热处理复习整理.doc

金属学与热处理资料总结第一章同素异构转变：当外部条件(如温度和压强)改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的 转变称为多品型转变或同素异构转变。组元：组成合金最基本的、独立的物质。 相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。固溶体：合金的组元之间以个同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一 组元的相同，这种相就称为固溶体。固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降 的现象。间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。原因：溶质原子与溶剂原 子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。间隙固溶体晶格畸变大 于置换固溶体的晶格畸变缺陷：点缺陷（空位、间隙原于和置换原子），线缺陷（位错），面缺陷（晶界、亚晶界、堆垛层错）。 综上所述，不管是哪类点缺陷，都会造成晶格畸变，这将对金属的性能产生影响，如使屈服强 度升高、电阻增大、体积膨胀等。位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。可以吧位错理解为晶 体中已滑移区和未滑移区的边界。位错其实是一条具有一定宽度的晶格畸变管道。刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型位错与柏氏矢量平行；混合型呈任意角度。晶界具有的一些特性：晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的 趋势； 原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；相变时新相优先在晶 界出形核； 晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚； 晶界易于腐蚀和氧化； 常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。第二章 纯金属的结晶什么是过冷度？为什么金属结晶一定要有过冷度？答：过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 可知当过冷度为零时临界晶核半径Rk为无穷大，临界形核功（）也为无穷大。临界晶核半径Rk与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。过冷度与金属的本性和液态金属的冷却速度有关。金属的纯度越高，结晶时的过冷度越大；同一金属冷却速度越大，则金属开始结晶温度越低，过冷度也越大。在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式：一种是均匀形核，另一种是非均匀形核。非均匀形核的形核率与均匀形核的相似，但除了受过冷度和温度的影响外，还受固态杂质的结构、数量、形貌及其它一些物理因素的影响。在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行。晶粒大小对金属的机械性能有很大影响，在常温下金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。固液界面的微观结构有两种类型，即光滑界面和粗糙界面。具有粗糙界面的金属，其长大机理为垂直长大，所需过冷度小，长大速度大。具有光滑界面的金属化合物、亚金属(如Si、Sb等)或非金属等，其长大机理有两种方式：其一为二维晶核长大方式；其二为螺型位错长大方式。它们的长大速度都很慢，所需的过冷度很大。一般的金属结晶时，均以树枝状生长方式长大。增加过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金 属特性的物质。第三章 二元合金相图和合金的凝固相图是表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。匀晶相图：两组元在液态无限互溶、固态也无限互溶的二元合金相图，称为匀晶相图。伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织， 这种共晶组织称为伪共晶。晶内偏析：这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，称为晶内偏析。消除办法：扩散退火或均匀 化退火。对于匀晶系合金而言，合金的强度和硬度均随着溶质组元含量的增加而提高。合金塑性的变化规 律正好与上述相反，塑性值随着溶质浓度的增加而降低。二元共晶相图：两组元在液态时相互无限互溶，在固态时有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织 的二元系相图。包晶相图：两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限溶解，并发生包晶转变的二元系相图。铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。中间的柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。比重偏析有时被用来除去合金中的杂质或提纯贵金属。第四章：铁碳合金铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体和石墨。铁素体：碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或 表示。奥氏体：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。奥氏体与铁素体的异同点： 相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。 不同点：铁素体为体心立方结构，奥氏体为面心立方结构；铁素体最高含碳量为0.0218%， 奥氏体 最高含碳量为2.11%，铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是 由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。二次渗碳体与共析渗碳体的异同点: 相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。 不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态不同二次渗 碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强度，网状 降低强度。共析转变（PSK线）：一定成分的固相，在一定温度下分解为另外两个一定成分的固相的转变过程， 称为共析转变。包晶转变（HJB线）：一定成分的液相和一定成分的固相在一定的温度下生成一定成分的固相的反 应 称为包晶反应。共晶转变（ECF线）：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变称为共晶转 变。GS线：奥氏体析出铁素体的开始线ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线。PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线。E点：渗碳体的成份（碳在奥氏体中的最大溶解度2.11%）二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体。一次渗碳体：从液态中直接析出的渗碳体。三次渗碳体：从铁素体中析出的渗碳体。热脆：硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂，这种现象称为热脆。造成热脆的原因是由 于FeS的严重偏析。防止热脆的方法是往钢中加人适量的锰。冷脆：磷具有很强的固溶强化作用，它使钢的强度、硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，尤其 是低温韧性，称为冷脆。氮的有害作用主要是通过淬火时效和应变时效造成的，解决办法加铝。第六章 金属的塑性变形和再结晶金属在外力作用下的行为可由低碳钢的拉伸曲线全面地显示出来，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动。滑移的本质是位错的移动。塑性变形的方式：主要是通过滑移方式进行的，此外，还有孪生等其他方式。体心结构的滑移系个数为12，滑移面：110，方向。面心结构的滑移系个数为12，滑移面：111，方向。然而，金属塑性的好坏，不只是取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。例如体心立方金属，它的滑移方向不及面心立方金属多，同时滑移面上的原子密排程度也比面心立方金屑低，因此，它的滑移面间距离较小，原于间结合力较大，必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑性要比Cu、A1、Ag、Au等面心立方金属差。晶体的滑移是在切应力的作用下进行的。临界分切应力:当晶体受力时并非所有的滑移系都同时参与滑移，而是只有当外力在某一滑移系中的 分切应力首先达到一定的临界值时，这一滑移系开动，晶体才开始滑移，该分切应力 即称为滑移的临界分切应力。临界分切应力的数值大小取决于金属的本性、金属的纯度、试验温度与加载速度，而与外力的大 小、方向及作用方式无关。金属塑性变形后的组织与性能 ：显微组织出现纤维组织， 亚结构细化，出现形变织构以及残余 应力。性能：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电 阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。加工硬化：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。 原因：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固 定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形 造成困难，从而提高金属的强度。 解决办法：中间退火（再结晶退火） 回复：是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前(即在再结晶晶粒形成前)所产 生的某些亚结构和性能的变化过程。为什么当金属晶粒越细，具有良好的塑性与韧性？晶粒越细小，晶粒内部和晶界附近的应变度差越小，变形越均匀，因应力集中引起的开裂的机会也越小。晶粒越细小，应力集中越小，不易产生裂纹；晶界越多，易使裂纹扩展方向发生变化，裂纹不易传播，所以韧性就好。细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称之为再结晶。热加工的主要作用（或目的）是：把钢材加工成所需要的各种形状，如棒材、板材、线材等；能明显的改善铸锭中的组织缺陷，如气泡焊合，缩松压实，使金属材料的致密度增加；使粗大的柱状晶变细，合金钢中大块状碳化物初晶打碎并使其均匀分布；减轻或消除成分偏析，均匀化学成分等。使材料的性能得到明显的改善。影响再结晶温度的主要因素：1、 冷变程度：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的 温度趋于恒定；2、金属的纯度，一般来说，金属的纯度越高，其再结晶温度就越低。3、原始晶粒的尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；4、加热时间和加热速度：加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。超塑性：金属材料在一定条件下拉伸，其延伸率可以高达200以上，甚至大于1000。这种性能 称作超塑性。第七章：钢在加热和冷却时的转变热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下 来，让其获得所需要的组织结构和性能的一种热加工工艺。 钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为热处理原理。 热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变。 钢之所以能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变。奥氏体形成过程：a)奥氏体晶核的形成 b)奥氏体晶核的长大； c)残留渗碳体的溶解； d)奥氏体成分均匀化。影响奥氏体形成速度的因素：1加热温度的影响2原始组织的影响3化学成分的影响影响奥氏体晶粒长大的因素：1.加热温度和保温时间的影响2.加热速度的影响3.质量分数的影响 4.合金元素的含量。通常14级为粗晶粒，58级为细晶粒，8级以外的晶粒称为超粗或超粗晶垃。马氏体：碳在 -Fe中的严重过饱和固溶体 马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳的质量分数 马氏体的组织形态主要有两种类型，即板条状马氏体和片状马氏体板条状马氏体的亚结构为位错，具有良好的综合机械性能；片状马氏体的亚结构为孪晶，强度硬度高，塑性和韧性差。马氏体具有高硬度、高强度的原因是多方面的，其中主要包括固溶强化、相变强化、时效强化以及晶界强化等。马氏体的塑性和韧性主要取决于马氏体的亚结构。综上所述，马氏体的机械性能主要取决于含碳质量分数、组织形态和内部死绝构。板条马氏体具有优良的强韧性，片状马氏体的硬度高，但塑性、韧性很差。冷处理：冷至室温后继续深冷，使残余奥氏体继续转变为马氏体，这种低于室温冷却的处理方法， 生产上称为冷处理。消除魏氏组织常用的方法是采用细化晶粒的正火、退火以及锻造等，如果程度严重还可以采用二次正火。第8、9章：热处理根据合金脱镕过程的机理不同，脱溶可以分为两类：一类是形核与长大型；另一类是调幅分解型从过饱和固溶体中析出第二相(沉淀相)或形成镕质原子傀聚区及亚稳定过渡相的过程称为脱溶。合金在脱溶过程中其机械性能、物理性能、化学性能等随之发生变化，这种现象称为时效。一般情况下，在脱溶过程中合金的硬度、强度会逐渐升高，这种现象又称为时效硬化或时效强化。退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得 接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。退火的目的：均匀钢的化学成分及组织；细化晶粒；调整硬度，改善钢的成形及切削加工性能；消 除内应力和加工硬化；为淬火做好组织准备。完全退火：将钢件加热到完全奥氏体化Ae3 + (3050 )以上，随之缓慢冷却，获得接近平衡组 织的退火工艺。生产中为提高生产率，一般随炉缓冷至600左右，将工件出炉空冷。完全退火可降低钢的硬度，以利于切削加工;消除残余应力，稳定工件尺寸，以防变形或开裂;细化晶粒，改善组织，以提高力学性能和改善工艺性能，为最终热处理做好组织准备。完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件等。不能用于过共析钢，因为加热到Accm温度以上，在随后缓冷过程时，会沿奥氏体晶界析出网状二次渗碳体，使钢的强度和韧性降低。等温退火：如将奥氏体化后的钢很快降至稍低于Ar1的温度，等温一定时间，使奥氏体转变为珠光 体；再空冷至室温，则可显著缩短退火时间。这种退火方法称为等温退火，等温退火适 用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢等。不完全退火是将钢加热至Ac1-Ac3(亚共析钢)或Ac1-Accm(过共桥钢)之间，保温后缓设冷却，以获 得接近平衡组织的热处理工艺。对锻造工艺正常的亚共析钢锻件，可采用不完全退火代 替完全退火。球化退火：将共析钢或过共析钢加热到Ac1，以上2030 ，保温一定时间后，随炉缓冷至室温， 或快冷到略低于Ar1温度，保温后出炉空冷，使钢中碳化物球状化的退火工艺。球化退火主要目的是降低共析钢或过共析钢硬度，提高塑性，改善切削加工性能、获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，为以后的淬火做好组织准备。球化退火主要用于共析钢或过共析钢工件的热加工之后，因为这些钢的组织中常出现粗片状珠光体和二次渗碳体，使钢的切削加工性能变差，且淬火时易产生变形和开裂。采用球化退火可使珠光体中的片状渗碳体和网状二次渗碳体球状化，正火：将钢件加热到Ae3(或Accm)+ (3050），完全奥氏体化后，再在空气中冷却以得到较细珠 光体组织的热处理工艺。正火的目的：1、改善钢的切削加工性能； 2、细化晶粒，消除热加工缺陷； 3、消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火； 4、提高普通结构零件的机械性能。淬火：将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，使过冷奥氏体 转变为马氏体(或贝氏体)组织的热处理工艺称为淬火。亚共析钢一般加热到式Ac3 + (3050 )进行完全淬火。共析钢、过共析钢一般加热到 Ac1 + (3050)进行不完全淬火。淬火 时随着水温升高，冷却能力降低，故使用时应控制水温低于40 。使用时油温应控制在40 100范围内。淬火方法：1.单液淬火 2.双液淬火 3.分级淬火 4.等温淬火回火：将淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺， 称为回火。回火的目的：(1)获得工件所要求的力学性能。 (2)稳定工件尺寸。 (3)消除或减少淬火内应力。回火分为以下三种：1.低温回火(150250 ) 低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为5864 HRC。2.中温回火(350500 ) 中温回火所得组织为回火托氏体。其目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性。它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为3550 HRC。3.高温回火(500 650 )高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上，将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。低碳钢：淬火加低温回火，组织为回火马氏体。中碳钢：淬火加高温回火，组织为回火索氏体。共析钢：等温淬火，组织为下贝氏体。回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。工件淬火后在300左右回火时所产生的回火脆性称为第一类回火脆性或低温回火脆性。在450550温度范围回火或经更高温度回火后，缓慢冷却通过该温度区间所产生的脆性称为第二类回火脆性。为防止第二类回火脆性的产生，可采用回火后快冷(水或油中冷却)或尽量减少钢中的杂质元素含量以及采用含钨、钥等元素的合金钢。过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象。热应力：工件在加热(或冷却)时，由于不同部位的温度差异，导致热胀(或冷缩)的不一致所引起的应 力称为热应力。组织应力：由于工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。淬透性：是钢在淬火时获得马氏体的能力的特性。淬硬性：淬硬性是指在理想的淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达 到的最高硬度。回火脆性：钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性。过冷奥氏体：在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。认知性基本知识点：10金属的结晶过程包括 形核 和长大两个阶段。11影响过冷度大小的因素主要有：金属的本性和纯度以及冷却速度等。12金属结晶时，晶核的大小取决于 形核率 和长大速度的相对大小。13纯金属铸锭的宏观组织通常由表层细晶区、柱状晶粒区和中心等轴晶区组成。16在实际液态金属中，总是或多或少含有某些杂质，其结晶过程中形核主要按非均 匀形核方式进行。18合金中的相根据其晶体结构特点可以分为固溶体和金属化合物两大类。19按溶质原子在晶格中所占的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和 间隙固溶体 。25金属从浇注温度冷却到室温所经历的三个收缩阶段为：液态收缩、凝固收缩、固态收缩。28铁碳合金中碳的存在形式有两种：渗碳体和 石墨 。29根据钢中的含氧量和凝固时放出一氧化碳的程度，可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。30过共析钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。36在常温或低温下，金属塑性变形的方式主要有滑移和孪生等。43形变金属在退火过程中，金属组织的变化可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。45在影响再结晶温度的因素中，金属的纯度越高，再结晶温度越高。47影响再结晶晶粒大小的因素主要有：变形度、加热温度、原始晶粒大小、合金元素及杂质等。48从金属学的角度来看，在再结晶温度以下的加工过程称