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1、1第九章第九章 金属热处理金属热处理2内容介绍内容介绍第一部分：热处理原理 钢在加热时的转变 钢在冷却时的转变第二部分：常规热处理工艺 退火、正火、淬火、回火工艺(钢铁材料， 四把火) 退火处理，固溶、淬火与时效处理(有色金 属)3热处理的作用热处理的作用 机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通过热处理工艺 改善其性能。拒初步统计，在机床制造中，约 60%70%的零件要经过热处理；在汽车、拖拉机 制造中，需要热处理的零件多达70%80%，而工 模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。4什么是热处理什么是热处
2、理热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获 得所需性能的工艺过程。通过这个过程，材料的内部组织发生了变化，因 而性能变化。例如碳素工具钢T8在市面上购回的经 球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到6063HRC，这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火加 低温回火后的回火马氏体。 5认识热处理认识热处理同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的 热处理后内部组织截然不同。 PFSF回火M回火S6认识热处理认识热处理同类型热处理(例如淬火)的加热温度与冷却条件要由材料成分确定
3、。这些表明，热处 理工艺（或制度）选择要根据材料的成分，材料内部组织的变化依赖于材料热处理及其 它热加工工艺，材料性能的变化又取决于材 料的内部组织变化。所以，材料成分加工 处理工艺组织结构材料性能这四者相互 依成的关系贯穿在材料加工的全过程之中。7热处理的基本要素热处理的基本要素热处理工艺曲线示意图8热处理的基本要素热处理的基本要素热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。1、加热不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。对于钢铁材料而言，加热分为两种，一种是在临界点 A1以下的加热，此时不发生组织变化；另一种是在 A1以上的加热，目的是为了获
4、得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。9热处理的基本要素热处理的基本要素2、保温保温是热处理的中间工序，其目的是要既要保证工件烧透，又要防止脱碳、氧化等。保温时间和介 质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般 工件越大，导热性越差，保温时间就越长。3、冷却冷却是热处理的最终工序，也是热处理过程中最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不 同的组织。10热处理的基本类型热处理的基本类型1、根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可分为下列几类：常规热处理v退火、正火、淬火和回火等。表面热处理v感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接 触加热表面淬火、渗碳、氮化和碳氮共
5、渗等。其它热处理v可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等11热处理的基本类型热处理的基本类型2、按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热处理工艺还可分为：预备热处理：零件加工过程中的一道中间工序(也称 为中间热处理)，其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准 备。最终热处理：零件加工的最终工序，其目的是使经 过成型工艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能 达到所需要的使用性能。129.1 9.1 热处理原理热处理原理13铁碳相图铁碳相图14Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中各点的温度、碳质量分数及含义相图中各点的温度、碳质量分数及含义符号 温度, 碳
6、质量分数(C)% 含 义 A 1538 0 纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4.30 共晶点 Lc AE+Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔点 E 1148 2.11 碳在 -Fe中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C的成分 G 912 0 -Fe -Fe同素异构转变点(A3) H 1495 0.09 碳在 -Fe中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点LB+ H AJ K 727 6.69 Fe3C的成分 N 1394 0 -Fe -Fe同素异构转变点(A4) P 727 0.0218 碳在 -Fe中的最大溶解度 S 7
7、27 0.77 共析点(A1) AS FP+Fe3C Q 600 0.0057 600 时碳在 -Fe中的溶解度 159.1.1 9.1.1 钢的加热转变钢的加热转变( (奥氏体的形成奥氏体的形成) )钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体（奥氏体化），然后以不同速度冷却使奥氏体 转变为不同的组织，得到钢的不同性能。加 热时形成的奥氏体的质量（成分均匀性及晶 粒大小等），对冷却转变过程及组织、性能 有极大的影响。因此掌握热处理规律，首先 要研究钢在加热时的变化。169.1.1 9.1.1 钢的加热转变钢的加热转变( (奥氏体的形成奥氏体的形成) )一、奥氏体的组织结构(了解奥氏体)奥氏体的组织：通
8、常是由等轴状的多边形晶粒所组 成，晶内常可出现相变孪晶。晶体结构：奥氏体是C在-Fe中的固溶体, C原子在- Fe中处于由Fe原子组成的八面体间隙中心位置，即 FCC晶胞的中心或棱边中点。若按所有的八面体间 隙位置均填满C计算，单位晶胞中应含有4个Fe原子 和4个C原子，其原子百分比为50%，重量百分比为 20%。179.1.1 9.1.1 钢的加热转变钢的加热转变( (奥氏体的形成奥氏体的形成) )FCC晶胞的八面体间隙四面体间隙8个八面体间隙4个fcc晶胞晶体间隙189.1.1 9.1.1 钢的加热转变钢的加热转变( (奥氏体的形成奥氏体的形成) )v实际上A最大含C量为2.11%（重量百
9、分比，1148 ），原子百分比为10%，即23个晶胞中才有一 个C原子。原因：C原子半径为0.77，而-Fe点阵中八面体间 隙半径仅为0.52，C原子进入间隙位置后将引起点阵畸变，使其周围的间隙位置不可能都填满原子。vC原子存在，使A点阵发生对称膨胀变形，若C%增加，膨胀增大，点阵常数增大。199.1.1 9.1.1 钢的加热转变钢的加热转变( (奥氏体的形成奥氏体的形成) )vA中C原子含量实际是不均匀的，并不是每个八面 体中心都占据C原子，而是一部分八面体中含有C 原子，C在A中存在C的浓度起伏。v合金钢中的A是C和合金元素溶于-Fe中的固溶体 。合金元素如Mn、Si、Cr、Ni、Co等在
10、-Fe中取 代Fe原子的位置而形成置换固溶体。他们的存在也引起晶体畸变和点阵常数变化。209.1.1 9.1.1 钢的加热转变钢的加热转变( (奥氏体的形成奥氏体的形成) )二、奥氏体的存在形式高温：钢中的高温稳定相；室温：在钢中加入足够量的能扩大相区的元素， 可使A在室温成为稳定相，如Mn、Ni、Co、C、N 、Cu等 三、力学性能硬度和屈服强度均不高，C的固溶体也不能有效地 提高其硬度和强度；因FCC点阵滑移系统多，A的塑性很好，易于变形 ，所以钢的锻造加工常要求在A稳定存在的高温区 域进行。219.1.1 9.1.1 钢的加热转变钢的加热转变( (奥氏体的形成奥氏体的形成) )四、物理性
11、能因FCC点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高， 所以A的比容最小；A的导热性差，故A钢加热时，不宜采用过大的加热速度，以免因热应力过大而引起工件变形。A的线膨胀系数大，因此A钢也可用来制作热膨胀灵敏的仪表元件；单相A具有耐腐蚀性；229.1.1 9.1.1 钢的加热转变钢的加热转变( (奥氏体的形成奥氏体的形成) )A具有顺磁性，而A的转变产物为铁磁性，所以A钢又可作为无磁性钢；v（铁磁性：铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也 可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后， 仍可保留极强的磁性；顺磁性：在无外加磁场时 ，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观 看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个
12、原子 磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性 。）A中Fe原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此A钢的热强性好，可以作为高温用钢。239.1.1.1 奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件 一、奥氏体形成的热力学条件热力学第二定律自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。在一定温度条 件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功 的那部分能量）降低的过程才能自发进行。这就是 钢中发生各种转变所必需的热力学条件。249.1.1.1 奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件奥氏体转变的驱动力新相形成，会增加表面能和克服弹性能，需要由相 变释放的自由能和系统
13、内能量起伏来补充vTA1 ， GPG，A稳定，PAP和A自由能随温度变化示意图GGPTGV (GP)T1温度T自由能G259.1.1.1 奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件二、相变临界温度在实际热处理加热条件下，由于过热和过冷现象的影响，相变是在不平衡条件下进行的。加热时相 变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为 滞后（热滞和冷滞)。加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”,如Ac1 、Ac3、Accm；而把冷却时的实际临界温度标以字 母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。269.1.1.1 奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件加
14、热和冷却速度对钢的临界温度的影响 279.1.1.2 奥氏体形成的机理奥氏体形成的机理奥氏体的形成过程符合相变的普遍规律，包括形核和长大两个过程。一、共析钢的奥氏体的形成共析碳钢（含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织 ，加热过程中奥氏体转变过程可分为四步进行。289.1.1.2 奥氏体形成的机理奥氏体形成的机理1、奥氏体晶核的形成由Fe-Fe3C状态图知，在P转变为A过程中，原F由 BCC晶格改组为A的FCC晶格，原渗碳体由复杂斜方 晶格转变为FCC晶格。所以，奥氏体的形成过程就是 铁晶格的改组和Fe、C原子的扩散过程。常将这一过 程和奥氏体冷却过程
15、的转变称为“相变重结晶”。基于 能量与成分条件，A晶核优先在P的F与Fe3C相界产生，特别是在三叉晶界上形成，这两相交界面越多，奥 氏体晶核越多。299.1.1.2 奥氏体形成的机理奥氏体形成的机理为何A晶核优先在F与Fe3C相界产生？vF和Fe3C界面两边的C浓度差最大，有利 于为A晶核的形成创造浓度起伏条件；vF和Fe3C界面上原子排列较不规则，有利 于提供A形核所需的结构起伏和能量起伏 条件。vF和Fe3C界面本来已经存在，在此界面形 核时只是将原有界面变为新界面，总的界 面能变化较小。309.1.1.2 奥氏体形成的机理奥氏体形成的机理2、奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗
16、碳体相接，另一侧与铁素体相接。随着铁素体的转 变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶 解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两 侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大， 直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形 成一个个的奥氏体晶粒。319.1.1.2 奥氏体形成的机理奥氏体形成的机理3、剩余渗碳体的溶解由于Fe3C与A相界面上大的C浓度差以及 Fe3C本身复杂的晶体结构，F转变为A的速 度远高于Fe3C的溶解速度，在铁素体完全转 变之后尚有不少未溶解的“剩余Fe3C”存在，还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。329.1.1.2 奥氏体形成的机理奥氏体形成的机理4、奥氏体成分的均匀化即使Fe3C全部溶解，A内的成分仍不均匀，在原 F区域形成的A含碳量偏低，在Fe3C区域形成的A含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散 ，奥氏体成分才可能均匀。用金相法可以观察
