机械工程材料及成型基础第2章钢的热处理理论.ppt
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第二章第二章钢的热处理理论钢的热处理理论2.1钢在加热时的转变钢在加热时的转变2.1.12.1.1按照按照按照按照FeFeFeFe33CC状态图分析钢加热时的转变状态图分析钢加热时的转变状态图分析钢加热时的转变状态图分析钢加热时的转变共析钢(共析钢(共析钢(共析钢(0.8%C0.8%C)加热到略微高于)加热到略微高于)加热到略微高于)加热到略微高于AAC1C1(727727)时,珠光体(铁素体渗碳体)要转变)时,珠光体(铁素体渗碳体)要转变)时,珠光体(铁素体渗碳体)要转变)时,珠光体(铁素体渗碳体)要转变成奥氏体。
成奥氏体。
成奥氏体。
成奥氏体。
FF(0.020.02CC)FeFe33CC(6.67%C6.67%C)AA(0.8%C0.8%C)这个转变是由同时发生的两个过程组成的:
这个转变是由同时发生的两个过程组成的:
这个转变是由同时发生的两个过程组成的:
这个转变是由同时发生的两个过程组成的:
一个是铁的同素异型转变,即一个是铁的同素异型转变,即一个是铁的同素异型转变,即一个是铁的同素异型转变,即-Fe-Fe-Fe-Fe,另,另,另,另一个是渗碳体溶解到奥氏体。
一个是渗碳体溶解到奥氏体。
一个是渗碳体溶解到奥氏体。
一个是渗碳体溶解到奥氏体。
亚共析钢加热到高于亚共析钢加热到高于AAC1C1临界点时,珠光体转临界点时,珠光体转变成奥氏体之后,就形成了两相组织变成奥氏体之后,就形成了两相组织奥氏体和奥氏体和铁素体。
在铁素体。
在AAC1C1AAC3C3的温度范围内,继续加热时,的温度范围内,继续加热时,铁素体要逐渐地溶解到奥氏体中,这个时候碳在铁素体要逐渐地溶解到奥氏体中,这个时候碳在奥氏体中的含量按照奥氏体中的含量按照FeFeFeFe33CC状态图的状态图的GSGS线逐渐线逐渐减少,到减少,到AAC3C3的温度时,铁素体没有了,而碳在奥的温度时,铁素体没有了,而碳在奥氏体中的浓度和钢号的含碳量一致。
氏体中的浓度和钢号的含碳量一致。
过共析钢加热到高于过共析钢加热到高于AAC1C1临界点以上时,珠临界点以上时,珠光体也要转变成奥氏体,在光体也要转变成奥氏体,在AAC1C1AcmAcm的温度范围的温度范围内加热时,发生二次渗碳体向奥氏体中的溶解过内加热时,发生二次渗碳体向奥氏体中的溶解过程。
高于程。
高于AcmAcm温度成为单相的奥氏体,在奥氏体温度成为单相的奥氏体,在奥氏体中碳的含量也和钢号中碳的含量一致。
中碳的含量也和钢号中碳的含量一致。
这样,不管是共析钢,亚共析钢还是过共析钢,加热到AC1以上的温度都要转变成奥氏体,所不同的只是,对亚共析钢来说,有一个铁素体逐渐溶解到奥氏体的过程;对过共析钢来说,有一个二次渗碳体逐渐溶解到奥氏体的过程。
最终都是得到了单相的,均匀的奥氏体。
2.1.22.1.2奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程珠光体转变成奥氏体的机理同其它结晶过程珠光体转变成奥氏体的机理同其它结晶过程一样,也是由结晶核心的形成和随后结晶核心的一样,也是由结晶核心的形成和随后结晶核心的长大。
加热温度略微高于长大。
加热温度略微高于AAC1C1(727727)时的奥氏)时的奥氏体含有体含有0.8%C0.8%C,和形成的这种奥氏体的含碳量一,和形成的这种奥氏体的含碳量一样。
样。
珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。
渗珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。
渗碳体(碳体(6.67%C6.67%C)是富碳的,铁素体()是富碳的,铁素体(0.02%C0.02%C)是)是贫碳的,奥氏体(贫碳的,奥氏体(0.8%C0.8%C)介于二者之间。
因此,)介于二者之间。
因此,这种转变是通过碳原子的扩散来完成的。
这种转变是通过碳原子的扩散来完成的。
加热到略高于加热到略高于AAC1C1以上的温度,通过扩散发生以上的温度,通过扩散发生转变,并形成保持共格界面的奥氏体结晶核转变,并形成保持共格界面的奥氏体结晶核心。
所谓共格界面,即新相与老相之间有一个共心。
所谓共格界面,即新相与老相之间有一个共用的界面称为用的界面称为“共格界面共格界面”,即还没有形成独立,即还没有形成独立的相。
由于这种转变形成了低碳的奥氏体(的相。
由于这种转变形成了低碳的奥氏体(0.8%C0.8%C)。
渗碳体中的碳原子继续向所形成的低)。
渗碳体中的碳原子继续向所形成的低碳奥氏体中扩散,使奥氏体中的碳含量逐渐接近碳奥氏体中扩散,使奥氏体中的碳含量逐渐接近平衡状态。
平衡状态。
奥氏体结晶核心首先是产生在片状珠光体的奥氏体结晶核心首先是产生在片状珠光体的铁素体和渗碳体层的分界面上,对球状渗碳体来铁素体和渗碳体层的分界面上,对球状渗碳体来说,奥氏体结晶核心也是首先产生在渗碳体球面说,奥氏体结晶核心也是首先产生在渗碳体球面的界面上(图的界面上(图2.12.1)。
)。
晶核长大时,晶格和晶格之间的共格关系被破坏了。
奥氏体晶粒就接近于等轴晶粒。
由于渗碳体中的碳原子不断地扩散到铁素体中,才保证了所形成的奥氏体晶核的不断长大。
渗碳体中的碳原子不断地向外扩散导致了奥氏体结晶核心的长大和转变,同时,也会产生新的奥氏体结晶核心。
图2.1奥氏体的形成示意图由于的同素异型转变,奥氏体区的扩大比渗碳体的溶解发生的快,因此,铁素体转变成奥氏体之后,在钢的组织中还仍保留了一些渗碳体,要把它们溶解到奥氏体中,就要增加保温时间。
这时,所形成的奥氏体中,碳的分布还是不均匀的,在原来渗碳体存在的地方,奥氏体中碳的浓度就比原来是铁素体存在的地方高,要使成分均匀化就需要时间。
除了加热温度以外,珠光体组织转变成奥氏体的速度还取决于它的原始组织状态。
珠光体组织愈细小,奥氏体结晶核心产生的就愈多,并且扩散的路程就愈近,因此,进行奥氏体化的过程就愈快。
钢中的含碳量愈高,进行奥氏体化的过程也就愈快,这是由于渗碳体多了,铁素体与渗碳体的界面总和也大了的原因。
钢中加入铬、钨、钼、钒等碳化物形成元素就要阻碍钢中加入铬、钨、钼、钒等碳化物形成元素就要阻碍钢的奥氏体化过程,因为要形成合金渗碳体或合金碳化物,钢的奥氏体化过程,因为要形成合金渗碳体或合金碳化物,使它们溶解到奥氏体中就更困难了。
使它们溶解到奥氏体中就更困难了。
含合金元素的奥氏体均匀化过程就需要更长的时间,含合金元素的奥氏体均匀化过程就需要更长的时间,因为合金元素在因为合金元素在相晶格中的扩散能力比碳的扩散能力相晶格中的扩散能力比碳的扩散能力更小。
更小。
连续加热时,珠光体组织转变成奥氏体发生在一个温连续加热时,珠光体组织转变成奥氏体发生在一个温度范围。
加热速度愈快,珠光体转变成奥氏体的温度愈高,度范围。
加热速度愈快,珠光体转变成奥氏体的温度愈高,加热速度愈快,发生珠光体转变成奥氏体的温度范围就愈加热速度愈快,发生珠光体转变成奥氏体的温度范围就愈大。
因此,快速加热时(如高频加热),钢的奥氏体化加大。
因此,快速加热时(如高频加热),钢的奥氏体化加热温度要比一般的炉子中慢速加热要高。
热温度要比一般的炉子中慢速加热要高。
2.1.32.1.3奥氏体的晶粒大小及其影响因素奥氏体的晶粒大小及其影响因素奥氏体的晶粒大小及其影响因素奥氏体的晶粒大小及其影响因素当加热到当加热到AAC1C1以上的温度时,在铁素体和渗碳以上的温度时,在铁素体和渗碳体的界面上就形成奥氏体的结晶核心,这个时候体的界面上就形成奥氏体的结晶核心,这个时候结晶核心的数量是很多的,奥氏体也是很小的。
结晶核心的数量是很多的,奥氏体也是很小的。
这里是加热速度愈快,奥氏体晶粒愈小,因为晶这里是加热速度愈快,奥氏体晶粒愈小,因为晶核的形成速度比它的长大速度快。
核的形成速度比它的长大速度快。
继续提高温度时,或在一定的温度下增加保继续提高温度时,或在一定的温度下增加保温时间就要引起聚集再结晶和晶粒的长大。
奥氏温时间就要引起聚集再结晶和晶粒的长大。
奥氏体晶粒的长大是一个自发的过程,因为要缩小晶体晶粒的长大是一个自发的过程,因为要缩小晶粒表面积,要降低系统的自由能。
奥氏体的晶粒粒表面积,要降低系统的自由能。
奥氏体的晶粒长大过程实质上是一些小晶粒的联合,组成一个长大过程实质上是一些小晶粒的联合,组成一个大晶粒的过程。
因为从热动力学来说,要使系统大晶粒的过程。
因为从热动力学来说,要使系统更加稳定,就得减小自己的表面积。
加热到一定更加稳定,就得减小自己的表面积。
加热到一定的温度时,所形成的奥氏体晶粒的大小,在其随的温度时,所形成的奥氏体晶粒的大小,在其随后的冷却中是不能改变的。
后的冷却中是不能改变的。
奥氏体晶粒的大小取决于很多因素,就是对奥氏体晶粒的大小取决于很多因素,就是对同一种钢号,由于冶炼条件的差异,奥氏体晶粒同一种钢号,由于冶炼条件的差异,奥氏体晶粒大小也不一样。
大小也不一样。
根据奥氏体晶粒长大的倾向性,分成了两种根据奥氏体晶粒长大的倾向性,分成了两种类型的钢:
一种是本质粗晶粒;另一种是本质细类型的钢:
一种是本质粗晶粒;另一种是本质细晶粒。
所谓本质晶粒,即表示奥氏体晶粒趋向于晶粒。
所谓本质晶粒,即表示奥氏体晶粒趋向于长大的能力。
所谓起始晶粒,即奥氏体形成后晶长大的能力。
所谓起始晶粒,即奥氏体形成后晶粒的大小。
粒的大小。
对本质细晶粒钢来说,加热到高温时对本质细晶粒钢来说,加热到高温时(1000105010001050),晶粒基本上不长大,但当加),晶粒基本上不长大,但当加热到更高的温度时,晶粒就要急剧地长大。
对本热到更高的温度时,晶粒就要急剧地长大。
对本质粗晶粒来说,就相反,加热温度略微高于质粗晶粒来说,就相反,加热温度略微高于AAC1C1,晶粒就急剧地长大。
晶粒长大的不同倾向性决定晶粒就急剧地长大。
晶粒长大的不同倾向性决定于钢的脱氧条件和钢的成分。
于钢的脱氧条件和钢的成分。
一般来说,用铝脱氧的钢属于本质细晶粒钢。
一般来说,用铝脱氧的钢属于本质细晶粒钢。
由于铝的加入,在钢中会形成氮化铝微粒,这些由于铝的加入,在钢中会形成氮化铝微粒,这些氮化铝微粒分布在奥氏体的晶界上,给奥氏体的氮化铝微粒分布在奥氏体的晶界上,给奥氏体的晶界扩张起到阻挡作用,也就是分布在奥氏体晶晶界扩张起到阻挡作用,也就是分布在奥氏体晶界上的微粒,对奥氏体晶粒的长大就起到阻止作界上的微粒,对奥氏体晶粒的长大就起到阻止作用。
一旦这些微粒溶解了,则奥氏体就要急剧地用。
一旦这些微粒溶解了,则奥氏体就要急剧地长大。
长大。
在两相区,例如,过共析钢在在两相区,例如,过共析钢在AAC1C1AcmAcm的温的温度范围,奥氏体晶粒的长大就受到了没有被溶解度范围,奥氏体晶粒的长大就受到了没有被溶解的碳化物微粒的阻挡。
亚共析钢在的碳化物微粒的阻挡。
亚共析钢在AAC1C1AAC3C3的温的温度范围,铁素体晶粒对奥氏体晶粒的长大同样也度范围,铁素体晶粒对奥氏体晶粒的长大同样也起到阻挡作用。
起到阻挡作用。
合金元素,特别是碳化物形成元素及氮化物合金元素,特别是碳化物形成元素及氮化物形成元素都能不同程度地阻挡奥氏体晶粒的长大。
形成元素都能不同程度地阻挡奥氏体晶粒的长大。
特别急剧作用的是:
特别急剧作用的是:
TiTi,VV,NbNb,ZrZr,AlAl和和NN,它,它们能形成很难溶解在奥氏体中的碳化物(氮化物)们能形成很难溶解在奥氏体中的碳化物(氮化物),它们都能起到阻挡奥氏体晶粒长大的作用。
碳,它们都能起到阻挡奥氏体晶粒长大的作用。
碳化物(氮化物)总量占的比例愈大,愈细小(尺化物(氮化物)总量占的比例愈大,愈细小(尺寸小),奥氏体晶粒就愈细小。
同时,不溶解的寸小),奥氏体晶粒就愈细小。
同时,不溶解的碳化物(氮化物)对奥氏体新晶粒结晶核心的形碳化物(氮化物)对奥氏体新晶粒结晶核心的形成也影响很大,这同样也会导致得到更细小的晶成也影响很大,这同样也会导致得到更细小的晶粒。
粒。
也有反常情况,锰不但不能细化奥氏体晶粒,也有反常情况,锰不但不能细化奥氏体晶粒,反而能够促使奥氏体晶粒的长大,磷也能促使奥反而能够促使奥氏体晶粒的长大,磷也能促使奥氏体晶粒的长大。
氏体晶粒的长大。
应该注意到,本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢不意味着这种钢永远是粗晶粒的,或永远是
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