机械工程材料课程 第五章 钢的热处理

发布日期:[13-02-10 16:12:40] 浏览人次:[]

第六章 钢的热处理

所谓钢的热处理,就是把钢在固态下加热、保温、冷却,使钢的内部组织结构发生变化,以获得所需要的组织与性能的一种工艺。

根据国家标准,钢的热处理方法可分为三大类:

1、整体热处理 是指对热处理件进行穿透性加热,以改善整体的组织和性能的处理工艺,分为退火、正火、淬火、淬火+回火、调质、稳定化处理、固溶(水韧)处理、固溶处理+时效等。

2、表面热处理 是指仅对工件表层进行热处理,以改变其组织和性能的工艺。分为表面淬火+回火、物理气相沉积、化学气相沉积、等离子化学气相沉积等。

3、化学热处理 是指将工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。根据渗入成分的不同又分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗其它非金属、渗金属、多元共渗、熔渗等。

尽管热处理的种类很多,但通常所用的各种热处理过程都是由加热、保温和冷却三个基本阶段组成。图6-1为最基本的热处理工艺曲线。

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图6-1 钢的热处理工艺曲线

热处理作为机器零件及工模具制造过程中的重要加工工艺,其目的不是改变材料的形状,而是通过改变金属材料的组织和性能来满足工程中对材料的服役性能和加工要求。所以,选择正确和先进的热处理工艺对于挖掘金属材料的性能潜力、改善零件使用性能、提高产品质量、延长零件的使用寿命、节约材料均具有重要的意义;同时还对改善零件毛坯的工艺性能以利于冷热加工的进行起着重要的作用。因此,热处理在机械制造行业中被广泛地应用,例如汽车、拖拉机行业中需要进行热处理的零件占70%~80% ;机床行业中占60%~70%;轴承及各种模具则达到100% 。

第一节 钢在加热时的转变

根据Fe-Fe3C状态图,共析钢在加热温度超过PSK线(A1)时,完全转变为奥氏体。亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线(A3)和ES线(Acm)以上才能全部转变为奥氏体。但在实际热处理加热和冷却条件下,相变是在非平衡条件下进行的,因此上述临界点有所变化。一般情况下,加热时的临界点比理论值高,而冷却时的临界点温度比理论值低。通常将加热时的临界温度标为Ac1、 Ac3 、ACcm ,冷却时标为Ar1、Ar3、Arcm 。上述实际的临界温度并不是固定的,它们受含碳量、合金元素含量、奥氏体化温度、加热和冷却速度等因素的影响而变化。

一、奥氏体的形成过程

(一)基本过程

室温组织为珠光体的共析钢加热至A1(AC1)以上时,将形成奥氏体,即发生P(F+Fe3C)→A的转变。可见这是由成分相差悬殊、晶体结构完全不同的两个相向另一种成分和晶格的单相固溶体的转变过程,是一个晶格改组和铁、碳原子的扩散过程,也是通过形核和长大的过程来实现的。其基本过程由以下四个阶段组成,如图6-2所示。

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图6-2 共析碳钢中奥氏体形成过程示意图

l、奥氏体晶核的形成:奥氏体晶核易于在铁素体与渗碳体相界面上形成。这是因为:①相界面处碳原子浓度相差较大,有利于获得形成奥氏体晶核所需要的碳浓度;②在铁素体与渗碳体相界面处,原子排列不规则,铁原子有可能通过短程扩散形成奥氏体形核所需要的结构;③在铁素体与渗碳体相界面处,杂质及晶体缺陷如空位、位错密度较高,具有较高的畸变能,容易满足奥氏体形核所需要的能量。所以在两相的相界上为形核提供了良好条件。

2、奥氏体的长大:奥氏体晶核形成之后,它一面与渗碳体相接,另一面与铁素体相接。其含碳量是不均匀的,与铁素本相接处含碳量较低,而与渗碳体相接处含碳量较高,因此在奥氏体中出现了碳的浓度梯度,引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度扩散。随着扩散的进行,破坏了原先碳浓度的平衡,这样势必促使铁素体向奥氏体转变以及渗碳体的溶解。碳浓度破坏平衡和恢复平衡的反复循环过程,就使奥氏体逐渐

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