金属材料热处理讲解学习

金属材料热处理讲解学习 第一节热处理的理论基础第二节钢的热处理第三节固溶与时效处理（二）金属材料热处理在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地存在组织缺陷。 对金属材料进行热处理主要源于提高其综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的“成分组织性能”的原则。 第一节热处理的理论基础热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。 ?金属材料的强化机制导致材料失效的最大应力结构材料陶瓷材料高分子材料金属材料强度疲劳强度抗拉强度断裂强度屈服强度材料强度的唯一性判据?固溶强化当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升，塑性和韧性值下降。 CuNi固溶体的机械性能与成分的关系AlMg固溶体的应力应变曲线b?加工硬化加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。 加工硬化（冷变形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。 曲线分为三阶段1）易滑移阶段（位错少干扰）2）线性硬化阶段（位错塞积）3）抛物线硬化阶段（螺旋位错启动，位错密度下降）加工硬化曲线?时效强化时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。 ?第二相强化（弥散强化）通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。 第二相一般指各种化合物质点。 11）生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布的第二相；22）也可通过共晶化合物进行热压力加工获得；33）还可通过共析反应获得；44）另外还可通过粉末冶金方法获得。 获得第二相的途径?复合强化利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属材料强化的目的。 钢的形变热处理固溶强化加工硬化回火索氏体第二相强化细晶强化固溶强化?固态相变塑性金属材料的强化机制表明通过热处理中的加热和冷却过程使合金产生固态相变，从而合金组织发生变化，最终导致材料性能产生变化。 固态相变是指固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构会转变成另一种组织结构。 材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变。 固态相变主要包括三种基本变化11）晶体结构的变化；22）化学成分的变化；33）有序程度的变化。 一种相变可同时包括一种、两种或三种变化。 钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以改变合金的组织与性能的一种工艺方法，其基本内容包括热处理原理及热处理工艺两大方面。 第二节钢的热处理钢铁材料的强韧化重要有两个途径一是对钢铁材料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。 ?钢的热处理原理?钢的热处理相变温度钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。 随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。 通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如A A C C 11、A A C C 33、A A Cm等；把冷却时的临界温度标以字母“r”，如A Ar r 11、A Ar r 33、A Arm等。 ?加热时钢的组织转变奥氏体的形成过程钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。 以共析钢的奥氏体形成过程为例。 33）残留渗碳体的溶解铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。 11）奥氏体形核奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。 22）奥氏体晶核长大奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。 44）奥氏体均匀化渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。 A AF PFAC AC?31亚共析钢的加热过程A C Fe ACFePcmACAC?331过共析钢的加热过程?冷却时钢的组织转变 11、钢的冷却方式热处理时常用的冷却方式有两种一是等温冷却（常用于理论研究）；二是连续冷却（常用于生产）。 A 122、过冷奥氏体等温冷却曲线的绘制通常将处于A1以下温度尚未发生转变的奥氏体称为过冷奥氏体。 钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织转变。 11）等温冷却试验（a a）首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共析温度的条件下进行奥氏体化；（b b）将上述奥氏体化后的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度；（c c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样，置于水中快冷；（d d）磨制金相试样，并观察显微组织。 在不同温度重复上述等温转变试验，可根据试验结果绘制出奥氏体钢的等温冷却曲线。 曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线；右边一条线为过冷奥氏体转变终了线。 该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度M M f f线。 22）过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析在C C曲线中，在不同过冷奥氏体开始出现组织转变的时间不同，这段时间称为“孕育期”。 其中，以C C曲线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。 过冷奥氏体等温冷却曲线形似“C”字，故俗称C C曲线，反应了“温度时间转变量”的关系，所以C C曲线又称为T TTT图图（Temperature-e TimeTransformation Diagram）。 板状马氏体马氏体变温形成，与t保无关；马氏体转变不完全性，钢中常存在残余A（性能下降）,常要求淬火T接近M f“冷处理”.马氏体性能与含碳量有关非扩散型（Fe和C均不扩散）C在-Fe中的过饱和固溶体（b）240-50M片（针）状马氏体体马氏体体板状低碳钢中，F和Fe2.4C的复相组织。 片状高碳钢中，复相组织。 F饱和+Fe2.4C350240B下下下贝氏体体羽毛状在平行密排的过饱和F板条间，不均匀分布短杆（片状）Fe3C,脆性大，工业上不应用半扩散型（只有C扩散）F饱和+Fe3C550350B上上上贝氏体体贝氏体体间距0.030.08m，2000600550T屈氏体间距0.250.08m，1000650600S索氏体片层间距0.251.9m，500扩散型（Fe和C均扩散）F+Fe3C A1650P珠光体珠光体体特征转变类型相组成转变温度度/符号号组织名称注w w（c c）1.0时形成片状马氏体，HRC6466；w w（c c）0.2时形成板状马氏体，HRC3050。 33、非共析成分碳钢的等温转变非共析钢的C C曲线与共析钢的C C曲线不同。 区别在于亚共析钢曲线左移，在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线；过共析钢曲线右移，在其上方多了一条过冷奥氏体析出二次渗碳体的开始线。 亚共析钢的等温转变图 44、共析钢的连续冷却转变C C曲线（TTT图）反应了过冷奥氏体等温转变的全貌，但在实际生产中，钢的热处理大多是采用连续冷却，因此，测出奥氏体的连续冷却曲线，即CCT图（右图阴影部分），有很大的现实意义。 Continuous CoolingTransformation DiagramVc临界冷却速度是指使奥氏体在冷却过程中直接转变成马氏体而不发生其它转变的最小冷却速度，即临界淬火速度。 ?钢的普通热处理?退火将钢加热到一定温度进行保温，缓冷至600以下，再空冷至室温的热处理工艺。 各种退火和正火的一般加热范围名称目的工艺制度组织应用完全退火细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性加热到AC32050，炉冷至550左右空冷冷FP亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备加热到AC12040，然后缓冷片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等扩散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均匀化加热到AC3Ac m+100200，先缓冷，后空冷冷粗大组织（组织严重过烧）合金钢铸锭及大型铸钢件或铸件再结晶退火消除加工硬化，提高塑性加热到再结晶温度，再空冷变形晶粒变成细小的等轴晶冷变形加工的制品去应力退火消除残余应力，提高尺寸稳定性加热到500650缓冷至200空冷无变化铸、锻、焊、冷压件及机加工件常用退火工艺制度小结?正火（俗称常化）正火将钢加热到A AC3或或A Cm以上温度30-50并保温，出炉空冷至室温的热处理工艺。 由于正火比退火加热温度略高，冷却速度大，故珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而正火后强度、硬度较高。 正火的应用用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。 亚共析钢采用正火来调整硬度，改切削加工性能。 过共析钢的正火可消除网状碳化物。 ?淬火 11、定义淬火是将钢加热到A AC1或A AC3以上温度并保温，出炉快速冷却，使奥氏体转变成为马氏体的热处理工艺。 22、淬火的必要性经过退火或正火的工件只能获得一般的强度和硬度，对于许多需要高强度、高耐磨条件下工作的零件则必须淬火与回火处理。 33、钢在淬火时的组织和性能变化11）获得马氏体的条件（a a）通过加热使钢具有奥氏体组织；（b b）冷却速度超过临界冷却速度；（c c）在M Ms sM Mf f温度范围使过冷奥氏体发生马氏体转变。 22）马氏体的形成过程（a a）当奥氏体过冷到M MS S点时，首先在晶粒内的某些晶面上生成马氏体晶核，并迅速长大；（b b）马氏体转变不依靠已形成马氏体晶体的长大，而且依靠出现新的马氏体晶核，即马氏体形成与t保无关。 （c c）奥氏体常常不能完全转变成马氏体主要源于生产上冷却温度没有真正达到Mf点。 马氏体形成过程示意图33）马氏体的组织形态马氏体有两种基本形态板条马氏体和片状马氏体。 W W（C C）0.20%时基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。 板条马氏体片状马氏体W W（C C）0.60%时形成片状马氏体（针状马氏体），片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。 因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。 0.20%W（C C）0.60%时形成上述两种马氏体的混合组织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。 44）马氏体的力学性能马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。 在相同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的增加而升高。 55）小结马氏体转变是典型的无扩散性相变。 马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体，具有非常高的强度和硬度所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。 将钢加热到Ac11或Ac33以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。 11）淬火加热温度淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。 亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac33以上3050；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac11以上3050。 44、钢的淬火工艺22）淬火保温时间淬火保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。 （a a）含碳量越高，含合金元素越多，导热性越差，则保温时间就越长；（b b）零件尺寸越大，保温时间越长；（c c）生产中常根据经验确定保温时间；33）淬火冷却速度淬火冷却介质选择的原则（a a）为保证获得马氏体组织，要求V V冷却V V临界；（b b）为保证零件不因淬火应力而开裂，要求V V冷却不应太大，应该选择合适的冷却介质。 水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。 油一般用作合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火。 盐浴为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。 采用有机物和无机物等配制而成的水溶性聚合物淬火介质，和淬火油改性添加剂，由于冷却能力可调整，使用中介质浓度可简便测定，有减少变形、防止淬裂，不锈蚀、免清洗、无味、无烟雾、不着火，使用温度高，环保、少无污染，正常消耗是传统油淬火的40%等特点，因而在国外已普及推广应用。 但我国仍普遍采用通用的矿物油，一定比例的氯化钠水溶液、碱溶液及硝盐溶液为冷却介质。 因而造成严重的污染。 55、常用淬火冷却方法为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。 通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。 66、钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。 其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。 生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。 所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用D Do o表示。 在相同冷却条件下，D Do o越大，钢的淬透性越好。 淬透性的应用 （11）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致； （22）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的淬火介质以减小淬火应力。 （33）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，可选用淬透性大的钢。 （44）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用低淬透性钢。 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。 ?回火 11、定义回火是把淬火后的钢件，重新加热到A A11以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。 22、目的淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。 33、回火过程的组织变化第一阶段（室温250）马氏体中的过饱和碳原子析出，形成碳化物Fe xx C C，得到回火马氏体组织。 第二阶段（230280）马氏体继续分解，同时残余奥氏体转变为过饱和固溶体与碳化物，得到回火马氏体组织。 第三阶段（260360）马氏体继续分解，碳原子继续析出使过饱和固溶体转变为铁素体；回火马氏体中的Fe xx C转变为稳定的粒状渗碳体，得到铁素体和极细渗碳体的机械混合物，即回火屈氏体。 第四阶段（400以上）碳化物聚集长大，温度越高碳化物越大，得到粒状碳化物与铁素体的机械混合物，即回火索氏体。 回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。 低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。 （HRC60） 44、回火的种类11）低温回火（150250）22）中温回火（350500）回火的目的是获得回火屈氏体，具备高的弹性极限和韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧，锻模、压铸模等模具。 （35HRC45）33）高温回火（500650）回火的目的是具备良好的综合机械性能（较高的强度、塑性、韧性），得到回火索氏体组织。 一般把淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。 适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。 （28HRC33）需要指出，有些钢在250400和450650的范围内回火时，其冲击韧性比在较低温度回火时还显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。 在250400回火时出现的脆性称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆性；而在450650温度范围内回火时出现的脆性称为高温回火脆性，也叫第二类回火脆性。 为防止低温回火脆性，通常的办法是避免在脆化温度范围内回火。 防止高温回火脆性的方法是加热后快冷。 ?钢的表面热处理?钢的表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。 11、火焰表面淬火火焰表面淬火是氧炔焰等高温热源将工件表面许速加热到形变温度以上，然后立即进行低温回火，或利用工件内部余热自身回火。 这种方法可获得226mm的淬透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。 22、感应表面淬火感应加热表面淬火的特点淬火温度高于一般淬火温度。 淬火后马氏体晶粒细化，表层硬度比普通淬火高2233HRC。 表层存在很大的残余压应力。 不易产生变形和氧化脱碳。 易于实现机械化与自动化。 感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行170200低温回火。 感应加热是利用电磁感应原理，表层感应电流密度大，温度高；心部几乎不受热。 钢的化学热处理是指将工件放在一定温度的活性介质中保温，使介质中分解出的一种或几种元素的活性原子被钢件表面吸附并向表层扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。 ?钢的化学热处理基本过程钢件加热时，化学介质分解出渗入元素的活性原子；活性原子被钢件表面吸附和溶解；原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。 将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子 11、钢的渗碳渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面获得高碳回火马氏体，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为低碳回火马氏体或索氏体，具有一定的强度和良好的韧性配合。 气体渗碳示意图11）渗碳方法渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。 目前广泛应用的是气体渗碳法。 22）渗碳后的组织常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如 15、 20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi33等。 渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为过共析组织（珠光体+碳化物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体+铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织。 33）渗碳后的热处理渗碳后的热处理方法有直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。 渗碳后的淬火和低温回火示意图 22、钢的渗氮渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，在钢件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺。 其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。 常用的渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗（软氮化）等。 生产中应用较多的是气体渗氮。 11）渗氮方法22）渗氮后的组织含有Al、Cr、Mo等元素的合金钢C C、N N和Fe的化合物CC、N N溶于-Fe的固溶体弥散合金氮化物（如AlN等）33）渗氮后的钢件性能氮化层HRC为6973，在600650有较高红硬性；一般，T T渗氮T T渗碳，无需进一步热处理，渗氮层各性能均优于渗碳层，工件不易变形；氮化层比碳化层薄且脆；且t t渗氮t t渗碳，生产效率低。 为提高工件心部强韧性，需在渗氮前进行调质处理。 碳氮共渗新介质的研制是金属热处理研究的一个重要领域。 早期使用的Na等氰盐均有剧毒，现已禁用。 新一代碳氮共渗介质往往同时考虑工艺性能和环保两方面的因素。 常用的介质是煤气和氨气的混合物。 33、钢的碳氮共渗（氰化）碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。 碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。 ?钢的热处理新工艺介绍?无氧化加热利用可控气氛，即通过精确计量和微机控制技术对炉内的气体组分加以控制。 如含碳液体或气体的分解和裂解的碳浓度的控制。 11、保护气氛加热 22、采用保护涂料目前钢和钛合金已在热处理中大量利用保护涂料来避免工件氧化。 涂料由Al22O O 33、SiO 22、SiC和其他金属氧化物以及液态粘结剂配