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1、第四章,钢的过冷奥氏体转变及热处理,主要内容,4.1 过冷奥氏体转变类型4.2 过冷奥氏体等温转变4.3 过冷奥氏体连续冷却转变4.4 常规热处理方法4.5 热处理常用设备,4.1过冷奥氏体转变类型,过冷奥氏体,钢加热至临界点以上，保温一定时间，将形成高温稳定组织A。A冷却至临界点以下，就不再是稳定组织，一般称过冷A。过冷A在不同的冷却条件下，最终可能转变为P、B、M或混合组织，从而导致钢材最终性能的多样性。,4.1过冷奥氏体转变类型,转变类型,依据转变机制和转变温度不同，过冷奥氏体转变分为：珠光体转变（高温转变）贝氏体转变（中温转变）马氏体转变（低温转变）,4.1过冷奥氏体转变类型,（1）珠
2、光体转变,扩散型转变钢在退火和正火时所发生的都是珠光体转变，退火和正火既可作为预先热处理，也可作为最终热处理（可直接交付使用）,4.1过冷奥氏体转变类型,P（F+Fe3C）,4.1过冷奥氏体转变类型,片状P和颗粒状P的力学性能如何？,片状珠光体的强度、硬度以及塑性均随着珠光体团直径和片间距的减小而升高。粒状珠光体与片状珠光体相比，在成分相同的情况下，粒状珠光体的强度、硬度稍低，塑性较好，可切削加工性好，对刀具磨损小，加热淬火时的变形、开裂倾向小。高碳钢在机加工和热处理前常要求先进行球化处理得到粒状珠光体组织。,4.1过冷奥氏体转变类型,（2）贝氏体转变,中温转变（也是F和Fe3C的混合物）铁原
3、子难以扩散，碳原子扩散能力下降转变机制不同形态：上贝氏体（350-550）下贝氏体（Bs-350）与上贝氏体相比，下贝氏体具有较高的强度和硬度，同时塑性和韧性也较好。因此生产中常采用等温淬火方法以获得下贝氏体组织来改善钢的机械性能，并能减小淬火内应力及变形、开裂倾向。,4.1过冷奥氏体转变类型,上贝氏体,下贝氏体,4.1过冷奥氏体转变类型,（3）马氏体转变,低温转变（淬火-主要的强化手段）铁、碳原子均无扩散能力-无扩散型转变转变机制-晶格改组组织形态：片状马氏体（高碳钢）板条状马氏体（低碳钢）,4.1过冷奥氏体转变类型,片状马氏体,板条状马氏体,4.1过冷奥氏体转变类型,4.2 过冷奥氏体等温
4、转变,平衡冷却不考虑时间因素，dt/d0非平衡冷却受时间的影响1.dt/d=0 等温冷却（TTT图或IT图）2.dt/d=C连续冷却（CCT图或CT图）3.dt/d=f(t)一般热处理的冷却条件,冷却条件分类,4.2.1 过冷A的TTT图,奥氏体等温形成动力学图,Mf,B上,B下,A,P,1、TTT图及其特点,过冷A分为三个温度区：高温区：临界点以下由高温向低温：珠光体索氏体屈氏体低温区：Ms点以下为M中温区：上贝氏体下贝氏体转变开始线，终了线孕育期、鼻子,4.2.1 过冷A的TTT图,2、TTT图的测定方法,金相硬度法：膨胀法：利用钢在相变时发生的比容变化来测定磁性法：利用A为顺磁性，而转变
5、产物为铁磁性的特性电阻法：利用转变产物与过冷A具有不同的电阻率的特点,4.2.1 过冷A的TTT图,共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图,4.2.1 过冷A的TTT图,TTT图的测定方法-热分析法,样品和参比物同时进行升温，当样品未发生物理或化学状态变化时，样品温度和参比物温度相同,相应的温差电势为0。当样品发生物理或化学变化而发生放热或吸热时，样品温度高于或低于参比物温度，产生温差。,4.2.1 过冷A的TTT图,4.2.2 TTT图的基本类型,单C形,双C形，P转变滞后,双C形，B转变滞后,只有B转变,只有P转变,TTT图基本类型,（1）具有单一C形曲线（碳钢、含硅、镍等合金钢）（2）双C形，
6、珠光体转变向右显著推移（3）双C形，贝氏体转变向右推移（4）只有贝氏体转变的C曲线（5）只有珠光体转变的C曲线（6）在Ms点以上整个温度区间不出现C曲线（奥氏体钢）,4.2.2 TTT图的基本类型,亚共析钢P等温转变 过共析钢P等温转变动力学图 动力学图,4.2.2 TTT图的基本类型,普通碳素共析钢TTT图,4.2.2 TTT图的基本类型,4.2.3 影响过冷ATTT图的因素,（1）碳含量 随着碳含量的增加，奥氏体稳定性增大，C曲线位置向右移动。对于过共析钢，加热到Ac1以上一定温度，随着碳含量增加，奥氏体碳含量不增加，而未溶渗碳体增多，促进奥氏体分解，故C曲线左移；过共析钢只有加热到Acm
7、以上，渗碳体才完全溶解，碳含量的增加才使C曲线右移。对于碳钢，共析钢的过冷奥氏体最稳定，其C曲线处于最右边的位置。,（2）Me 除Co、Al外，均使C曲线右移，即增加了过冷A的稳定性。,4.2.3 影响过冷ATTT图的因素,（3）A晶粒尺寸和均匀化程度细小晶粒有利于P形核，使P转变线左移A均匀化程度越高，曲线右移，并使Ms点下降（4）奥氏体塑性变形的影响形变可使奥氏体晶粒细化（通过再结晶），或增加亚结构（位错、孪晶、滑移带），将加速P转变,4.2.3 影响过冷ATTT图的因素,4.3 过冷奥氏体连续冷却转变,与等温转变规律差别较大连续冷却时，在一定温度范围内进行转变，转变往往重叠，组织不均匀过
8、冷奥氏体的连续冷却转变图-CCT图（Continuous-Cooling-Transformation）是实际生产中研究转变过程的重要依据,4.3.1连续转变动力学图的建立,CCT曲线的测定比较困难综合运用各种方法（膨胀法、端淬法、金相硬度法、热分析法及磁性法）来测定CCT曲线，其中端淬法应用较多。,4.3.1 连续转变动力学图的建立,有一组冷却曲线，曲线的终端数字表示在该冷却速度下转变产物的硬度值冷却曲线和转变终了点交点处的数字为转变产物的百分量Ms点右侧为斜线，因为P、B转变提高了A中的碳含量，使Ms点下降。,4.3.2 过冷奥氏体CCT图特点,中碳钢（0.46C）的过冷奥氏体连续冷却转变
9、图,4.3.2 过冷奥氏体CCT图特点,4.3.3 CCT图与TTT图的比较,（1）连续冷却转变CCT曲线都处于同种材料的等温转变TTT曲线的右下方。（2）从形状上看，连续冷却转变CCT曲线不论是珠光体转变区还是贝氏体转变区，都只有相当于等温转变TTT曲线的上半部。（3）碳钢连续冷却时可使中温的贝氏体转变被抑制。（4）合金钢连续冷却时可以有珠光体转变而无贝氏体转变，也可以有贝氏体转变而无珠光体转变，或者两者兼而有之。,共析碳钢的CCT图,4.3.3 CCT图与TTT图的比较,4.3.3 CCT图与TTT图的比较,4.3.4 钢的临界冷却速度,在连续冷却时，使过冷奥氏体不发生分解，完全转变为马氏
10、体（包括残余奥氏体）的最低冷却速度称为临界淬火速度，通常以Vc表示,Cr12钢的CCT图 中碳Cr-Mn-V钢的CCT图,4.3.4 钢的临界冷却速度,4.3.5 TTT图和CCT图的应用,钢的TTT图与CCT图是合理制订热处理工艺规程和发展新的热处理工艺的重要依据；对于分析研究各种钢材在不同热处理条件下的金相组织和机械性能，合理选用钢材等方面也有重要的参考作用，因此它在生产实践和科学研究方面应用较广，具有重要的实际意义。,（1）预测热处理后零件的组织及性能,如果已知零件的冷却速度，就可以利用CCT图判定组织状态和硬度，从而判定其组织和性能。,4.3.5 TTT图和CCT图的应用,（2）确定淬
11、火临界冷却速度,淬火临界冷却速度（Vc）是保证A在冷却过程中不发生分解而全部过冷到M区的最小冷速。在TTT图上，先叠绘出一条与TTT曲线鼻子相切的冷却曲线Vc，由此得到从临界点A1到鼻子温度tm的平均冷速Vc.,4.3.5 TTT图和CCT图的应用,（3）确定工艺规程,钢的TTT图可以直接用来确定有关的热处理工艺规程。例如：普通退火和等温退火。普通退火时，可借助于TTT确定钢在慢冷时大致的转变温度范围和所需的冷却时间；等温退火时，可直接从TTT图上确定所需的等温温度和等温时间，并可估计出其应得组织。,4.3.5 TTT图和CCT图的应用,4.3.5 TTT图和CCT图的应用,4.3.5 TTT
12、图和CCT图的应用,4.4 常规热处理方法,问题：钢硬度高，切削加工困难大变形后强度硬度增加，使继续变形困难成分不均匀，偏析形成网状渗碳体冷加工切削后存在较大应力如何解决？,4.4 常规热处理方法,不同的零件如何进行热处理？,4.4 常规热处理方法,大火箭总体结构,4.4 常规热处理方法,三峡升船机，提升重量3000吨级，利用齿轮齿条带去升降，要求耐磨，高强，高韧性。热处理：采用正火，调质，表面高频淬火,4.4 常规热处理方法,热处理分类,退火普通热处理 正火（四火）淬火 回火 高频加热 表面处理 火焰加热 表面热处理 渗碳 渗氮 化学热处理 碳氮共渗 渗金属,4.4 常规热处理方法,4.4.
13、1 钢的退火,退火是钢的热处理工艺中应用最广，花样最多的一种工艺。退火是将钢加热到适当的温度，经过保温后以适当的速度冷却的一种处理目的：降低硬度、改善组织、提高加工性能。,4.4.1 钢的退火,退火的分类,完全退火等温退火球化退火扩散退火（均匀化退火）再结晶退火去应力退火,4.4.1 钢的退火,完全退火与不完全退火,定义：完全退火：加热使钢完全得到均匀奥氏体，再缓慢冷却的工艺。亚共析钢TAc3，过共析钢TAccm(能否采用?）不完全退火：加热到A1-Accm之间（过共析钢）目的：获得低硬度，改善组织和切削加工性，消除内应力冷却方式：随炉冷却组织：接近平衡状态的组织,4.4.1 钢的退火,等温退
14、火,温度与完全退火相同，冷却时则在Ar1以下的某一温度等温，使之发生P转变，然后出炉空冷到室温。特点：由TTT图可知，等温退火可缩短退火时间，所得组织更均匀。,4.4.1 钢的退火,球化退火,目的：得到球化体组织具有最佳塑性、最低硬度（预处理）应用：塑性有利于低碳钢和中碳钢的冷成形 低硬度有利于工具钢和轴承钢最终热处理前 的切削加工。获得球化体的途径：P的球化由A转化为球化体M在高温下（低于A1）分解调质 处理,4.4.1 钢的退火,扩散退火（均匀化退火）,目的：消除钢锭钢铸件中不可避免的成分偏析温度：远高于Ac3，一般为11001200时间：1h/25mm截面厚为了节省能耗，一般在钢开坯后锻
15、轧加热时，适当延长保温时间,4.4.1 钢的退火,低温退火（消除应力退火）,目的：消除因冷加工或切削工以及热加工后快冷而引起的残余应力，避免变形、开裂或随后处理的困难温度：碳钢、低合金钢550650C高合金钢600750C冷却：炉冷到500C后再空冷,4.4.1 钢的退火,再结晶退火,目的：使冷变形钢通过再结晶而恢复塑性、降低硬度，以利于随后的再变形或获得稳定的组织。温度：650C，0.51h,4.4.1 钢的退火,钢的正火,定义：将钢加热到Ac3或Accm以上3050C保温，然后空气中自然冷却。目的：细化晶粒，使组织均匀化，改善铸件的组织和低碳钢的切削加工性可作为预备处理，为随后的热处理作准
16、备可作为最终热处理，用以改善板、管、带材的力学性能,4.4.2 钢的正火,正火与退火的性能比较,4.4.2 钢的正火,常用热处理设备,箱式炉,井式炉氮化炉,4.4.2 钢的正火,连续加热炉,4.4.2 钢的正火,定义：将钢加热到临界温度以上，保温一定时间使之A化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却的一种工艺过程。组织：M，B或MB混合物；少量残余和未溶的第二相。,马氏体 贝氏体,4.4.3 钢的淬火,目的（与回火配合）,提高强韧性，如各种机器零件提高弹性，如弹簧提高耐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。提高硬度和耐磨性，如刃具、量具、模具等可见，淬火是使钢强化和获得某些特殊使用性能的主要方法。,4
17、.4.3 钢的淬火,一、淬火方法和工艺确定,4.4.3 钢的淬火,淬火可能出现的问题？淬火方式？淬火介质？,4.4.3 钢的淬火,a单液淬火 b 双液淬火 c 分级淬火d B等温淬火e M等温淬火f 预冷淬火法,按冷却方式,4.4.3 钢的淬火,1.各种淬火方法-单液淬火,加热后，置于某一种淬火介质中冷却。在整个冷却过程中，表面与中心的温差较大。会造成较大的热应力和组织应力，从而引起变形和开裂。但简便、经济，故广泛用于形状简单的工件淬火。,4.4.3 钢的淬火,双液淬火法,将加热好的工件，先于盐水中冷却至400C左右，然后迅即转到油或其它介质中。先快冷可避免过冷A分解，后慢冷可有较地降低变形和
18、开裂倾向,4.4.3 钢的淬火,分级淬火法,加热好的工件置于温度稍高于Ms点的热态淬火介质中（如融熔硝盐、熔碱或热油），保持一定时间，待工件各部分的温度基本一致时，取出空冷（或油冷）。可克服双液淬火难于操作 的不足。,4.4.3 钢的淬火,马氏体等温淬火,将加热好的工件置于温度稍低于Ms点的淬火介质中保持一定时间，使钢发生部分马氏体转变，然后取出空冷。特点：由于形成的部分马氏体组织在随后的保温过程中转变为回火马氏体，使产生的组织应力减小，变形和开裂的倾向较小。,4.4.3 钢的淬火,贝氏体等温淬火,将加热好的工件置于温度Ms点的淬火介质中，保持一定时间，使其转变成下贝氏体，然后取出空冷。特点：
19、在保证有较高强度的同时，还保持有较高的韧性；淬火变形较小。因为等温停留 可显著减少热应力和组织应力。,4.4.3 钢的淬火,预冷淬火,工件自炉中取出后在空气（或水、油）中预冷一定时间，再置于淬火介质中进行冷却的方法。特点：可减小工件在随后快冷时各处之间的温度差，从而降低淬火变形和 开裂的倾向。,4.4.3 钢的淬火,2淬火温度的确定,1）亚共析钢：Ac3+3050：可得到均匀细小的A晶粒，淬火后即可得细小的M组织。温度过低会使组织残留F，使淬火后强度、硬度都较低；温度过高，会引起A晶粒粗化，使力学性能变差。完全淬火。2）过共析钢：Ac1+3050：淬火前需进行球化退火，故再加热时得到A和粒状渗
20、碳体，淬火后则变为M和粒状渗碳体，使耐磨性提高；同时由于加热温度低，得到细小A，淬火后得到细小M（隐针）。不完全淬火,4.4.3 钢的淬火,加热温度过高（Acm）的后果,由于碳化物全部溶入A中，使淬火后钢的耐磨性降低；A晶粒粗化，淬火后得到粗大马氏体，使形成显微裂纹的倾向增大；使钢氧化、脱碳加剧，使淬火变形和开裂倾向增大。,4.4.3 钢的淬火,二、淬火介质,淬火介质要求：在中温（鼻温附近）时有较强的冷却能力，在低温时冷却慢，能降低淬火变形和开裂的倾向。,4.4.3 钢的淬火,第一类：,淬火时发生物态变化：如水，油，水溶液。介质的沸点大都低于工件的淬火加热温度，所以工件淬入时，会汽化沸腾，使工
21、件强烈散热。在工件与介质的界面上，还可以辐射、传导、对流等方式进行热交换。,水介质,油介质,4.4.3 钢的淬火,第二类：,淬火时不发生物态变化：如熔盐、熔碱、融熔金属等。介质沸点高于工件的加热温度，不会汽化，而只在工件与介质的界面上，以辐射、传导和对流的方式进行热交换。,4.4.3 钢的淬火,常用淬火介质,水：使用最早的淬火介质。价廉易得，有较强的冷却能力。盐水与碱水：在水中添加510%盐或碱，可大大提高冷却能力。油：一般用矿物油，低温区的冷速远小于水，将有利于防止工件的变形与开裂。熔盐、熔碱及金属：多用于分级淬火及等温淬火，当工件温度较高时，冷速很高；当工件接近于介质温度时，冷速迅速降低。
22、,4.4.3 钢的淬火,三、钢的淬透性,指钢在淬火时能够获得M组织的能力（即钢被淬透的能力）。是钢固有的属性。淬硬层：工件上的M组织层。意义：是正确选用钢材和制订 热处理工艺的重要依据之一。,C曲线越靠右，淬透性越好,4.4.3 钢的淬火,淬透性的确定方法：,断口检验法U曲线法临界直径法末端淬火法 是目前世界上最广泛的淬透性 试验法,4.4.3 钢的淬火,末端淬火法,（1）将加热好的试样，从炉中取出后，迅速放在立架上，并立即喷水冷却试样的末端，使该处快速冷却，约经1020min待整个试样冷却后取下。,4.4.3 钢的淬火,（2）磨平试样，沿试样长度方向，每隔一定距离测量硬度，得硬度距离的关系曲
23、线，即淬透性曲线。（3）水冷端冷却速度最大，随着至水冷端距离的增大，冷却速度逐渐减小，因而硬度也逐渐下降。,4.4.3 钢的淬火,淬透性表示方法,d 至水冷端距离；HRC该处的硬度值。如：-距水冷端5mm处试样的硬度值为HRC45。,4.4.3 钢的淬火,四 淬火缺陷及防止,淬火内应力：是造成变形开裂的根本原因。包括热应力，组织应力。淬火变形：几何形状和体积变化。淬火开裂：类型：纵向裂纹，横向裂纹，网状裂纹，剥离裂纹，显微裂纹。减少淬火变形和防止淬火开裂的措施1）正确选择材料和合理设计工件形状2）正确地锻造和预备热处理3）采用合适的淬火加热温度，尽量选择淬火的下限温度。,4.4.3 钢的淬火,五 淬火工艺的新发展,A晶粒的超细化处理超快速加热法快速循环加热淬火法形变热处理法K的超细化处理控制M、B组织形态及其组成的淬火,4.4.3 钢的淬火,
