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第四章 钢的热处理技术
所谓钢的热处理技术是将钢在固态下以适当的方式进行加热,保温和冷却,以获得所需组织和性能的工艺方法.热处理是强化金属材料,提高产品质量和寿命的主要途径之一.绝大部分重要的机械零件,在制造过程中都必须进行热处理.
根据加热和冷却方法不同,将钢的常用热处理分类如下:
尽管热处理种类繁多,但其基本过程都是由加热,保温和冷却三个阶段组成.图4-1为最基本的热处理工艺曲线形式.
改变加热温度,保温时间,冷却速度等参数,会在一定程度上发生相应的预期组织转变,从而改变材料的性能.由此可知,控制加热温度,保温时间和冷却速度就可以控制钢的组织和性能. 1. 钢在加热时的转变(奥氏体化)
加热是热处理的第一道工序.大多数热处理工艺首先要将钢加热到相变点(又称临界点)以上,目的是获得奥氏体.
Fe-Fe3C相图相变点A1,A3,Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的.
但在实际生产中,加热和冷却并不是极其缓慢的,因此,钢的实际相变点都会偏离平衡相变点.即:加热转变相变点在平衡相变点以上,而冷却转变相变点在平
衡相变点以下.通常把实际加热温度标为Ac1,Ac3,Accm,,实际冷却温度标为Ar1,Ar3,Arcm.如图4-1所示.钢的相变点是制定热处理工艺参数的重要依据,各种钢的相变点可在热处理手册中查到.
1.1奥氏体的形成过程
钢加热到Ac1点以上时会发生珠光体向奥氏体的转变,加热到Ac3和Accm以上时,便全部转变为奥氏体,这种加热转变过程称为钢的奥氏体化.奥氏体的形成过程是珠光体转变为奥氏体的一个重新结晶的过程.由于珠光体是 铁素体和渗碳体的机械混合物,铁素体与渗碳体的晶格类型不同,含碳量差别很大,转变为奥氏体必须进行晶格的改组和铁碳原子的扩散.下面以共析钢为例说明奥氏体化大致可分为四个过程,如图4-2所示.
1.1.1奥氏体形核 奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的.由于界面上的碳浓度处于中间值,原子排列也不规则,原子由于偏离平衡位置处于畸变状态而具有较高的能量.同时位错和空间密度较高 铁素体和渗碳体的交接处在浓度结构和能量上为奥氏体形核提供了有利条件.
1.1.2奥氏体长大 奥氏体一旦形成,便通过原子扩散不断张大 在于铁素体接触的方向上,铁素体逐渐通过改组晶胞向奥氏提转化;在与渗碳体接触的方向上,渗碳体不断溶入奥氏体. 1.1.3残余渗碳体溶解 由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大,因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成.当珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后,仍有少量的渗碳体尚未溶解.随着保温时间的延长,这部分渗碳体不断溶入奥氏体,直至完全消失.
1.1.4奥氏体均匀化 刚形成的奥氏体晶粒中,碳浓度是不均匀的.原先渗碳体的位置,碳浓度较高;原先属于铁素体的位置,碳浓度较低.因此,必须保温一段时间,通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥氏体.这就是热处理应该有一个保温阶段的原因.
应当指出,在生产中钢的热处理并非都要求达到奥氏体均匀化,而是根据热处理的目的,控制奥氏体形成的不同阶段..应当指出,在生产中钢的热处理并非都要求达到奥氏体均匀化,而是根据热处理的目的,控制奥氏体形成的不同阶段.
亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相似,不同之处是亚共析钢和过共析钢需加热到Ac3或Accm以上时,才能获得单一的奥氏体组织,即完全奥氏体化.但对过共析钢而言,此时奥氏体晶粒已粗化.
1.共析钢
碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到α——铁中的固溶体叫铁素体，溶解到γ——铁中的固溶体叫奥氏体。铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。
从反映钢的组织结构与钢的含碳量和钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图上可见，当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。即在这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失（加热时），如果出现则两者又同时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。基于这个原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看待，并且命名为珠光体，这种钢就叫做共析钢。即含碳量正好是0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。 2.亚共析钢 常用的结构钢含碳量大都在0.5%以下，由于含碳量低于0.77%，所以组织中的渗碳体量也少于12%，于是铁素体除去一部分要与渗碳体形成珠光体外，还会有多余的出现，所以这种钢的组织是铁素体+珠光体。碳含量越少，钢组织中珠光体比例也越小，钢的强度也越低，但塑性越好，这类钢统称为亚共析钢。 3.过共析钢 工具用钢的含碳量往往超过0.77%，这种钢组织中渗碳体的比例超过12%，所以除与铁素体形成珠光体外，还有多余的渗碳体，于是这类钢的组织是珠光体+渗碳体。这类钢统称为过共析钢。 1.2奥氏体晶粒长大及其影响因素
在高温下,奥氏体晶粒长大是一个自发过程.奥氏体化温度越高,保温时间越长,奥氏体晶粒长大越明显.随着钢中奥氏体含碳量的增加,奥氏体晶粒长大的倾向也增大.但当ωc>1.2%时,奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体能阻碍晶粒的长大.
钢中加入能生成稳定碳化物的元素(如铌,钛,钒,锆等)和能生成氧化物及氮化物的元素(如铝),都会阻止奥氏体晶粒长大,而锰和磷是增加奥氏体晶粒长大倾向的元素.
奥氏体晶粒长大的结果,对零件的热处理质量有很大的影响.为了控制奥氏体晶粒长大应采取以下措施:热处理加热时要合理选择并严格控制加热温度和保温时间,合理选择钢的原始组织及选用含有一定量合金元素的钢材等. 2. 钢在冷却时的转变
钢经奥氏体化后,由于冷却条件不同,其转变产物在组织和性能上有很大差别.由表7-1可以看出,45钢在同样奥氏体化条件下,由于冷却速度不同,其力学性能有明显差别. 表4-1 45钢经840℃加热后,不同条件冷却后的力学性能 冷却方法 sζb /MPa sζS /Mpa dδ(%) yψ(%) HRC
随炉冷却 空气冷却 油中冷却 水中冷却 519
657～706 882 1078 272 333 608 706 32. 5
15～18 18～20 7～8 49 45～50 48 12～14
15～18 18～24 40～50 52～60
冷却是钢热处理的生产过程中影响性能的最重要环节,所以冷却转变是热处理的关键. 热处理冷却方式通常有两种,即等温冷却和连续冷却.
所谓等温转变是指将奥氏体化的钢件迅速冷却至Ar1以下某一温度并保温,使其在该温度下发生组织转变,然后再冷却至室温,连续冷却则是将奥氏体化的钢件连续冷却至室温,并在连续冷却过程中发生组织转变.见图4-3所示. 2.1过冷奥氏体的等温冷却转变
所谓\过冷奥氏体\是指在相变温度A1以下,未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体(A').在不同的过冷度下,反映过冷奥氏体转变产物与时间关系的曲线称为过冷奥氏体等温转变的曲线.由于曲线形状像字母C,故又称为C曲线.如图4-4所示.
共析钢过冷奥氏体在Ar1线以下不同温度会发生三种不同的转变,即珠光体转变,贝氏体转变和马氏体转变.
2.1.1珠光体转变 共析成分的奥氏体过冷到Ar1～550℃高温区等温停留时,将发生共析转变,转变产物为珠光体型组织,都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物.由于过冷奥氏体向珠光体转变温度不同,珠光体中铁素体和渗碳体片厚度也不同.在Ar1～650℃范围内,片间距较大,称为珠光体(P);在650℃～600℃范围内,片间距较小,称为索氏体(S);在600℃～550℃范围内,片间距很小,称为托氏体(T).
珠光体组织中的片间距愈小,相界面愈多,强度和硬度愈高;同时由于渗碳体变薄,使得塑性和韧性也有所改善.
2.1.2贝氏体转变 共析成分的奥氏体过冷到550℃～Ms的中温区停留时,将发生过冷奥氏体向贝氏体的转变,形成贝氏体(B).由于过冷度较大,转变温度较低,贝氏体转变时只发生碳原子的扩散而不发生铁原子的扩散.因而,贝氏体是由于含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的两相混合物.
按组织形态和转变温度,可将贝氏体组织分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)两种.上贝氏体是在550～350℃温度范围内形成的.由于脆性较高,基本无实用价值,这里不予讨论;下贝氏体是在350℃～Ms点温度范围内形成的.它由含过饱和的细小针片状铁素体和铁素体片内弥散
分布的碳化物组成,因而,它具有较高的强度和硬度,塑性和韧性.在实际生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体.
2.1.3马氏体转变 当过冷奥氏体被快速冷却到Ms点以下时,便发生马氏体转变,形成马氏体(M),它是奥氏体冷却转变最重要的产物.奥氏体为面心立方晶体结构.当过冷至Ms以下时,其晶体结构将转变为体心立方晶体结构.由于转变温度较低,原奥氏体中溶解的过多碳原子没有能力进行扩散,致使所有溶解在原奥氏体中的碳原子难以析出,从而使晶格发生畸变,含碳量越高,畸变越大,内应力也越大.马氏体实质上就是碳溶于α-Fe中过饱和间隙固溶体.
马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳含量.当Wc低于0.2%时,可获得呈一束束尺寸大体相同的平行条状马氏体,称为板条状马氏体,如图4-5a所示.
珠光体组织中的片间距愈小,相界面愈多,强度和硬度愈高;同时由于渗碳体变薄,使得塑性和韧性也有所改善.
当钢的组织为板条状马氏体时,具有较高的硬度和强度,较好的塑性和韧性.当马氏体中Wc大于0.6%时,得到针片状马氏体,如图4-5b所示.片状马氏体具有很高的硬度,但塑性和韧性很差,脆性大.当Wc在0.2%～0.6%之间时,低温转变得到板条状马氏体与针状马氏体混合组织.随着碳含量的增加,板条状马氏体量减少而针片状马氏体量增加.
与前两种转变不同的是,马氏体转变不是等温转变,而是在一定温度范围内(Ms～Mf)快速连续冷却完成的转变.随温度降低,马氏体量不断增加.而实际进行马氏体转变的淬火处理时,冷却只进行到室温,这时奥氏体不能全部转变为马氏体,还有少量的奥氏体未发生转变而残余下来,称为残余奥氏体.过多的残余奥氏体会降低钢的强度,硬度和耐磨性,而且因残余奥氏体为不稳定组织,在钢件使用过程中易发生转变而导致工件产生内应力,引起变形,尺寸变化,从而降低工件精度.因此,生产中常对硬度要求高或精度要求高的工件,淬火后迅速将其置于接近Mf的温度下,促使残余奥氏体进一步转变成马氏体,这一工艺过程称为\冷处理\
亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线与共析钢的奥氏体等温转变曲线相比,它们的C曲线分别多出一条先析铁素体析出线或先析渗碳体析出线.
通常,亚共析钢的C曲线随着含碳量的增加而向右移,过共析钢的C曲线随着含碳量的增加而向左移.故在碳钢中,共析钢的C曲线最靠右,其过冷奥氏体最稳定. 2.2过冷奥氏体连续冷却转变
在实际生产中,奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行,故有必要对过冷奥氏体的连续冷却转变曲线有所了解.
它也是由实验方法测定的,它与等温转变曲线的区别在于连续冷却转变曲线位于曲线的右下侧,且没有C曲线的下部分,即共析钢在连续冷却转变时,得不到贝氏体组织.这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长,当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变,所以不出现贝氏体转变.
连续冷却转变曲线又称CCT图,如图4-6所示.图中Ps和Pf表示A→P的开始线和终了线,K线表示A→P的终止线,若冷却曲线碰到K线,这时A→P转变停止,继续冷却时奥氏体一直保持到Ms点温度以下转变为马氏体.
称为临界冷却速度,也称为上临界冷却速度,它是获得全部马氏体组织的最小冷却速度.愈小,钢在淬火时越容易获得马氏体组织,即钢接受淬火的能力愈大.
为下临界冷却速度,是保证奥氏体全部转变为珠光体的最大冷却速度.越小,则退火速度所需时间越长.
3. 钢的普通热处理
普通热处理是将工件整体进行加热,保温和冷却,以使其获得均匀的组织和性能的一种操作.它包括退火,正火,淬火和回火等.
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