機(jī)械工程材料 第六章

1、1機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料主講教師：吳宜勇電話：864124622主要內(nèi)容緒論第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二章 結(jié)晶與顯微組織第三章 工程材料的力學(xué)性能第四章 工程材料的物理、化學(xué)性能第五章 工程材料的強(qiáng)化理論第六章 鋼的熱處理與馬氏體相變強(qiáng)化第七章 鋼鐵材料第八章 有色金屬及其合金3第六章 鋼的熱處理與馬氏體相變強(qiáng)化 6.1鋼的熱處理原理 6.2 合金元素對鋼組織轉(zhuǎn)變的影響 6.3鋼的熱處理工藝 4熱處理定義：通過對材料進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理并控制上述過程，以改變材料的組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝過程6.1鋼的熱處理原理 試說明熱處理的過程、目的和特點？56.1鋼的熱處理原理 鋼的轉(zhuǎn)變臨界點：Ac1-

2、加熱時P向轉(zhuǎn)變開始溫度Ar1-冷卻時向P轉(zhuǎn)變開始溫度Ac3-加熱時先共析向轉(zhuǎn)變開始溫度Ar3-冷卻時開始析出先共析開始溫度Accm-加熱時二次滲碳體全部溶入的終了溫度Arcm-冷卻時開始析出二次滲碳體的開始溫度66.1鋼的熱處理原理 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變：過程以共析鋼為例，加熱轉(zhuǎn)變包括：奧氏體形核、奧氏體長大、剩余滲碳體的溶解和奧氏體成分均勻化說明加熱時各轉(zhuǎn)變過程的特點?76.1鋼的熱處理原理 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變：成分變化特點以共析鋼為例，加熱轉(zhuǎn)變時：以共析鋼為例，加熱轉(zhuǎn)變時：新形成的奧氏體內(nèi)成分不均勻(擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變)轉(zhuǎn)變過程中，奧氏體晶粒內(nèi)及其與Fe3C和鐵素體界面上的成分在不斷變化，直至均勻化完成

3、86.1鋼的熱處理原理 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變：晶粒度控制晶粒度：晶粒大小的量度晶粒度分級：放大100倍時每平方英寸視野中觀測的平均晶粒數(shù)n，晶粒度N 由式n=2N-1確定。晶粒度分八個級別。在高科技領(lǐng)域已經(jīng)不再進(jìn)行類似的分級96.1鋼的熱處理原理 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變：晶粒度控制起始晶粒度：奧氏體化完成，晶粒剛剛接觸時的晶粒度實際晶粒度：奧氏體化終了時的晶粒度本質(zhì)晶粒度：表征鋼材奧氏體化晶粒長大傾向。用在一定溫度加熱保溫一定時間奧氏體化后鋼的晶粒度表示106.1鋼的熱處理原理 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變：影響晶粒長大的因素加熱溫度和保溫時間 ：加熱溫度高、時間長，晶粒粗化(取決于擴(kuò)散過程和相變驅(qū)動力)加熱速度

4、：快速加熱, 短時保溫的辦法來獲得細(xì)小晶粒(短時間升至高溫, 奧氏體化形核充分, 長大較小) 化學(xué)成分：碳(有利于奧氏體晶粒長大), 合金元素(一般阻礙晶粒的長大過程)原因是合金元素改變擴(kuò)散激活能和相變驅(qū)動力)116.1鋼的熱處理原理 碳鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變：冷卻方式等溫冷卻連續(xù)冷卻冷卻方式：在低于奧氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度以下時的溫度控制過程等溫冷卻：在奧氏體轉(zhuǎn)變臨界點以下時保持某溫度不變連續(xù)冷卻：在奧氏體轉(zhuǎn)變臨界點以下時溫度不斷連續(xù)降低過程126.1鋼的熱處理原理 冷卻轉(zhuǎn)變曲線的獲得：首先明確三個前提：以下所講轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶廪D(zhuǎn)變(不同于相圖)連續(xù)冷卻與等溫冷卻所得組織(結(jié)構(gòu))不同碳鋼快速連續(xù)冷卻(水冷

5、)組織(馬氏體)與珠光體組織不同鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線136.1鋼的熱處理原理 冷卻轉(zhuǎn)變曲線的獲得：試驗(以共析鋼為例)：A體化的鋼先快速冷卻至臨界點Ac1以下某溫度等溫冷卻不同時間，再水冷至室溫室溫金相觀察，確定不同類型組織的含量分別將不同溫度下開始轉(zhuǎn)變和終了轉(zhuǎn)變時間點連成曲線，即可鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線146.1鋼的熱處理原理 冷卻轉(zhuǎn)變曲線的特征：曲線形狀-“C”曲線,又稱TTT曲線(Time-Temperature-Transformation) 孕育期: 冷卻至臨界點以下到A體開始轉(zhuǎn)變的時間過冷A體: 臨界點以下沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變的A體Ms與Mf線: 馬氏

6、體轉(zhuǎn)變開始和終了線鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線156.1鋼的熱處理原理 冷卻轉(zhuǎn)變曲線的特征：鼻尖點: 孕育期最短。該點溫度上下的組織轉(zhuǎn)變特征不同不同等溫冷卻轉(zhuǎn)變完成后，鋼的室溫硬度值不同。等溫冷卻溫度下降，鋼的硬度上升鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線166.1鋼的熱處理原理 鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線冷卻轉(zhuǎn)變曲線的獲得：A體化的鋼先以不同的冷速冷卻一定時間至臨界點以下某溫度, 再快速水冷至室溫室溫金相觀察, 確定不同類型組織的含量分別將不同溫度下開始轉(zhuǎn)變和終了轉(zhuǎn)變時間點連成曲線，即可176.1鋼的熱處理原理 鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線冷卻轉(zhuǎn)變曲線

7、的特征：CCT曲線(Continuously cooling-transformation), 在TTT曲線的右下方, 但沒有對應(yīng)的TTT線的下半部分, 表明共析鋼連續(xù)冷卻沒有貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期增長中止線臨界冷卻速度: 奧氏體連續(xù)冷卻直接產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最低冷卻速度186.1鋼的熱處理原理 鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：珠光體類型轉(zhuǎn)變珠光體概念：A體通過擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒄和Fe3C兩相組成的片層狀組織，平衡狀態(tài)組織平均含碳量0.77%珠光體形成過程：A體晶界形核(F+Fe3C)、長大并最終形成層片狀珠光體組織196.1鋼的熱處理原理 鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：珠光體類型轉(zhuǎn)變珠光體形態(tài)（類型）：片狀，奧氏體

8、分解普通珠光體普通珠光體：片間距約為：片間距約為450150nm A1650索氏體索氏體: 片間距約為片間距約為15080nm 650600屈氏體屈氏體: 片間距約為片間距約為8030nm 600550粒狀，調(diào)質(zhì)處理或者球化退火(不是由A體直接形成）獲得的組織珠光體的性能特征：取決于珠光體片層間距和珠光體團(tuán)的尺寸206.1鋼的熱處理原理 鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線：珠光體類型轉(zhuǎn)變珠光體X1000 屈氏體X1000粒狀(球狀)珠光體216.1鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變特點馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體定義碳溶于-Fe中的過飽和間隙式固溶體，記為M正方度概念正方度概念 無擴(kuò)散性: 切變轉(zhuǎn)變降溫轉(zhuǎn)變: MsMf轉(zhuǎn)變的

9、不完全性: 殘余Ar馬氏體組織形態(tài)板條馬氏體: 亞結(jié)構(gòu)為位錯 片狀馬氏體: 亞結(jié)構(gòu)為孿晶226.1鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變碳含量對淬火鋼殘余奧氏體含量的影響，說明其原因？236.1鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變板條馬氏體形態(tài)示意圖246.1鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變板條馬氏體金相和TEM形貌像256.1鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變片狀馬氏體形態(tài)示意圖266.1鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變片狀馬氏體金相和TEM形貌像276.1鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變高硬度、高強(qiáng)度馬氏體強(qiáng)硬度隨成分而變(碳含量)強(qiáng)化機(jī)制：固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、時效強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化 塑性和韌性:塑性韌性的變化機(jī)制：主要取決于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)

10、 淬火鋼的硬度與馬氏體硬度間的關(guān)系？馬氏體性能特點 286.1鋼的熱處理原理 馬氏體轉(zhuǎn)變碳含量對馬氏體硬度的影響，說明其原因？296.1鋼的熱處理原理 貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體定義及轉(zhuǎn)變特征由切變轉(zhuǎn)變形成的鐵素體和擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成的滲碳體的混合物貝氏體的形態(tài)和形成機(jī)制均與珠光體不同轉(zhuǎn)變過程兼有M轉(zhuǎn)變和P轉(zhuǎn)變的特點。B中的F是無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成，而滲碳 體則為擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成兩種不同的形態(tài)，轉(zhuǎn)變方式不同：上貝氏體和下貝氏體306.1鋼的熱處理原理 貝氏體轉(zhuǎn)變上貝氏體組織形態(tài)：550350C, 呈羽毛狀。斷續(xù)的滲碳體分布于羽毛狀的鐵素體晶界之間上貝氏體性能特點：很脆，沒有使用價值 316.1鋼的熱處理原理 貝氏體轉(zhuǎn)變

11、下貝氏體組織形態(tài)：350CMs , 黑色針狀或竹葉狀。滲碳體顆粒定向分布于鐵素體晶內(nèi)一定取向上下貝氏體性能特點：強(qiáng)度高，韌性好(等溫淬火)32回火的定義：零件淬火后, 加熱至臨界溫度之下保溫一定時間并以一定速度冷卻, 以獲得適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定組織和特定性能的熱處理工藝。淬火鋼一定要進(jìn)行回火處理!回火目的:一定程度上消除淬火缺陷, 減小或消除淬火殘余應(yīng)力獲得適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定組織獲得特定的使用性能(強(qiáng)硬性、彈性、綜合機(jī)械性能)6.1鋼的熱處理原理 鋼的回火轉(zhuǎn)變：目的336.1鋼的熱處理原理 鋼的回火轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變過程馬氏體分解 過程: 當(dāng)回火溫度在100200C時, 馬氏體開始發(fā)生部分分解, 析出碳化物, 與馬氏體

12、保持共格關(guān)系 組織特點: 這一階段轉(zhuǎn)變完成后, 鋼的組織由有一定過飽和度的固溶體和與其有共格關(guān)系的碳化物所組成, 這種組織稱為回火馬氏體 性能特點: 回火馬氏體基本保持了淬火馬氏體的強(qiáng)硬性, 但淬火殘余應(yīng)力大大降低, 常溫組織穩(wěn)定性增加346.1鋼的熱處理原理 鋼的回火轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變過程馬氏體分解殘余奧氏體轉(zhuǎn)變 過程與組織特點: 當(dāng)回火溫度在200300C時, 鋼中的殘余奧氏體也發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體或下貝氏體 性能特點: 強(qiáng)硬性隨溫度升高較回火馬氏體有所下降, 但淬火殘余應(yīng)力進(jìn)一步降低, 基體相的固溶度進(jìn)一步下降, 常溫組織穩(wěn)定性進(jìn)一步增加35馬氏體分解 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變碳化物的轉(zhuǎn)變過程: 在

13、300400之間, 由碳化物轉(zhuǎn)變成與基體無共格關(guān)系的顆粒狀滲碳體。這一階段轉(zhuǎn)變完成后, 鋼的組織由飽和的針狀相和細(xì)小粒狀的滲碳體組成, 這種組織稱為回回火屈氏體火屈氏體 性能特點: 強(qiáng)度硬度進(jìn)一步降低，塑性韌性升高，但是這種組織的彈性極限最高6.1鋼的熱處理原理 鋼的回火轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變過程36馬氏體分解殘余奧氏體轉(zhuǎn)變碳化物的轉(zhuǎn)變基體相回復(fù)、再結(jié)晶和碳化物的聚集長大過程: 當(dāng)回火溫度超過400C以上后, 在回火過程中也發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶過程。相由針狀或板條狀轉(zhuǎn)變成無應(yīng)變的、等軸狀新晶拉。同時滲碳體發(fā)生聚集和長大, 有一定程度的粗化。形成的組織由等軸的相和較粗的粒狀滲碳體組成，稱為回火索氏體回火索氏體

14、性能特點: 綜合機(jī)械性能好，兼有較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的韌性6.1鋼的熱處理原理 鋼的回火轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變過程376.1鋼的熱處理原理 鋼的回火轉(zhuǎn)變：回火組織觀察38回火脆:一般來說, 隨回火溫度升高, 鋼的強(qiáng)、硬度下降，塑、韌性上升。但是, 在某些特定的工藝條件下，鋼回火后的韌性大大下降，稱為回火脆第一類回火脆-低溫回火脆(對碳鋼而言, 200C 300 C)-不可逆回火脆產(chǎn)生原因: 鋼材內(nèi)部雜質(zhì)偏聚; 不可避免; 回火溫度選擇第二類回火脆-高溫回火脆(450 C, 高溫長時間加熱)-可逆回火脆產(chǎn)生原因: 雜質(zhì)偏聚消除方法：快速冷卻；假如W、Mo等元素抑制第二類回火脆6.1鋼的熱處理原理 鋼的回火轉(zhuǎn)變：

15、回火脆396.1鋼的熱處理原理 鋼的淬透性 概念:淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力 影響因素:它是鋼的固有屬性, 取決于鋼的臨界冷卻速度和過冷奧氏體的穩(wěn)定性(成分、組織) 淬透性的大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示 406.1鋼的熱處理原理 鋼的淬透性測量：端淬法41第六章 鋼的熱處理與馬氏體相變強(qiáng)化 6.1鋼的熱處理原理 6.2 合金元素對鋼組織轉(zhuǎn)變的影響 6.3鋼的熱處理工藝 426.2 合金元素對鋼組織轉(zhuǎn)變的影響 合金元素作用提高淬透性提高回火穩(wěn)定性(回火抗力)其它特殊性能（耐磨、耐腐蝕等）合金元素影響加熱轉(zhuǎn)變-推遲冷卻轉(zhuǎn)變-c曲線右移回火轉(zhuǎn)變-推遲合金元素分類碳化物形

16、成元素：Ti、Nb、Zr、 V、W、Cr、Mn等非碳化物形成元素：Si、Ni、 Cu、Al、Co機(jī)制: 合金元素阻礙擴(kuò)散、提高原始組織穩(wěn)定性, 延遲反應(yīng)過程43第六章 鋼的熱處理與馬氏體相變強(qiáng)化 6.1鋼的熱處理原理 6.2 合金元素對鋼組織轉(zhuǎn)變的影響 6.3鋼的熱處理工藝 44表面熱處理化學(xué)熱處理特殊環(huán)境熱處理正火退火淬火回火鋼加熱冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律加熱保溫和冷卻工藝參數(shù)確定加熱保溫和冷卻工藝參數(shù)確定普通熱處理普通熱處理特殊熱處理特殊熱處理6.3 鋼的熱處理工藝 45鋼的退火和正火6.3 鋼的熱處理工藝 獲得組織退火獲得近似的平衡組織正火獲得偽共析組織目的一般作為預(yù)備熱處理(與最終熱處理相對應(yīng))消除前道工序(鑄造、鍛造、其他加工)的缺陷(組織成分布均勻, 微孔,殘余應(yīng)力等)獲得適當(dāng)組織, 利于后續(xù)加工和最終熱處理工藝特點退火加熱并保溫完成后緩慢冷卻(工程上一般為爐冷)正火時, 冷卻速度較快(一般空冷或風(fēng)冷)46鋼的退火和正火6.3 鋼的熱處理