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1、金属热处理基础知识金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。1金属组织 金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。 相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。 固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使
2、晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。奥氏体：碳在g-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时Fe3C又是一种介（亚）稳定相，在一定条件下
3、会发生分解。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内
4、容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。奥氏体：碳与合金元素溶解在-Fe中的固溶体，仍保持-Fe的面心立方晶格。晶界比较直，呈规则多边形；淬火钢中残余奥氏体分布在马氏体间的空隙处 铁素体：碳与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体。亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。渗碳体：碳与铁形成的一种化合物。在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状。过共析钢冷却时沿Acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状。铁碳合金冷却到Ar1以
5、下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。珠光体：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。在A1650形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。在650600形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。在600550形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用
6、电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。上贝氏体：过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间。过冷奥氏体在中温（约350550）的相变产物，其典型形态是一束大致平行位向差为68od铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。转变时先在晶界处形成上贝氏体，往晶内长大，不穿晶。 上贝氏体过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间。过冷奥氏体在中温（
7、约350550）的相变产物，下贝氏体：同上，但渗碳体在铁素体针内。过冷奥氏体在350Ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高，针叶比低碳低合金钢细下贝氏体同上，但渗碳体在铁素体针内。过冷奥氏体在350ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但
8、可交接。与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高，针叶比低碳低合金钢细。马氏体下贝氏体屈氏体粒状贝氏体：大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛的复相组织。过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，可能全部保留成为残余奥氏体；也可能部分或全部分解为铁素体和渗碳体的混合物（珠光体或贝氏体）；最可能部分转变为马氏体，部分保留下来而形成两相混合物，称为M-A组织。
9、无碳化物贝氏体：板条状铁素体单相组成的组织，也称为铁素体贝氏体。形成温度在贝氏体转变温度区的最上部。板条铁素体之间为富碳奥氏体，富碳奥氏体在随后的冷却过程中也有类似上面的转变。无碳化物贝氏体一般出现在低碳钢中，在硅、铝含量高的钢中也容易形成。 马氏体：碳在a-Fe中的过饱和固溶体。板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多相互平行的板条组成一个板条束，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5个）。片状马氏体（针状马氏体）：常见于高、中碳钢及高Ni的Fe-Ni合金中，针叶中有一条缝线将马氏体分为两半，由于方位不同可呈针状或块状，针与针呈120o角排列，高碳马氏体的针叶晶界清楚，细针状马氏
10、体呈布纹状，称为隐晶马氏体。回火马氏体：马氏体分解得到极细的过渡型碳化物与过饱和（含碳较低）的a-相混合组织，它由马氏体在150250时回火形成。这种组织极易受腐蚀，光学显微镜下呈暗黑色针状组织（保持淬火马氏体位向），与下贝氏体很相似，只有在高倍电子显微镜下才能看到极细小的碳化物质点。 回火屈氏体：碳化物和a-相的混合物。它由马氏体在350500时中温回火形成。其组织特征是铁素体基体内分布着极细小的粒状碳化物，针状形态已逐渐消失，但仍隐约可见，碳化物在光学显微镜下不能分辨，仅观察到暗黑的组织，在电镜下才能清晰分辨两相，可看出碳化物颗粒已明显长大。回火索氏体：以铁素体为基体，基体上分布着均匀碳化
11、物颗粒。它由马氏体在500650时高温回火形成。其组织特征是由等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织，马氏体片的痕迹已消失，渗碳体的外形已较清晰，但在光镜下也难分辨，在电镜下可看到的渗碳体颗粒较大。莱氏体：奥氏体与渗碳体的共晶混合物。呈树枝状的奥氏体分布在渗碳体的基体上。 粒状珠光体：由铁素体和粒状碳化物组成。它是经球化退火或马氏体在650A1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。铁素体粒状碳化物魏氏组织：如果奥氏体晶粒比较粗大，冷却速度又比较适宜，先共析相有可能呈针状（片状）形态与片状珠光体混合存在，称为魏氏组织。亚共析钢中魏氏组织的铁素体的形态有片状、羽毛状或三角形，
12、粗大铁素体呈平行或三角形分布。它出现在奥氏体晶界，同时向晶内生长。过共析钢中魏氏组织渗碳体的形态有针状或杆状，它出现在奥氏体晶粒的内部。渗碳体（Fe3C或Cm）：渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的斜方晶体结构，熔点为1227。在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对钢的力学性能影响很大。经3%5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色,若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达到HB800以上，脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网状。在一定条
13、件下（如高温长期停留或缓慢冷却），渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。渗碳体的晶胞示意图 钢中的碳化铁（Fe3C）相。它一般含碳量为6.67%，是一种具有极高硬度（布氏HB为800-820）的脆性化合物。渗碳体内经常固溶有其他元素。在碳钢中，一部分铁为锰所置换；在合金钢中铁为铬、钨、钼等元素所置换，形成合金渗碳体。几种常见的热处理概念 1 正火：将钢材或钢件加热到临界点Ac3或Acm以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。2 退火annealing：将亚共析钢工件加热至Ac3以上3050度，保
14、温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺 3 固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺 4 时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。5 固溶处理：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型 6 时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度 7 淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发解到固溶体中，然后快生马氏体等不稳定组织
15、结构转变的热处理工艺 8 回火：将经过淬火的工件加热到临界点Ac1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺 9 钢的氮化及碳氮共渗 (1).钢的氮化（气体氮化）概念：氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行。适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴），高速柴油机曲轴、阀门等。氮化工件工艺路线：锻造退火粗加工调质精加工除应力粗磨氮化精磨或研磨。由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。钢在氮化后，不再需要进行淬火便具有很高的表面硬度及耐磨性。氮化处理温度低，变形很小，它与渗碳、感应表面淬火相比，变形小得多 (2).钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上碳氮共渗又称作氰化。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体氮碳共渗（即气体软氮化）应用较是广。中温气
