金属固态相变原理详解.doc

第2篇 热处理原理及工艺 第7章 钢的热处理 教学目标： 搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念； 掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识; 掌握相变产物的形貌和物理本质。 第8章 金属固态相变原理 §8 钢的热处理 一、热处理的作用 机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。 拒初步统计，在机床制造中，约60%(70%的零件要经过热处理；在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%(80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。 总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。 热处理的定义：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需组织和性能的工艺过程。 热处理三大要素：加热、保温和冷却 通过以上三个环节，材料的内部组织发生了变化，因而性能也发生变化。 例如：碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60～63HRC+低温回火的回火马氏体。 同一种材料，热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同。 表 8-1 45号钢经不同热处理后的性能(试样直径15mm) 热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定。材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。 所以，材料成分－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。 我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。 二、热处理的基本要素 如上所述，热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。 1、加热 按加热温度的高低，加热分为两种：一种是在临界点A1以下加热，此时一般不发生相变；另一种是在A1以上加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。 2、保温 保温是热处理的中间工序，其目的是既要保证工件“烧透”，又要防止工件脱碳、氧化等。 保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。 3、冷却 冷却是热处理的最终工序，也是热处理过程中最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织形态。 图 8-1 热处理工艺曲线示意图 三、热处理的分类 1、根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可分为下列几类： 普通热处理：退火、正火、淬火和回火。即所谓热处理的“四把火”。 表面热处理：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光表面淬火和涂覆、渗碳、氮化和碳氮共渗等。 其它热处理：可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。 2、按照热处理在零件生产过程中的工序和作用不同, 热处理工艺还可分为： 预备热处理：零件加工过程中的一道中间工序(也称为中间热处理)，其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力,为后续的机加工或进一步的热处理作组织上的准备。 最终热处理：零件加工的最终工序。其目的是使经过成型工艺达到形状和尺寸要求的零件，通过热处理使零件具备最终的使用性能。 是预备还是最终热处理在材料的生产过程中是相对的。 四、钢的临界转变温度 根据铁碳相图，共析钢缓慢加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体；亚共析钢和过共析钢必须加热到A3 和Acm以上才能获得单相奥氏体。 在实际热处理加热条件下，加热速度不可能是缓慢的,因此,相变是在不平衡条件下进行的；其次，再考虑到过冷或过热现象的存在，相变点与相图中的相变温度有一些差异。具体如下： 加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为滞后 ( 热滞或冷滞 )。 在热处理工艺实施过程中，加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。 通常把加热时的实际临界温度标以右下标字母 “c”表示，如 Ac1、Ac3、Accm ； 而把冷却时的实际临界温度标以右下标字母 “r” 表示，如 Ar1、Ar3、Arcm 等。 §8.1 钢在加热时的转变 一般而言，钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体(奥氏体化、A化)，然后以不同速度冷却，使奥氏体转变为不同的组织，使钢具有不同性能。 加热时形成的奥氏体的质量(成分均匀性及晶粒大小等)，对冷却转变后的组织、性能有极大的影响(组织遗传)。 因此，掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化—即奥氏体化过程。 §8.1.1 奥氏体的形成过程 一、共析钢奥氏体的形成 共析碳钢加热前为珠光体组织，一般为铁素体与渗碳体交替排列的层片状组织，加热过程中珠光体转变为奥氏体过程可分为四步进行：奥氏体形核晶核的长大未溶碳化物 (Fe3C) 溶解Fe-Fe3C相图知