第1章-铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织课件.ppt
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1、金属材料及热处理金属材料及热处理北京科技大学材料学院材料学系北京科技大学材料学院材料学系_第一章第一章铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织一、铁碳相图一、铁碳相图图图1.1Fe-Fe3C相图相图_二、铁碳合金的凝固过程二、铁碳合金的凝固过程通常按有无共晶转变将通常按有无共晶转变将Fe-C合金分为钢合金分为钢和铸铁两部分,即含和铸铁两部分,即含C量量2.11%的为铸铁。按组织分为工业的为铸铁。按组织分为工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。口铸铁。_三、铁
2、碳合金中的碳化物三、铁碳合金中的碳化物1)渗碳体(渗碳体(Cementite):):Fe3C,是一种,是一种具有复杂晶体结构的化合物,属于正交晶具有复杂晶体结构的化合物,属于正交晶系。系。2)碳化物:碳化物:Fe2.4C,具有密集六角点阵结构,具有密集六角点阵结构,是亚稳相。是亚稳相。3)碳化物:又称碳化物:又称Hgg碳化物,碳化物,Fe2.2C或或Fe2C5,具有底心单斜点阵。,具有底心单斜点阵。_第二章第二章 钢的热处理原理和工艺钢的热处理原理和工艺 第一节第一节 概述概述 钢的热处理:通过加热、保温和冷却的方钢的热处理:通过加热、保温和冷却的方法,来改变钢内部组织结构,从而改善其法,来改
3、变钢内部组织结构,从而改善其性能的一种工艺。性能的一种工艺。热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段,它可用温度一时间坐标图形来三个阶段,它可用温度一时间坐标图形来表示,称为热处理工艺曲线。表示,称为热处理工艺曲线。_加热加热保温保温冷却冷却温度温度时间时间图图2.1热处理工艺曲线热处理工艺曲线_第二节第二节 钢加热时的组织转变钢加热时的组织转变图图2.2加热和冷却速度对临界温度的影响加热和冷却速度对临界温度的影响_一、奥氏体的形成过程一、奥氏体的形成过程(以共析钢为例以共析钢为例)+Fe3C0.0218%C6.69%C0.77%CA2正交正交A11.形
4、核形核2.长大长大3.残余渗碳体的溶解残余渗碳体的溶解4.奥氏体的均匀化奥氏体的均匀化_二、共析钢奥氏体的等温形成动力学二、共析钢奥氏体的等温形成动力学图图2.3共析钢奥氏体等温形成动力学曲线和共析钢奥氏体等温形成动力学曲线和等温形成图示意图等温形成图示意图_图图2.4共析钢奥氏体等温形成图共析钢奥氏体等温形成图_奥氏体等温形成动力学的影响因素:奥氏体等温形成动力学的影响因素:1.温度温度2.原始组织原始组织3.合金元素合金元素_三、奥氏体晶粒大小及其影响因素三、奥氏体晶粒大小及其影响因素 晶粒大小及其表示方法晶粒大小及其表示方法:采用与标准金相采用与标准金相图片相比较的方法,来确定晶粒度的级
5、别,晶图片相比较的方法,来确定晶粒度的级别,晶粒度的级别粒度的级别N N和放大和放大100100倍时每平方英寸倍时每平方英寸(6.45cm6.45cm2 2)视野中的平均晶粒数视野中的平均晶粒数n n的关系为:的关系为:_图图2.5奥氏体晶粒度示意图奥氏体晶粒度示意图_ 晶粒度:晶粒大小的尺度。晶粒度:晶粒大小的尺度。1 1 起始晶粒度起始晶粒度 2 2 实际晶粒度实际晶粒度 3 3 本质晶粒度本质晶粒度_图图2.6两类钢的平均晶粒直径随加热温度的变化两类钢的平均晶粒直径随加热温度的变化_ 晶粒大小的影响因素:晶粒大小的影响因素:1 1 加热温度和保温时间加热温度和保温时间 2 2 加热速度加
6、热速度 3 3 合金元素合金元素_过热:由于加热工艺不当过热:由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时加热温度过高、保温时间过长等间过长等)而引起实际奥氏体晶粒粗大,在随后而引起实际奥氏体晶粒粗大,在随后的淬火或正火得到十分粗大的组织,从而使钢的的淬火或正火得到十分粗大的组织,从而使钢的机械性能严重恶化,此现象称为过热。机械性能严重恶化,此现象称为过热。通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织通过正火、退火的重结晶可以消除过热组织(非平非平衡组织则难以消除衡组织则难以消除)。过烧:由于加热工艺不当过烧:由于加热工艺不当(加热温度过高、保温时加热温度过高、保温时间过长等间过长等)而引起奥氏体晶界熔化
7、的现象称为过而引起奥氏体晶界熔化的现象称为过烧。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织。烧。通过正火、退火的重结晶不能消除过烧组织。_第三节第三节 过冷奥氏体转变图过冷奥氏体转变图过冷奥氏体:奥氏体冷却到临界温度以下,过冷奥氏体:奥氏体冷却到临界温度以下,处处于热力学不稳定状态,称为过冷奥氏体。于热力学不稳定状态,称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的冷却方式:等温冷却和连续过冷奥氏体的冷却方式:等温冷却和连续冷却冷却_一、共析钢的过冷奥氏体等温转变图一、共析钢的过冷奥氏体等温转变图(TTT)(TTT)1 1、过冷奥氏体等温转变图的建立、过冷奥氏体等温转变图的建立图图2.6共析钢过冷奥氏体等温转变图共析
8、钢过冷奥氏体等温转变图_图图2.7亚共析钢过冷奥氏体等温亚共析钢过冷奥氏体等温转变图转变图图图2.8过共析钢过冷奥氏体等温过共析钢过冷奥氏体等温转变图转变图_2 2、影响过冷奥氏体等温转变图的因素、影响过冷奥氏体等温转变图的因素1)1)含含C C量量2)2)合金元素合金元素3)3)加热条件加热条件4)4)原始组织原始组织5)5)应力应力6)6)塑性变形塑性变形_3、过冷奥氏体等温转变图的应用、过冷奥氏体等温转变图的应用TTT图是制定等温热处理工艺的有效依图是制定等温热处理工艺的有效依据,例如:等温淬火、等温退火等。据,例如:等温淬火、等温退火等。_二、过冷奥氏体的连续冷却转变二、过冷奥氏体的连
9、续冷却转变1、过冷奥氏体连续冷却转变图、过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT)的建立的建立图图2.9共析钢过冷奥氏体连续冷共析钢过冷奥氏体连续冷却转变图却转变图_图图2.10亚共析钢和过共析钢过冷亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变图奥氏体连续冷却转变图_2、过冷奥氏体连续冷却转变图、过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT)的应用的应用CCT图是制定连续冷却热处理工艺的有图是制定连续冷却热处理工艺的有效依据:预测热处理后零件的组织和性能;效依据:预测热处理后零件的组织和性能;确定临界冷速;选择淬火介质。确定临界冷速;选择淬火介质。_3、共析钢、共析钢CCT曲线与曲线与TTT曲线的对比曲线的对比图图2
10、.11共析钢过冷奥氏体共析钢过冷奥氏体CCT曲曲线与线与TTT曲线的比较曲线的比较_第四节第四节 珠光体转变珠光体转变珠光体转变:共析钢奥氏体化后,过冷到珠光体转变:共析钢奥氏体化后,过冷到A1至至“鼻尖鼻尖”之间区域等温停留时,将发之间区域等温停留时,将发生共析转变,形成珠光体组织。生共析转变,形成珠光体组织。转变温度:转变温度:A1以下以下转变形式:转变形式:+Fe3C相变特点:扩散性相变相变特点:扩散性相变_一、珠光体形态和性能一、珠光体形态和性能 1.1.珠光体形态珠光体形态片状珠光体片状珠光体粒状珠光体粒状珠光体珠光体珠光体索氏体索氏体屈氏体屈氏体2.2.性能性能片状珠光体:片间距越
11、小,强度、硬度升高,范性变好。片状珠光体:片间距越小,强度、硬度升高,范性变好。粒状珠光体:与片状珠光体相比,硬度、强度较低,范性较高。粒状珠光体:与片状珠光体相比,硬度、强度较低,范性较高。_图图2.11片状珠光体的形成示意图片状珠光体的形成示意图二、片状珠光体的形成过程二、片状珠光体的形成过程1、分片形成机理、分片形成机理_图图2.11片状珠光体形成时片状珠光体形成时C原子的扩散示意图原子的扩散示意图_2、分支形成机理、分支形成机理与片状珠光体的形成机理相似,只是在分枝形与片状珠光体的形成机理相似,只是在分枝形成机理中珠光体区域的铁素体和渗碳体具有相同成机理中珠光体区域的铁素体和渗碳体具有
12、相同的取向,渗碳体的晶核形成后,向前长大过程中的取向,渗碳体的晶核形成后,向前长大过程中不断分枝,而铁素体协调的在渗碳体枝间形成,不断分枝,而铁素体协调的在渗碳体枝间形成,从而形成渗碳体和铁素体的两相混合组织。从而形成渗碳体和铁素体的两相混合组织。_三、粒状珠光体三、粒状珠光体 粒状珠光体是渗碳体以颗粒的形式分布粒状珠光体是渗碳体以颗粒的形式分布在铁素体基体上。在铁素体基体上。形成的先决条件是奥氏体化温度较低,形成的先决条件是奥氏体化温度较低,此时奥氏体中残存未溶渗碳体质点和高碳此时奥氏体中残存未溶渗碳体质点和高碳区,缓冷至区,缓冷至A1A1以下较小过冷度下,高碳区以下较小过冷度下,高碳区非自
13、发形核或未熔碳化物直接长大成渗碳非自发形核或未熔碳化物直接长大成渗碳体颗粒,周围的低碳区变成铁素体,从而体颗粒,周围的低碳区变成铁素体,从而形成粒状珠光体。形成粒状珠光体。_四、亚四、亚(过过)共析钢的珠光体转变共析钢的珠光体转变 伪共析组织:非共析成分的合金在冷却伪共析组织:非共析成分的合金在冷却过程中却获得类似共析成分的组织。过程中却获得类似共析成分的组织。离异共析:共析组织中与先共析相相同离异共析:共析组织中与先共析相相同的相依附先共析相成长,另一相孤立的分的相依附先共析相成长,另一相孤立的分布在先共析相之间,失去共晶组织的特征。布在先共析相之间,失去共晶组织的特征。_图图2.12Fe-
14、Fe3C准平衡相图准平衡相图T1T2_第五节第五节 马氏体转变马氏体转变概念:将钢加热奥氏体化,以大于概念:将钢加热奥氏体化,以大于vk的冷却速度快的冷却速度快冷至冷至Ms点以下,将产生马氏体转变,习惯上将通点以下,将产生马氏体转变,习惯上将通过切变进行点阵重构,而无成分变化的非扩散性过切变进行点阵重构,而无成分变化的非扩散性相变,称为马氏体转变。相变,称为马氏体转变。相变温度范围:相变温度范围:Ms-Mf之间之间相变特点:切变、无扩散、非恒温转变相变特点:切变、无扩散、非恒温转变_一、马氏体的晶体结构一、马氏体的晶体结构晶体结构类型:体心立方和体心正方晶体结构类型:体心立方和体心正方马氏体正
15、方度:马氏体正方度:c轴与轴与a轴长度的比值,即轴长度的比值,即c/a,称为马氏体的正方度。当,称为马氏体的正方度。当c/a1时,时,称为正方马氏体,称为正方马氏体,c/a=1时称为立方马氏时称为立方马氏体。体。_二、马氏体的组织形态二、马氏体的组织形态 片状马氏体:内部由孪晶组成片状马氏体:内部由孪晶组成 板条马氏体:内部存在大量的位错板条马氏体:内部存在大量的位错图图2.13板条马氏体与片状马氏体板条马氏体与片状马氏体_图图2.14马氏体形态与马氏体形态与C含量之间的关系含量之间的关系_三、马氏体的性能三、马氏体的性能高强度、高硬度高强度、高硬度图图2.15马氏体硬度与马氏体硬度与C含量之
16、间的关系含量之间的关系_四、马氏体转变的特点四、马氏体转变的特点表面浮凸、共格相界面、非恒温转变表面浮凸、共格相界面、非恒温转变 _五、奥氏体的稳定化五、奥氏体的稳定化 热稳定化热稳定化 机械稳定化机械稳定化 化学稳定化化学稳定化_第六节第六节 贝氏体转变贝氏体转变定义:将奥氏体化的钢过冷到定义:将奥氏体化的钢过冷到Bs(约约550)至至Ms温度范围等温,将产生贝氏体转变,温度范围等温,将产生贝氏体转变,也称中温转变。也称中温转变。贝氏体的组成:铁素体贝氏体的组成:铁素体+碳化物碳化物形成温度:上贝氏体,形成温度:上贝氏体,350-400以上至以上至Bs下贝氏体,下贝氏体,350-400以下至
17、以下至Ms_一、贝氏体的组织形态一、贝氏体的组织形态上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体_二、贝氏体的形成过程二、贝氏体的形成过程上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体粒状贝氏体粒状贝氏体_三、贝氏体性能三、贝氏体性能上贝氏体:强度较低、范性和韧性较差上贝氏体:强度较低、范性和韧性较差下贝氏体:相对于上贝氏体来说,强度下贝氏体:相对于上贝氏体来说,强度和韧性较好和韧性较好_第七节第七节 钢在回火时的转变钢在回火时的转变回火:淬火钢件加热到低于回火:淬火钢件加热到低于A1A1的某一温度,的某一温度,保温一段时间,然后冷却至室温的热保温一段时间,然
18、后冷却至室温的热 处理工艺,是淬火后必须进行的热处处理工艺,是淬火后必须进行的热处 理工艺。理工艺。_一、淬火钢在回火时的组织转变一、淬火钢在回火时的组织转变五个阶段:五个阶段:1)马氏体中碳原子的偏聚马氏体中碳原子的偏聚(100以下以下)2)马氏体分解马氏体分解(100-350)3)残余奥氏体分解残余奥氏体分解(200-300)4)碳化物的转变碳化物的转变(250-400)5)碳化物的聚集长大和碳化物的聚集长大和相回复相回复再结晶再结晶(400以上以上)_二、回火转变组织二、回火转变组织1)回火马氏体回火马氏体(150-250)2)回火屈氏体回火屈氏体(350-500)3)回火索氏体回火索氏
19、体(500-650)4)粒状珠光体粒状珠光体(650-A1)_三、淬火钢在回火时力学性能的变化三、淬火钢在回火时力学性能的变化随着回火温度的升高,淬火钢力学性能随着回火温度的升高,淬火钢力学性能总的变化趋势是:硬度和强度下降,而总的变化趋势是:硬度和强度下降,而塑性和韧性提高。塑性和韧性提高。_四、钢的回火脆性四、钢的回火脆性 1)1)低温回火脆性低温回火脆性(250-400(250-400)2)2)高温回火脆性高温回火脆性(450-650(450-650)五、淬火后回火产物与五、淬火后回火产物与A A直接分解产物性能直接分解产物性能 比较比较_第八节第八节 退火和正火退火和正火一、钢的退火一
20、、钢的退火1.概念:将钢加热到临界点概念:将钢加热到临界点Ac1以上或以下以上或以下一定温度,保温一定时间,然后缓慢冷却,一定温度,保温一定时间,然后缓慢冷却,以获得接近平衡状态的组织。以获得接近平衡状态的组织。_2.2.目的:目的:1)1)消除铸锭的成分偏析,使成分均匀化;消除铸锭的成分偏析,使成分均匀化;2)2)消除铸锻件中的魏氏组织或带状组织,消除铸锻件中的魏氏组织或带状组织,细化晶粒和均匀组织;细化晶粒和均匀组织;3)3)降低硬度,提高塑性,以便于切削加降低硬度,提高塑性,以便于切削加 工;工;4)4)改善高碳钢中碳化物的形态和分布,为改善高碳钢中碳化物的形态和分布,为 淬火作组织准备
21、。淬火作组织准备。_3.退火的分类退火的分类扩散退火扩散退火完全退火完全退火普通退火普通退火不完全退火不完全退火再结晶退火再结晶退火软化退火软化退火去氢退火去氢退火等温退火等温退火_二、钢的正火(Normalization)1.概念:将钢加热到将钢加热到Ac3或或Accm以上以上30-50或者更高温度,保温足够的时间,然或者更高温度,保温足够的时间,然后在静止的空气中冷却的热处理工艺。后在静止的空气中冷却的热处理工艺。_2.正火后的组织正火后的组织根据钢中过冷奥氏体的稳定性和钢的截面根据钢中过冷奥氏体的稳定性和钢的截面大小,正火后可以获得不同的组织,如粗大小,正火后可以获得不同的组织,如粗细不
22、同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。的混合组织。_3.目的目的1)对于大锻件、截面较大的钢材、铸对于大锻件、截面较大的钢材、铸件,用正火细化晶粒,均匀组织,件,用正火细化晶粒,均匀组织,为淬火作好组织准备,此时正火相为淬火作好组织准备,此时正火相当于退火的效果;当于退火的效果;2)应用于低碳钢提高硬度,改善切削应用于低碳钢提高硬度,改善切削加工性能;加工性能;3)作为普通结构零件的最终热处理;作为普通结构零件的最终热处理;4)用于过共析钢,消除网状渗碳体。用于过共析钢,消除网状渗碳体。_第九节第九节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火一、钢的淬火一、钢的淬
23、火 概念:将钢加热到临界点概念:将钢加热到临界点Ac1Ac1或或Ac3Ac3以上一以上一定温度,保温一定时间,然后在水或油等定温度,保温一定时间,然后在水或油等冷却介质中快速冷却。冷却介质中快速冷却。目的:把奥氏体化的工件淬成马氏体,以目的:把奥氏体化的工件淬成马氏体,以便在适当温度回火时,获得所需要的力学便在适当温度回火时,获得所需要的力学性能。性能。强化钢材最重要的热处理方法。强化钢材最重要的热处理方法。_1.淬火工艺参数的选择淬火工艺参数的选择1)加热温度:加热温度:亚共析碳钢:亚共析碳钢:Ac3+3050共析碳钢以及过共析碳钢:共析碳钢以及过共析碳钢:Ac1+3050_2)保温时间:工
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