四金屬學(xué)學(xué)習(xí)教案

1、四金屬學(xué)四金屬學(xué)第一頁，共59頁。l熱處理可消除鑄、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細(xì)化晶粒，消除偏析，降低內(nèi)應(yīng)力，使組織和性能更加均勻。對金屬材料進(jìn)行熱處理可提高其綜合機(jī)械性能，符合材料在設(shè)計和制備過程中所遵循的“成分組織性能”的原則。l熱處理是基于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(zhunbin)、共析轉(zhuǎn)變(zhunbin)、固溶和脫溶等固態(tài)下的組織轉(zhuǎn)變(zhunbin)來達(dá)到改變材料性能的目的。lFe-Fe3C相圖上鋼的相變線有三條：A1為共析轉(zhuǎn)變(zhunbin)線(PSK)，A3為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(zhunbin)線(GS)，Acm為奧氏體固溶線(ES)。第1頁/共59頁第二頁，共59頁。 實際加熱、冷卻

2、條件(tiojin)下的臨界溫度 加熱時的臨界溫度用c表示，Ac1、Ac3、Accm； 冷卻時的臨界溫度用r表示，Ar1、Ar3、Arcm。第2頁/共59頁第三頁，共59頁。冷卻方式冷卻方式隨爐冷卻隨爐冷卻空氣冷卻空氣冷卻油冷油冷水冷卻水冷卻HRC15 1818 2440 5052 60組織組織P+FP+F（少）組織細(xì)（少）組織細(xì)M+PM作用：（1）顯著提高材料的使用性能(xngnng) （2）改善加工性能(xngnng)（切削、熱處理）。汽車零件80%；工模具(mj)、軸承100%如：含碳量0.45鋼，840加熱(ji r)，不同方式冷卻意義： 應(yīng)用廣泛、效果顯著 第3頁/共59頁第四頁，共

3、59頁。熱處理的條件(tiojin)l有固態(tài)相變l加熱時溶解度顯著(xinzh)變化的合金。第4頁/共59頁第五頁，共59頁。 為什么鋼能熱處理?LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%6.69FeT JNHA1Fe3C鐵碳相圖 固態(tài)(gti)相變 有相變重結(jié)晶 C溶解度顯著(xinzh)變化 可固溶強(qiáng)化第5頁/共59頁第六頁，共59頁。熱處理第一步 加熱(ji r)奧氏體化把亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼分別(fnbi)加熱到Ac3、Ac1、Accm以上，使鋼的室溫組織全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，稱為鋼的奧氏體化。第6頁/共59頁第七頁，共59頁。以共析鋼為例 P (F + F

4、e3C) A (727 ) 成分(C%) 0.0218 6.69 0.77結(jié)構(gòu)(jigu) 體心立方 復(fù)雜斜方 面心立方奧氏體化中成分組織結(jié)構(gòu)(jigu)的變化是靠鐵、碳原子的擴(kuò)散和鐵原子的晶格改變來完成的，也是通過形核和長大(chn d)的過程來實現(xiàn)的。第7頁/共59頁第八頁，共59頁。（4）奧氏體中 C 的擴(kuò)散(kusn)均勻化。 (萬秒) （3）剩余(shngy) Fe3C 的溶解； (千秒)（2）奧氏體向 F 及 Fe3C 兩側(cè)(lin c)長大(幾百秒)（1）奧氏體在FFe3C 界面上形核（10秒） 四個階段：第8頁/共59頁第九頁，共59頁。奧氏體化的目的： 獲成分(chng fn

5、)均勻、晶粒細(xì)小的奧氏體晶粒 奧氏體晶粒度概念奧氏體晶粒度表示奧氏體晶粒大小，工業(yè)上一般分為8級加熱后獲得的奧氏體晶粒大小稱為奧氏體實際晶粒度，實際晶粒越細(xì)小，冷卻后轉(zhuǎn)變成珠光體或其他(qt)組織的晶粒也越細(xì)小，其強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好；反之，材料的綜合機(jī)械性能越差。 第9頁/共59頁第十頁，共59頁。第10頁/共59頁第十一頁，共59頁。 加熱溫度和保溫(bown)時間12501050 900 保溫時間 t晶粒度常規(guī)(chnggu)加熱速度下影響不大快速加熱，短時保溫的超細(xì)化工藝如高頻加熱，激光加熱等T、 t ，A 晶粒長大；T 的影響遠(yuǎn)大于 t 加熱速度第11頁/共59頁第十二頁，

6、共59頁。 強(qiáng)烈阻礙：Al、V、Ti、Zr、Nb 原因：機(jī)械阻礙理論(lln) 形成難溶碳、氮化物 中等阻礙：Cr、W、Mo 促進(jìn)長大： Mn、P、溶入 A 的 C 降低鐵原子的結(jié)合力，促進(jìn)鐵的擴(kuò)散 成分(chng fn)第12頁/共59頁第十三頁，共59頁。第13頁/共59頁第十四頁，共59頁。奧氏體在A1線以下不穩(wěn)定(wndng)，過冷奧氏體經(jīng)過一個孕育期后才開始轉(zhuǎn)變第14頁/共59頁第十五頁，共59頁。1 高溫轉(zhuǎn)變(zhunbin)產(chǎn)物(A1-550) Fe、C均擴(kuò)散，形成高碳的Fe3C和低碳的F 亞共析鋼： F+P; 共析鋼：P； 過共析鋼： P+Fe3C 珠光體類型 晶格的重構(gòu)，由f

7、cc的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc的鐵素體和復(fù)雜立方晶格的滲碳體，化學(xué)成分與晶格類型的轉(zhuǎn)變均靠擴(kuò)散實現(xiàn)(shxin)，固態(tài)下形核和長大的結(jié)晶過程。 擴(kuò)散類型過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變(zhunbin)的產(chǎn)物與性能 第15頁/共59頁第十六頁，共59頁。片狀珠光體組織(zzh)粒狀珠光體組織(zzh)片狀珠光體：力學(xué)性能取決于片間距，制做繩用鋼絲(n s)、琴鋼絲(n s)。粒狀珠光體：過冷A直接分解或片狀P球化，硬度和強(qiáng)度相對較低，塑性和韌性較好，重要的機(jī)器零件。T組織越細(xì)硬度越高第16頁/共59頁第十七頁，共59頁。2 中溫轉(zhuǎn)變(zhunbin)產(chǎn)物（550Ms(230)）Fe不擴(kuò)散，C部分?jǐn)U散 -Fe(C過

8、飽和的）+Fe3C的機(jī)械混合物 貝氏體類型( B) 化學(xué)成分的變化靠擴(kuò)散實現(xiàn) 晶格(jn )類型的轉(zhuǎn)變非擴(kuò)散性 半擴(kuò)散性第17頁/共59頁第十八頁，共59頁。上貝氏體組織(zzh)下貝氏體組織(zzh)上貝氏體(550-350)：粗大的片狀F和粗大的滲碳體，韌性差，工程(gngchng)上盡量避免得到此種組織。下貝氏體(350-230)：F細(xì)小、滲碳體彌散度大，強(qiáng)度、硬度高，塑性和韌性有所改善，良好的綜合性能。第18頁/共59頁第十九頁，共59頁。 3 低溫轉(zhuǎn)變(zhunbin)產(chǎn)物(Ms線以下) Fe、C均不擴(kuò)散非擴(kuò)散型 得 C 在-Fe 中的過飽和固溶體 馬氏體 馬氏體類型( M)馬氏體最

9、主要的機(jī)械性能特征是硬度高：過飽和碳原子與馬氏體中的晶體缺陷的交互作用引起(ynq)固溶強(qiáng)化。 第19頁/共59頁第二十頁，共59頁。板條狀(tio zhun)馬氏體針片狀馬氏體板條狀(tio zhun)馬氏體：當(dāng)高溫奧氏體含碳量小于0.3%時，淬火組織。針片狀馬氏體：當(dāng)高溫奧氏體含碳量大于1.0%時，淬火組織。第20頁/共59頁第二十一頁，共59頁。定義：把工件加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間，然后緩慢(hunmn)冷卻以達(dá)到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。目的：均勻化學(xué)成分，改善機(jī)械性能（降低硬度，提高塑性(sxng)、韌性），消除或減少應(yīng)力，為最終熱處理作準(zhǔn)備第21頁/共59頁第二十二頁，共5

10、9頁。擴(kuò)散(kusn)退火完全(wnqun)退火不完全(wnqun)退火球化退火去應(yīng)力退火再結(jié)晶退火第22頁/共59頁第二十三頁，共59頁。一、擴(kuò)散(kusn)退火定義(dngy)：將金屬鑄錠、鑄件、鍛件或鍛坯在略低于固相線的溫度下長期加熱，保溫后緩慢冷至室溫的熱處理工藝，又稱均勻化退火目的：以消除或減少(jinsho)化學(xué)成分偏析及顯微組織(枝晶)的不均勻性，達(dá)到均勻化目的應(yīng)用：多用于優(yōu)質(zhì)合金鋼，偏析現(xiàn)象較為嚴(yán)重的合金以及碳鋼。第23頁/共59頁第二十四頁，共59頁。定義：將鋼件或鋼材加熱到Ac3點以上2030,使之完全奧氏體化，然后緩慢冷卻，獲得接近于平衡組織的熱處理工藝(gngy)目的：

11、細(xì)化晶粒,降低硬度,改善切削性能,消除內(nèi)應(yīng)力適用范圍：含碳0.30-0.60%的亞共析鋼（中碳鋼）二、完全(wnqun)退火第24頁/共59頁第二十五頁，共59頁。定義:將鋼件加熱至Ac1和Ac3之間，或Ac1與Accm之間,經(jīng)保溫(bown)冷卻,以獲得接近平衡組織的熱處理工藝 三、不完全(wnqun)退火p降低硬度,改善切削性能；p經(jīng)淬火,回火后獲得(hud)良好的綜合機(jī)械性能。目的:不完全退火的溫度低，時間短，故成本較低。亞共析鋼有時可以采用不完全退火來代替完全退火過共析鋼的不完全退火，實際上是球化退火的一種說明：第25頁/共59頁第二十六頁，共59頁。概念(ginin)：使鋼中的碳化物

12、球化，或獲得球狀珠光體的退火工藝。 加熱溫度Ac11030。目的：1）降低硬度，改善切削性能； 2）獲得均勻組織，改善熱處理工藝性 3）經(jīng)淬火、回火后獲得優(yōu)良(yuling)的綜合機(jī)械性能(原始組織為球狀時，經(jīng)淬火回火后塑性韌性更好，具有更高的接觸疲勞強(qiáng)度和更長的壽命)。四、球化退火(tu hu)第26頁/共59頁第二十七頁，共59頁。概念：經(jīng)過(jnggu)冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時間，使形變晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒，以消除形變強(qiáng)化和殘余應(yīng)力的熱處理工藝。目的：消除加工硬化，降低硬度，改善切削加工性能；提高延展性（塑性），及壓延成型性能。應(yīng)用(yngyng)：存在加工

13、硬化的冷變形金屬。五、再結(jié)晶退火(tu hu)第27頁/共59頁第二十八頁，共59頁。概念：為去除由于形變加工、鍛造、焊接等所引起的及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。目的：去除殘余應(yīng)力。應(yīng)用：鑄造、鍛造、焊接等存在殘余應(yīng)力的工件。溫度的確定：去應(yīng)力退火的溫度范圍很寬，應(yīng)根據(jù)具體情況而定。冷卻方式：去應(yīng)力退火均應(yīng)緩慢冷卻到室溫，以免(ymin)產(chǎn)生新的應(yīng)力。六、去應(yīng)力(yngl)退火第28頁/共59頁第二十九頁，共59頁。定義：鋼加熱到AC3以上適當(dāng)(shdng)溫度（3050）并保溫，出爐空冷至室溫的熱處理工藝。第29頁/共59頁第三十頁，共59頁。目的及用途：為消除網(wǎng)狀碳化物，過共析鋼的球

14、化退火提供細(xì)片狀球光體改善組織，消除熱加工缺陷提高硬度，改善切削加工性能作為(zuwi)普通零件的最終熱處理溫度選擇：為縮短工件在高溫時的停留時間，而心部又能達(dá)到要求得加熱溫度，采用(ciyng)稍高于完全退火的溫度第30頁/共59頁第三十一頁，共59頁。相同點：均是珠光體型組織(zzh)不同點：正火得到的珠光體，過冷度較大，片間距細(xì)?。煌耆嘶鸬玫降闹楣怏w片間距較大。1、組織(zzh)比較第31頁/共59頁第三十二頁，共59頁。p亞共析鋼，正火的強(qiáng)度、硬度、韌性較高，塑性相仿；p過共析鋼，退火后強(qiáng)度、硬度、韌性均低于正火，只有球化退火的，因其所得(su d)組織為球狀珠光體，故其綜合性能優(yōu)于

15、正火的。p對于含碳量相同的工件，正火后的強(qiáng)度和硬度要高于的退火的。2性能(xngnng)比較第32頁/共59頁第三十三頁，共59頁。選擇原則：含碳小于0.25%的鋼應(yīng)采用正火，以提高硬度，改善切削加工性能。含碳量為0.250.5%的鋼,可以采用退火或正火處理，但一般(ybn)采用正火處理。正火后其硬度接近于最佳切削加工硬度。含碳量為0.500.75%的鋼，一般(ybn)采用完全退火，以降低硬度，改善切削加工性能。含碳量為0.751.0%的鋼，做彈簧用完全退火；做刀具采用球化退火含碳量大于1.0%的鋼,用于制造工具,均采用球化退火作預(yù)備熱處理.第33頁/共59頁第三十四頁，共59頁。定義：把鋼加

16、熱(ji r)到臨界點Ac3或Ac1以上，保溫并隨之以大于臨界冷卻速度Vk冷卻，以得到介穩(wěn)狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝淬火(cu hu)的目的：提高零件的硬度，強(qiáng)度，耐磨性。結(jié)構(gòu)鋼通過淬火(cu hu)，回火獲得良好的綜合機(jī)械性能。少數(shù)工件可以改善鋼的物理和化學(xué)性能。第34頁/共59頁第三十五頁，共59頁。 臨界點以上，獲得(hud)奧氏體； 大于臨界冷速，得到馬氏體或下貝氏體。淬火(cu hu)必要條件：淬火介質(zhì)：為實現(xiàn)(shxin)淬火目的用的冷卻介質(zhì)。常用的淬火介質(zhì)：水、堿或鹽的水溶液、油、有機(jī)物的水溶液及乳化液第35頁/共59頁第三十六頁，共59頁。1. 概念：鋼材(gngc

17、i)被淬透的能力，或者說淬火時獲得馬氏體的能力p不同的鋼種，淬透性是不同的，因此工件表面到內(nèi)部的截面上淬成馬氏體組織的厚度也不同；p淬成馬氏體組織的厚度越大，表示該鋼的淬透性愈高。p馬氏體組織厚度通常稱為(chn wi)硬化層厚度或淬透深度、淬硬層深度等。第36頁/共59頁第三十七頁，共59頁。2影響(yngxing)鋼的淬透性的因素(1) 鋼的化學(xué)成分：含碳量、合金元素(2) 奧氏體晶粒度的影響(3) 奧氏體化溫度(4) 第二相的存在和分布(5) 鋼的原始(yunsh)組織的影響第37頁/共59頁第三十八頁，共59頁。概念：把已加熱(ji r)到淬火溫度的工件淬入一種淬火介質(zhì)，使其完全冷卻。

18、如曲線a所示。p 操作簡單；p 易產(chǎn)生淬火應(yīng)力，導(dǎo)致工件變形(bin xng)或開裂。1單液淬火法特點：第38頁/共59頁第三十九頁，共59頁。p適用于形狀(xngzhun)簡單的碳鋼，合金鋼工件；p對碳鋼直徑大于35mm的工件水中淬火，更小的可采用油淬；p各類合金鋼則以油為常用淬火介質(zhì)。適用(shyng)條件：第39頁/共59頁第四十頁，共59頁。概念：把加熱到淬火溫度的工件，先在冷卻能力(nngl)強(qiáng)的淬火介質(zhì)中冷卻至接近MS點，然后轉(zhuǎn)入冷卻能力(nngl)弱的淬火介質(zhì)中冷卻至室溫。如曲線b所示。2雙液淬火(cu hu)法第40頁/共59頁第四十一頁，共59頁。n 特點：n 保證了獲得較高

19、的硬度層和淬硬層深度。n 可減小內(nèi)應(yīng)力及防止發(fā)生淬火開裂。n 分級淬火的停留時間難把握。n 說明：n 一般用水做快冷淬火介質(zhì)，用油或空氣做慢冷淬火介質(zhì)，但較少采用空氣，在水中停留時間為每56mm有效(yuxio)厚度約1秒。n 適用條件：n 尺寸較大的碳素鋼工件。第41頁/共59頁第四十二頁，共59頁。概念：把工件由奧氏體化溫度淬入高于該鋼種的馬氏體開始轉(zhuǎn)變(zhunbin)溫度的淬火介質(zhì)中，在其中冷卻直至工件各部分溫度達(dá)到淬火介質(zhì)的溫度，然后緩冷至室溫，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變(zhunbin)。如曲線C所示。3分級淬火法第42頁/共59頁第四十三頁，共59頁。n特點：n 減少(jinsho)了熱應(yīng)力

20、，且馬氏體轉(zhuǎn)變前工件各部分溫度已趨于均勻，因而馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時現(xiàn)象也減少(jinsho)。n適用條件：n 只適用于尺寸較小的工件。第43頁/共59頁第四十四頁，共59頁。概念：工件淬火(cu hu)加熱后，若長期保持在下貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度使之完成奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，獲得下貝氏體組織，這種淬火(cu hu)方法稱等溫淬火(cu hu)法。如曲線d所示4等溫淬火(cu hu)法第44頁/共59頁第四十五頁，共59頁。n等溫淬火與分級淬火的區(qū)別在于前者是獲得下貝氏體組織。n等溫淬火目的：獲得變形小，硬度高并兼有良好韌性的工件。n原因：下貝氏體的硬度較高，而韌性又好，在等溫淬火時，冷卻(lngqu)又

21、較慢，貝氏體的比容也比較小，熱應(yīng)力、組織應(yīng)力均很小，所以形狀變形和體積變形也較小。n等溫淬火所用淬火介質(zhì)與分級淬火相同。第45頁/共59頁第四十六頁，共59頁。1、回火概念：將淬火零件重新加熱(ji r)到低于臨界點某一溫度，保溫后空冷到室溫的熱處理工藝稱為回火?；鼗饡r的轉(zhuǎn)變稱為回火轉(zhuǎn)變。2、回火原因 淬火后得到的是馬氏體或馬氏體與殘余奧氏體，在室溫下為亞穩(wěn)定狀態(tài)，都趨于向鐵素體加滲碳體（碳化物）的穩(wěn)定狀態(tài)變化。第46頁/共59頁第四十七頁，共59頁。3、回火目的：減少或消除(xioch)內(nèi)應(yīng)力，放止變形和開裂；獲得穩(wěn)定組織；提高塑性、韌性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性與韌性的適當(dāng)配合。第47頁/共5

22、9頁第四十八頁，共59頁。(1) 馬氏體分解(fnji)（250）；M + ( FexC , x 2.4 ) 過飽和 彌散(msn)、共格、亞穩(wěn)(2) 殘余奧氏體分解（200300）；(3) 碳化物類型的轉(zhuǎn)變（250400）； （Fe5C2）(Fe3C)(4) 相回復(fù)與再結(jié)晶，碳化物聚集長大（400650）第48頁/共59頁第四十九頁，共59頁。p 350以下回火，得到(d do)針狀相+ 碳化物，即回火馬氏體 (碳化物存在于板條或片內(nèi))，記作M；p 400500回火，得到(d do)針狀相+細(xì)粒狀碳化物，即回火屈氏體記作 T ；p 500650回火，得到(d do)多邊形相+粗粒狀碳化物，即

23、回火索氏體，記作 S。 淬火碳鋼在不同溫度回火(hu hu)，可得到不同的組織：第49頁/共59頁第五十頁，共59頁。組織組織組織本質(zhì)組織本質(zhì)主要性能特點主要性能特點回火馬氏回火馬氏體體碳在碳在-Fe中的過飽和固溶體與中的過飽和固溶體與彌散的彌散的碳化物組成的復(fù)相組碳化物組成的復(fù)相組織織保持馬氏體的高硬度和耐磨性，保持馬氏體的高硬度和耐磨性，但脆性有所降低，塑性和韌性但脆性有所降低，塑性和韌性提高。提高?；鼗鹎匣鼗鹎象w體保持馬氏體形態(tài)的鐵素體與細(xì)保持馬氏體形態(tài)的鐵素體與細(xì)粒狀滲碳體的復(fù)相組織粒狀滲碳體的復(fù)相組織高的彈性極限，較高的屈服強(qiáng)高的彈性極限，較高的屈服強(qiáng)度度回火索氏回火索氏體體多邊

24、形（或等軸）鐵素體和粒多邊形（或等軸）鐵素體和粒狀滲碳體的復(fù)相組織狀滲碳體的復(fù)相組織良好的綜合力學(xué)性能良好的綜合力學(xué)性能第50頁/共59頁第五十一頁，共59頁。各種碳鋼淬火后在回火時機(jī)械性能的變化基本相似；總的趨勢是隨著回火溫度升高(shn o)，硬度和強(qiáng)度降低，塑性和韌性升高(shn o)回火的種類 按回火溫度的不同，回火可分以下(yxi)三種： 低溫回火：150C250C 中溫回火：350C500C 高溫回火：500C650C 第51頁/共59頁第五十二頁，共59頁。1、低溫回火（150250）C 目的：保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性，降低淬火應(yīng)力,減少鋼的脆性。硬度為58-64HRC。組織：回火馬氏體應(yīng)用：刃具、量具(lingj)、模具、滾動軸承、滲碳淬火件和表面淬火件。第52頁/共59頁第五十三頁，共59頁。2、中溫回火（350500）C 目的：獲得高的彈性極限、屈服點和較好的韌性。又稱彈性處理(chl)。硬度為35-45HRC.組織：回火屈氏體應(yīng)用：彈性零件及熱鍛模具等。第53頁/共59頁第五十四頁，共59頁。3、高溫回火(hu hu)（500650）C 目的：獲得良好的綜合力學(xué)性能。 硬度為25-35HRC. 組織：回火(hu hu)索氏體。 應(yīng)用：各種重要結(jié)構(gòu)零件如螺栓、齒輪及軸承。淬火(cu hu)加隨后的高溫回火也稱為調(diào)質(zhì)處理。中碳鋼