高二 北京理工大学出版社 《金属学与热处理》第五章 钢的热处理课件

第五章 钢的热处理 5.1 钢在加热时的组织转变 5.2 钢在冷却时的组织转变 5.3 钢的退火与正火 5.4 钢的淬火 5.5 钢的回火 5.6 钢的表面热处理与化学热处理 5.7 典型零件的热处理分析 5.1 钢在加热时的组织转变 热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却3个阶段组成。因此，热处理工艺过程可用温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线。如图5-1所示，是钢的热处理工艺曲线。 在热处理工艺中，加热是热处理的第一道工序，大多数情况下是要将钢加热到临界点以上，以获得奥氏体组织。奥氏体虽然是钢在高温状态时的组织，但其晶粒大小、成分及其均匀程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此了解钢在加热时组织结构的变化规律，是对钢进行正确热处理的先决条件。 热处理中，通常将铁碳相图中的PSK线称为A1线，将GS线称为A3线，将ES线称为Acm线。这些线上每一成分合金的临界点称为A1点、A3点、Acm点。铁碳相图中的A1,A3,Acm是钢在极缓慢加热和冷却时的临界点，但在实际的加热和冷却条件下，钢的组织转变总有滞后现象，在加热时高于而在冷却时低于相图上的临界点。 下一页 返回 5.1 钢在加热时的组织转变 为了便于区别，通常把加热时的各临界点分别用Ac1,Ac3,Accm表示，冷却时的各临界点分别用Ar1,Ar3,Arcm来表示，如图5-2所示。常用钢的临界点见附录3。 一、钢的奥氏体化 下面以共析钢为例说明钢的奥氏体化过程。 共析钢在室温时的平衡组织为珠光体，当加热到Ac1以上时，钢中珠光体将向奥氏体转变。生成的奥氏体相不仅晶格类型与铁素体相和渗碳体相不同，而且含碳量也有很大的差异。由此可知，钢的奥氏体化过程必然伴随着铁原子晶格的改变和碳原子的扩散，其转变过程遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大的过程来进行的，如图5-3所示。 1.奥氏体晶核的形成 奥氏体晶核最容易在铁素体与渗碳体的界面处生成。如图5-3(a)所示。这是由于界面处原子排列紊乱，位错密度较高，处于不稳定状态，同时界面处的碳浓度处于中间值而接近奥氏体的成分，为奥氏体的形核提供了有利条件。 上一页 下一页 返回 5.1 钢在加热时的组织转变 2.奥氏体的长大 奥氏体晶核生成后逐渐长大，如图5-3(b)所示。与奥氏体相邻的铁素体中的铁原子通过扩散运动转移到奥氏体晶核上来，使奥氏体晶核长大。同时与奥氏体相邻的渗碳体通过分解不断地溶人新生成的奥氏体中，也使奥氏体逐渐长大，直至珠光体全部消失。 3.残余渗碳体的溶解 由于奥氏体在化学成分和晶格类型上与铁素体差别较小，而与渗碳体差别较大，故铁素体向奥氏体的转变速度大于渗碳体向奥氏体的溶解速度，这使得珠光体中铁素体完全转变为奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解。随着时间的延长，残余渗碳体继续向奥氏体中溶解，直至全部消失，如图5-3(c)所示。 4.奥氏体的均匀化 由于珠光体中的铁素体和渗碳体是两种含碳量相差悬殊的相，所以当残余渗碳体刚刚溶解完后，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。 上一页 下一页 返回 5.1 钢在加热时的组织转变 在原来渗碳体区域碳浓度高，在原来铁素体区域碳浓度低，需要一定的保温阶段，通过碳原子进一步的扩散，才能使奥氏体的成分趋于均匀化。因此，热处理的保温阶段，不仅是为了使工件热透，也是为了使组织转变完全及奥氏体成分均匀。 亚共析钢室温组织由珠光体和铁素体组成，当加热到Ac1时，其组织中的珠光体转变为奥氏体，温度继续升高，铁素体不断转变为奥氏体，直到Ac3时才全部转变为单一的奥氏体组织。过共析钢的室温组织是珠光体和二次渗碳体，当加热到Ac1时，珠光体转变为奥氏体，温度继续升高，渗碳体逐渐溶解到奥氏体中，直至Accm线时，才全部转变为单相奥氏体组织。 二、奥氏体晶粒的长大 当珠光体向奥氏体转变刚刚完成时，奥氏体晶粒是比较细小的。这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多，有利于形成数目众多的奥氏体晶核。不论原来钢的晶粒是粗还是细，通过加热的奥氏体化，都能得到细小晶粒的奥氏体。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。 上一页 下一页 返回 5.1 钢在加热时的组织转变 奥氏体晶粒的大小对冷却转变后钢的组织和性能有明显影响。若奥氏体晶粒细小，则冷却后产物组织的晶粒也细小，其力学性能也越高;若奥氏体晶粒粗大，则冷却后产物组织的晶粒也粗大，其力学性能变差，特别是冲击韧性下降较多。细晶粒组织不仅强度、塑性比粗晶粒高，而且冲击韧性也有明显提高。因此，钢