之长大,直至直至F F全部全
7、部转变为转变为A A为止。为止。残余残余FeFe3 3C C的溶解的溶解 在在A A的的形形成成过过程程中中,当当F F全全部部转转变变为为A A后后,仍仍有有部部分分FeFe3 3C C尚尚未未溶溶解解(称称为为FeFe3 3C C残残),随随着着保保温温时时间间的的延长延长,Fe,Fe3 3C C残残将不断溶入将不断溶入A A中,直至完全消失。中,直至完全消失。工程材料及其热处理-39 A A均匀化均匀化 当当FeFe3 3C C残残溶溶解解后后,A,A中中的的C C成成分分是是不不均均匀匀的的,在在原原FeFe3 3C C处处的的碳碳浓浓度度比比原原F F处处的的要要高高。只只有有经经过
8、过一一定定时时间间的的保保温温,碳碳原原子子的的不不断断扩扩散散,才才能能使使A A中中的的C C均均匀匀一致。一致。亚亚共共析析钢钢和和过过共共析析钢钢的的A A形形成成过过程程与与共共析析钢钢基基本本相相同同,不不同同的的是是亚亚共共析析钢钢的的平平衡衡组组织织中中除除了了P P外外还有先析出的还有先析出的F F。过共析钢中除了过共析钢中除了P P外还有先析出的外还有先析出的FeFe3 3C C。工程材料及其热处理-310 若若加加热热至至AcAc1 1温温度度,只只能能使使P P转转变变为为A A,得得到到A+FA+F或或A+A+二次二次FeFe3 3C C残残组织组织,称为不完全称为不
9、完全A A化。化。只只有有继继续续加加热热至至AcAc3 3或或AcAccmcm温温度度以以上上,才才能能得得到到单相单相A A组织组织,即完全即完全A A化。化。2.2.影响奥氏体转变的因素影响奥氏体转变的因素 1)1)加热温度加热温度 加热温度高加热温度高,C,C原子扩散快原子扩散快,A,A化加快化加快 。2)2)加热速度加热速度 加热快加热快,过热度大过热度大,发生转变的快发生转变的快!工程材料及其热处理-311 3)3)化学成分化学成分 C C浓浓度度大大,则则FeFe3 3C C数数量量多多,F,F与与FeFe3 3C C的的相相界界面面增增大大,使使A A的核心增多的核心增多,促进
10、促进A A化化.常常见见合合元元能能明明显显影影响响A A化化的的速速度度,以以钴钴和和镍镍等等有有加快转变过程的效果;加快转变过程的效果;铬、钼、钒等有降低铬、钼、钒等有降低转变速度的作用;转变速度的作用;硅、锰、铝等对转变过程基本没有影响硅、锰、铝等对转变过程基本没有影响。4)4)原始组织原始组织 在在成成分分相相同同的的钢钢材材中中,P,P越越细细,相相界界面面越越大大,形形核核机机会越多会越多,使得使得A A形成速度变快;形成速度变快;工程材料及其热处理-312 A A晶粒中碳浓度梯度大了长大速度变快。晶粒中碳浓度梯度大了长大速度变快。3.3.奥氏体晶粒长大及其控制措施奥氏体晶粒长大及
11、其控制措施 钢钢加加热热时时P P向向A A转转变变刚刚结结束束时时,A,A晶晶粒粒是是细细小小的的。如继续加热或保温如继续加热或保温,A,A晶粒会变粗大。晶粒会变粗大。加热加热温度越高温度越高,保温时间越长保温时间越长,A,A晶粒越粗大晶粒越粗大。粗粗大大A A晶晶粒粒冷冷却却后后仍仍是是粗粗大大晶晶粒粒产产物物,使使钢钢的的强强度、塑性、韧性显著下降。度、塑性、韧性显著下降。要要控控制制A A晶晶粒粒长长大大,制制定定合合理理的的热热处处理理工工艺艺,即即合合理选择理选择加热温度加热温度、保温时间保温时间和和加热速度加热速度等。等。工程材料及其热处理-313 一一般般将将钢钢加加热热到到临
12、临界界点点以以上上某某一一适适当当温温度度,保保温温时时间间的的确确定定除除考考虑虑相相变变需需要要外外,还还考考虑虑工工件件内内外外温度一致温度一致。当当加加热热温温度度相相同同时时,加加热热速速度度越越快快,保保温温时时间间越越短短,晶晶粒粒越越细细,所所以以生生产产中中常常采采用用快快速速加加热热、短短时时保温的方法保温的方法来细化晶粒。来细化晶粒。此此外外,加加入入一一定定量量的的合合金金元元素素(除除MnMn、P P外外),都会阻碍都会阻碍A A晶粒长大晶粒长大,而达到细化晶粒的目的。而达到细化晶粒的目的。工程材料及其热处理-314 二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变
13、钢钢A A化化后后,采采用用不不同同方方式式冷冷却却,获获得得所所需需要要的的组组织和性能。织和性能。冷冷却却是是钢钢热热处处理理的的关关键键工工序序,实实际际生生产产中中,不不同同加加热热速速度度、冷冷却却方方式式、冷冷却却速速度度会会得得不不同同产产物物,对钢的组织和性能有很大影响。对钢的组织和性能有很大影响。在在热热处处理理工工艺艺中中,A,A化化后后的的冷冷却却方方式式通通常常有有等等温冷却温冷却和和连续冷却连续冷却两种。两种。工程材料及其热处理-315 等等温温冷冷却却是是将将已已A A化化的的钢钢迅迅速速冷冷却却到到临临界界点点以以下下的的给给定定温温度度进进行行保保温温,使使其其
14、在在该该等等温温温温度度下下发生组织转变;发生组织转变;连连续续冷冷却却是是将将已已A A化化的的钢钢以以某某种种冷冷却却速速度度连连续续冷冷却却,使使其其在在临临界界点点以以下下的的不不同同温温度度进进行行组组织织转变。转变。1.1.过冷奥氏体的转变产物的组织与性能过冷奥氏体的转变产物的组织与性能 A A在在相相变变点点A A1 1以以上上是是稳稳定定相相,冷冷却却至至A A1 1以以下下就成了不稳定相,必然要发生转变。就成了不稳定相,必然要发生转变。工程材料及其热处理-316 不不是是冷冷却却至至A A1 1以以下下就就立立即即转转变变,而而是是在在转转变变前前需要停留一段时间需要停留一段
15、时间,此称为此称为孕育期孕育期。在在A A1 1温温度度以以下下暂暂时时存存在在的的不不稳稳定定的的A A称称为为过过冷冷A A。在在不不同同的的过过冷冷度度下下,过过冷冷A A将将发发生生P P型型转转变变、B B型转变型转变、M M型转变型转变等三种组织转变。等三种组织转变。珠光体型转变珠光体型转变 过过冷冷A A在在A A1 1550550温温度度范范围围等等温温时时,发发生生P P型型转转变变。因因转转变变温温度度高高,原原子子扩扩散散能能力力强强,转转变变产产物物为为F F薄层和薄层和FeFe3 3C C薄层交替重叠的层状组织薄层交替重叠的层状组织,即即P P型型组织。组织。工程材料
16、及其热处理-317 等等温温温温度度越越低低,F,F层层和和FeFe3 3C C层层越越薄薄,层层间间距距越越小小,硬度越高硬度越高。为为区区别别,对对层层间间距距不不同同的的P P型型组组织织分分别别称称为为珠珠光光体体(P)(P)、索索氏氏体体(S)(S)和和托托氏氏体体(T)(T),它它们们并并无无本本质质区区别别,也无严格界限也无严格界限,只是形态上只是形态上不同不同。贝氏体型转变贝氏体型转变 过过冷冷A A在在550550M Ms s温温度度范范围围等等温温时时,将将发发生生贝氏体型贝氏体型(B)(B)转变。转变。工程材料及其热处理-318 因因转转变变温温度度较较低低,原原子子扩扩
17、散散差差,FeFe3 3C C已已经经很很难难聚聚集集长长大大呈呈层层状状。此此时时,转转变变产产物物为为F F及及其其内内分分布布着着弥弥散散的的碳碳化化物物所所形形成成的的亚亚稳稳组组织织,称称为为贝贝氏氏体体,用用美国冶金学家名字命名美国冶金学家名字命名,符号符号B B来表示。来表示。等等温温温温度度不不同同,贝贝氏氏体体的的形形态态也也不不同同,分分为为上上贝贝氏体氏体(B(B上上)和下贝氏体和下贝氏体(B(B下下)。(B(B上上)组组织织形形态态呈呈羽羽毛毛状状,强强度度较较低低,塑塑性性和和韧韧性性较差较差;工程材料及其热处理-319 (B(B下下)组组织织形形态态呈呈黑黑色色针针
18、状状,强强度度较较高高,塑塑性性和和韧韧性也较好性也较好,综合力学性能好。综合力学性能好。马氏体型转变马氏体型转变 1)1)马氏体马氏体(M)(M)型转变的特点型转变的特点 过过冷冷A A转转变变为为M M是是非非扩扩散散型型转转变变,因因转转变变温温度很低度很低,铁和碳原子都不能进行扩散。铁和碳原子都不能进行扩散。铁铁原原子子沿沿A A一一定定晶晶面面,集集中中的的(不不改改变变相相互互位位置置关系关系)作一定距离的移动作一定距离的移动(不超过一个原子间距不超过一个原子间距),),工程材料及其热处理-320 使使面面心心立立方方晶晶格格转转变变为为体体心心正正方方晶晶格格,碳碳原原子子原原地
19、地不不动动,过过饱饱和和地地留留在在新新组组成成的的晶晶胞胞中中;增增大大了了其其正方度正方度c/a c/a。M M就是碳在就是碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体。过过饱饱和和碳碳使使-Fe-Fe的的晶晶格格发发生生很很大大畸畸变变,形形成成很强的固溶强化。很强的固溶强化。M M高速长大高速长大,连续转变过程连续转变过程 A A冷冷却却到到M Ms s点点以以下下后后,无无孕孕育育期期,瞬瞬时时转转变变为为M M。随着温度下降。随着温度下降,过冷过冷A A是不断连续转变为是不断连续转变为M M。工程材料及其热处理-321 MM转变留有转变留有A A M M转转变变有有不不完完全全
20、性性,即即使使冷冷至至M Mf f也也要要残残留留少少量量奥奥氏氏体体(A(A)。A A的的含含量量与与M Ms s(M(M转转变变开开始始线线)、M Mf f (M(M转变终了线转变终了线)的位置有关。的位置有关。奥奥氏氏体体A A中中的的碳碳含含量量越越高高,M,Ms s,M,Mf f就就越越低低,A A含含量量就就越高越高。通通常常在在碳碳含含量量高高于于0.6%0.6%时时,在在转转变变产产物物中中应应标标上上A A,碳含量少于碳含量少于0.6%0.6%时时,A,A可忽略可忽略.工程材料及其热处理-322 MM形成时体积要膨胀形成时体积要膨胀 膨膨胀胀要要产产生生内内应应力力,淬淬火火
21、冷冷却却又又快快,使使工工件件表表面面和和心心部部产产生生温温差差而而引引起起热热应应力力。两两者者“一一起起叫叫劲劲”是造成工件淬火是造成工件淬火变形和开裂变形和开裂的主因。的主因。3)3)马氏体的形态与特点马氏体的形态与特点 过冷过冷A A在在M Ms s温度以下将产生温度以下将产生M M型转变型转变。M M是是碳碳和和合合金金元元素素在在-Fe-Fe中中溶溶解解而而形形成成的的过过饱和固溶体饱和固溶体,用符号用符号M M表示。表示。工程材料及其热处理-323 M M是是单单相相的的亚亚稳稳组组织织,是是以以德德国国冶冶金金学学家家A.MartensA.Martens的名字命名的的名字命名
22、的。M M具具有有体体心心正正方方晶晶格格,当当发发生生M M型型转转变变时时,过过冷冷A A中中的的碳碳全全部部保保留留在在M M中中,形形成成过过饱饱和和的的固固溶溶体体,产产生严重的晶格畸变。生严重的晶格畸变。M M的的组组织织形形态态因因其其成成分分和和形形成成条条件件而而异异,通通常常分为分为板条板条M M和片状和片状M M两种基本类型。两种基本类型。板板条条M M在在光光学学显显微微镜镜下下所所看看到到的的只只是是边边缘缘不不规规则的块状则的块状,故亦称为故亦称为块状块状M M。工程材料及其热处理-324 板板条条M M主主要要产产生生于于低低碳碳钢钢的的淬淬火火组组织织中中,在在
23、高高倍倍透透射射电电镜镜下下可可看看到到板板条条M M内内有有大大量量位位错错缠缠结结的的亚结构亚结构,所以所以低碳低碳M M也称也称位错位错M M。片片状状M M其其单单个个晶晶体体的的立立体体形形态态呈呈双双凸凸透透镜镜状状,因因每每个个M M的的厚厚度度与与径径向向尺尺寸寸相相比比很很小小,所所以以粗粗略略地地说是片状说是片状,故我国通常称为故我国通常称为片状片状M M。因因在在金金相相磨磨面面上上观观察察到到的的通通常常都都是是与与M M片片成成一一定角度的截面定角度的截面,呈针状呈针状,故亦称为故亦称为针状针状M M。工程材料及其热处理-325 针针状状M M主主要要产产生生于于高高
24、碳碳钢钢的的淬淬火火组组织织中中,高高倍倍透透射射电电镜镜分分析析表表明明,针针状状M M内内有有大大量量孪孪晶晶,因因此此针针状状M M又称孪晶又称孪晶M M 。M M具有高的硬度和强度具有高的硬度和强度,是是M M主要特点。主要特点。M M硬度硬度取决于含碳量取决于含碳量,塑性和韧性取决于组织塑性和韧性取决于组织。板板条条M M具具有有较较高高硬硬度度、较较高高强强度度与与较较好好塑塑性性和和韧性相配合的良好的综合力学性能。韧性相配合的良好的综合力学性能。针针片片状状M M具具有有比比板板条条M M更更硬硬,脆脆性性大大,塑塑性性和和韧韧性较差。性较差。工程材料及其热处理-326 2.2.
25、过冷奥氏体的转变曲线过冷奥氏体的转变曲线 过过冷冷A A的的转转变变产产物物决决定定于于过过冷冷A A的的转转变变温温度度,而而转变温度又与冷却方式和冷却速度有关。转变温度又与冷却方式和冷却速度有关。要要了了解解过过冷冷A A的的转转变变量量与与转转变变时时间间的的关关系系,必必须须了解过冷了解过冷A A的的等温转变曲线等温转变曲线和和连续冷却曲线连续冷却曲线。奥氏体的等温转变奥氏体的等温转变 1)1)奥氏体的等温转变曲线奥氏体的等温转变曲线 过过冷冷A A等等温温转转变变曲曲线线是是表表示示过过冷冷A A在在不不同同过过冷冷度下的等温过程中度下的等温过程中,转变温度、转变时间与转变转变温度、
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