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第4章钢的热处理;
4.1钢的热处理基础;;
热处理的特点是改变零件或者毛坯的内部组织,而不改变其形状和尺寸。其作用是消除毛坯,如铸件、锻件等中的某些缺陷,改善毛坯的切削性能,改善零件的力学性能,充分发挥材料的性能潜力,延长零件使用寿命,并为减小零件尺寸,减轻零件重量,提高产品质量,降低成本提供了可能性。因此,热处理得到了广泛的应用,如汽车、拖拉机制造中70%~80%的零件需要进行热处理,各种工夹量具和轴承则100%需要进行热处理。随着科学技术的发展和对材料性能要求的日益提高,热处理将发挥更大的作用。;
根据热处理的目的要求和工艺方法的不同,热处理分为普通热处理(退火、正火、淬火和回火)、表面热处理(表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等)及特殊热处理(形变热处理等)。但不是所有的材料都能进行热处理强化,能进行热处理强化的材料必须满足:
(1)有固态相变。
(2)经冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态。
(3)表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面化学成分。
因此,要了解各种热处理工艺方法,必须首先研究钢在加热(包括保温)和冷却过程中组织转变的规律。;
4.1.2钢在加热时的转变
钢之所以能进行热处理强化,是由于钢在固态下具有相变。在固态下不发生相变的纯金属或合金则不能用热处理方法强化。
在Fe-Fe3C相图中,A1、A3和Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的相变温度线,是平衡临界点。在实际生产中,加热和冷却不可能极缓慢,因此不可能在平衡临界点进行组织转变。实际加热时,各临界点的位置分别为图4-2中的Ac1、Ac3、Accm线;而实际冷却时,各临界点的位置分别为Ar1、Ar3和Arcm。;;
碳钢加热到A1以上时,便发生珠光体向奥氏体的转变,这种转变称为奥氏体化。加热时所形成奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物等过剩相的数量、分布状况等都对钢的冷却转变过程及转变产物的组织和性能产生重要的影响。奥氏体化后的钢,若以不同的方式冷却,便可得到不同的组织,从而使钢获得不同的性能。因此,奥氏体化是钢组织转变的基本条件。;
1.奥氏体的形成
共析钢在A1以下全部为珠光体组织,当加热到Ac1以上时,珠光体(P)转变成奥氏体(A)。奥氏体的形成也称为奥氏体化,形成遵循形核和长大的基本规律,并通过以下四个阶段来完成,如图4-3所示。;;
(1)奥氏体形核阶段。
由于相界面上碳浓度和结构的特点,奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体相界面处形成。
(2)奥氏体晶核长大阶段。
奥氏体晶核长大是依靠依靠铁、碳原子的扩散,使珠光体中的铁素体继续向奥氏体转变和渗碳体不断溶入奥氏体而进行的。在平衡条件下,铁素体向奥氏体转变的速度远比渗碳体溶解速度快得多,珠光体中的铁素体首先消失,当铁素体全部转变为奥氏体时,奥氏体的长大结束。此时,未溶解的渗碳体残留在奥氏体中,使奥氏体的平均碳浓度低于共析成分。;
(3)残余渗碳体的溶解阶段。
铁素体消失后,组织中还有一部分残余渗碳体存在。随着保温时间的延长或继续升温,残余渗碳体通过扩散不断溶入奥氏体,直到全部消失为止。
(4)奥氏体成分均匀化阶段。
残余渗碳体完全溶解后,奥氏体中碳浓度是不均匀的。这时如果继续保温一段时间,奥氏体就会通过碳原子的充分扩散实现成分的均匀化。;
与共析钢相比,亚共析钢或过共析钢加热到Ac1以上时,原始组织中的珠光体转变成奥氏体,而先析铁素体(也称为先共析铁素体)或先析渗碳体尚未完全溶解。只有进一步加热到Ac3或Accm以上,并保温足够时间,先共析相向奥氏体转变,才能获得均匀的单相奥氏体。;
2.奥氏体晶粒的大小及其影响因素
钢在加热时所形成的奥氏体晶粒的大小,对冷却后钢的组织和性能有很大的影响。奥氏体晶粒过大,会使冷却后的钢材强度、塑性和韧性下降,尤其是塑性和韧性下降更为显著。
奥氏体晶粒大小可用晶粒度来表示。根据国家标准GB6394,奥氏体晶粒度一般分为8级,以1级为最粗,8级为最细。通常,1~4级为粗晶粒,5~8级为细晶粒。;
影响奥氏体晶粒度的因素主要有:
(1)原始组织和碳含量。在钢的原始组织中,珠光体越细,所形成的奥氏体晶粒也越细。钢中碳含量对奥氏体晶粒长大的影响很大。随奥氏体碳含量的增加,铁、碳原子的扩散速度增大,奥氏体晶粒长大倾向性增加。但当超过奥氏体饱和碳浓度以后,由于出现残余渗碳体,产生机械阻碍作用,使长大倾向性减小。;
(2)加热温度和保温时间。奥氏体刚形成时晶粒是细小的,但随着温度的升高
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