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金属学与热处理复习 MetallurgyandHeatTreatment 江苏科技大学材料科学与工程学院 主讲人 王淑艳 第七章 金属及合金的回复与再结晶 典型退火的过程 随着保温时间和延长和温度升高 可分为和晶粒长大三个阶段 回复 再结晶的定义及性能变化及应用 再结晶形核机制 亚晶长大形核 变形量较大时 凸出形核 再结晶温度 高纯金属 T再 0 25 0 35 Tm 工业纯金属 T再 0 35 0 45 Tm 合金 T再 0 4 0 9 Tm 经验公式 注 再结晶退火温度一般比上述温度高100 200 第七章 金属及合金的回复与再结晶 达到某一数值 2 10 时 晶粒特别粗大 主要是G N的比值大 临界变形度 临界变形量 晶粒长大方式 正常长大 反常长大 再结晶图 将晶粒大小 退火温度与变形量的关系绘制成立体图形 称为再结晶图 冷加工 热加工 按加工的温度分类 第八章扩散 空位机制 扩散机制 间隙机制 具有驱动力 化学位梯度 此外 温度梯度 应力梯度 表面自由能差 以及电场和磁场的作用也可引起扩散扩散原子能固溶 扩散原子在基体有一定固溶度 温度足够高 温度 原子热振动越激烈 原子激活迁移几率越大 时间足够长扩散原子的每次随机跃迁距离只有nm级 需长时间 固态扩散的条件 固态扩散需满足下列四个条件 第八章扩散 第三节影响扩散的主要因素 温度 晶体结构 成分 其他 影响程度 温度 成分 结构 其它 第八章扩散 扩散的分类 自扩散 原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散 如纯金属或固溶体的晶粒长大 无浓度变化 互扩散 原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散 有浓度变化 下坡扩散 原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散 上坡扩散 原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散 原子扩散 扩散过程中不出现新相 反应扩散 由之导致形成一种新相的扩散 有无浓度变化 扩散方向 是否出现新相 第八章扩散 第二节扩散定律 单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量 扩散通量J 与浓度梯度成正比 菲克 FickA 第一定律 适用条件 稳态扩散 dc dt 0 浓度及浓度梯度不随时间改变 表达式 J D dc dx C 溶质原子浓度 D 扩散系数 第九章钢的热处理原理 第一节概述 定义 热处理及其作用 热处理工艺示意图 最终热处理 预备热处理 热处理与相图 原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者同素异构转变的 即有固态相变的金属或合金 才能进行热处理 纯金属 某些单相合金等不能进行热处理强化的 只能采用加工硬化的方法 加热与冷却速度对临界点的影响 第九章钢的热处理原理 固态相变类型 扩散型 非扩散型 半扩散型 第九章钢的热处理原理 奥氏体是碳溶于 Fe所形成的固溶体 在合金钢中 除了碳原子外 溶于 Fe中的还有合金元素原子 1 奥氏体的结构 第九章钢的热处理原理 共析钢奥氏体的形成过程 奥氏体的形成过程 形核 长大 残余渗碳体的溶解 均匀化 第九章钢的热处理原理 奥氏体晶粒长大及控制 晶粒度 是表示晶粒大小的一种尺度 是以单位面积内晶粒的个数或每个晶粒的平均面积与平均直径 类别 起始晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度 指临界温度以上奥氏体形成刚刚完成 其晶粒边界刚刚互相接触时的晶粒大小 指在某一热处理加热条件下 所得到的晶粒尺寸 对钢来说 如果不特别指明 一般是指奥氏体化后的实际晶粒大小 默认 代表在某一条件下 奥氏体的长大倾向 通常采用标准实验的方法 即将钢加热到 930 10 摄氏度 保温3 5小时后 测定其奥氏体晶粒大小 晶粒度在5 8级者称为本质细晶粒钢 在1 4级者称为本质粗晶粒钢 晶粒度评定标准 一般生产中把奥氏体晶粒大小分为1 8个级别 其中1级最粗 8级最细 超过8级以上的称为超细晶粒 关系式 晶粒度的级别G与晶粒大小之间的关系为 N 2G 1G 晶粒度级别 N 100X时 平均晶粒数目 inch2 6 45cm2 第九章钢的热处理原理 例题 晶粒度级别N可由关系式N 2G 1确定 式中n为当线放大100倍时 在每个6 45cm2面积中观察到的晶粒数 计算当晶粒度为7级时 晶粒的实际平均直径 解 n 27 1 64d平均 645 1002 64 0 032 mm 第九章钢的热处理原理 晶粒度影响因素 加热温度保温时间 加热速度 化学成分 原始组织 第九章钢的热处理原理 冷却方式 等温冷却 连续冷却 过冷奥氏体 第九章钢的热处理原理 奥氏体不同冷却方式示意图1 等温冷却2 连续冷却 图9 5共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线 第九章钢的热处理原理 过冷奥氏体等温转变曲线 中间曲线左边过冷奥氏体转变开始线 右侧一条为过冷奥氏体转变终了线 水平A1钢的临界点 723 即奥氏体与珠光体的平衡温度 Ms 230 为马氏体转变开始温度 Mf 50 为马氏体转变终了温度 共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线 过冷奥氏体等温转变曲线的分析 三水平线两曲线 第九章钢的热处理原理 问题 如将一根直径5mm的热轧钢试样加热到650 等温15s后淬火水中 问等温转变曲线可否用来分析最后得到的组织 不能原因 等温转变曲线是描述过冷奥氏体的转变的 热轧共析钢加热到650 并未发生奥氏体化 第九章钢的热处理原理 珠光体转变 pearlitetransformation 共析成分的过冷奥氏体从Al以下至C曲线的 鼻尖 以上 即Al 550 温度范围内会发生珠光体转变 为全扩散型转变 即铁原子和碳原子均进行扩散运动 按形态 片状珠光体 粒状珠光体 形成条件 组织 性能 不同 第九章钢的热处理原理 第九章钢的热处理原理 马氏体转变 pearlitetransformation 两种马氏体比较 贝氏体比较 第九章钢的热处理原理 贝氏体转变 当加热温度过高并以较快速度冷却时 先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体的晶界沿奥氏体一定晶面往晶内生长 呈针片状析出 连同其间的珠光体组织一起称为魏氏组织 魏氏组织的形成与钢中碳含量 奥氏体晶粒大小及冷却速度有关 通常伴随奥氏体粗晶组织出现 第九章钢的热处理原理 魏氏组织 共析钢连续冷却C曲线 第九章钢的热处理原理 共析钢过冷奥氏体连续冷却C曲线 碳化物的转变 第九章钢的热处理原理 离位析出 一种碳化物的析出是通过其它碳化物溶解并在其它地方重新形核 长大的方式形成 这种单独形核的方式 原位析出 一种碳化物的析出是由另外一种碳化物直接转变过来 它们之间存在相同的惯习面 钢在回火时会产生回火脆性现象 即在250 400 和450 650 两个温度区间回火后 钢的冲击韧性明显下降 这种脆化现象称为回火脆性 回火脆性 根据脆化现象产生的机理和温度区间 回火脆性可分为两类 第九章钢的热处理原理 淬火后回火产物与奥氏体直接分解产物比较 第九章钢的热处理原理 托氏体索氏体 回火托氏体回火索氏体 是铁素体加碳化物的珠光体类型组织 相同 区别 碳化物呈片状分布 碳化物呈颗粒状分布 许多性能得到改善 相同的硬度和强度时 屈服强度 韧性塑性提高 片状碳化物受力时会使基体产生应力集中 碳化物脆断或形成微裂纹 而粒状的应力集中小 微裂纹不易产生 故塑 韧性好 第十章钢的热处理工艺 退火 正火 淬火 回火 定义 目的 选用原则 组织 淬火应力 第十章钢的热处理工艺 两种应力比较 工件在淬火过程中会发生形状和尺寸的变化 有时甚至会产生淬火裂纹 工件变形和开裂的原因是由于淬火过程中在工件内产生的内应力造成的 淬透性是是指钢在淬火时获得马氏体的能力 钢的固有属性 相同奥氏体化温度下 其淬透性是不变的 实际工件的淬透层深度是指具体条件下测锭的半马氏体区至表面的深度 与淬透性 工件尺寸及淬火介质的冷却能力等有关 淬硬性是钢淬火时的硬化能力 用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示 主要取决于马氏体碳含量 淬透性 淬透深度 淬硬性区别 第十章钢的热处理工艺 根据钢的淬透性曲线 钢的淬透性值通常用表示 其中 J表示末端淬透性 d表示至末端的距离 HRC表示在该处测得的硬度值 举例 第十章钢的热处理工艺 感应加热淬火技术 第十章钢的热处理工艺 工作原理及作用 化学热处理 渗碳 缓冷及热处理后的组织及性能 形变热处理 是形变强化与相变强化的综合效果 工程结构用钢机器零件用钢 刃具钢模具钢量具钢 耐蚀钢耐热钢耐磨钢耐寒钢电工钢 结构钢工具钢特殊性能钢 按用途分 第十一章工业用钢 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 第十二章铸铁 铸铁是 2 11 C的铁碳合金 除C外 还含有较多的Si Mn和其它的一些杂质元素 工业常用铸铁的碳含量为2 11 4 5 渗碳体 主要影响因素 化学成分 冷却速度 石墨 第十二章铸铁 铸铁的分类 碳存在的形式及断口的颜色 白口铸铁 灰铸铁 麻口铸铁 渗碳体 游离的石墨 渗碳体 游离的石墨 第十二章铸铁 石墨的形态 普通灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 片状 团絮状 球状 蠕虫状 蠕墨铸铁 灰铸铁 第十三章有色金属 铝无同素异构转变 铝合金的热处理与钢的异同点 固溶处理和时效强化 可热处理强化和不可热处理强化 铝合金的标识 硬铝 铝及铝合金 铝合金的时效强化效果取决于固溶体的浓度和时效温度及时效时间 时效温度过高 时效时间过长 将使合金软化 称为过时效 固溶处理 铝合金经加热到单相区保温后 快速冷却后获得过饱和固溶体的热处理工艺 时效强化 沉淀强化 过饱和固溶体在室温放置或加热到某一温度保温 随时间的延长而发生强度 硬度明显升高 塑性降低的现象 自然时效 人工时效 铝合金的热处理 铝合金的强化热处理包括固溶处理和时效处理 第十三章有色金属 答 1 不可以 铝合金在固态下加热只有溶解度的变化 而没有同素异构转变 只能通过固溶处理 时效强化 问题 1 铝合金可以像钢一样通过马氏体相变强化吗 2 铝合金可以通过渗碳 氮化方式表面强化吗 2 不可以 因为C N在铝中的溶解度很小 特别是铝与氧亲和力大 表面生成致密氧化膜 使渗碳 渗氮时活性原子不能被表面吸收 同时也无法向心部扩散 因而不能通过渗碳和渗氮表面强化 第十三章有色金属 硬铝合金 2XXX Al Cu Mg系合金 属于可热处理强化的铝合金 合金中加入铜和镁是为了形成强化相 CuAl2 和S CuMgAl2 含有少量的锰是为了提高抗蚀性能 而对时效强化不起作用 硬铝具有相当高的强度和硬度 经自然时效后强度达到380MPa 490MPa 原始强度为290MPa 300MPa 提高25 30 硬度也明显提高 由70HB 85HB提高到120HB 与此同时仍能保持足够的塑性 抗蚀性差 特别在海水中尤甚 且易产生晶间腐蚀 因此需要防护的硬铝部件 其外部都包一层高纯度铝 制成包铝硬铝材 但是包铝的硬铝热处理后强度较未包铝的为低 代表 2A11T4 2A12T4 第十三章有色金属 第十三章有色金属 纯钛具有同素异构转变 钛及钛钛合金 钛合金的分类 命名及特点 按热处理后的组织特点 钛合金 钛合金 钛合金 第十三章有色金属 纯铜具有面心立方结构 无同素异构转变 塑性高而强度低 伸长率约为50 强度约240MPa 铜及铜合金 纯铜 氢病 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜 以H表示 黄铜最常见的腐蚀形式是 脱锌 和 季裂 黄铜 综合分析题 一 用冷拔铜丝制作的导线 冷拔之后应如何处理 为什么 答 用冷拔铜丝制作的导线 冷拔之后应进行去应力退火 因为铜导线的性能要求具有良好的导电性能 和一定的强度和塑性 铜丝冷拔后 导电性能下降 具有较高的强度 但韧性较差 去应力退火后 导线的导电性能基本可以恢复到冷拔前的水平 且强度 硬度变化不大 而塑性和韧性的所提高 符合导线使用性能的要求 综合分析题 二 设有一楔形板坯 经过冷轧后 得到相同厚度的板材 然后进行再结晶退火 试问该板材的晶粒大小是否均匀 画出沿板材方向的晶粒变化情况 并解释原因 答 晶粒大小不均匀 随着楔子的进入 其变形度逐渐增大 其晶粒度大小随变形情况的变化如图所示 当变形量小时 晶粒仍保持原状 这是由于变形小 畸变能小 不足以引起再结晶 所以晶粒大小没有变化 当达到临界变形度时 得到特别大的晶粒 当超过这个临界变形度后 则变形越大 晶粒越细 当变形度达到一定程度后 再结晶晶粒基本保持不变 当变形度再大时 可能会出现二次结晶 导致晶粒重新粗化 综合分析题 见书中图7 12 综合分析题 三 现有低碳钢齿轮和中碳钢齿轮各一只 为了使齿轮表面具有高的硬度和耐磨性 它们各应进行怎样的热处理 比较热处理后它们在组织与性能上的异同点 答 低碳钢齿轮 由于含碳量低 塑性和韧性较高 硬度和耐磨性差 所以使用表面渗碳热处理 后进行淬火 低温回火 在表面可获得混合马氏体组织 具有高的硬度和耐磨性 而心部仍然保持较高的塑性和韧性 中碳钢齿轮 首先进行调质处理 由于含碳量较高 整个提高整个齿轮的强度 硬度 塑性韧性 组织状态是回火索氏体 要提高表面硬度和耐磨性 再进行表面淬火 低温回火 组织表面为回火马氏体 心部仍为回火索氏体 使齿轮表面具有高硬度 高强度和良好的耐磨性 而心部保持良好的塑性和韧性 综合分析题 四 用45钢制造机床齿轮 其工艺路线为 锻造 正火 粗加工 调质 精加工 高频感应加热表面淬火 低温回火 磨加工 请说明各热处理工序的目的及使用状态下的组织 答 锻造后的45钢硬度较高 不利于切削加工 正火后将其硬度控制在160 230HB范围内 提高切削加工性能 组织是珠氏体 粗加工后 调质处理整个提高了45钢强度 硬度 塑性韧性 组织状态是回火索氏体 高频感应加热表面淬火是要提高45钢表面硬度的同时 保持心部良好的塑性和韧性 组织表面为马氏体 心部仍为回火索氏体 低温回火的组织状态是表层为回火马氏体 回火马氏体既保持了45钢的高硬度 高强度和良好的耐磨性 又适当提高了