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1、金属学与热处理教案本讲稿第一页，共四十六页第第6 6章章 钢的热处理原理钢的热处理原理 6.1 6.1 热处理热处理概述概述本讲稿第二页，共四十六页与本节相关重点内容回顾与本节相关重点内容回顾铁碳平衡相图本讲稿第三页，共四十六页LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+G本讲稿第四页，共四十六页本讲稿第五页，共四十六页问题的提出1.1.改变成分可以改变材料的性能，还有没有其他改变成分可以改变材料的性能，还有没有其他手段可以改变材料的性能呢？手段可以改变材料的性能呢？2.2.一把含碳量一把含碳量1.0%1.0%的高碳锯条不经过任何处理能的高碳锯条不经过任何处理能使用吗？使用吗？本讲稿第六页
2、，共四十六页 热处理热处理是改变材料性能的是改变材料性能的另一另一重要手段重要手段。钢的热处理钢的热处理本讲稿第七页，共四十六页1 1为什么要进行热处理为什么要进行热处理?2 2什么是热处理什么是热处理?3 3如何进行热处理如何进行热处理?待解决的问题：待解决的问题：W-W-HW-W-HWhyWhyWhatWhatHowHow本讲稿第八页，共四十六页热处理是热处理是改变改变材料性能的一种材料性能的一种加工工艺加工工艺1.1.为什么要进行热处理为什么要进行热处理?本讲稿第九页，共四十六页热处理是将热处理是将固态金属或合金固态金属或合金在一定介质中在一定介质中加热、加热、保温和冷却保温和冷却，以，
3、以改变改变材料整体或表面材料整体或表面组织组织，从而，从而获得获得所需性能所需性能的一种热加工工艺。的一种热加工工艺。常用热处理工艺可常用热处理工艺可分为分为普通热处理（普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和退火、正火、淬火和回火）和表面热处表面热处理理（表面淬火和化学热处理）。（表面淬火和化学热处理）。2.2.什么是热处理什么是热处理?本讲稿第十页，共四十六页1.1.特点：特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸形状和尺寸目的目的:获得获得所需性能所需性能依赖于材料依赖于材料组织结构的改组织结构的改变变固态金属在一固态金属在一定介质中定介质中加热加
4、热、保温保温、冷却冷却本讲稿第十一页，共四十六页o 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变o 二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变 四、钢的表面热处理四、钢的表面热处理(以后内容以后内容)3.3.如何进行热处理如何进行热处理?三、三、钢的钢的普通热处理普通热处理(以后内容第以后内容第7 7章章)本讲稿第十二页，共四十六页 6.2 6.2 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 钢加热的目的钢加热的目的?获得奥氏体获得奥氏体!钢加热的温度钢加热的温度?本讲稿第十三页，共四十六页LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+本讲稿第十四页，共四十六页（一）奥氏体的形成过程
5、（一）奥氏体的形成过程o （二）奥氏体晶粒大小及其控制（二）奥氏体晶粒大小及其控制 实际加热和冷却时的相变点实际加热和冷却时的相变点平衡时平衡时 A1 A3 Acm加热时加热时 Ac1 Ac3 Accm冷却时冷却时 Ar1 Ar3 Arcm本讲稿第十五页，共四十六页 （一）奥氏体的形成过程（一）奥氏体的形成过程 1 1、形核、形核 （在（在 F/Fe3C相界面上形核）相界面上形核）2 2、晶核长大、晶核长大 （F A晶格重构，晶格重构，Fe3C 溶解，溶解，C A中扩散）中扩散）3 3、残余、残余Fe3C溶解溶解4 4、奥氏体均匀化、奥氏体均匀化本讲稿第十六页，共四十六页o 保温工序的目的：保
6、温工序的目的：得到成分均匀的奥氏得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散体，消除内应力，促进扩散本讲稿第十七页，共四十六页 （二）奥氏体晶粒大小及其控制（二）奥氏体晶粒大小及其控制 1.1.晶粒大小的表示方晶粒大小的表示方 通常将晶粒大小分为通常将晶粒大小分为8 8级，级，1 1级最粗，级最粗，8 8级最细。通常级最细。通常1-41-4级为粗晶粒度，级为粗晶粒度，5-85-8级为细晶粒度。级为细晶粒度。奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒度：分分为为起起始始晶晶粒粒度度、实实际际晶晶粒粒度度、本本质质晶晶粒粒度度GBGB /T 6394-2002/T 6394-2002本讲稿第十八页，共四十六页 2.2
7、.奥氏体晶粒大小的控制奥氏体晶粒大小的控制 加热温度与保温时间加热温度与保温时间 加加热热温温度度越越高高，保保温温时时间间越越长长，奥奥氏氏体体晶晶粒粒越越粗粗大，因为这与原子扩散密切相关。大，因为这与原子扩散密切相关。本讲稿第十九页，共四十六页加加热热速速度度 加加热热速速度度越越快快，过过热热度度越越大大，奥奥氏氏体体实实际际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。钢的化学成分钢的化学成分 C Mn和和P是促进奥氏体晶粒长大的元素。是促进奥氏体晶粒长大的元素。合金元素合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，当其形成弥散稳定等，当其形成弥散稳定的碳化物和氮化物
8、时，由于分布在晶界上，因而阻的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到碍晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到本质细晶粒钢。本质细晶粒钢。(4)(4)原始组织细原始组织细 奥氏体晶粒越细奥氏体晶粒越细本讲稿第二十页，共四十六页1.加热温度，保温时间 A晶粒长大快2.加热速度 A晶粒细3.加入合金元素 A晶粒细4.原始组织细 A晶粒细奥氏体晶粒大小的控制因素奥氏体晶粒大小的控制因素本讲稿第二十一页，共四十六页练习题练习题1.1.钢在加热时的临界温度为钢在加热时的临界温度为 ,冷却时临界温度为冷却时临界温度为 。A.Ac1、Ac3、Accm B.A
9、1、A3、Acm C.Ar1、Ar3、Arcm2.2.钢加热时奥氏体的晶核是在钢加热时奥氏体的晶核是在 相界面处形成。相界面处形成。A.A.铁素体与渗碳体铁素体与渗碳体 B.B.珠光体与马氏体珠光体与马氏体 C.C.贝氏体与马氏体贝氏体与马氏体3.3.影响奥氏体转变的因素有影响奥氏体转变的因素有:、加热速度、钢中的碳含、加热速度、钢中的碳含 量、合金量、合金元素、原始组织。元素、原始组织。A.晶核数量晶核数量 B.保温时间保温时间 C.加热温度加热温度本讲稿第二十二页，共四十六页6.3 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变钢经加热奥氏体化后，可以采用不同的冷却条件，获得所需的钢经加热奥氏体化后，可
10、以采用不同的冷却条件，获得所需的组织和性能。组织和性能。例如例如:45:45钢加热后，随钢加热后，随冷却速度的增加冷却速度的增加，强度、硬度增加，强度、硬度增加，但塑性、韧性降低。但塑性、韧性降低。本讲稿第二十三页，共四十六页冷却方式冷却方式随炉冷却随炉冷却空气冷却空气冷却油冷油冷水冷却水冷却HRC1518182440505260组织组织P+FP+F（少）组（少）组织细织细M+PM45#钢，钢，840加热，不同方式冷却加热，不同方式冷却本讲稿第二十四页，共四十六页钢的冷却方式：钢的冷却方式：等温冷却等温冷却和连续冷却。和连续冷却。本讲稿第二十五页，共四十六页6.3.1 6.3.1 过冷奥氏体的
11、等温转变过冷奥氏体的等温转变(TTT)(TTT)图图 6.3.26.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线 本讲稿第二十六页，共四十六页钢在连续冷却或等温冷却时，由于冷却速度较快，钢在连续冷却或等温冷却时，由于冷却速度较快，其组织转变不能用其组织转变不能用Fe-FeFe-Fe3 3C C平衡相图分析。平衡相图分析。用测定的过冷奥氏体等温和连续转变图来分析不同冷用测定的过冷奥氏体等温和连续转变图来分析不同冷却条件下的组织转变规律。却条件下的组织转变规律。（讲等温转变）（讲等温转变）本讲稿第二十七页，共四十六页1、过过冷奥氏体冷奥氏体等温等温转变转变曲曲线线的建立的建立本讲稿
12、第二十八页，共四十六页是表示奥氏体急速是表示奥氏体急速冷却到临界点冷却到临界点A A1 1 以下以下在各不同温度下的保温在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时过程中转变量与转变时间的关系曲线间的关系曲线.又称又称C C 曲线、曲线、S S 曲线或曲线或TTTTTT曲线。曲线。本讲稿第二十九页，共四十六页2、共析、共析钢过钢过冷奥氏体等温冷奥氏体等温转变转变曲曲线线分析分析 本讲稿第三十页，共四十六页时间时间温温度度A1MSMfA过过冷冷PBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线奥奥氏氏体体本讲稿第三十一页，共四十六页C C 曲线的分析曲线的分析 转变开始线与纵坐标之间的距离为
13、孕育期。转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期最小处称孕育期最小处称C C 曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。碳钢鼻尖处的。碳钢鼻尖处的温度为温度为550550。在鼻尖以上在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小温度较高，相变驱动力小.在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。体稳定性增加。C C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。温转变产物。本讲稿第三十二页，共四十六页3 3、过冷奥氏体等温转变产物的组、过冷奥氏体等温转变产物的组 织和性能织和性能(1)珠光体转变珠光体转变珠光体组成：珠光
14、体组成：F 和和 Fe3C 的的机械混合物机械混合物形成特点：形成特点：在固态下形核、长大在固态下形核、长大 是扩散型相变是扩散型相变形态：形态：A1650：珠光体珠光体 P 20HRC 片状片状 650600：索氏体：索氏体 S（细（细P）30HRC600550：托氏体：托氏体 T（极细（极细P又称屈氏体）又称屈氏体）40HRC珠光体性能珠光体性能:珠光体片越细珠光体片越细 HB，b且且，kC%相同时，球状相同时，球状 P 比片状比片状 P 相界面少相界面少HB，b，,k 本讲稿第三十三页，共四十六页光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌本讲稿第三十四页，共四十六页电镜形貌电镜形貌本讲稿第
15、三十五页，共四十六页(2)贝氏体转变贝氏体转变贝氏体组成贝氏体组成：过饱和过饱和F 和和 碳化物的碳化物的机械混合物机械混合物形成特点形成特点：在固态下形核、长大在固态下形核、长大.是半扩散型相变是半扩散型相变形态形态：550350：上贝氏体（上贝氏体（B上）上）羽毛状组织羽毛状组织 350 Ms：下贝氏：下贝氏体（体（B下）下）针片状组织针片状组织性能性能:上贝氏体上贝氏体 塑性差塑性差,硬度硬度:40-45HRC 下贝氏体下贝氏体 综合性能好综合性能好,硬度硬度:45-50HRC 本讲稿第三十六页，共四十六页(3)马氏体转变马氏体转变马氏体：碳在马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱
16、和固溶体。形成特点：形成特点：1在固态下形核、长大在固态下形核、长大 2是是无扩散型相变无扩散型相变 3变温形成，高速长大变温形成，高速长大 4转变不完全（在转变不完全（在C 0.5%的钢中总有残余的钢中总有残余A）形态：形态：板条板条 M 低碳低碳 M（C1.0%)立体形态：双凸透镜立体形态：双凸透镜 0.21.0%C之间的钢得到混合之间的钢得到混合 M本讲稿第三十七页，共四十六页马氏体性能：马氏体性能：马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体即母相奥氏体 的含碳量）的含碳量）塑性和韧性塑性和韧性低碳低碳M的塑性韧性好，的塑性韧性好，高碳高碳 M
17、塑性韧性差。塑性韧性差。马氏体性能马氏体性能低碳低碳M（板条（板条M）强而韧强而韧 高碳高碳M（片状（片状M）硬而脆硬而脆本讲稿第三十八页，共四十六页马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化固溶强化。此外，马氏体转变产生的此外，马氏体转变产生的组织细化组织细化也有强化作用。也有强化作用。相变相变强化、时效强化强化、时效强化马氏体转变是强化钢的重马氏体转变是强化钢的重要途径之一。要途径之一。马氏体的塑性和韧性主要取决于其马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的亚结构的形式。针形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性状马氏体脆性大，板条马氏体具有
18、较好的塑性和韧性本讲稿第三十九页，共四十六页马氏体转变的主要特点马氏体转变的主要特点马氏体转变的主要特点马氏体转变的主要特点oo 无扩散性无扩散性无扩散性无扩散性l铁和碳原子都不扩散铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相与奥氏体的含碳量相同。同。本讲稿第四十页，共四十六页(2)在一个温度范围内进行的在一个温度范围内进行的(3)转变不完全转变不完全l即使冷却到即使冷却到Mf 点，也不可能获得点，也不可能获得100%的马氏体，总的马氏体，总有部分奥氏体未能转变有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用而残留下来，称残余奥氏体，用A 或或 表示。表示。本讲稿
19、第四十一页，共四十六页6.3.26.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线“CCT(Continuous Cooling Transformation)”本讲稿第四十二页，共四十六页VkVk共析钢的共析钢的CCT曲线曲线时间时间温度温度/KKv KvKPSPf水冷水冷空冷空冷V VK K本讲稿第四十三页，共四十六页本讲稿第四十四页，共四十六页6.2.3 6.2.3 过冷奥氏体转变曲线的应用过冷奥氏体转变曲线的应用 1)1)等温转变图的应用等温转变图的应用2 2）连续冷却曲线的应用）连续冷却曲线的应用本讲稿第四十五页，共四十六页Thanks for your Thanks for your attention!attention!本讲稿第四十六页，共四十六页