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金属学与热处理

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-10-22  浏览次数:3730
    热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式,改变金属内部组织结构,从而获得所需性能的操作工艺,
作用:它不改变工件的形状和尺寸,只改变工件的性能,如提高材料的强度和硬度,增加耐磨性,或者改善材料的塑性、韧性和加工性等。       
第一节 热处理的基本原理
  一、钢在加热时的组织转变
  (一)钢在加热和冷却时的相变温度
    铁碳合金相图中的A1、A3和Acm 线是反映不同含碳量的钢在极为缓慢加热或冷却时的相变温度。但钢在实际加热和冷却时不可能非常缓慢,因此,钢中的相转变不能完全按铁碳合金相图中的A1、A3和Acm线,而有一定的滞后现象,即出现过热(加热时)或过冷(冷却时)现象。加热或冷却时的速度越大, 组织转变偏离平衡临界点的程度也越大。为区别起见,把冷却时的临界点记作Ar1、 Ar3 、Arcm;加热时的临界点记作Ac1、A1c3、Accm。
    例如,共析钢在平衡状态下珠光体和奥氏体的转变温度为A1;冷却时奥氏体转变为珠光体的温度为Ar1; 加热时珠光体转变为奥氏体的温度为Ac1。 这些临界点是正确选择钢在热处理时的加热温度和冷却时结构发生变化的温度的主要依据。
    (二)奥氏体的形成
    共析钢在常温时具有珠光体组织,加热到Ac1以上温度时, 珠光体开始转变为奥氏体。只有使钢呈奥氏体状态,才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织,从而获得所需要的性能。钢在加热时的组织转变,主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。
  在铁素体和渗碳体的相界面上首先出现许多奥氏体晶核。这是因为铁素体与渗碳体是两个具有不同晶体结构的相,在二相界面上有晶格扭曲或原子排列紊乱等缺陷,原子处于高能量状态,有利于奥氏体核形成。
    奥氏体晶核形成后,便开始长大。它是依靠铁素体向奥氏体继续转变和渗碳体不断溶入而进行的。铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解快,因此,铁素体消失后,仍有部分残余渗碳体,它将随着时间的延长,继续不断地向奥氏体溶解直至全部消失。在刚形成的奥氏体晶粒中,由于原是渗碳体层地方的碳浓度高于原是铁素体层地方的碳浓度,必须继续保温通过碳原子扩散才能获得均匀的奥氏体组织。
    亚共析钢与过共析钢加热时的组织转变过程与共析钢相似,其差别在于:当亚共析钢被加热到Ac1~Ac3之间温度时,尚有一部分未溶的铁素体存在。过共析钢被加热到Ac1~Accm之间温度时, 尚有一部分未溶的二次渗碳体存在,即不完全奥氏体化。只有进一步加热到Ac3或Accm以上并保温一定时间, 才能获得单一奥氏体组织。由此可见,保温不仅是为了使工件热透,即工件心部达到与表面同样的温度,还为了获得均匀一致的奥氏体组织,以便在冷却时得到良好的组织和性能。
  (三)奥氏体晶粒的长大
由于珠光体层比较细密,在向奥氏体转变时形成的晶粒较多,因此,当珠光体刚全部转变为奥氏体时,奥氏体晶粒还是很细小的。这和加热前珠光体晶粒的大小无关。此时将奥氏体冷却后得到的组织晶粒也细小。如果在形成奥氏体后继续升温或延长保温时间,都会使奥氏体晶粒逐渐长大。晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的。此时将奥氏体冷却后得到的组织必然是粗大的。
  二、钢在冷却时的组织转变
   实际生产中,钢的热处理工艺有两种冷却方式:
一是等温冷却——将加热到奥氏体的钢迅速冷却到临界温度以下的某一温度保温,进行等温转变,然后再冷到室温,如等温退火、等温淬火等。
  二是连续冷却——将加热到奥氏体的钢,在温度连续下降的过程中发生组织转变,如水冷、空冷、炉冷等,如图19-6所示。
    等温冷却方式对研究冷却过程中的组织转变较为方便。现以共析钢为例分析奥氏体在等温冷却时的转变。
  (一)过冷奥氏体等温转变曲线
    图19-7为共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图,又称C曲线曲线。在等温转变开始线的左边为过冷奥氏体区,处于尚未转变而准备转变阶段,这段时间称为“孕育期”。在不同等温温度下,孕育期的长短不同。对共析钢来讲,过冷奥氏体在等温转变的“鼻尖”(约550℃)附近等温时,孕育期最短, 即说明过冷奥氏体最不稳定,易分解,转变速度最快。 在高于或低于550℃时,孕育期由短变长,即过冷奥氏体稳定性增加,转变速度较慢。转变终了线右边为转变结束区,两条C曲线之间为转变过渡区。 在C曲线下面还有两条水平线:一条是马氏体开始转变线Ms, 一条是马氏体转变终了线Mf,在两条水平线之间为马氏体转变区。
  (二)过冷奥氏体等温转变产物的组织及性能
    根据共析钢过冷奥氏体在不同温度区域内转变产物和性能的不同,可分为高温、中温及低温转变区,即珠光体型、贝氏体型和马氏体型的转变。
1、 高温等温转变区——珠光体型转变
    共析钢的过冷奥氏体在Ar1 ~550℃(鼻温)温度范围内,将发生奥氏体向珠光体转变。由于转变温度较高,原子有足够的扩散能力,能全部等温分解,最终形成铁素体+渗碳体组成的机械混合物,即珠光体型组织。在此温度范围内,由于过冷度不同,所得到珠光体的层片厚薄、性能也有不同。为区别起见分为以下三类:
(1)在Ar1~650℃之间,由于过冷度较高, 转变产物为粗片状铁素体+粗片状渗碳体,即珠光体组织。           
  (2)在650~600℃之间,由于过冷度较大,生核较多, 转变产物为层片较薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体,只有在高倍(1000倍左右)光学显微镜下才能分辨出片层。这种组织为细珠光体,也称为索氏体,用符号S表示
    (3)在600~550℃之间,过冷度更大。转变的产物为层片极薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体,即使在高倍光学显微镜下也无法分辨出珠光体,也称为屈氏体,
珠光体、索氏体和屈氏体实际上都是铁素体和渗碳体的机械混合物,仅片层粗细不同,并无本质差异。
其力学性能主要取决于片层间距离。片层间距越小,则强度、硬度越高,塑性和韧性也有所改善。
  2.中温等温转变区——贝氏体型转变
    转变温度在C曲线鼻尖至Ms点之间,即550~230 ℃的温度范围。转变特点是过冷度大,虽有α-Fe晶格结构, 但由于转变温度较低,碳扩散能力减弱,转变产物由含碳量过饱和铁素体和微小的渗碳体混合而成。这种组织称为贝氏体,用符号B表示。
在贝氏体转变区域,根据转变温度不同,可分为上和下贝氏体两种。
    (1)在550~350℃之间,转变产物在光学显微镜下呈羽毛状,如图19-9(a)所示。铁素体形成许多密集而互相平行的扁片,其间断断续续分布着渗碳体颗粒,但强度低,塑性差,脆性大,生产上很少采用。
    (2)在350℃~Ms之间,转变产物在光学显微镜下呈黑色竹叶状,如图19-9(b)所示。铁素体形成竹叶状,其内分布着极细小的渗碳体颗粒,这种组织为下贝氏体(B下,)
    总之,贝氏体的碳化物不是连续分布,而是由许多细颗粒或薄片呈断续分布。其次,贝氏体中的铁素体碳浓度高于珠光体,呈过饱和固溶状态。
    与上贝氏体比较,下贝氏体有较高的硬度和强度,同时塑性、韧性也较好,并有高的耐磨性。因此,生产中常采用等温淬火的方法来获得下贝氏体组织。
  3.低温转变区——马氏体型转变
    转变温度在Ms及Mf之间。转变特点是:过冷度极大,转变温度很低,碳原子和铁原子的动能很小,都不能扩散。所以,奥氏体向马氏体转变,只发生γ-Fe→α-Fe的晶格改组,即铁原子作短距离的移动,而无碳原子的扩散,全部被迫过量地固溶在α-Fe 晶格中。碳在α-Fe中的溶解度很小,常温只有0.008?,从而形成一种过饱和的固溶组织。这种碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体,用符号M表示。,热处理中的淬火就是为了得到这种组织。
共析钢奥氏体过冷到230℃(Ms)时,开始转变为马氏体, 随着温度下降,马氏体逐渐增多,过冷奥氏体不断减少,直至-50℃(Mf)时,过冷奥氏体才全部转变成马氏体。所以Ms与Mf 之间的组织为马氏体和残余奥氏体。
三、等温转变曲线在连续冷却转变中的应用
    在热处理生产中,通常采用连续冷却的方式,如炉冷、空冷、水冷等。因为连续冷却转变曲线测定较难,生产中常用等温转变曲线定性地估计连续冷却转变,即将连续冷却时的冷却速度线画在等温曲线图上。
    根据冷却速度线和等温曲线相交位置,大致可估计出产物可能得到的组织和性能,对制定热处理工艺有重要意义。图19-11为共析钢等温转变曲线图上,估计连续冷却转变的情况。
图中V1<V2<V3<V4,它们分别表示不同冷却速度的冷却曲线。
V1——相当于炉冷(退火)情况。它与C曲线相交于700~650℃,估计转变产物为粗片状珠光体。
V2——相当于空冷(正火)情况。它与C曲线相交于650~600℃,估计转变后产物为细片状珠光体,即索氏体。
V3——相当于油冷(淬火)情况,它只与C 曲线开始转变线相交于鼻尖附近,随后又与Ms线相交,估计转变产物为屈氏体和马氏体。
    V4——相当于水冷(淬火)情况,它不与C曲线相交,而直接与Ms 相交并继续冷却,估计它的组织为马氏体和残余奥氏体。
    Vk(V临)——冷却速度曲线恰恰与C曲线相切, 这是由奥氏体直接得到马氏体的最小冷却速度,称为临界冷却速度。凡是大于Vk的冷却速度都可以转变为马氏体组织。
    连续冷却转变由于是在一个温度范围内进行的,往往得到混合组织,如珠光体+索氏体,屈氏体+马氏体等。而过冷奥氏体在等温转变时只转变为单一的组织。
 
第二节 退火与正火
 
    在工厂里各种机器零件和工具一般都要经过如下的过程:
    选原料——锻造——预先热处理——机械加工——最后热处理
退火和正火经常作为钢的预先热处理工序,安排在铸造、锻造和焊接之后或粗加工之前,以消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力,为随后的切削加工及热处理作好组织准备。对于某些不太重要的工件,退火和正火也可作为最终热处理工序。
  一、退火
    退火是将钢加热到高于或低于临界温度,保温一段时间后,然后缓慢冷却(如随炉或埋入导热性能较差的介质中),从而获得接近于平衡组织的一种热处理工艺。
    由于退火可获得接近平衡状态的组织,故与其它热处理工艺比较,退火钢的硬度最低,内应力可全部消除,可提高钢材冷变形后的塑性,又由于退火过程中发生重结晶,故可细化晶粒,改善组织,所以退火可以达到各个不同的目的。
    根据钢的成分和退火目的不同,主要的退火工艺有:完全退火、球化退火和去应力退火等。
  1.完全退火
    将亚共析钢工件加热到Ac3以上(30~50)℃,保温一定时间, 然后缓慢冷却下来的热处理工艺称为完全退火,又称为重结晶退火。
    由于奥氏体进行全部的重结晶,故称为完全退火。它是应用最广泛的退火方法,主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧件有时也用于焊件。其目的是通过重结晶使晶粒细化,均匀组织,消除应力,降低硬度,以利于切削加工。
    完全退火不能用于过共析钢,因为加热到Accm以上再缓慢冷却时会析出网状渗碳体,使钢的机械性能变坏。
  2.球化退火
    是将过共析钢工件加热到Ac1以上(20~30)℃,保温后, 以极慢的冷速通过A1,使P中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状, 球化退火加热时,未完全奥氏体化,因此属于不完全退火。
    由于硬而脆的网状渗碳体存在,在切削加工时,对刀具磨损很大,同时还增加了淬火时变形及开裂的倾向。因此球化退火可使钢中碳化物呈球状化,以降低硬度,改善切削加工性能,并为以后的淬火做好组织准备。
    为了便于球化过程的进行,对于网状严重的过共析钢,应在球化退火之前进行一次正火,以消除网状渗碳体。
  3.去应力退火
    如果只是单纯为了消除内应力,则用去应力退火,又称低温退火,消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余内应力,以避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂。
    去应力退火的加热温度为(500~650)℃,经适当保温后,随炉缓冷到(200~300)℃以下,最后出炉在空气中冷却。由此可见,去应力退火是在A1以下进行的,组织并未发生变化,主要的作用是在缓慢冷却的过程中,使工件各部分均匀冷却和收缩,这样就不会产生内应力了。
  二、正火
    正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上(30~50)℃的温度,保温后从炉中取出在空气中冷却的一种操作方法。
    正火的冷却速度较退火快些,所得到的组织较细,即珠光体组织的片层间距较小,强度和硬度较高。因此正火对于亚共析钢主要是细化晶粒,均匀组织,提高机械性能,对于力学性能要求不高的普通结构零件,正火可作为最终热处理;对于低中碳结构钢,由于硬度偏低,在切削加工时易产生“粘刀”现象,增大表面粗糙度,正火的主要目的是提高硬度,改善切削加工性能,高碳钢则应采用退火;对于过共析钢,由于正火冷却速度较快,使钢中渗碳体沿晶界析出不能形成连续的网状结构,而是呈断续的链条状分布,有利于球化退火,为淬火作组织准备。
此外,正火是在炉外冷却,不占用加热设备,生产周期比退火短,生产效率高,能量消耗少,工艺简单、经济,所以,低碳钢多采用正火来代替退火。
    各种退火和正火的加热温度范围如图19-12所示。
 
 
 

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