金属学及热处理

温
保温
度
临界温度
热
加
冷
却
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时间
8.1.2 热处理的分类
1.根据加热冷却方式分
热处理
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普通 热处理
表面 热处理
退火;正火; 淬火;回火;
感应加 热淬火
表面淬火
火焰加 热淬火
化 学 渗碳; 渗氮; 热处理 碳氮共渗;
8.1.2 热处理的分类
2.根据处理的对象与目的不同分
类型
普通退火 完全退火
等温退火
扩散退火 普通球化 退火
球化退火 等温球化 退火
再结晶退火
去应力退火
4) 工艺参数:
名称 完全退火 球化退火 去应力退火 扩散退火
温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50
500～600 Ac3 + 150～250
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4) 工艺参数:
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1.钢的退火(Annealing of steel)
1)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 随炉冷却。
2)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。
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3) 种类
重结晶 退火
退火
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低温 退火
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钢的本质晶粒度示意图
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钢的本质晶粒度
在工业生产中，一般用铝脱氧的 钢多属于本质细晶粒钢；而只用锰 铁、硅铁脱氧的钢为本质粗晶粒钢。 沸腾钢一般都是本质粗晶粒钢，而 镇静钢一般为本质细晶粒钢。
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2.奥氏体晶粒大小对钢的 力学性能的影响
1）奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力 学性能提高。
103
104 时间(s)
3. 转变产物的组织与性能
1)珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : ➢A1～650℃ : P ; 5～25HRC;
片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
➢650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。
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2.钢的淬火 ( Quenching of steel )
1)定义: 把零件加温到临界温度以上 30 ～ 50℃,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。
2)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。
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3) 工艺参数:
名称 亚共析钢
共析钢 过共析钢
温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 Ac1 + 30～50
金属学及热处理
钢的热处理
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钢的热处理 ( Heat Treatment of Steel )
概述 钢在加热时的组织转变 钢在冷却时的组织转变 钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理工艺 热处理工艺设计 工程材料的表面处理
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8.1 概述 目的:改变钢的性能。
8.1.1 热处理的定义: 应用范围:整个制造业。
稳定的奥氏体区
A1
700
600
CCT曲线
500
400
TTT曲线
300 Ms 200
100
0 Mf
-100 0
1
10
102
103
104 时间(s)
3)在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用
温度
(℃) 800
稳定的奥氏体区
A1
V1 = 5.5℃/s : 炉冷 ; P
700 600 500
400 300 Ms 200 100
对象
目的
预备热处理 最终热处理
毛坯 成品
改善工艺性能 获得使用性能
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8.1.3 转变温度
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8.1.3 转变温度
GS
理论临界点
A3
加热时 实际临
Ac3
界点
冷却时 Ar3
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ES
PSK
Acm
A1
Accm
Ac1
Arcm
Ar1
8.2 钢在加热时的组织转变
奥氏体的形成 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响
A1
Ms 含Cr合金钢
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3)加热温度和保温时间的影响: 加热温度越高, 保温时间越长,
碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀, 提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而 使 TTT曲线向右移。
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3.过冷奥氏体的连续冷却转变
1) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线 ---- CCT 曲线
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3)工艺参数:
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四)热处理后的组织 :
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F
Fe3C
A
奥
A
氏
体
的
A 形核
形 残余Fe3C
A
成
未溶Fe3C A 长大 A
残余Fe3C溶解
A 均匀化
8.2.2 奥氏体晶粒度及对 力学性能的影响
1.奥氏体晶粒度:
1)起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。
2)实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。
3)本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃ 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。
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高碳针片状马氏体组织金相图
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⑤马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的碳浓度。
70
2000
硬度 ( HRC )
抗拉强度σb ( Mpa )
60
1800
50 1400
40 1000
30
20
600
10
200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0 Mf
-100 0
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亚共析钢的TTT曲线
A3
F A
A1
P+F S+F
T
B
M + A残
1
10
102
103
104 时间(s)
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
-100 0
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过共析钢的TTT曲线
ACM
Fe3CⅡ A
A1 P + Fe3CⅡ S + Fe3CⅡ
羽毛状
下贝氏体 B下 230℃~Ms F+Fe3C 连续
针叶状
马氏体 M Ms ~Mf 连续
过饱和α – Fe
板条（低碳） 针状(高碳）
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性能 ＜25HRC 25~35HRC 35~40HRC 40~45HRC 45~60HRC
表8-1
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 Ms 200 100
2）粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。
实际奥氏体晶粒度的控制
a.加热温度 c.加热速度
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b.保温时间 d.原始组织
8.3 钢在冷却时的组织Baidu Nhomakorabea变
钢在热处理时的冷却方式 过冷奥氏体的等温冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变
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钢在热处理时的冷却方式
T
B
M + A残
1
10
102
103
104 时间(s)
4. 影响 TTT 曲线形状 与位置的因素
1)奥氏体中含碳量的影响:
温 度
A1
亚共 析钢
过共 析钢
共析 钢
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时间
2)奥氏体中含合金元素的影响: 除Co、Al (＞2.5% ) 外,所有合金元
素溶入奥氏体中,会引起:
A1
向右移
Ms 向 下 移
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下贝氏体组织金相图
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3. 转变产物的组织与性能
3)马氏体型 ( M ) 转变 ( 230～ -50℃ ) : ①定义:马氏体是一种碳在α – Fe中的
过饱和固溶体。 ②转变特点: ➢在一个温度范围内连续冷却完成; ➢转变速度极快,即瞬间形核与长大; ➢无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ),
B上 =过饱和碳 α-Fe条状 + Fe3C细条状
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上贝氏体组织金相图
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3. 转变产物的组织与性能
2)贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) : ➢350～230℃: B下; 50～60HRC;
过饱和碳 α-Fe针叶状 Fe3C细片状 针叶状
B下 =过饱和碳 α-Fe针叶状 + Fe3C细片状
方晶格。
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④马氏体的组织形态: ➢板条状 --- 低碳马氏体(＜0.2%C );
30～50HRC ; δ = 9～17%。
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低碳板条状马氏体组织金相图
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④马氏体的组织形态: ➢针、片状 --- 高碳马氏体(＞1%C);
66HRC左右 ; δ ≈ 1%。
5)热处理后的组织 : 原始组织。
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共析钢球化退火组织 ( 化染 )
700
T10钢球化退火组织 ( 化染 )
500
2.钢的正火( Normalizing of steel )
1)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 在空气中冷却。
2)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。
温度 共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图
(℃)
800
A1
700
600
500
400 300 200 100
0
-100 0
1
10
102
103
104 时间(s)
温度 2. 共析碳钢 TTT 曲线的分析
(℃) 800
稳定的奥氏体区
A1
700 过 600 冷
奥 500 氏
+ 产
A
A向产物 转变终止线
产 物 区
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3) 工艺参数:
名称 亚共析钢
共析钢 过共析钢
温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 Accm + 30～50
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3) 工艺参数:
4)热处理后的组织:S (Wc=0.6～1.4%) S+F (Wc＜0.6%)
5) 应用范围: ①预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。 ②最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。
温 度
热 加
保温
临界温度
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连续冷却
等温冷却 时间
8.3.1 过冷奥氏体的等温冷却转变
1. 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线 ---- TTT曲线 ( C 曲线 ) T --- time T --- temperature T --- transformation
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0 Mf V4 Vk
V2 = 20℃/s : V1 空冷 ; S
V2 V3 = 33℃/s : 油冷;T+M+A残
V4 ≥ 138℃/s :
V3
水冷 ; M+A残
-100 0
1 10 102 103 104 时间(s)
8.4 钢的普通热处理工艺
一般零件生产的工艺路线: 毛坯生产 预备热处理
机械加
工 最终热处理 机械精加工 预备热处理 : 退火 ; 正火 最终热处理 : 淬火 ; 回火
C --- continuous C --- cooling T --- transformation
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2) 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图
温
度
A1
℃
A+P Pf
Ps
K Ms
炉冷 空冷
Mf
水冷 Vk 油冷
Vk1
时间( lg τ )
共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较
温度
(℃) 800
➢600～550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 35～40HRC。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索氏体形貌像
光镜形貌
电镜形貌
屈氏体形貌像
光镜形貌 电镜形貌
3. 转变产物的组织与性能
2)贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) : ➢550～350℃: B上; 40～45HRC; 过饱和碳α-Fe条状 Fe3C细条状 羽毛状
奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响
残 90
余 奥
80
氏 70
体 量
60
( % ) 50
40
30
20
10
0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Wc 100
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③马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作 用,使α – Fe晶格由体心立方变成体心正
马氏体的碳浓度 Wc 100
习题提示：P143 8-3
T8的等温 符号 形成条件 相组成物 显微组织形态 转变产物
珠光体
P A1~650℃ F+Fe3C 等温
片状
索氏体
S 650~600℃ F+Fe3C 等温
细片状
托氏体
T 600~550℃ F+Fe3C 等温
极细片状
上贝氏体 B上 550~230℃ F+Fe3C 等温
A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。
550～230℃;中温转变
400
体 区 A向产
物
区
300 Ms 物转变开始线
区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;
200
230～ - 50℃; 低温转
100
变区; 非扩散型转变;
0 Mf
马氏体 ( M ) 转变区。
-100 0
1
10
102
M与原A的成分相同,造成晶格畸变。 ➢转变不完全性, QM = f ( T )
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奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响
700 600 500
℃
温 400 度
300 Ms
200 100
0 -100
Mf
-200 0
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0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Wc 100