金属材料改性

1、金属材料强化技术金属材料强化技术金属材料强化技术基本原理：阻碍位错运动形变强化：位错增殖、缠结细晶强化：晶界对位错的阻碍作用固溶强化：晶体点阵畸变形成的弹性应力场阻碍位错运动弥散强化（时效强化）：第二相颗粒阻碍位错运动相变强化：不同组织有不同的性能（金属材料热处理）金属材料表面强化技术：表面淬火、表面化学热处理、表面合金化等。细化晶粒的方法Hall-PetchHall-Petch（霍尔（霍尔- -佩奇）公式：佩奇）公式：2/10Dky细化晶粒是唯一既提高材料强度又提高材料韧性的方法！细化晶粒是唯一既提高材料强度又提高材料韧性的方法！D D为晶粒尺寸。减小为晶粒尺寸。减小D D的方法：的方法：提

2、高过冷度：提高液态金属的冷却速度抑制晶粒长大，同时提高提高过冷度：提高液态金属的冷却速度抑制晶粒长大，同时提高形核率（快速凝固技术）形核率（快速凝固技术）变质处理：提供异质晶核提高形核率变质处理：提供异质晶核提高形核率振动：外加机械、超声波或电磁振动时树枝晶破碎提高形核率振动：外加机械、超声波或电磁振动时树枝晶破碎提高形核率相变强化过程中利用硬质点提高形核率，阻碍晶粒长大相变强化过程中利用硬质点提高形核率，阻碍晶粒长大纳米结构材料纳米结构材料：晶粒尺寸为纳米级。纳米结构材料：晶粒尺寸为纳米级。模拟计算结果表明，晶粒尺寸模拟计算结果表明，晶粒尺寸D D为为15 15 nmnm时，铜的强度最高。时

3、，铜的强度最高。D15 nmD15 nm，变形以位错运动机制进行；，变形以位错运动机制进行；D15 nmD15 nm，变形以晶界滑动机制进行。，变形以晶界滑动机制进行。J. Schiotz, et al. Science, 301 (5) (2003) 1357L. Lu, et al. L. Lu, et al. ScienceScience, 287 (2000) 1357, 287 (2000) 1357D=28 nm D=28 nm 纳米铜的高塑性纳米铜的高塑性 = 5100%= 5100%固溶强化固溶强化效果举例固溶强化效果举例Cu-NiCu-Ni合金合金时效处理可以进行时效强化处理

4、的合金必须可以进行时效强化处理的合金必须具备两个条件：具备两个条件： 一定的固溶度；一定的固溶度； 固溶度随温度的降低迅速下降固溶度随温度的降低迅速下降时效处理过程：时效处理过程：固溶处理固溶处理+ +时效时效Al-Cu合金的时效强化固溶处理：固溶处理：550 C 550 C 水淬水淬时效：时效：120260 C120260 C性能与时效工艺（温度、时间）的关系性能与时效工艺（温度、时间）的关系时效强化机制Al-Cu合金时效序列形貌观察合金时效序列形貌观察 党朋，强塑性变形引起铝合金析出相回溶研究，中南大学硕士学位论文，2007. 钢中加入合金元素后，钢中加入合金元素后，合金元素与基本相作用生

5、成合金相，主要有合金铁素体、合金合金元素与基本相作用生成合金相，主要有合金铁素体、合金渗碳体、合金奥氏体渗碳体、合金奥氏体。1）合金元素能溶于）合金元素能溶于-Fe和和-Fe形成铁基固溶体。形成铁基固溶体。 2）根据合金元素与碳的亲和力大小，分为：）根据合金元素与碳的亲和力大小，分为：a) 非碳化物元素，如非碳化物元素，如Ni、Si、Al、Cu、Co、N、B等，这类元素主要形成铁基固溶体，不等，这类元素主要形成铁基固溶体，不形成碳化物；形成碳化物；b) 碳化物形成元素，如碳化物形成元素，如Ti、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Zr、Fe等，其中：等，其中：Cr、Mn属弱属弱碳化物形成元素，含量

6、小时，可形成铁基固溶体，含量多时一部分溶入渗碳体形成合金渗碳化物形成元素，含量小时，可形成铁基固溶体，含量多时一部分溶入渗碳体形成合金渗碳体，如碳体，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C，当含量较多时形成特殊碳化物，如（，当含量较多时形成特殊碳化物，如（Fe7Cr)7C3、Cr23C6等；等；Ti、Mo、W、V、Nb为强碳化物形成元素，含量少时形成合金渗碳体，含量多为强碳化物形成元素，含量少时形成合金渗碳体，含量多时大部分形成特殊碳化物时大部分形成特殊碳化物,如如TiC、WC、VC、Nb等，其特点是高熔点、高硬度，稳定性等，其特点是高熔点、高硬度，稳定性好，加热时不易聚集长大，并能阻止奥氏

7、体晶粒长大好，加热时不易聚集长大，并能阻止奥氏体晶粒长大 。 合金化强化合金化强化元素对钢的基本相的影响元素对钢的基本相的影响金属材料热处理传统热处理技术（热处理四把火）：正火、退火、淬火、回火热处理基本过程：加热保温冷却热处理的目的：改变材料的性能热处理的应用： 提高材料的工艺性能； 提高材料的服役性能。T Tt t热处理工艺曲线热处理工艺曲线加热设备加热设备1. 类型（加热介质）类型（加热介质）2. 功率功率3. 有效加热区有效加热区能保证热处理工艺要求加热温度的装料区域能保证热处理工艺要求加热温度的装料区域4. 温度均匀性温度均匀性不同热处理工艺有不同的要求不同热处理工艺有不同的要求加热

8、设备加热设备燃气炉燃气炉盐浴炉盐浴炉燃油炉燃油炉电阻炉电阻炉加热设备加热设备热处理自动生产线热处理自动生产线常用盐浴常用盐浴盐浴成分盐浴成分 /wt.%熔点熔点 /C工作温度工作温度 / CBaCl2 100%BaCl2 50%+NaCl 50%NaCl 44%+KCl 56%NaCl 50%+KCl 50%KCl 50%+Na2CO3 50%Na2CO3 80%+NaCl 20%96060066067056068010001350650 1000 700 870 720 1000590 820730 930常用加热盐浴常用加热盐浴碳钢加热和冷却时的组织转变钢加热和冷却时的实际相变温度偏离相图

9、上的平衡转变温度。加热： Ac1, Ac3, Accm平衡：A1 (PSK), A3 (GS), Acm(SE)冷却： Ar1, Ar3, Arcm加热组织转变奥氏体化过冷奥氏体的等温转变产物珠光体（P）、屈氏体（T）、索氏体（S）、上贝氏体（上B）、下贝氏体（下B）奥氏体化一般，钢热处理的第一步是加热奥氏体化。一般，钢热处理的第一步是加热奥氏体化。共析钢的奥氏体化过程：共析钢的奥氏体化过程：奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度12Nn晶粒度晶粒度N N定义：定义：n n为放大为放大100100倍时平均每倍时平均每6.45 cm6.45 cm2 2视视野内的晶粒数。野内的晶粒数。本质晶粒度本质晶粒度钢加热

10、至钢加热至93093010 10 C C，保温，保温3-8 h3-8 h，冷却后测得的晶，冷却后测得的晶粒度，反应钢加热时晶粒长大的粒度，反应钢加热时晶粒长大的倾向。倾向。1-41-4级为本质粗晶粒；级为本质粗晶粒；5-85-8级级为本质细晶粒。为本质细晶粒。奥氏体晶粒度影响其转变产物的性能。受加奥氏体晶粒度影响其转变产物的性能。受加热温度、加热速度和钢中合金元素的影响。热温度、加热速度和钢中合金元素的影响。加热温度对奥氏体晶粒度的影响加热温度对奥氏体晶粒度的影响注意区分：注意区分：起始晶粒度起始晶粒度实际晶粒度实际晶粒度本质晶粒度本质晶粒度等温转变珠光体形核及长大示意图，以渗碳体为领先相。珠

11、光体形核及长大示意图，以渗碳体为领先相。珠光体的组织形貌珠光体的组织形貌n在钢中在钢中, ,组成珠光体的相有两个组成珠光体的相有两个, ,即铁素体、渗碳体或特殊碳化物。即铁素体、渗碳体或特殊碳化物。n两相的形态不同两相的形态不同, ,因而珠光体形貌各异。有片状、细片状、极细片状的；因而珠光体形貌各异。有片状、细片状、极细片状的；点状、粒状、球状的；以及碳化物形状不规则的类珠光体。点状、粒状、球状的；以及碳化物形状不规则的类珠光体。珠光体型组织珠光体型组织A A1 1550 550 C C之间的过冷奥氏体转变产物。为之间的过冷奥氏体转变产物。为F F和和FeFe3 3C C的的层片状组织。层片状

12、组织。扩散型相变，通过晶体结构重构和扩散型相变，通过晶体结构重构和FeFe、C C原子扩散实现。原子扩散实现。珠光体（珠光体（P P）索氏体（索氏体（S S）屈氏体（屈氏体（T T）转变温度转变温度( ( C)C)A1650A1650650600650600600550600550层片间距层片间距(nm)(nm)150450801503080相对硬度比较相对硬度比较低低中中高高Henry Clifton Sorby Henry Clifton Sorby 10 May 1826 - 9 March 1908 10 May 1826 - 9 March 1908 P-S-T珠光体的力学性能珠光体

13、的力学性能影响珠光体力学性能的影响珠光体力学性能的因素：因素：p 原始奥氏体晶粒尺寸原始奥氏体晶粒尺寸p 珠光体团直径珠光体团直径p 珠光体片层间距珠光体片层间距p 珠光体中铁素体片亚珠光体中铁素体片亚晶尺寸晶尺寸p 珠光体中渗碳体的形珠光体中渗碳体的形态（粒状珠光体）态（粒状珠光体）粒状珠光体强度、硬度较低，但塑性较高；相同强度水平下，疲劳强度较高。粒状珠光体强度、硬度较低，但塑性较高；相同强度水平下，疲劳强度较高。贝氏体转变贝氏体组织贝氏体贝氏体B550 B550 C MC Ms s之间的转变产物。为之间的转变产物。为F F和和FeFe3 3C C的两相混合组织。的两相混合组织。上上BB羽

14、毛状，硬脆的渗碳体呈细短条状分布在铁素体晶束的晶界上，容易发羽毛状，硬脆的渗碳体呈细短条状分布在铁素体晶束的晶界上，容易发生脆性断裂，强度、韧性低，无实用价值。生脆性断裂，强度、韧性低，无实用价值。下下BB黑色针状，渗碳体细小弥散分布在铁素体基体上，有良好的强度韧性配黑色针状，渗碳体细小弥散分布在铁素体基体上，有良好的强度韧性配合，力学性能优良。合，力学性能优良。B B相变由于相变温度低，只有相变由于相变温度低，只有C C原子扩散，原子扩散，FeFe原子基本不扩散，是半扩散型相变。原子基本不扩散，是半扩散型相变。B形态上B下B马氏体转变马氏体组织低碳马氏体高碳马氏体马氏体（马氏体（MM）温度低

15、于温度低于MsMs时的过冷奥氏体转变产物。是时的过冷奥氏体转变产物。是C C原子在原子在 -Fe-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。低碳马氏体低碳马氏体含碳量小于含碳量小于0.25%0.25%时，马氏体呈板条状，板条时，马氏体呈板条状，板条内有大量位错，又称位错马氏体。硬度高，有一定韧性。内有大量位错，又称位错马氏体。硬度高，有一定韧性。高碳马氏体高碳马氏体含碳量大于含碳量大于1.0%1.0%时，马氏体呈片状，内有大时，马氏体呈片状，内有大量孪晶亚结构，又称孪晶马氏体。硬度高、脆。量孪晶亚结构，又称孪晶马氏体。硬度高、脆。马氏体相变特点：马氏体相变特点： 非扩散型相变，速度快；非扩散型相

16、变，速度快； 马氏体转变温度马氏体转变温度MsMs随含碳量增高而降低；随含碳量增高而降低； 相变不彻底，存在残余奥氏体。转变量随温度降低而增大。相变不彻底，存在残余奥氏体。转变量随温度降低而增大。MsMs越低，残余奥氏体量越多；越低，残余奥氏体量越多； 体积膨胀，产生很大的内应力。体积膨胀，产生很大的内应力。板条马氏体（板条马氏体（1.0%C）M形态板条马氏体板条马氏体针状马氏体针状马氏体高碳马氏体中的显微裂纹相变在一定温度范围内完成相变在一定温度范围内完成 n相变开始温度相变开始温度Msn相变结束温度相变结束温度Mfn马氏体转变量是温度的函数，马氏体转变量是温度的函数，而与等温时间无关而与等

17、温时间无关n无需孕育期，相变速度极快无需孕育期，相变速度极快化学成分对化学成分对Ms点的影响点的影响马氏体的强度和硬度p 钢中马氏体的主要性能特点是高强钢中马氏体的主要性能特点是高强度、高硬度；度、高硬度；p 硬度随着含碳量的增加而提高，当硬度随着含碳量的增加而提高，当含碳量达到含碳量达到0.6%时，淬火钢的硬度时，淬火钢的硬度达到最大值；达到最大值；p 含碳量进一步增加时，虽然马氏体含碳量进一步增加时，虽然马氏体的硬度仍然有所提高，但是由于钢中的硬度仍然有所提高，但是由于钢中残留奥氏体量增加，使钢的硬度反而残留奥氏体量增加，使钢的硬度反而下降；下降；p 合金元素对马氏体的硬度影响不大。合金元

18、素对马氏体的硬度影响不大。马氏体的韧性 n低碳钢淬火得到位错型马氏体，由于位低碳钢淬火得到位错型马氏体，由于位错的可动性，使该类马氏体具有一定的错的可动性，使该类马氏体具有一定的塑性，裂纹扩展的阻力增大，可产生韧塑性，裂纹扩展的阻力增大，可产生韧性断裂，因而断裂韧性较高；性断裂，因而断裂韧性较高； n高碳的孪晶马氏体硬而脆，在马氏体转高碳的孪晶马氏体硬而脆，在马氏体转变的过程中易于在马氏体片间产生显微变的过程中易于在马氏体片间产生显微裂纹；另外，由于不能产生塑性变形使裂纹；另外，由于不能产生塑性变形使裂纹扩展阻力减小，可导致准解理或解裂纹扩展阻力减小，可导致准解理或解理断裂，因而断裂韧性较低。

19、理断裂，因而断裂韧性较低。马氏体片马氏体片(1.0%C)撞击裂纹撞击裂纹相变动力学共析成分（共析成分（Fe-0.77CFe-0.77C）钢从）钢从A A转变为转变为P P，不同温度下转变量，不同温度下转变量与时间的关系如右下图。与时间的关系如右下图。从到达特定温度到开始转变从到达特定温度到开始转变所需的时间称所需的时间称孕育期孕育期。温度。温度越低，孕育期越短。越低，孕育期越短。孕育期过冷奥氏体过冷奥氏体在在ArAr1 1以下温度以下温度的奥氏体稳定存在一段时间的奥氏体稳定存在一段时间（孕育期）后才开始转变。转（孕育期）后才开始转变。转变前的奥氏体称过冷奥氏体。变前的奥氏体称过冷奥氏体。C曲线

20、C C曲线曲线不同温度下过冷奥氏体转变不同温度下过冷奥氏体转变开始和终止点标注在温度开始和终止点标注在温度时间坐标图时间坐标图上，将相同的转变点连成曲线，即得上，将相同的转变点连成曲线，即得C C曲线，又称曲线，又称TTTTTT（Temperature, Time, % Temperature, Time, % TransformationTransformation）图。不同温度范围，）图。不同温度范围，等温转变产物不同。等温转变产物不同。“鼻尖鼻尖”特定温度下，孕育期最短特定温度下，孕育期最短时对应的温度。要获得完全的马氏体组时对应的温度。要获得完全的马氏体组织，冷却时必须避开织，冷却时必

21、须避开“鼻尖鼻尖”温度。温度。存在存在“鼻尖鼻尖”的原因的原因固态相变的驱固态相变的驱动力随过冷度增大而增大，但温度降低，动力随过冷度增大而增大，但温度降低，原子扩散速率也下降，阻碍相变的进行。原子扩散速率也下降，阻碍相变的进行。共析钢等温转变共析钢等温转变C C曲线曲线动力学曲线和动力学图为什么为什么TTTTTT图呈图呈C C形？形？形核率主要受临界形核功控制，对冷却形核率主要受临界形核功控制，对冷却转变而言，形核功转变而言，形核功G G* *随着温度的降随着温度的降低，即随着过冷度增大而急剧地减小，低，即随着过冷度增大而急剧地减小，故使形核率增加，转变速度加快。故使形核率增加，转变速度加快

22、。扩散型相变的线长大速度扩散型相变的线长大速度v v也与温度有也与温度有关，随温度降低，扩散系数关，随温度降低，扩散系数D D变小，线变小，线长大速度长大速度v v则随则随D D的减小而降低。的减小而降低。这是两个相互矛盾的因素，它使得动力这是两个相互矛盾的因素，它使得动力学曲线呈现学曲线呈现C C形形, ,也称为也称为C-C-曲线。曲线。影响TTT图的因素n合金元素合金元素n奥氏体晶粒尺寸奥氏体晶粒尺寸n原始组织、加热温度原始组织、加热温度和保温时间和保温时间n奥氏体塑性变形奥氏体塑性变形钢的TTT图种类临界冷却速度估算根据根据C C曲线估计曲线估计V VC C 从纵轴上的从纵轴上的A A1

23、 1 点作冷却曲线点作冷却曲线V VC C与与C C曲线的转变开始线曲线的转变开始线的鼻子相切，切点所对应的的鼻子相切，切点所对应的温度和孕育期分别为温度和孕育期分别为T TR R 和和Z ZR R ，则，则RRcZTAV1由于由于CCTCCT曲线总在曲线总在TTTTTT曲曲线的右下方，所以线的右下方，所以5.1ccVVMsMfA1TRZR连续冷却转变动力学图连续冷却转变动力学图CCT图图n在实际生产中，大多数工艺是在实际生产中，大多数工艺是在连续冷却的情况下进行的。在连续冷却的情况下进行的。过冷奥氏体在连续冷却过程中过冷奥氏体在连续冷却过程中发生各类相变。发生各类相变。n连续冷却转变既不同于

24、等温转连续冷却转变既不同于等温转变，又与等温转变有密切的联变，又与等温转变有密切的联系。连续冷却过程可以看成是系。连续冷却过程可以看成是无数个微小的等温过程。连续无数个微小的等温过程。连续冷却转变就是在这些微小的等冷却转变就是在这些微小的等温过程中孕育、长大的。温过程中孕育、长大的。 共析钢的共析钢的CCT图与图与TTT图的比较图的比较退火退火退火：将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后进行：将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后进行缓慢冷却缓慢冷却，使金属，使金属内部组织达到或接近内部组织达到或接近平衡状态平衡状态的热处理工艺。的热处理工艺。退火的目的退火的目的 获得良好的工艺性能：改善

25、锻件、轧材的切削加工性，获得良好的工艺性能：改善锻件、轧材的切削加工性，提高塑性，降低提高塑性，降低硬度硬度； 获得良好的使用性能：改善化学成分偏析和组织不均匀性，减少固溶于获得良好的使用性能：改善化学成分偏析和组织不均匀性，减少固溶于钢中的有害气体，钢中的有害气体，消除零件的内应力和加工硬化效应消除零件的内应力和加工硬化效应； 获得特定组织：为进一步淬火作组织准备。获得特定组织：为进一步淬火作组织准备。 退火要点退火的要点退火的要点1. 加热到特定温度：取决于退火目的；加热到特定温度：取决于退火目的；2. 保温时间：足够长，以完成特定的组织转变；保温时间：足够长，以完成特定的组织转变；3.

26、冷却速率：足够慢，以防止产生内应力。冷却速率：足够慢，以防止产生内应力。退火分类退火退火第一类退火第一类退火：不以组织转变或改变组织形态与分布为目的，主要：不以组织转变或改变组织形态与分布为目的，主要目的在于消除成分偏析、加工硬化、内应力等不平衡状态。目的在于消除成分偏析、加工硬化、内应力等不平衡状态。包括：均匀化退火、去氢退火、再结晶退火、去应力退火。包括：均匀化退火、去氢退火、再结晶退火、去应力退火。特点：关键是温度和保温时间，加热和冷却速率不起主导作用。特点：关键是温度和保温时间，加热和冷却速率不起主导作用。第二类退火第二类退火：以获得特定组织性能为目的。：以获得特定组织性能为目的。包括

27、：完全退火、不完全退火等温退火、球化退火。包括：完全退火、不完全退火等温退火、球化退火。特点：温度、保温时间、冷却速率都很重要。特点：温度、保温时间、冷却速率都很重要。均匀化退火均匀化退火均匀化退火（homogenizinghomogenizing）又称又称扩散退火扩散退火，目的是消除，目的是消除钢件铸态化学成分和组织不均钢件铸态化学成分和组织不均匀。在合金熔点以下匀。在合金熔点以下100200 100200 C C长时间保温，长时间保温，退火后晶粒粗大，退火后晶粒粗大，须后续进行须后续进行完全退火完全退火或或正火正火以以细化晶粒，改善力学性能。细化晶粒，改善力学性能。成分偏析较早凝固的固体内

28、一个组元的降低必须较早凝固的固体内一个组元的降低必须通过已凝固的固相想向液相扩散来达到，通过已凝固的固相想向液相扩散来达到，这需要一定时间。因此，非平衡凝固时，这需要一定时间。因此，非平衡凝固时，先凝固相的一个组元的含量比平衡成分先凝固相的一个组元的含量比平衡成分偏高，这就形成晶内偏析。偏高，这就形成晶内偏析。钢中各种夹杂物也容易沿晶界析出。钢中各种夹杂物也容易沿晶界析出。均匀化退火工艺退火温度退火温度在不使奥氏体晶粒过于粗大的前提下尽在不使奥氏体晶粒过于粗大的前提下尽可能高，以缩短退火时间；可能高，以缩短退火时间；合金钢均匀化退火温度高于碳素钢。合金钢均匀化退火温度高于碳素钢。退火时间退火时

29、间 取决于成分（合金元素扩散系数取决于成分（合金元素扩散系数D D）、）、偏析程度偏析程度c c0 0及枝晶间距及枝晶间距d d等。等。022220ln)exp(ccDddDccTm727 CTt0.80.9Tm碳钢11001200 C合金钢10501250 C均匀化退火工艺曲线均匀化退火工艺曲线A3均匀化退火适用范围适用：消除一般铸锭、铸件树枝晶适用：消除一般铸锭、铸件树枝晶均匀化退火Cu-20Sn去氢退火去氢退火去氢退火目的是使固溶于钢中目的是使固溶于钢中的氢脱出，以消除钢中的白点（固的氢脱出，以消除钢中的白点（固溶于钢中的氢引起的内部裂纹）。溶于钢中的氢引起的内部裂纹）。可通过在奥氏体等

30、温分解的过程中可通过在奥氏体等温分解的过程中长期保温来完成。长期保温来完成。温度选择依据：温度选择依据： 氢在铁中的固溶度最小氢在铁中的固溶度最小 氢在铁中的扩散速率尽可能高氢在铁中的扩散速率尽可能高去氢退火温度纵截面：圆形椭圆形银白色斑点纵截面：圆形椭圆形银白色斑点白点宏观照片再结晶退火再结晶退火再结晶退火将冷变形后金属将冷变形后金属加热至再结晶温度以上加热至再结晶温度以上100200 100200 C C，适当保温使金属发生再结晶，以消除适当保温使金属发生再结晶，以消除加工硬化的退火工艺。加工硬化的退火工艺。再结晶退火应注意避开再结晶退火应注意避开晶粒异常长大晶粒异常长大的范围。的范围。7

31、27 CTt碳钢600700 C13 h再结晶退火工艺曲线再结晶退火工艺曲线空冷再结晶温度再结晶退火组织变化再结晶过程通过两个阶段再结晶过程通过两个阶段完成：完成：1) 1) 回复回复位错减少形成位错减少形成亚晶粒，内应力消失，但亚晶粒，内应力消失，但保持加工硬化效果；保持加工硬化效果；T T回回（0.250.300.250.30）T T熔熔2) 2) 再结晶再结晶形成等轴晶形成等轴晶粒，强度降低、塑性提高，粒，强度降低、塑性提高，加工硬化现象消除。加工硬化现象消除。T T再再0.40T0.40T熔熔去应力退火去应力退火去应力退火将金属将金属加热到加热到550650 550650 C C保保温

32、，缓慢冷却，以去除应力的退火工艺。温，缓慢冷却，以去除应力的退火工艺。适用范围：适用范围： 由于塑性变形加工、锻造、焊由于塑性变形加工、锻造、焊接等造成内应力的金属，或存在内应力的铸接等造成内应力的金属，或存在内应力的铸件。件。温度越高，完全消除应力所需的时间越短。温度越高，完全消除应力所需的时间越短。应特别注意不在冷却过程中重新产生内应力！应特别注意不在冷却过程中重新产生内应力！727 727 C CT Tt t碳钢碳钢550650 550650 C C去应力退火工艺曲线去应力退火工艺曲线500 500 C C后后空冷空冷完全退火完全退火完全退火将钢完全奥氏体化，而后缓慢冷却，获得接近平衡态

33、将钢完全奥氏体化，而后缓慢冷却，获得接近平衡态组织。适用于亚共析钢。可细化晶粒、降低硬度、消除内应力。组织。适用于亚共析钢。可细化晶粒、降低硬度、消除内应力。主要应用：主要应用：w wc c=0.30.6%=0.30.6%的中碳钢锻件。的中碳钢锻件。A Ac3c3727 727 C CT Tt tA Ac3c3+2040 +2040 C C完全退火工艺曲线完全退火工艺曲线炉冷至炉冷至300350 300350 C C后空冷后空冷不完全退火不完全退火不完全退火又称又称软化退火软化退火，将钢不完全奥氏体化，而后缓慢冷却将钢不完全奥氏体化，而后缓慢冷却的退火工艺。目的是降低硬度、消除的退火工艺。目的

34、是降低硬度、消除内应力。内应力。适用于原始晶粒细而均匀的亚共析钢适用于原始晶粒细而均匀的亚共析钢锻件，不需完全退火就可达到目的。锻件，不需完全退火就可达到目的。A Ac3c3727 727 C CT Tt t不完全退火工艺曲线不完全退火工艺曲线炉冷至炉冷至300350 300350 C C后空冷后空冷等温退火等温退火等温退火将钢完全（亚共析钢）或不完全（过共析钢）奥氏体化，而后将钢完全（亚共析钢）或不完全（过共析钢）奥氏体化，而后快冷到珠光体转变区域等温一段时间，珠光体转变完成后空冷的退火工艺。快冷到珠光体转变区域等温一段时间，珠光体转变完成后空冷的退火工艺。是完全退火、不完全退火、球化退火工

35、艺的改进。是完全退火、不完全退火、球化退火工艺的改进。A Ac3c3727 727 C CT Tt t等温退火工艺曲线等温退火工艺曲线空冷空冷亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢完全退火等温退火冷却曲线完全退火与等温退完全退火与等温退火冷却曲线比较火冷却曲线比较球化退火球化退火球化退火使钢中碳化物球化的退使钢中碳化物球化的退火工艺。火工艺。适用于含碳量大于适用于含碳量大于0.6 %0.6 %的各种高碳工的各种高碳工具钢、模具钢、轴承钢等过共析钢。具钢、模具钢、轴承钢等过共析钢。目的：提高塑性、韧性，改善切削加工目的：提高塑性、韧性，改善切削加工性，减少最终淬火时的变形开裂倾向。性，减少最终淬火时的

36、变形开裂倾向。球化退火组织球化退火组织正火正火（正火（NormalizingNormalizing）将钢完全奥氏体将钢完全奥氏体化，保温后化，保温后空冷空冷。正火后钢的强度、韧性、。正火后钢的强度、韧性、硬度比退火高。硬度比退火高。正火的作用：正火的作用：1. 1.为淬火作组织准备：消除网状渗碳体（过为淬火作组织准备：消除网状渗碳体（过共析钢），细化晶粒，消除内应力；共析钢），细化晶粒，消除内应力；2. 2.最终热处理：最终热处理： w wc c=0.40.7%=0.40.7%的钢件可在正的钢件可在正火态下使用，具备良好的综合机械性能；火态下使用，具备良好的综合机械性能；3. 3.代替完全退火

37、：代替完全退火： w wc c0.4 s，工件变形：尺寸畸变、形状畸变；，工件变形：尺寸畸变、形状畸变； K ，淬火裂纹，开裂。，淬火裂纹，开裂。淬火应力淬火应力瞬时应力：工件热处理过程中形成的应力瞬时应力：工件热处理过程中形成的应力残余应力：工件热处理后存在的应力残余应力：工件热处理后存在的应力热应力热应力冷却初期冷却初期：表面比心部冷得快，表：表面比心部冷得快，表面的收缩比心部大而受到阻碍，因面的收缩比心部大而受到阻碍，因此，表面产生拉应力，心部产生压此，表面产生拉应力，心部产生压应力；应力；温度较高时材料屈服强度较低，热温度较高时材料屈服强度较低，热应力使材料屈服变形而得到松弛，应力使材

38、料屈服变形而得到松弛，应力值下降；应力值下降；冷却后期冷却后期：心部的收缩受到表面牵：心部的收缩受到表面牵制，因此，心部产生拉应力，表面制，因此，心部产生拉应力，表面产生压应力。产生压应力。热应力效果：工件表面产生残余压热应力效果：工件表面产生残余压应力！应力！心部心部表层表层表层，应力松弛前表层，应力松弛前+-应力应力温度温度/ C时间时间/ s0+-表面表面表面表面心部心部0+-表面表面表面表面心部心部心部心部表面表面相变应力相变应力密度：奥氏体密度：奥氏体马氏体马氏体因此，冷却转变时，体积膨胀！因此，冷却转变时，体积膨胀！冷却初期冷却初期：表面比心部冷得快，表面的相变膨胀受：表面比心部冷

39、得快，表面的相变膨胀受未转变心部的牵制，因此，表面产生压应力，心部未转变心部的牵制，因此，表面产生压应力，心部产生拉应力；产生拉应力；温度较高时材料屈服强度较低，组织应力使材料屈温度较高时材料屈服强度较低，组织应力使材料屈服变形，服变形，表面压缩，心部拉伸表面压缩，心部拉伸。同时应力松弛；。同时应力松弛；冷却后期冷却后期：心部的相变膨胀受表面已转变马氏体阻：心部的相变膨胀受表面已转变马氏体阻碍，因此，心部产生压应力，表面产生拉应力。碍，因此，心部产生压应力，表面产生拉应力。组织应力效果：工件表面产生残余拉应力！组织应力效果：工件表面产生残余拉应力！ 温差越大，组织应力越大；温差越大，组织应力越

40、大； 钢的淬透性越好，零件尺寸越大，组织应力越大。钢的淬透性越好，零件尺寸越大，组织应力越大。心部心部表层表层+-应力应力温度温度/ C时间时间/ s0+-表面表面表面表面心部心部0+-表面表面表面表面心部心部心部心部表面表面淬火介质理想淬火介质要求：理想淬火介质要求：1. 1.适用钢种范围宽；适用钢种范围宽；2. 2.淬火变形开裂倾向小；淬火变形开裂倾向小；3. 3.不腐蚀、粘连工件；不不腐蚀、粘连工件；不变质；变质；4. 4.不易燃易爆；不易燃易爆；5. 5.少污染；少污染；6. 6.经济。经济。v vc c“鼻尖鼻尖”温度处快冷温度处快冷，防止，防止P P形成形成MsMs温度处慢冷温度处

41、慢冷，减少淬火热应力，减少淬火热应力理想淬火介质冷却曲线理想淬火介质冷却曲线静止水冷却曲线051015202501002003004005006007008009001000时间时间 / /s s温度温度/ / C C工件在静止水中冷却三阶段：工件在静止水中冷却三阶段：1. 1.气膜沸腾期气膜沸腾期工件温度使水汽化，在工件工件温度使水汽化，在工件周围形成一层气膜（热的不良导体），将工周围形成一层气膜（热的不良导体），将工件与介质隔开。此时，冷却速率较慢；件与介质隔开。此时，冷却速率较慢；2. 2.气泡沸腾期气泡沸腾期气膜破裂，介质与工件接触。气膜破裂，介质与工件接触。水直接吸收工件热量而汽化沸

42、腾，将热量带水直接吸收工件热量而汽化沸腾，将热量带走。此时，冷速较快；走。此时，冷速较快；3. 3.对流传热期对流传热期工件表面温度降到介质沸点工件表面温度降到介质沸点以下，工件靠介质的对流传导散热，冷速减以下，工件靠介质的对流传导散热，冷速减慢。慢。工件辐射热量工件辐射热量介质从气膜带走热量，介质从气膜带走热量， 气膜减薄，破裂气膜减薄，破裂气膜增厚气膜增厚水基淬火介质水水 优点：经济，热容量大；优点：经济，热容量大； 缺点：与理想淬火介质冷却特性相反缺点：与理想淬火介质冷却特性相反工件高中温区冷速慢（气膜沸腾期），工件高中温区冷速慢（气膜沸腾期），低温区（低温区（300 300 C C左右

43、，大多数钢的左右，大多数钢的MsMs点附近）冷速快（气泡沸腾期）。点附近）冷速快（气泡沸腾期）。 解决办法：解决办法：1. 1. 高中温区摆动工件，破坏气膜；高中温区摆动工件，破坏气膜；2. 2. 低温区提出空冷或油淬；低温区提出空冷或油淬；3. 3. 添加添加无机盐，在气膜沸腾期破坏蒸汽膜稳定性。无机盐，在气膜沸腾期破坏蒸汽膜稳定性。盐水盐水（10%NaCl10%NaCl）盐晶体在工件表面析出，破坏蒸汽膜稳定性，使气泡沸腾期提前而提高冷速。盐晶体在工件表面析出，破坏蒸汽膜稳定性，使气泡沸腾期提前而提高冷速。碱水碱水15%NaOH 15%NaOH 时冷速最快；具有冷却能力强、淬火变形小、不易开

44、裂、表面光亮等，时冷速最快；具有冷却能力强、淬火变形小、不易开裂、表面光亮等，但碱蒸汽不安全。常用浓度：但碱蒸汽不安全。常用浓度：10%10%、50%50%。其他无机盐淬火液其他无机盐淬火液三硝淬火液三硝淬火液(NaNO(NaNO3 3、 NaNONaNO2 2 、 KNOKNO2 2 ) )、氯化锌碱水溶液、水玻璃淬火液等。、氯化锌碱水溶液、水玻璃淬火液等。有机高分子水溶液有机高分子水溶液PVAPVA、PAGPAG、ACRACR等等油基淬火液动、植物油动、植物油油温升高对淬火能力影响不大；油温升高对淬火能力影响不大；价格高。价格高。矿物油矿物油缺点：冷却能力比水差；工件表面不清洁缺点：冷却能

45、力比水差；工件表面不清洁适用于形状复杂的中小型合金钢零件淬火。适用于形状复杂的中小型合金钢零件淬火。低于低于80 80 C C温度范围内适当提高油温可提高流动性，增加冷速。温度范围内适当提高油温可提高流动性，增加冷速。快速淬火油快速淬火油添加磺酸钠、磺酸钡、磺酸钙等，抑制蒸汽膜形成，提高冷速。添加磺酸钠、磺酸钡、磺酸钙等，抑制蒸汽膜形成，提高冷速。光亮淬火油光亮淬火油在轻油及用溶剂精练法提取的淬火油中加入稳定性好、无灰分的表面活性剂，在轻油及用溶剂精练法提取的淬火油中加入稳定性好、无灰分的表面活性剂，避免在工件表面沉积碳黑，使工件表面光亮。避免在工件表面沉积碳黑，使工件表面光亮。真空淬火油真空

46、淬火油适用于真空淬火，不易蒸发，蒸汽压低。适用于真空淬火，不易蒸发，蒸汽压低。直接淬火直接淬火（单液淬火）直接淬火（单液淬火） 用一种冷却介质（盐水或机油等）冷却。用一种冷却介质（盐水或机油等）冷却。表面心部回火表面表面心部心部回火回火预冷预冷预冷淬火为了减少淬火应力，工件奥氏为了减少淬火应力，工件奥氏体化后在空气或其他缓冷介质体化后在空气或其他缓冷介质中预冷到稍高于中预冷到稍高于A Ar1r1（ A Ar3r3 ）温）温度，而后进行淬火。度，而后进行淬火。双液淬火水油表面心部回火工件奥氏体化后，先在冷却工件奥氏体化后，先在冷却能力强的淬火介质中快冷，能力强的淬火介质中快冷，以避开以避开“鼻尖

47、鼻尖”温度，而后温度，而后在冷却能力弱的淬火介质中在冷却能力弱的淬火介质中慢冷，以减少淬火应力。慢冷，以减少淬火应力。合适的双液：合适的双液：水水- -空气空气油油- -空气空气水水- -油油分级淬火分级淬火分级淬火将加热后的钢快速置于略高（低）于将加热后的钢快速置于略高（低）于MsMs点的恒温盐浴中保温一段时间，在点的恒温盐浴中保温一段时间，在发生贝氏体转变前取出发生贝氏体转变前取出空冷空冷，获得马氏体组织。优点是可以减少淬火应力。，获得马氏体组织。优点是可以减少淬火应力。表面表面心部心部回火回火转变转变表面表面心部心部回火回火转变转变等温淬火表面表面心部心部转变转变等温淬火等温淬火将加热后

48、的钢置于贝氏体转将加热后的钢置于贝氏体转变温度的恒温盐浴中保温一段时间，获得变温度的恒温盐浴中保温一段时间，获得下贝氏体组织。具有比马氏体更后的强度下贝氏体组织。具有比马氏体更后的强度与韧性配合，一般无须回火。与韧性配合，一般无须回火。加热温度加热温度淬透性差的钢可适当提高等温淬火温度。淬透性差的钢可适当提高等温淬火温度。碳钢等温淬火温度比普通淬火高碳钢等温淬火温度比普通淬火高3080 3080 C C。等温温度等温温度一般一般Ms Ms +30 Ms Ms +30 C C等温时间等温时间取决于取决于B B转变时间，一般不超过转变时间，一般不超过1 1小时。小时。深冷处理深冷处理深冷处理为减少

49、残余奥氏体量，将获得马氏体后的淬火工件继续冷却到为减少残余奥氏体量，将获得马氏体后的淬火工件继续冷却到MMf f温度（一般为零下温度）。常用于温度（一般为零下温度）。常用于尺寸稳定性尺寸稳定性要求高的精密量具等的处理。要求高的精密量具等的处理。冷却剂冷却剂到达温度到达温度/ / C C冷却剂冷却剂到达温度到达温度/ / C C液氧液氧液氮液氮干冰干冰液化乙烷液化乙烷-182-182-196-196-78-78-88.5-88.5液化丙烷液化丙烷液氨液氨氟里昂氟里昂-12-12-42-42-33-33-29-29深冷处理常用冷却介质深冷处理常用冷却介质其他淬火方法1. 模压淬火模压淬火对薄板、片

50、状零件、细长杆件，对薄板、片状零件、细长杆件，可置于特定夹具或淬火压床上压紧，而后进行可置于特定夹具或淬火压床上压紧，而后进行淬火，可以有效减少变形。淬火，可以有效减少变形。2. 喷雾淬火喷雾淬火利用水雾冷却工件进行淬火。冷利用水雾冷却工件进行淬火。冷却速度可以调节。却速度可以调节。3. 喷射淬火喷射淬火适用于需局部硬化的工件。将淬适用于需局部硬化的工件。将淬火介质喷射到特定部位进行淬火。火介质喷射到特定部位进行淬火。回火回火回火将淬火钢件加热到将淬火钢件加热到AcAc1 1以下某一温度，保温一定时间后空冷的热处理工艺。以下某一温度，保温一定时间后空冷的热处理工艺。目的：降低脆性、减少内应力、

51、促进不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体转变。目的：降低脆性、减少内应力、促进不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体转变。淬火钢回火过程组织变化：淬火钢回火过程组织变化：MM分解，碳化物析出、聚集长大，残余分解，碳化物析出、聚集长大，残余A A转变。转变。回火淬火淬火回火回火马氏体回火后硬度变化回火时间（回火时间（lg lg ）硬度（硬度（HRcHRc）回火温度回火温度T T比时间比时间 对硬对硬度下降更敏感。度下降更敏感。回火组织转变1. 1.时效阶段时效阶段80100 80100 C C，C C原子向微观缺陷处偏聚。原子向微观缺陷处偏聚。2. 2.第一阶段第一阶段80170 80170 C C，析出，析

52、出 - -FeFe2323C C，MM碳含量降为碳含量降为0.25%0.25%，碳化物与基体（含碳，碳化物与基体（含碳0.25%M0.25%M，称回火，称回火MM）保持共格；对于含碳）保持共格；对于含碳 600 C低温回火低温回火中温回火中温回火高温回火（调质）高温回火（调质）回火温度回火温度150250 150250 C C350500 350500 C C500650 500650 C C组组 织织回火马氏体（较低过饱和回火马氏体（较低过饱和度的马氏体度的马氏体+ + - -碳化物）碳化物）+ +残余奥氏体残余奥氏体回火屈氏体：铁素体回火屈氏体：铁素体（保留（保留MM形态）形态）+ +细粒

53、状细粒状渗碳体（比渗碳体（比 - -碳化物粗）碳化物粗）回火索氏体：等轴晶粒铁素回火索氏体：等轴晶粒铁素体体+ +细粒状渗碳体组成细粒状渗碳体组成性能特征性能特征内应力和脆性降低、保持内应力和脆性降低、保持高硬度（高硬度（5862 HRc5862 HRc）和）和耐磨性耐磨性硬度硬度3545 HRc3545 HRc，弹性，弹性极限较高，有一定韧性极限较高，有一定韧性硬度硬度2535 HRc2535 HRc，具有良好，具有良好的综合力学性能。的综合力学性能。应用举例应用举例具有高硬度的模具、量具、具有高硬度的模具、量具、工具工具弹簧钢弹簧钢轴、齿轮轴、齿轮回火工艺分类回火脆性回火脆性：回火后工件脆

54、性增大的现象。回火脆性：回火后工件脆性增大的现象。第一类回火脆性第一类回火脆性250400 250400 C C之间出现的回火脆性（低温回火脆性）之间出现的回火脆性（低温回火脆性） 与回火后的冷却速度无关；与回火后的冷却速度无关； 不可逆性：出现这种脆性的工件，在更高的回火温度回火时，脆性消失且不再出现；不可逆性：出现这种脆性的工件，在更高的回火温度回火时，脆性消失且不再出现； 成因：低温回火时碳化物析出形态不良（沿边界析出）。成因：低温回火时碳化物析出形态不良（沿边界析出）。第二类回火脆性第二类回火脆性450600 450600 C C之间出现的回火脆性（高温回火脆性）之间出现的回火脆性（高

55、温回火脆性） 对回火后的冷却速度敏感，快冷可以抑制其出现；对回火后的冷却速度敏感，快冷可以抑制其出现； 可逆性：出现这种脆性的工件，重新回火快冷后，脆性消失，但再脆化处理后又出现；可逆性：出现这种脆性的工件，重新回火快冷后，脆性消失，但再脆化处理后又出现； 成因：成因：SbSb、SnSn、MnMn、CrCr、P P等杂质元素向原始等杂质元素向原始A A晶界偏聚。晶界偏聚。 MnMn、CrCr增加回火脆性倾向；增加回火脆性倾向；MoMo、WW抑制回火脆性倾向。抑制回火脆性倾向。 粗晶粒钢容易出现回火脆性。粗晶粒钢容易出现回火脆性。过冷奥氏体转变总结钢的表面强化技术maxxrmaxrx轴类零件工作

56、时最大切应力发生在表面。因此表面有高强度、高硬度，而轴类零件工作时最大切应力发生在表面。因此表面有高强度、高硬度，而心部有良好的韧性。齿轮、机床导轨等要求表面耐磨损。心部有良好的韧性。齿轮、机床导轨等要求表面耐磨损。钢的表面强化技术有：钢的表面强化技术有：表面淬火：火焰加热、感应加热、接触加热、激光加热表面淬火表面淬火：火焰加热、感应加热、接触加热、激光加热表面淬火表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属、表面合金化等表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属、表面合金化等表面淬火表面加热实现工件表面与心部巨大温差的关键是加热设备的大实现工件表面与心部巨大温差的关键是加热设备的大热流密度

57、（热流密度（ 100 W/cm100 W/cm2 2）！）！表面快速加热影响：表面快速加热影响：1. 1. 相变临界点相变临界点2. 2. 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度3. 3. 奥氏体均匀化奥氏体均匀化4. 4. 过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变5. 5. 回火转变回火转变表面淬火后组织性能距表面距离T距表面距离硬度MF+PAc3Ac1fAc1s?T距表面距离距表面距离硬度MPAc3Ac1fAc1s?共析钢亚共析钢硬化层深度距表面距离硬度(Hv)MS(Hv)HL硬化层深度(Hv)HL=0.8(Hv)MS硬度曲线确定硬化层深度硬度曲线确定硬化层深度硬度曲线测定：硬度曲线测定：维氏硬度（载荷：维氏硬度（载荷：1Kgf1Kgf）压痕距表面不小于压痕距表面不小于0.15 0.15 mmmm，压痕之间距离，压痕之间距离0.1 0.1 mmmm。硬化层深度小于硬化层深度小于0.3 mm0.3 mm时时采用小载荷。采用小载荷。表面淬火后性能 表面硬度表面硬度比普通淬火高比普通淬火高25 HRc25 HRc 耐磨性耐磨性高于普通淬火，但低于渗碳高于普通淬火，但低于渗碳 疲劳强度疲劳强度显著提高。与表面残余压应力有关。显著提高。与表面残余压应力有关。残余压应力大，疲劳强度高，因此，存在一最佳硬化层深度。残余压应力大，疲劳强度高，因此，存在一最佳硬化层深度。感应加热置于感应圈内工件