13真空熱處理和形變熱處理課件

第十二章

真空熱處理和形變熱處理

材料與冶金學院李偉第十二章

真空熱處理和形變熱處理

主要內(nèi)容

12.1真空熱處理12.2形變熱處理

主要內(nèi)容定義：將熱處理的加熱和冷卻過程置于真空中進行的熱處理。真空度：真空狀態(tài)下，負壓的程度。真空的分類：據(jù)真空度的大小，分為四類，低真空：（10-10-2）×133.3Pa；中真空：（10-3-10-4）×133.3Pa；高真空：（10-5-10-7）×133.3Pa；超高真空：10-8×133.3Pa。12.1真空熱處理12.1真空熱處理真空熱處理的特點：高質(zhì)量：零件表面無氧化、不脫碳、變形小；提高機械性能，延長使用壽命：其中塑、韌性的提高明顯，是由于真空熱處理的脫氣作用所致；低能耗：采用絕熱性能好及熱容量小的隔熱材料，使得爐子蓄熱和散熱損失都很小，熱效率較高減少污染、無公害：真空電加熱，不存在爐氣，也沒有燃燒的廢氣，所以對大氣無污染高成本。真空熱處理的特點：真空熱處理的特異效果和伴生現(xiàn)象：表面保護作用；表面凈化作用：防止氧化的同時，會使已氧化的物質(zhì)分解；脫脂作用：機加時帶入的油污，受熱后分解為氧、水蒸氣和二氧化碳等；脫氣作用：金屬中的氣體向表面擴散、氣體從金屬表面逸出、氣體從真空爐中排出。元素的脫出（蒸發(fā)）現(xiàn)象：蒸汽壓高的合金元素從工件表面蒸發(fā)掉，造成材料性能的降低；同時，可能會發(fā)生真空蒸鍍，影響真空熱處理的質(zhì)量。真空加熱油淬引起鋼件滲碳：

如，對30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A鋼在真空度為10-2×133.3Pa、加熱溫度為900℃的情況下油淬，發(fā)現(xiàn)有滲碳現(xiàn)象。真空熱處理的特異效果和伴生現(xiàn)象：真空熱處理的應(yīng)用：真空熱處理工藝真空退火真空淬火真空氣體淬火真空油淬火合金鋼的真空熱處理真空化學熱處理真空滲碳真空離子滲碳真空碳氮共滲真空熱處理的應(yīng)用：真空熱處理工藝真空退火真空淬火真空氣體淬火定義：將壓力加工與熱處理操作相結(jié)合，起到形變強化與相變強化的綜合作用。一種既可以提高強度、又可以改善塑性和韌性的有效工藝。塑性變形中，合金內(nèi)部缺陷（以位錯為主）增加，且晶體缺陷分布發(fā)生改變；若有相變，則相變與缺陷相互影響，不是簡單的形變強化與相變強化的疊加，也不是任何變形與熱處理的簡單組合；形變熱處理與常規(guī)熱處理相比，具有高密度位錯和亞結(jié)構(gòu)（亞晶）實質(zhì)：亞結(jié)構(gòu)強化12.2形變熱處理定義：將壓力加工與熱處理操作相結(jié)合，起到形變強化與相變強化的適用范圍：冶金廠生產(chǎn)的鋼材中供用戶直接使用而不需要再機械加工的板、管、絲、帶、棒材、小型型材等。分類：按形變與相變過程的相互順序，分為相變前形變、相變中形變、相變后形變按形變溫度，分為高溫形變、低溫形變按相變類型，分為珠光體形變、貝氏體形變、馬氏體形變、時效復(fù)合形變熱處理：即形變熱處理、化學熱處理及表面淬火相結(jié)合的熱處理工藝適用范圍：冶金廠生產(chǎn)的鋼材中供用戶直接使用而不需要再機械加工一、相變前形變的形變熱處理（1）高溫形變熱處理：包括高溫形變淬火、高溫形變正火和高溫形變等溫淬火。加熱溫度：Ac3以上形變溫度：Ar3以上或Ar1-Ar3之間形變冷卻方式：高溫形變淬火：快冷得到馬氏體再回火高溫形變正火：空冷或水冷至550℃，再空冷得到鐵素體+珠光體或貝氏體（控軋控冷）高溫形變等溫淬火：貝氏體區(qū)等溫，獲得貝氏體組織。一、相變前形變的形變熱處理加熱溫度：Ac3以上高溫形變淬火高溫形變正火高溫形變淬火材料強度提高10-30%，塑性提高40-50%，沖擊韌性成倍增長，抗脆斷能力提高；適用：碳鋼，低、中合金鋼的板、帶、管、線、棒材，以及形狀簡單的機械零件。高溫形變正火提高屈服強度的同時，可得到優(yōu)異的低溫韌性。適用：生產(chǎn)低碳鋼、低碳含Nb、V、Ti的非調(diào)質(zhì)可焊接鋼的板、帶、線材等產(chǎn)品。高溫形變等溫淬火高溫形變等溫淬火與一般的等溫淬火相比，除了屈服強度略低外，其余別的性能均優(yōu)越得多。高溫形變淬火高溫形變正火高溫形變淬火高溫形變正火高溫形變等溫（2）低溫相變熱處理：包括低溫形變淬火和低溫形變等溫淬火。加熱溫度：Ac3以上；形變溫度：迅速快冷至過冷奧氏體穩(wěn)定區(qū)（500-600℃），進行形變，然后淬火、回火；優(yōu)點：在保證鋼的塑性條件下，大幅度提高鋼的強度；適用：強度要求高的中合金高強度鋼的零件。（2）低溫相變熱處理：包括低溫形變淬火和低溫形變等溫淬火。加低溫形變淬火形變后淬火+回火，獲得馬氏體組織；適用于強度要求很高的零件，如固體火箭殼體、飛機起落架等；低溫形變等溫淬火形變后在貝氏體區(qū)等溫后淬火，獲得貝氏體組織。特點：零件強度較低溫形變淬火略低，但塑性較高適用：熱作模具、高強度小零件。低溫形變淬火低溫形變等溫淬火二、相變中進行形變的形變熱處理包含相變中進行的等溫形變處理和馬氏體相變中進行形變的形變熱處理。1、等溫形變處理加熱溫度：Ac3以上；形變和相變溫度：快冷至Ac1以下過冷奧氏體穩(wěn)定的區(qū)域進行形變和相變；相變中進行的等溫形變熱處理包括珠光體相變中進行的等溫形變熱處理和貝氏體相變中進行的等溫形變熱處理。二、相變中進行形變的形變熱處理1、等溫形變處理2.馬氏體相變中進行的形變熱處理利用形變可以誘發(fā)馬氏體相變的原理使鋼得以強化的熱處理工藝；加熱溫度：Ac3以上；形變和相變溫度：Md-Ms間；應(yīng)用：①對奧氏體不銹鋼進行室溫形變，形變誘發(fā)馬氏體相變；形變還起到加工硬化的作用②誘發(fā)馬氏體的室溫形變，利用相變誘發(fā)塑性的原理使鋼在使用過程中不斷發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，材料服役過程中兼具高強度與超塑性。2.馬氏體相變中進行的形變熱處理三、相變后形變的形變熱處理對奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物進行形變強化的工藝。包括：珠光體的冷變形、珠光體的溫加工、回火馬氏體的形變時效1.珠光體的冷變形：如，鋼絲的鉛淬冷拔鋼絲坯料經(jīng)奧氏體化后鉛淬，得到細密且均勻的珠光體組織，隨后冷拔。細密的片狀珠光體經(jīng)冷拔后，滲碳體片更細小，鐵素體基體中的位錯密度增加。三、相變后形變的形變熱處理1.珠光體的冷變形：2.珠光體的溫加工一種快速球化碳化物的工藝將等溫退火后的鋼加熱至700-750℃進行形變，然后慢冷至600℃出爐工藝時間是普通球化退火的15-20分之一，且球化效果好。2.珠光體的溫加工3.回火馬氏體的形變時效形變使鋼的強度提高，塑性、韌性降低；小變形時，塑性降低不明顯。形變強化原因：①形變使回火馬氏體基體中位錯密度增高；②碳原子對位錯的釘扎作用（時效發(fā)生）；③形變后低溫回火，更有利于碳的脫溶，釘扎作用更強；④繼續(xù)提高回火溫度，出現(xiàn)碳化物的沉淀、聚集、長大，強化效果變差。3.回火馬氏體的形變時效四、形變熱處理強韌化的機理1、顯微組織細化珠光體細化的強化作用最強，馬氏體細化的強化作用最弱，而貝氏體細化的強化作用居中。（1）珠光體的形變等溫處理（先形變后等溫）和等溫形變處理（相變中形變），均能得到極細密的珠光體組織。且等溫形變處理后獲得的組織為鐵素體基體上均勻分布著的極細、粒狀珠光體，鐵素體基體被分割成許多等軸的亞晶粒，強韌性得以提高；四、形變熱處理強韌化的機理（2）馬氏體的高溫形變淬火和低溫形變淬火，均能使馬氏體細化。低溫形變淬火是由于亞穩(wěn)奧氏體形變后為馬氏體提供了更多的形核部位，且形變帶來的各種缺陷和滑移帶均能組織馬氏體的長大，起到了細化的作用；但高溫形變淬火下，在不發(fā)生奧氏體的再結(jié)晶條件下，奧氏體沿形變方向被拉長，對組織細化效果有限。（3）貝氏體的形變等溫淬火或等溫形變淬火，形變提高了貝氏體轉(zhuǎn)變的形核率且組織了α相的共格生長，可是貝氏體組織細化，起到了一定的強韌化作用。（2）馬氏體的高溫形變淬火和低溫形變淬火，均能使馬氏體細化。2.位錯密度和亞結(jié)構(gòu)馬氏體的強化作用最明顯，珠光體幾乎沒有強化作用，貝氏體的強化作用居中。低溫形變淬火帶來的大量的位錯，被馬氏體所繼承（馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是位錯），形變后馬氏體的位錯密度較普通淬火高得多，存在“位錯墻”；而高溫形變淬火后，由于奧氏體發(fā)生了較強的回復(fù)作用，使得位錯密度有所下降，故其強化效果較低；珠光體轉(zhuǎn)變的擴散性，使得奧氏體形變中得到的高密度位錯大部分消失，進而強化作用消失；由于貝氏體轉(zhuǎn)變存在擴散性和共格性，形變帶來的位錯部分被貝氏體繼承，因而強化效果明顯。2.位錯密度和亞結(jié)構(gòu)3.碳化物的彌散強化碳化物的析出指的是在奧氏體形變過程中發(fā)生的，與奧氏體隨后轉(zhuǎn)變?yōu)楹畏N組織無關(guān)。形變后產(chǎn)生的高密度位錯為碳化物的形核提供了有利部位，同時也加速了碳化物形成元素的置換擴散；碳化物在位錯上沉淀，強烈釘扎了位錯，使進一步變形時的位錯增殖，進而提供了更多的沉淀部位。周而復(fù)始，奧氏體中析出了大量細小的碳化物。碳化物彌散分布在馬氏體基體上，鋼的硬度提高。3.碳化物的彌散強化五、影響形變熱處理強韌化效果的工藝因素奧氏體在高溫下形變，位錯密度增殖引起加工硬化；同時發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶引起軟化（動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶）主要影響因素：形變溫度形變量形變后淬火前的停留時間五、影響形變熱處理強韌化效果的工藝因素隨著形變量的增加，變形抗力逐漸增大，直至達到最大值；隨著變形量的增加，變形抗力達到峰值后逐漸降低；變形量繼續(xù)增加至某一數(shù)值后，變形抗力維持一恒定值。隨著形變量的增加，變形抗力逐漸增大，直至達到最大值；（1）形變溫度形變量一定時，形變溫度愈低，強化效果愈好（不利于動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶）。（2）形變量低溫形變淬火時，形變量愈大，強化效果愈明顯，而塑性有所下降；高溫形變淬火時，強化效果分為兩類：一是強化效果隨形變量的增加單調(diào)的變化（如，45CrMnSiMoA鋼，在較大的形變量下，合金元素有推遲再結(jié)晶的作用）；二是強化效果隨著形變量出現(xiàn)峰值后下降（增加的形變量帶來的內(nèi)熱促使再結(jié)晶過程的進行）（1）形變溫度（3）形變后淬火前停留的時間：低溫形變淬火后回火，是將亞穩(wěn)奧氏體形變鋼加熱至略高于形變溫度，保溫的過程中發(fā)生再結(jié)晶，然后淬火、回火，鋼的塑性顯著提高，強度略有下降；高溫形變淬火時，形變溫度略高于再結(jié)晶溫度，形變后停留會影響形變淬火鋼的組織和性能.形變量不同，強度的下降不同，塑性上升的也不同。形變熱處理工藝可以明顯強化材料，但該工藝于實際生產(chǎn)應(yīng)用有一定的難度（形變設(shè)備、工藝裝備、設(shè)備布局及處理等），因此，該工藝的應(yīng)用受到了一定的限制。（3）形變后淬火前停留的時間：第十二章

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主要內(nèi)容

12.1真空熱處理12.2形變熱處理

主要內(nèi)容定義：將熱處理的加熱和冷卻過程置于真空中進行的熱處理。真空度：真空狀態(tài)下，負壓的程度。真空的分類：據(jù)真空度的大小，分為四類，低真空：（10-10-2）×133.3Pa；中真空：（10-3-10-4）×133.3Pa；高真空：（10-5-10-7）×133.3Pa；超高真空：10-8×133.3Pa。12.1真空熱處理12.1真空熱處理真空熱處理的特點：高質(zhì)量：零件表面無氧化、不脫碳、變形小；提高機械性能，延長使用壽命：其中塑、韌性的提高明顯，是由于真空熱處理的脫氣作用所致；低能耗：采用絕熱性能好及熱容量小的隔熱材料，使得爐子蓄熱和散熱損失都很小，熱效率較高減少污染、無公害：真空電加熱，不存在爐氣，也沒有燃燒的廢氣，所以對大氣無污染高成本。真空熱處理的特點：真空熱處理的特異效果和伴生現(xiàn)象：表面保護作用；表面凈化作用：防止氧化的同時，會使已氧化的物質(zhì)分解；脫脂作用：機加時帶入的油污，受熱后分解為氧、水蒸氣和二氧化碳等；脫氣作用：金屬中的氣體向表面擴散、氣體從金屬表面逸出、氣體從真空爐中排出。元素的脫出（蒸發(fā)）現(xiàn)象：蒸汽壓高的合金元素從工件表面蒸發(fā)掉，造成材料性能的降低；同時，可能會發(fā)生真空蒸鍍，影響真空熱處理的質(zhì)量。真空加熱油淬引起鋼件滲碳：

如，對30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A鋼在真空度為10-2×133.3Pa、加熱溫度為900℃的情況下油淬，發(fā)現(xiàn)有滲碳現(xiàn)象。真空熱處理的特異效果和伴生現(xiàn)象：真空熱處理的應(yīng)用：真空熱處理工藝真空退火真空淬火真空氣體淬火真空油淬火合金鋼的真空熱處理真空化學熱處理真空滲碳真空離子滲碳真空碳氮共滲真空熱處理的應(yīng)用：真空熱處理工藝真空退火真空淬火真空氣體淬火定義：將壓力加工與熱處理操作相結(jié)合，起到形變強化與相變強化的綜合作用。一種既可以提高強度、又可以改善塑性和韌性的有效工藝。塑性變形中，合金內(nèi)部缺陷（以位錯為主）增加，且晶體缺陷分布發(fā)生改變；若有相變，則相變與缺陷相互影響，不是簡單的形變強化與相變強化的疊加，也不是任何變形與熱處理的簡單組合；形變熱處理與常規(guī)熱處理相比，具有高密度位錯和亞結(jié)構(gòu)（亞晶）實質(zhì)：亞結(jié)構(gòu)強化12.2形變熱處理定義：將壓力加工與熱處理操作相結(jié)合，起到形變強化與相變強化的適用范圍：冶金廠生產(chǎn)的鋼材中供用戶直接使用而不需要再機械加工的板、管、絲、帶、棒材、小型型材等。分類：按形變與相變過程的相互順序，分為相變前形變、相變中形變、相變后形變按形變溫度，分為高溫形變、低溫形變按相變類型，分為珠光體形變、貝氏體形變、馬氏體形變、時效復(fù)合形變熱處理：即形變熱處理、化學熱處理及表面淬火相結(jié)合的熱處理工藝適用范圍：冶金廠生產(chǎn)的鋼材中供用戶直接使用而不需要再機械加工一、相變前形變的形變熱處理（1）高溫形變熱處理：包括高溫形變淬火、高溫形變正火和高溫形變等溫淬火。加熱溫度：Ac3以上形變溫度：Ar3以上或Ar1-Ar3之間形變冷卻方式：高溫形變淬火：快冷得到馬氏體再回火高溫形變正火：空冷或水冷至550℃，再空冷得到鐵素體+珠光體或貝氏體（控軋控冷）高溫形變等溫淬火：貝氏體區(qū)等溫，獲得貝氏體組織。一、相變前形變的形變熱處理加熱溫度：Ac3以上高溫形變淬火高溫形變正火高溫形變淬火材料強度提高10-30%，塑性提高40-50%，沖擊韌性成倍增長，抗脆斷能力提高；適用：碳鋼，低、中合金鋼的板、帶、管、線、棒材，以及形狀簡單的機械零件。高溫形變正火提高屈服強度的同時，可得到優(yōu)異的低溫韌性。適用：生產(chǎn)低碳鋼、低碳含Nb、V、Ti的非調(diào)質(zhì)可焊接鋼的板、帶、線材等產(chǎn)品。高溫形變等溫淬火高溫形變等溫淬火與一般的等溫淬火相比，除了屈服強度略低外，其余別的性能均優(yōu)越得多。高溫形變淬火高溫形變正火高溫形變淬火高溫形變正火高溫形變等溫（2）低溫相變熱處理：包括低溫形變淬火和低溫形變等溫淬火。加熱溫度：Ac3以上；形變溫度：迅速快冷至過冷奧氏體穩(wěn)定區(qū)（500-600℃），進行形變，然后淬火、回火；優(yōu)點：在保證鋼的塑性條件下，大幅度提高鋼的強度；適用：強度要求高的中合金高強度鋼的零件。（2）低溫相變熱處理：包括低溫形變淬火和低溫形變等溫淬火。加低溫形變淬火形變后淬火+回火，獲得馬氏體組織；適用于強度要求很高的零件，如固體火箭殼體、飛機起落架等；低溫形變等溫淬火形變后在貝氏體區(qū)等溫后淬火，獲得貝氏體組織。特點：零件強度較低溫形變淬火略低，但塑性較高適用：熱作模具、高強度小零件。低溫形變淬火低溫形變等溫淬火二、相變中進行形變的形變熱處理包含相變中進行的等溫形變處理和馬氏體相變中進行形變的形變熱處理。1、等溫形變處理加熱溫度：Ac3以上；形變和相變溫度：快冷至Ac1以下過冷奧氏體穩(wěn)定的區(qū)域進行形變和相變；相變中進行的等溫形變熱處理包括珠光體相變中進行的等溫形變熱處理和貝氏體相變中進行的等溫形變熱處理。二、相變中進行形變的形變熱處理1、等溫形變處理2.馬氏體相變中進行的形變熱處理利用形變可以誘發(fā)馬氏體相變的原理使鋼得以強化的熱處理工藝；加熱溫度：Ac3以上；形變和相變溫度：Md-Ms間；應(yīng)用：①對奧氏體不銹鋼進行室溫形變，形變誘發(fā)馬氏體相變；形變還起到加工硬化的作用②誘發(fā)馬氏體的室溫形變，利用相變誘發(fā)塑性的原理使鋼在使用過程中不斷發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，材料服役過程中兼具高強度與超塑性。2.馬氏體相變中進行的形變熱處理三、相變后形變的形變熱處理對奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物進行形變強化的工藝。包括：珠光體的冷變形、珠光體的溫加工、回火馬氏體的形變時效1.珠光體的冷變形：如，鋼絲的鉛淬冷拔鋼絲坯料經(jīng)奧氏體化后鉛淬，得到細密且均勻的珠光體組織，隨后冷拔。細密的片狀珠光體經(jīng)冷拔后，滲碳體片更細小，鐵素體基體中的位錯密度增加。三、相變后形變的形變熱處理1.珠光體的冷變形：2.珠光體的溫加工一種快速球化碳化物的工藝將等溫退火后的鋼加熱至700-750℃進行形變，然后慢冷至600℃出爐工藝時間是普通球化退火的15-20分之一，且球化效果好。2.珠光體的溫加工3.回火馬氏體的形變時效形變使鋼的強度提高，塑性、韌性降低；小變形時，塑性降低不明顯。形變強化原因：①形變使回火馬氏體基體中位錯密度增高；②碳原子對位錯的釘扎作用（時效發(fā)生）；③形變后低溫回火，更有利于碳的脫溶，釘扎作用更強；④繼續(xù)提高回火溫度，出現(xiàn)碳化物的沉淀、聚集、長大，強化效果變差。3.回火馬氏體的形變時效四、形變熱處理強韌化的機理1、顯微組織細化珠光體細化的強化作用最強，馬氏體細化的強化作用最弱，而貝氏體細化的強化作用居中。（1）珠光體的形變等溫處理（先形變后等溫）和等溫形變處理（相變中形變），均能得到極細密的珠光體組織。且等溫形變處理后獲得的組織為鐵素體基體上均勻分布著的極細、粒狀珠光體，鐵素體基體被分割成許多等軸的亞晶粒，強韌性得以提高；四、形變熱處理強韌化的機理（2）馬氏體的高溫形變淬火和低溫形變淬火，均能使馬氏體細化。低溫形變淬火是由于亞穩(wěn)奧氏體形變后為馬氏體提供了更多的形核部位，且形變帶來的各種缺陷和滑移帶均能組織馬氏體的長大，起到了細化的作用；但高溫形變淬火下，在不發(fā)生奧氏體的再結(jié)晶條件下，奧氏體沿形變方向被拉長，對組織細化效果有限。（3）貝氏體的形變等溫淬火或等溫形變淬火，形變提高了貝氏體轉(zhuǎn)變的形核率且組織了α相的共格生長，可是貝氏體組織細化，起到了一定的強韌化作用。（2）馬氏體的高溫形變淬火和低溫形變淬火，均能使馬氏體細化。2.位錯密度和亞結(jié)構(gòu)馬氏體的強化作用最明顯，珠光體幾乎沒有強化作用，貝氏體的強化作用居中。低溫形變淬火帶來的大量的位錯，被馬氏體所繼承（馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是位錯），形變后馬氏體的位錯密度較普通淬火高得多，存在“位錯墻”；而高溫形變淬火后，由于奧氏體發(fā)生了較強的回復(fù)作用，使得位錯密度有所下降，故其強化效果較低；珠光體轉(zhuǎn)變的擴散性，使得奧氏體形變中得到的高密度位錯大部分消失，進而強化作用消失；由于