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1、金属材料及热处理-精简版第一章绪论、决定金属材料性能的基本因素：组成金属材料的主要元素是金属元素；金属的原子结构具有区别于其它元素的重要特点之一是外层电子较少；这一特性决定了金属原子间结合键(金属键)的特点，这个结合键的特点又在一定程度上决定了内部原子集合体的结构特征（面心立方、体心立方、六方结构等)。金属材料的化学成分（原子序数）不同，性能不同；同一种成分，它的某些性能仍然可以在相当大的范围内发生显著变化（同素异形体）；同一种化学成分的某种金属材料的不同制件，其性能之差可以很大程度。由此可见，金属材料的性能由化学成分、结构、组织因素决定的，金属材料的多变性，也正是通过这三个因素的多变性而表现
2、出来的。第二章钢的热处理和工艺、热处理定义：钢的热处理是通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。、奥氏体形成的热力学：根据Fe-Fe3C状态图可知，当把钢缓慢加热到共析温度以上时，珠光体将向奥氏体转变。从铁碳相图可知，任何成分碳钢加热到Ac1以上，珠光体就向奥氏体转变；加热到Ac3或Acm以上，将全部变为奥氏体。这种加热转变称奥氏体化。、奥氏体的形成过程：扩散性相变，转变过程分为四个阶段进行。（1）形核：珠光体加热到Ac1以上，在铁素体和渗碳体的相界面上奥氏体优先形核。相界、晶界、亚晶界、位错、非金属夹杂等局部区域的自由能高，这些区域具有较大的能量起伏和浓度
3、起伏，因而有利于奥氏体晶核的形成。（在相界面上原子排列不规则，处于能量较高状态，具备形核所需的结构起伏和能量起伏条件，同时相界面上处于碳浓度过渡，易出现浓度起伏，符合奥氏体所需的碳浓度，所以奥氏体晶核优先在相界面上形成。）（2）长大：奥氏体在铁素体和渗碳体相界面上形核后，建立起界面浓度平衡，在奥氏体和铁素体内部出现浓度差，碳原子由高浓度向低浓度扩散，使C2、C4浓度降低，而C1、C3升高，从而破坏浓度平衡；必须通过渗碳体逐渐溶解，以提高C2、C4，同时产生转变，以降低C1、C3，维持界面浓度平衡。这样所进行的碳原子扩散，渗碳体溶解，点阵重构的反复，奥氏体逐渐长大。铁素体向奥氏体的转变速度，往往
4、比渗碳体的溶解要快，因此珠光体中铁素体总比渗碳体消失得早。（3）残余渗碳体的溶解：素体消失后，随着保温时间的延长，通过碳原子扩散，残余渗碳体逐渐溶入奥氏体，使奥氏体逐渐趋近共析成分。（4）奥氏体的均匀化：余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍是不均匀的，原是渗碳体的位置碳浓度较高，原是铁素体的位置碳浓度较低。为此必须继续保温，通过碳原子扩散，获得均匀化奥氏体。加热时奥氏体化程度会直接影响冷却转变过程，以及转变产物的组成和性能。、奥氏体等温形成动力学： 由共析碳钢的奥氏体等温形成曲线可知随加热温度升高，奥氏体化过程的四个阶段都加速；奥氏体均匀化时间远大于转变基本完成及残余渗碳体溶解的时间。奥氏体界
5、面的移动速度与碳在奥氏体中的扩散系数以及浓度梯度成正比，而与界面上的碳浓度差成反比。由于渗碳体与奥氏体相界面上高的碳浓度差以及渗碳体本身复杂的晶体结构，使得奥氏体向渗碳体方向的长大速度远比向铁素体方向为小，所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体的溶解要快得多。此时所获得的奥氏体，其成分也是不均匀的。由于扩散过程落后于渗碳体的溶解，在原来是渗碳体的部位碳含量仍然很高。同样，在原来是铁素体的地方碳含量则仍然较低。、合金元素对碳在奥氏体中的扩散影响：1) Co、Ni增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而加快奥氏体形成速度；2) 碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等降低碳在奥氏体中的扩散系数，且所形成的特殊碳化物较
6、难溶解，所以减慢奥氏体形成速度；3) Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散系数影响不大，因此对奥氏体形成速度没有多大影响。钢中合金元素在原始组织各相中的分布是不均匀的。这种合金元素分布的不均匀性，直到残余碳化物溶解完成后仍保留下来。因此合金钢除了奥氏体中碳的均匀化外，还要进行着合金元素的均匀化，合金钢的奥氏体均匀化时间远比碳钢长得多。在制定合金钢的热处理工艺规范时，应比碳钢的加热温度高些，保温时间长些，促使合金元素尽可能均匀化。、奥氏体晶粒：（1）奥氏体的初始晶粒:指加热时奥氏体转变过程刚刚结束时的奥氏体晶粒，这时的晶粒大小就是初始晶粒度。（2）奥氏体实际晶粒:指在热处理时某一具体加热条
7、件下最终所得的奥氏体晶粒，其大小就是奥氏体的实际晶粒度。在一般热处理的加热条件下，奥氏体晶粒总是要长大的。在恒温下，随保温时间的增加，奥氏体晶粒也不断长大。长大分为三个阶段：孕育期：在奥氏体刚刚形成以后，并不马上长大，而是需要一定的孕育期，温度愈高，孕育期愈短；不均匀长大：经孕育期后，奥氏体晶粒开始长大，但各处长大的程度不一致，有些较大的晶粒靠吞并周围的小晶粒而长成个别很粗大的晶粒；那些未被吞并的小晶粒则长大速度极慢； 结果形成尺寸相差悬殊的晶粒共存的状态； 均匀长大期：细小晶粒全被吞并后，所有晶粒均开始缓慢而均匀地长大。（3）奥氏体的本质晶粒:指各种钢的奥氏体晶粒的长大趋势。晶粒容易长大的称
8、为本质粗晶粒钢；晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢； 以上不同的趋势主要由于钢的成分不同而引起。 、测定钢的本质晶粒度的方法：生产中为了便于确定钢的本质晶粒度，并不需要测出晶粒大小随温度的变化曲线，只需测出930左右的实际晶粒度，就可判断。因为930左右是本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢的晶粒大小差别最明显的温度。、钢中成分对奥氏体晶粒长大的影响：用适量的铝脱氧，或钢中加入适量的钒、钛、铌等元素，可得到本质细晶粒钢。因为它们的氮化物或碳化物粒子沿晶界弥散析出，起到阻碍晶界迁移的作用，抑制了奥氏体晶粒长大。、粗大奥氏体晶粒的遗传性：、组织遗传：1）生产中发现，过热（加热温度过高）后钢的粗大奥氏体晶粒，经
9、淬火后得到粗大马氏体；2）再次快速或慢速加热至稍高于临界温度；3）奥氏体仍保留了原来的粗大晶粒，甚至保留原来的位向和原来的晶界。、原因：过热后的粗晶粒奥氏体与马氏体间相互转变维持着严格的晶体学取向关系。初生的奥氏体晶粒似乎细小，由于取向一致，仍保持粗大原始组织的特性。、措施：若以中等速度奥氏体化或加热到Ac3以上100200，由于相变硬化使高温奥氏体产生再结晶，达到细化晶粒，消除组织遗传的效果。、过冷奥氏体的转变及其产物：以共析钢为例。加热到Ac1以上，共析转变成成分大致均匀的单相奥氏体；冷却到Ar1以下，单相奥氏体分解为在成分上差别很大的铁素体与渗碳体两相的混合物（珠光体或贝氏体）；一般情况
10、下，把奥氏体过冷到不同温度时，可发生珠光体转变、贝氏体转变及马氏体转变这三种不同形式的转变。、过冷奥氏体等温转变图（曲线）：（）、影响过冷奥氏体等温转变图的因素：钢的成分和热处理条件都会引起C曲线形状和位置的变化。 ）含碳量的影响：随着含碳量增加，亚共析钢的C曲线向右移；过共析钢的C曲线向左移；在碳钢中以共析钢的过冷奥氏体最稳定。）合金元素的影响：除钴外所有合金元素的溶入，均增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线向右移；其中非碳化物或弱碳化物形成元素，如硅、镍、铜和锰等不改变C曲线形状，仍保持一个“鼻尖”，只改变C曲线位置；中强或强碳化物形成元素，如Cr、Mo、W、V和Ti等溶入奥氏体，不仅使C曲线
11、右移，并使珠光体转变和贝氏体转变区分离，出现两个“鼻尖”，即变成双C曲线。上部C曲线是等温转变形成珠光体的区域；下部C曲线是等温转变形成贝氏体的区域，其间存在着过冷奥氏体的亚稳定区域。）奥氏体化温度和保温时间的影响：奥氏体化温度愈高与保温时间愈长，均使碳化物溶解愈完全，奥氏体成分愈均匀，奥氏体晶粒愈粗大，这些均降低过冷奥氏体分解的形核率，延长转变的孕育期，从而使C曲线右移。、过冷奥氏体的连续冷却转变（曲线）：（）、珠光体转变：、概念：钢奥氏体化后，过冷到A1至“鼻尖”之间区域等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体组织，其反应如下： P ( + Fe3C)。依靠碳原子和铁原子的扩散，来完成反应中
12、碳的重新分布和铁的点阵重构，所以珠光体转变是一种典型的扩散性相变。珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物。、珠光体的分类：粒状珠光体、片状珠光体。片层珠光体分类：珠光体在A1-650范围内形成；索氏体在650-600范围内形成；屈氏体在600-550范围内所形成。结论：珠光体、索氏体、屈氏体三种组织只有粗细之分，并无本质区别。它们表现在性能上的差别为，随转变温度降低，片层间距减小，强度、硬度升高，塑性也变好。原因是铁素体和渗碳体片变薄时，相界面增多，在外力作用下，抗塑性变形能力增高。而且由于渗碳体片很薄，容易变形，不易脆裂，使钢的塑性变形能力增大。、马氏体：、马氏体转变：将材料从高温结构状态快速冷
13、却，在较低温度下发生的无扩散型相变。凡是相变的基本特征属于马氏体型的转变产物。、马氏体产生的热力学条件：将钢加热到奥氏体化；以大于临界淬火速度的冷却速度快冷；快冷至温度以下。、马氏体转变的特点：无扩散性，依靠切变进行；无成分变化，只是点阵重构；一般在Ms点以下一个温度区间内完成，转变过程靠产生一批批新马氏体片来完成，这种通过切边进行点阵重构，而无成分变化的非扩散性相变，统称为马氏体转变。、马氏体的性能：高强度和高硬度是钢中马氏体的主要特性之一。马氏体的硬度主要决定于含碳量，当到达0.6%C时，硬度趋于平缓。、马氏体高强度、高硬度的原因：固溶强化(C原子)；高密度位错、孪晶亚结构强化；自回火现象
14、，时效强化。塑性和韧性取决于马氏体亚结构的情况，位错马氏体具有较好的塑性。、贝氏体：将奥氏体化的钢过冷到Bs（约550）至Ms温度范围内等温，将产生贝氏体转变，也称中温转变。对于共析钢贝氏体转变的温度区间在550-Ms点之间，钢的贝氏体转变发生在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以上的温度范围内。、贝氏体转变特点：与珠光体一样，贝氏体也是铁素体和碳化物组成的机械混合物，在转变过程中，发生碳的扩散；但区别在其碳的扩散不充分，铁原子没有扩散，转变特征与组织形态和珠光体不一样。与马氏体转变的共同点在于奥氏体向铁素体的晶格改组是通过切变方式进行的，新相铁素体与母相奥氏体有一定的位向关系；但贝氏体是两相
15、组织，通过碳原子扩散，可以发生碳化物沉淀。、贝氏体的组织：上贝氏体（Bs-350）：自奥氏体晶界开始，向晶内伸展成束的、大致平行的铁素体板条，条间的渗碳体不易辨认。下贝氏体(350-Ms)：光学显微镜下呈黑针状，各针之间有一定交角。在电镜下，在针状铁素体内成行地分布着细片状或颗粒状的碳化物，沿着与铁素体长轴成55-60角整齐排列着。粒状贝氏体：在一些低碳钢及低碳、中碳合金钢中还发现一种粒状贝氏体，它的形成温度最高（稍低于Bs温度），由于温度较高，首先进行碳原子扩散重新分布，接着在奥氏体贫碳区开始形成大体平行的铁素体板条，碳几乎都富集到奥氏体中去，铁素体板条进一步长大并侧向靠拢，最终将高碳奥氏体包围起来成为孤立“小岛”，这种富碳、具有一定含量的合金元素的奥氏体不易分解，较稳定。、贝氏体性能：贝氏体的机械性能主要取决于其组织形态。贝氏体是铁素体和碳化物组成的复相组织，其各相的形态、大小和分布都影响贝氏体的性能。上贝氏体形成温度较高，铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行分布在铁素体板条之间，铁素体与碳化物分布有明显的方向性。这种组织状态使铁素体条间易开裂、脆断，因此强度低，其塑性和韧性低于屈氏体。与上贝氏体相比，下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，而且在铁素体内又沉淀析出细小、多量而弥散的
