金属材料及热处理

1、第二章钢的热处理和工艺、热处理定义：钢的热处理是通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。、奥氏体形成的热力学：根据Fe-Fe3C状态图可知，当把钢缓慢加热到共析温度以上时，珠光体将向奥氏体转变。从铁碳相图可知，任何成分碳钢加热到Ac1以上，珠光体就向奥氏体转变；加热到Ac3或Acm以上，将全部变为奥氏体。这种加热转变称奥氏体化。、奥氏体的形成过程：扩散性相变，转变过程分为四个阶段进行。（1）形核：珠光体加热到Ac1以上，在铁素体和渗碳体的相界面上奥氏体优先形核。相界、晶界、亚晶界、位错、非金属夹杂等局部区域的自由能高，这些区域具有较大的能量起伏和浓度起伏，因

2、而有利于奥氏体晶核的形成。（2）长大：奥氏体在铁素体和渗碳体相界面上形核后，建立起界面浓度平衡，在奥氏体和铁素体内部出现浓度差，碳原子由高浓度向低浓度扩散，使C2、C4浓度降低，而C1、C3升高，从而破坏浓度平衡；必须通过渗碳体逐渐溶解，以提高C2、C4，同时产生转变，以降低C1、C3，维持界面浓度平衡。这样所进行的碳原子扩散，渗碳体溶解，点阵重构的反复，奥氏体逐渐长大。铁素体向奥氏体的转变速度，往往比渗碳体的溶解要快，因此珠光体中铁素体总比渗碳体消失得早。（3）残余渗碳体的溶解：素体消失后，随着保温时间的延长，通过碳原子扩散，残余渗碳体逐渐溶入奥氏体，使奥氏体逐渐趋近共析成分。（4）奥氏体的

3、均匀化：余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍是不均匀的，原是渗碳体的位置碳浓度较高，原是铁素体的位置碳浓度较低。为此必须继续保温，通过碳原子扩散，获得均匀化奥氏体。加热时奥氏体化程度会直接影响冷却转变过程，以及转变产物的组成和性能。、合金元素对碳在奥氏体中的扩散影响：1) Co、Ni增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而加快奥氏体形成速度；2) 碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等降低碳在奥氏体中的扩散系数，且所形成的特殊碳化物较难溶解，所以减慢奥氏体形成速度；3) Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散系数影响不大，因此对奥氏体形成速度没有多大影响。钢中合金元素在原始组织各相中的分布是不均匀的。

4、这种合金元素分布的不均匀性，直到残余碳化物溶解完成后仍保留下来。因此合金钢除了奥氏体中碳的均匀化外，还要进行着合金元素的均匀化，合金钢的奥氏体均匀化时间远比碳钢长得多。在制定合金钢的热处理工艺规范时，应比碳钢的加热温度高些，保温时间长些，促使合金元素尽可能均匀化。、奥氏体晶粒：（1）奥氏体的初始晶粒:指加热时奥氏体转变过程刚刚结束时的奥氏体晶粒，这时的晶粒大小就是初始晶粒度。（2）奥氏体实际晶粒:指在热处理时某一具体加热条件下最终所得的奥氏体晶粒，其大小就是奥氏体的实际晶粒度。在一般热处理的加热条件下，奥氏体晶粒总是要长大的。在恒温下，随保温时间的增加，奥氏体晶粒也不断长大。长大分为三个阶段：

5、孕育期：在奥氏体刚刚形成以后，并不马上长大，而是需要一定的孕育期，温度愈高，孕育期愈短；不均匀长大：经孕育期后，奥氏体晶粒开始长大，但各处长大的程度不一致，有些较大的晶粒靠吞并周围的小晶粒而长成个别很粗大的晶粒；那些未被吞并的小晶粒则长大速度极慢； 结果形成尺寸相差悬殊的晶粒共存的状态； 均匀长大期：细小晶粒全被吞并后，所有晶粒均开始缓慢而均匀地长大。（3）奥氏体的本质晶粒:指各种钢的奥氏体晶粒的长大趋势。晶粒容易长大的称为本质粗晶粒钢；晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢； 以上不同的趋势主要由于钢的成分不同而引起。 、测定钢的本质晶粒度的方法：生产中为了便于确定钢的本质晶粒度，并不需要测出晶粒

6、大小随温度的变化曲线，只需测出930左右的实际晶粒度，就可判断。因为930左右是本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢的晶粒大小差别最明显的温度。、 钢中成分对奥氏体晶粒长大的影响：用适量的铝脱氧，或钢中加入适量的钒、钛、铌等元素，可得到本质细晶粒钢。因为它们的氮化物或碳化物粒子沿晶界弥散析出，起到阻碍晶界迁移的作用，抑制了奥氏体晶粒长大。、粗大奥氏体晶粒的遗传性：、组织遗传：1）生产中发现，过热（加热温度过高）后钢的粗大奥氏体晶粒，经淬火后得到粗大马氏体；2）再次快速或慢速加热至稍高于临界温度；3）奥氏体仍保留了原来的粗大晶粒，甚至保留原来的位向和原来的晶界。、原因：过热后的粗晶粒奥氏体与马氏体间相互转

7、变维持着严格的晶体学取向关系。初生的奥氏体晶粒似乎细小，由于取向一致，仍保持粗大原始组织的特性。、措施：若以中等速度奥氏体化或加热到Ac3以上100200，由于相变硬化使高温奥氏体产生再结晶，达到细化晶粒，消除组织遗传的效果。、过冷奥氏体的转变及其产物：以共析钢为例。加热到Ac1以上，共析转变成成分大致均匀的单相奥氏体；冷却到Ar1以下，单相奥氏体分解为在成分上差别很大的铁素体与渗碳体两相的混合物（珠光体或贝氏体）；一般情况下，把奥氏体过冷到不同温度时，可发生珠光体转变、贝氏体转变及马氏体转变这三种不同形式的转变。、影响过冷奥氏体等温转变图的因素：钢的成分和热处理条件都会引起C曲线形状和位置的

8、变化。 ）含碳量的影响：随着含碳量增加，亚共析钢的C曲线向右移；过共析钢的C曲线向左移；在碳钢中以共析钢的过冷奥氏体最稳定。）合金元素的影响：除钴外所有合金元素的溶入，均增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线向右移；其中非碳化物或弱碳化物形成元素，如硅、镍、铜和锰等不改变C曲线形状，仍保持一个“鼻尖”，只改变C曲线位置；中强或强碳化物形成元素，如Cr、Mo、W、V和Ti等溶入奥氏体，不仅使C曲线右移，并使珠光体转变和贝氏体转变区分离，出现两个“鼻尖”，即变成双C曲线。上部C曲线是等温转变形成珠光体的区域；下部C曲线是等温转变形成贝氏体的区域，其间存在着过冷奥氏体的亚稳定区域。）奥氏体化温度和保温时间

9、的影响：奥氏体化温度愈高与保温时间愈长，均使碳化物溶解愈完全，奥氏体成分愈均匀，奥氏体晶粒愈粗大，这些均降低过冷奥氏体分解的形核率，延长转变的孕育期，从而使C曲线右移。、珠光体转变：、概念：钢奥氏体化后，过冷到A1至“鼻尖”之间区域等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体组织，其反应如下： P ( + Fe3C)。依靠碳原子和铁原子的扩散，来完成反应中碳的重新分布和铁的点阵重构，所以珠光体转变是一种典型的扩散性相变。珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物。、珠光体的分类：粒状珠光体、片状珠光体。片层珠光体分类：珠光体在A1-650范围内形成；索氏体在650-600范围内形成；屈氏体在600-550范

10、围内所形成。结论：珠光体、索氏体、屈氏体三种组织只有粗细之分，并无本质区别。它们表现在性能上的差别为，随转变温度降低，片层间距减小，强度、硬度升高，塑性也变好。原因是铁素体和渗碳体片变薄时，相界面增多，在外力作用下，抗塑性变形能力增高。而且由于渗碳体片很薄，容易变形，不易脆裂，使钢的塑性变形能力增大。、马氏体：、马氏体转变：将材料从高温结构状态快速冷却，在较低温度下发生的无扩散型相变。凡是相变的基本特征属于马氏体型的转变产物。、马氏体产生的热力学条件：将钢加热到奥氏体化；以大于临界淬火速度的冷却速度快冷；快冷至温度以下。、马氏体转变的特点：无扩散性，依靠切变进行；无成分变化，只是点阵重构；一般

11、在Ms点以下一个温度区间内完成，转变过程靠产生一批批新马氏体片来完成，这种通过切边进行点阵重构，而无成分变化的非扩散性相变，统称为马氏体转变。、马氏体的性能：高强度和高硬度是钢中马氏体的主要特性之一。马氏体的硬度主要决定于含碳量，当到达0.6%C时，硬度趋于平缓。、马氏体高强度、高硬度的原因：固溶强化(C原子)；高密度位错、孪晶亚结构强化；自回火现象，时效强化。塑性和韧性取决于马氏体亚结构的情况，位错马氏体具有较好的塑性。、贝氏体：将奥氏体化的钢过冷到Bs（约550）至Ms温度范围内等温，将产生贝氏体转变，也称中温转变。对于共析钢贝氏体转变的温度区间在550-Ms点之间，钢的贝氏体转变发生在珠

12、光体转变温度以下、马氏体转变温度以上的温度范围内。、贝氏体转变特点：与珠光体一样，贝氏体也是铁素体和碳化物组成的机械混合物，在转变过程中，发生碳的扩散；但区别在其碳的扩散不充分，铁原子没有扩散，转变特征与组织形态和珠光体不一样。与马氏体转变的共同点在于奥氏体向铁素体的晶格改组是通过切变方式进行的，新相铁素体与母相奥氏体有一定的位向关系；但贝氏体是两相组织，通过碳原子扩散，可以发生碳化物沉淀。、贝氏体的组织：上贝氏体（Bs-350）：自奥氏体晶界开始，向晶内伸展成束的、大致平行的铁素体板条，条间的渗碳体不易辨认。下贝氏体(350-Ms)：光学显微镜下呈黑针状，各针之间有一定交角。在电镜下，在针状

13、铁素体内成行地分布着细片状或颗粒状的碳化物，沿着与铁素体长轴成55-60°角整齐排列着。粒状贝氏体：在一些低碳钢及低碳、中碳合金钢中还发现一种粒状贝氏体，它的形成温度最高（稍低于Bs温度），由于温度较高，首先进行碳原子扩散重新分布，接着在奥氏体贫碳区开始形成大体平行的铁素体板条，碳几乎都富集到奥氏体中去，铁素体板条进一步长大并侧向靠拢，最终将高碳奥氏体包围起来成为孤立“小岛”，这种富碳、具有一定含量的合金元素的奥氏体不易分解，较稳定。、贝氏体性能：贝氏体的机械性能主要取决于其组织形态。贝氏体是铁素体和碳化物组成的复相组织，其各相的形态、大小和分布都影响贝氏体的性能。上贝氏体形成温度较

14、高，铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行分布在铁素体板条之间，铁素体与碳化物分布有明显的方向性。这种组织状态使铁素体条间易开裂、脆断，因此强度低，其塑性和韧性低于屈氏体。与上贝氏体相比，下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，而且在铁素体内又沉淀析出细小、多量而弥散的碳化物，因此，强度高，而且韧性好。生产上避免出现上贝氏体，而用等温淬火得到下贝氏体。、钢在回火过程中的转变：、回火：淬火钢件加热到低于A1的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。、回火的目的：淬火后工件有复杂的内应力，回火可消除或降低内应力；淬火组织马氏体强度、硬度高，塑性韧性差，通过回火，向铁素体和

15、碳化物稳定态转变，使强度和韧性得到较好的配合。、淬火钢在回火时的组织变化：淬火钢的室温组织为马氏体和残余奥氏体，都是亚稳定相。一旦进行加热，原子扩散能力加强，会自发地向稳定相铁素体和渗碳体转变。这个过程，随温度升高，可以分成5个阶段。（）、回火时性能的变化：处于淬火状态的钢，不仅范性很差，由于内应力存在，强度也不高；200-300范围内回火，由于内应力消除，强度提高；300以上，随回火温度升高，钢的强度降低，延伸率和断面收缩率升高。、回火脆性：淬火钢回火后的冲击韧性并不总是随回火温度的升高单调地增大，有些钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性（冲击功）显著下降。低温回火脆性：淬火钢在250-4

16、00范围内回火时出现的脆性；几乎所有淬成马氏体的钢，在300左右回火后都存在这类脆性；在更高温度回火后脆性消除；防止方法只有不在此区间回火。高温回火脆性：淬火的合金钢在450-650范围内回火后，进行慢冷所出现的脆性；已产生脆性的工件，重新加热到600以上保温，然后快冷，则可消除它。若将已经消除脆性的钢件重新高温回火并随后缓冷时脆性现象再次出现，因此高温回火脆性又称可逆回火脆性。与低温回火脆性不同，不是所有钢都有高温回火脆性。碳钢一般不出现这种脆性。第三章钢的热处理工艺、钢的热处理工艺：通过加热、保温和冷却的方法改变钢内部组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺。分类：根据加热、冷却和获得

17、的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分：(1)普通热处理（退火、正火、淬火和回火）; (2) 表面热处理（表面淬火和化学热处理）;(3)形变热处理。、钢的退火：将钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，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。、目的：消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化；组织均匀化，消除铸、锻件存在的魏氏组织或带状组织；降低硬度，改善组织，以便于切削加工；消除内应力和加工硬化；改善高碳钢中碳化物形态和分布(球化退火)，为淬火作好组织准备。、退火的分类：完全退火：将亚共析钢加热到Ac3以上20-30，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓冷，从而获得接近平衡组织。不

18、完全退火：亚共析钢在Ac1Ac3之间或过共析钢在Ac1-Accm之间两相区加热，保温足够时间，进行缓慢冷却的热处理工艺。等温退火：等温退火是将钢件加热到临界温度（Ac1或Ac3）以上奥氏体化，然后将钢件移入另一温度稍低于Ar1的炉中等温停留；当转变完成后，出炉空冷至室温。球化退火：球化退火是使钢获得粒状珠光体的热处理工艺。扩散退火：又称均匀化退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热到略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。低温退火：把钢件加热到低于Ac1温度退火，它包括软化退火和再结晶退火。软化退火：又称去应力退火。钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部

19、冷却速度不同造成内外温差会产生残余应力，这种应力与后面的工艺应力叠加，易使材料开裂；加热温度为650-720，保温后出炉空冷；主要是消除内应力和降低硬度（不会改变内部组织，见前图）。再结晶退火：将冷加工硬化的钢材，加热至T再Ac1之间进行，通常为650-700。在这过程中，变形晶粒恢复成等轴状晶粒，从而消除加工硬化。再结晶温度T再：指在规定时间内（如一小时）能够完成再结晶，或再结晶量达到规定程度（例如95）的最低温度。去氢退火：氢脆定义：钢件在热锻轧后冷却过程中，氢在钢中的溶解度不断减少，氢原子来不及扩散逸出，将聚集在钢的显微空隙和晶界处，结合成氢分子，造成很大的压力，加上钢中其他内应力，超过

20、该处的断裂强度，就产生细小裂纹。该裂纹表现在纵向断口上呈椭圆形银白色斑点，所以称为白点。防止氢脆措施：为了消除白点，首先应从炼钢原料及浇注系统设计上减少氢的来源。通过热处理，即去氢退火。于尺寸较大的锻轧件，轧后空冷至低于Ac1温度，约640-660，奥氏体变成珠光体，由于氢在铁素体中扩散速度大于奥氏体中，640-660等温使氢较快逸出，防止白点产生。、钢的正火：、定义：将钢加热到Ac3、Accm以上约30-50，或更高温度，保温足够时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺与退火相比，正火的冷却速度快一些，但比淬火小，介于两者之间。、组织特点：根据钢的CCT曲线和工件的截面大小（冷却速度），正火后

21、可获得不同组织，如粗细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。、正火的目的：对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织如消除魏氏组织或带状组织。；对于低碳钢可提高硬度，改善切削加工性；作为某些钢的最终热处理，以代替调质处理；用于过共析钢，可消除网状碳化物，便于球化退火。、钢的淬火：、定义：将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上的一定温度，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却。、目的：把奥氏体化工件淬成马氏体，以便在适当温度回火后，获得所需要的力学性能。、淬火加热温度的确定：（）、淬火冷却介质：钢从奥氏体状态过冷至点以下所用的冷却介质，称淬火冷却介质。、淬火方法：单

22、一淬火法：将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。双液淬火法：先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变。分级淬火法：将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的 Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变。等温淬火：将奥氏体化后的工件淬入 Ms点以上某温度盐浴中等温保持足够长时间，使之转变为下贝氏体组织，然后在空气中冷却的淬火方法，是分级淬火的进一步发展。、钢的淬透性：指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小用钢在一定条件下淬火时获得淬透层

23、深度来表示。主要决定于临界冷却速度的大小（内因）；工件的截面尺寸和淬火介质的冷却能力（外因）。如果钢的临界冷却速度Vc愈小，工件的淬透层就愈厚，表明淬透性愈大；当工件的冷却速度越大，淬透层越厚；中心的冷却速度大于临界冷却速度，则工件被淬透。、钢的淬硬性：钢在淬火后能够达到的最高硬度，它主要与钢的含碳量有关。、钢的回火：、定义：将淬火后的钢在A1温度以下加热，使之转变成稳定的回火组织的工艺过程。、目的：保证组织转变；消除内应力；达到一定的性能要求，其中回火温度是决定回火后组织和性能的最重要因素，但要避免在低温回火脆性和高温回火脆性区进行回火处理。、回火的种类：1)低温回火：在150-250之间进

24、行，回火后组织为回火马氏体，其目的是降低淬火内应力，使其具有一定韧性，并保持高的硬度。2）中温回火：在350-500之间，回火后组织为回火屈氏体。中温回火后的钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，并有良好的塑性和韧性，它主要用来处理各种弹簧零件和热锻模具。3)高温回火：在500-650之间进行，回火后组织为回火索氏体。淬火+高温回火称为调质处理，调质处理后的工件具有高的塑性、韧性和强度的配合。、淬火加热缺陷与防止：、过热：工件在淬火加热时，由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹，降低强度与韧性，引起脆断。 轻微过热，可延长

25、回火时间；严重过热，则需进行一次细化晶粒退火，然后重新淬火。、过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象。过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧就无法补救，只能报废。、氧化：钢件在加热时与炉气中的O2、H2O、CO2等氧化性气体发生的化学作用。在570以下的温度加热，钢中的Fe元素与O2、H2O及CO2等气体发生氧化反应，主要形成Fe3O4。氧原子很容易透过已形成的氧化膜继续向里与里与铁原子发生作用，钢被氧化的速度大大加快。氧化造成的缺点：工件尺寸减小；表面光洁度降低；严重时影响淬火冷却速度，进而工件出现软点或硬度不足等新缺陷。防止措施：在保证组织转变情况下，尽可能降低加热

26、温度与时间；用脱氧良好的盐浴加热或控制气份加热。、脱碳：工件表面脱碳以后，其表面与内部产生碳浓度差，内部的碳原子则向表面扩散，新扩散到表面的碳原子又被继续氧化，从而使脱碳层逐步加深。脱碳过程进行的速度，取决于表面化学反应速度和碳原子的扩散速度，加热温度越高，加热时间越长，脱碳层越深。、钢的形变热处理：形变强化和相变强化相结合的一种热处理，它可以获得单一的强化方法难于达到的综合力学性能。种类较多，分相变前形变、相变中形变和相变后形变三种类型。高温形变热处理：在接近A3温度以上进行形变，形变后立即淬火，并回火至所需要的硬度。由于高温形变过程位错密度及其他晶体缺陷大大提高，形变后如能及时淬火，马氏体

27、继承了奥氏体的晶体缺陷，并使马氏体细化，从而获得强韧化的效果。低温形变热处理：将加热至奥氏体化的钢迅速冷却至C曲线的亚稳定区进行形变，然后淬火获得马氏体，并回火至所需的硬度。由于马氏体继承了形变奥氏体的高密度位错和细化的晶粒；一些碳化物的析出，阻碍位错的运动，提高了强度；高密度位错和微细碳化物存在，使回火析出的碳化物更弥散均匀。上述综合结果，既提高了强度，又改善了韧性。但因低温形变热处理的形变温度低，钢材的形变抗力大，要求形变设备的功率远超过一般设备的加工能力。、钢的表面淬火：工业实践中要求零件表面具有高的强度、硬度和耐磨性，要求心部具有一定的强度、足够的塑性和韧性，表面淬火可达到这种表硬心韧

28、的要求。（）、化学热处理：将钢件放在一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子渗入到钢件表面，以改变钢件表面层的化学成分，从而获得预期的组织和性能的热处理过程。根据渗入钢中的元素，化学热处理可以分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝。化学热处理的一般过程：化学热处理的一般过程通常为分解、吸附和扩散。分解：在一定温度下从渗碳剂中分解出含有被渗元素“活性原子”的过程。吸附：具有高能状态的活性原子冲入铁晶体表面原子引力场范围内，被铁表面晶格捕获并溶解的过程。扩散：扩散是钢件表面吸收并溶解被渗元素活性原子后，由于造成表面和心部的浓度差而发生被渗元素的原子由高浓度表面向内部定向迁移的现象，是控制化学

29、热处理过程的主要环节，得到一定深度的扩散层。渗入元素在表层的浓度最高，离开表面越远，浓度越低。（）、钢的渗碳工艺：将低碳钢件放入增碳的活性介质中，在900-950加热保温，使活性碳原子渗入钢的表面达到高碳。渗碳后，必须进行淬火和低温回火，使钢件表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部具有一定的强度和较高的韧性。机器零件经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获得很高的表面硬度、耐磨性、高的接触疲劳强度和高的弯曲疲劳强度，心部具有良好的塑性和韧性。、渗碳方法：根据渗碳剂的不同，渗碳方法有固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳。气体渗碳：把零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉罐中进行碳的渗入过程的渗碳方法。、渗层的

30、碳含量与组织：含碳量的不均匀性：低碳钢（0.150.25wt%)或低碳合金钢渗碳后，其渗层中的含碳量是不均匀的，表面含碳量最高，由表层向心部含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。、渗碳件的热处理：对于本质细晶粒钢，通常渗碳后可预冷至淬火温度直接淬火，然后进行180220低温回火；对于固体渗碳件、本质粗晶粒钢渗碳后不能直接淬火的零件，可以空冷后再次加热淬火，并低温回火。第四章钢铁中的合金元素、常见的合金元素：第二周期的B、C、N，第三周期的Al、Si、P、S， 第四周期的Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu，第五周期的Nb、Mo，第六周期的W。、铁基固溶体：、奥氏体形成元素：合金元素中，在-Fe中有

31、较大溶解度并能稳定-Fe的元素。、铁素体形成元素：在-Fe中有较大溶解度并使-Fe不稳定的元素。、分类：（）使A3温度下降，A4温度升高，这类元素是扩大相区的奥氏体形成元素。它们分两类：开启相区：如锰、钴和镍，可与-Fe无限固溶，使和相区缩小。扩大相区：如碳、氮和铜，它们使相区扩大，但与-Fe有限溶解。 其中碳和氮与铁形成间隙固溶体，铜与铁形成代位固溶体。（）使A3温度升高，A4温度下降，这类是缩小-相区的铁素体形成元素。它包括下列两种情况：封闭相区：这类元素是A3温度升高，A4温度下降，并在一定浓度处汇合，在相图上形成圈。缩小相区：这类元素与封闭相区元素相似，但由于出现了金属间化合物，破坏了

32、圈。如硼、铌、硫等。总之，合金元素除了碳、氮和硼以外，都与铁形成代位固溶体，它们扩大或缩小相区的作用与该元素在周期表中的位置有关。有利于扩大相区的合金元素，其本身具有面心立方点阵或在其多型性转变中有一种面心立方点阵，与铁的电负性相近，与铁的原子尺寸相近。、合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用：合金中的晶体缺陷有晶界、相界、亚晶界及位错等，这些晶体缺陷区有较高的能量。合金元素和杂质元素溶于合金后，将与这些晶体缺陷产生相互作用。溶质原子与晶界结合，形成晶界偏聚；溶质原子与位错结合，形成柯垂耳气团。因此，溶质元素在合金中有时虽然极微，但因与晶体缺陷的交互作用，使其在缺陷区富集到很高浓度，从而对合金的组织

33、和性能产生巨大的影响。（）、钢中的碳化物和氮化物：稳定性：碳化物和氮化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳、氮的结合强度，结合强度大，则它们在钢中的稳定性也大，这种结合强度可以用碳化物和氮化物的生成Gibbs能来衡量。由此可以排定它们的强弱次序TiZrVNbWMoCrMnFe。（依箭头次序减弱。）Ti、Zr、Nb、V是强碳、氮化物形成元素；W、Mo、Cr是中等强度碳、氮化物形成元素； Mn、Fe属于弱碳、氮化物形成元素。、合金元素对奥氏体形成的影响：当加热温度高于Ac1时，奥氏体是通过碳化物溶解及扩散多型性转变形成的； 奥氏体量的增长依赖于碳化物的溶解、碳和铁原子的扩散；合金元素对碳化物的稳定性

34、及碳在奥氏体中扩散的影响，直接控制着奥氏体的形成速度。强碳化物形成元素组成的稳定碳化物只有在高温下才溶于奥氏体；碳化物形成元素可提高碳在奥氏体中的扩散激活能，对奥氏体形成有一定阻碍作用；奥氏体转变完成后，还有一个合金元素和碳的均匀化过程。由于合金元素扩散慢，可以提高淬火温度或延长保温时间来达到成分均匀化。、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响： 钢中促进奥氏体晶粒长大的元素有碳、磷、锰（高碳时），碳和磷在奥氏体晶界偏聚降低了晶界铁原子的自扩散激活能，锰是加强了碳促进奥氏体晶粒长大的作用；铝、钛、铌、钒等元素在钢中能形成稳定的氮化物、碳氮化物、氮化物，弥散质点钉扎奥氏体晶界，阻碍其晶粒长大（原因是原有

35、的晶界面被颗粒与奥氏体的相界面所代替，减少了晶界面）。、合金元素对过冷奥氏体转变的影响：合金元素对过冷奥氏体转变的影响，首先表现在对临界点的影响。奥氏体形成元素降低Ar3点，使转变温度降低，过冷度减小，转变的驱动力减小，铁素体形成元素则相反；在碳钢中由于珠光体和贝氏体的最大转变速度温度极为接近，故在过冷奥氏体转变动力学曲线上只画出一个C曲线，但不同的合金元素对这些转变有着不同的影响。1）过冷奥氏体的先共析铁素体转变：先共析铁素体转变是一个典型的扩散性的形核和长大的过程，铁素体中碳量近于平衡态（0.02wt%），因此，相变时，首先进行碳的扩散。由于碳化物形成元素降低碳在奥氏体中的扩散系数，因而显

36、著推迟先共析铁素体的转变，非碳化物形成元素的影响较小。合金元素影响这个转变是通过对碳的扩散的影响来进行的。2) 过冷奥氏体的珠光体转变：除Co外，合金元素推迟珠光体相变，但机理和程度有所不同，可以从强碳化物形成元素（Ti、Nb、V），中强碳化物形成元素(W、Mo、Cr)，弱碳化物形成元素(Mn)，非碳化物形成元素（Si、Al、Ni、Co）来分析原因。强碳化物形成元素:由于它们在奥氏体中的扩散系数远小于C，因此，合金元素本身的扩散是转变的关键，通过推迟碳化物的形核和长大，来推迟相变；中强碳化物形成元素：由于相同的原因，推迟碳化物的形核与长大；另外，增强固溶体原子之间的结合（推迟）；因此，推迟相变

37、；弱碳化物形成元素：推迟含Mn渗碳体的形核与长大，另外也推迟。Ni增强固溶体原子之间的作用力，推迟；Co加速；Si与Al不溶于渗碳体，推迟渗碳体的形核与长大；硼(B)是内吸附元素，在晶界偏聚，降低晶界的能量，从而降低在晶界上的形核。3）过冷奥氏体的贝氏体转变：在一般情况下，除了Co能加速贝氏体的形成外，C、Mn、Cr、Ni、Si、Mo、W、V、Cu和B都延缓贝氏体的形成，其中以C、Mn、Cr、Ni最为明显。4)合金元素对马氏体转变的影响：马氏体转变是无扩散性转变（切变转变），形核和长大速度极快，因此合金元素对马氏体转变动力学影响小。绝大多数合金元素都降低Ms点（马氏体开始形成点），只有钴和铝相

38、反；绝大多数合金元素都提高奥氏体稳定性，其中奥氏体形成元素Mn、Ni、C、N的作用显著；冷却过程中，保留的残留奥氏体增加。合金元素还影响马氏体的亚结构。马氏体亚结构有两种，具有位错亚结构的板条马氏体和具有孪晶结构的针状马氏体。合金元素的含量和马氏体转变温度决定钢的滑移和孪生的临界分切应力，从而影响马氏体的亚结构。、合金元素对淬火钢回火转变的影响：通常淬火组织具有马氏体和残留奥氏体两个介稳相，马氏体是碳在相中的过饱和固溶体，残留奥氏体是在冷却过程中没有转变的被保留下来的奥氏体，它们在回火过程中会发生碳在马氏体中析出形成碳化物及其聚集长大，同时还有残留奥氏体转变。、马氏体分解过程包括以下几步：碳原

39、子在马氏体的晶体缺陷处偏聚；-Fe2.4C介稳碳化物析出和马氏体中含碳量降低；-Fe2.4C转变Fe3C。、对马氏体分解的影响：碳化物形成元素阻碍马氏体的分解，主要是它们和碳有较强的亲和力有关，可把碳钢中马氏体分解完毕的温度从260提高到500；弱碳化物形成元素锰和非碳化物形成元素镍对马氏体分解的作用甚弱；非碳化物形成元素Si、Al、P也能阻碍马氏体分解。、合金元素对回火时残留奥氏体转变的影响：淬火钢中残留奥氏体回火时转变的特点基本遵循过冷奥氏体恒温转变的规律，但孕育期较短和转变不完全。残留奥氏体在500-600范围加热时，残留奥氏体中析出部分碳化物，使得残留奥氏体中的碳和碳化物形成元素降低，

40、从而使残留奥氏体稳定性降低，Ms点升高，在冷却过程时发生马氏体转变。第五章金属材料的强化、金属材料的基本强化途径： 、位错：金属材料滑移（塑性变形）的微观机理是存在位错运动，在位错密度初期，金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，强度愈低。位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。、流变应力：金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成，一是未变形金属的流变应力l，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中应变硬化速率 和塑性变形量来决定。流变应力的大小决定于位错的易动性：晶体内部滑移面上的位错源越容易动作；运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越

41、小，则流变应力越低。流变应力的组成：对流变应力有贡献的阻力主要是两类。抑制位错源开动的应力，称之源硬化；对位错的运动起着妨碍的作用的称为摩擦阻力。提高流变应力的方法：通过各种手段来增加以上两类阻力。、点阵阻力：移动位错使它从一个平衡位置滑移到下一个平衡位置之间的位垒所需的力，也就是在完整晶体中运动时所受的摩擦阻力。、强化金属材料的思路：提高金属材料强度的方法是阻止金属晶体中位错的运动。制晶须，但它性能不稳定，存在一定数量位错时其强度急剧下降；设法改变合金的键合类型，从而提高金属晶体内的点阵阻力，使位错的运动增加困难；设法在金属中引入大量的晶体缺陷，大大增加位错之间、位错和其它晶体缺陷之间的交互

42、作用，从而阻碍位错的运动，导致金属抗变形能力被大大提高。、形变强化：在冷变形过程中，金属内位错密度增加，位错之间的交互作用加剧，位错运动阻力增大，从而导致金属的强度、硬度增加。这种现象称为形变强化或加工硬化。形变强化的本质在于，形变造成位错的大量增殖，位错之间的交互作用导致其运动愈加困难，从而使金属强度增加。、固溶强化：强化原因：假定溶质原子在固溶体中是理想均匀分布的；由于两类原子在尺寸、化学性质、电学性质等方面的差异，在点阵中任何一个溶质原子的周围都存在弹性应力场；位错在通过这种具有内应力场的晶体点阵的时候自然需要克服更大的阻力。（）、分散强化（沉淀强化）：合金组织中如果含有一定数量的分散的

43、异相粒子，它的强度往往会有很大的提高，我们将这种由于第二相分散质点造成的强化过程统称为分散强化。、如何实现分散强化：一为热处理手段，利用合金中的相变来产生第二相；二为用粉末冶金的方法人为地加入分散的第二相。（）、强化原因：1)切断：多数出现在质点与基体仍然存在着共格联系的情况下，增加表面能。当一个大小为b的位错通过质点后,在质点两边增加表面;质点的弹性模量大于基体, 因而位错切过质点后需要附加的能量，相界面的弹性应力场也是位错前进的阻力。2) 绕过:当质点长大到其尺寸已经使位错难以借切断的方式通过的时候, 位错就只能用绕过的方式前进了。时效处理：固溶、急冷、时效。、晶界强化（细晶强化）：、晶界

44、：晶界存在于多晶体中，指周期性排列的点阵的取向发生突然转折的区域。、强化原因：由于晶界两边的晶粒取向不同，滑移一般难以从一个晶粒直接传播到取向有差异的另一个晶粒上；但多晶体变形必须满足连续性条件，为了使邻近的晶粒也发生滑移，就必须外加以更大的力，因此，晶界就是滑移的障碍；也说明晶界阻碍变形的能力并不是晶界自身拥有很高的强度；在金属强化中，大角度晶界起的作用是主要的。、相变强化：主要是指马氏体强化和贝氏体强化，相变强化不是一种独立的强化机制，它实际上是固溶强化、弥散强化、形变强化、细晶强化的综合效应。第六章钢的分类和编号、按是否加入合金元素分类：碳素钢和合金钢。碳素钢：指钢中除含有一定量为了脱氧

45、而加入硅（一般0.40%）和锰（一般0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的钢。按含碳量高低分为低碳钢（C0.25%）；中碳钢(0.25%C0.60%)；高碳钢(C>0.60%)。合金钢：指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素，有的还含有某些非金属元素的钢。按钢中合金元素含量分为低合金钢，总含量为<5%；中合金钢，总含量为5%10%；高合金钢，总含量>10%。按钢中所含有主要合金元素分为锰钢，硅钢，硼钢，铬镍钨钢，铬锰硅钢等；、按质量水平不同分类：普通钢（P0.045%，S0.050%）；优质钢（P0.035%，S0.035%）；高级优质钢（P0.

46、035%，S0.030%）；、按成型方法不同分类：锻钢、铸钢、热轧钢、冷轧钢；、按金相组织不同分类：退火状态的：亚共析钢（铁素体+珠光体）；共析钢（珠光体）；过共析钢（珠光体+渗碳体）。正火状态的：珠光体钢；贝氏体钢；马氏体钢；奥氏体钢；莱氏体钢。无相变或部分发生相变钢；、按用途分类：结构钢、工具钢、特殊性能钢、专业用钢。（）结构钢：包括碳素结构钢和合金结构钢。碳素结构钢：含碳量约0.050.70，个别可高达0.90。一般碳素钢S0.055%，P0.045%，优质碳素钢S和P均0.040%。合金结构钢：在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。合金

47、元素有三个方面：增大钢的淬透性，Mn、Mo、Cr、B的作用最强；提高钢的回火稳定性,即提高钢的抗回火软化能力,V、W、Ti、Cr、Mo、Si的作用比较显著；提高钢的强化和韧化。Ni以固溶强化方式强化铁素体；Mo、V、Nb等碳化物形成元素,既以弥散硬化方式又以固溶强化方式提高钢的屈服强度等。（）工具钢：是用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢。包括碳素工具钢和合金工具钢及高速工具钢。碳素工具钢：硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%C1.30%）。合金工具钢：不仅含有很高碳，有的高达2.30%，加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性。高速工具钢：除含有较高的碳（1%

48、左右）外，还含有很高的钨、钼、铬、钒等合金元素，具有高的硬度、耐磨性、红硬性。（）特殊性能钢：指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴承钢、弹簧钢、不锈钢、耐热钢等。轴承钢：指用于制造各种环境中工作的各类轴承圈和滚动体的钢，这类钢含碳1%左右，含铬最高不超过1.65%，要求具有高而均匀的硬度和耐磨性，内部组织和化学成分均匀，夹杂物和炭化物的数量及分布要求高。弹簧钢：主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢较为严格。不锈钢：指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化

49、学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性。耐热钢：在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。它包括抗氧化钢(或称高温不起皮钢)和热强钢两类。 抗氧化钢：一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢：要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。（）专业用钢分为：桥梁用钢，船舶用钢，锅炉用钢，压力容器用钢，农机用钢等。钢材的种类分为型钢、钢板、钢管、钢丝。、钢的编号：（）第七章工程结构钢、结构钢定义：人们主要是利用它的力学性能。结构钢用来制造工程结构和机械结构，

50、它包括工程结构钢和机械结构钢两大类。、工程结构钢：用来制造各种工程结构的一大类钢种。包括碳素工程结构钢和高强度低合金钢，前者属于非合金钢，后者属于低合金钢。要求承受各种载荷，包括动、静载荷。、使用性能：有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性；由于工作环境是暴露在大气中，温度可低到零下50，故要求低温韧性，并要求耐大气腐蚀。、工艺性能：经受剧烈的冷变形（冷弯、冲压、剪切）和良好的焊接性。、工程结构钢的强化：在铁素体-珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有包括溶入铁素体起固溶强化；细化晶粒起细晶强化；析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化；增加珠光体含量。（）、铁素体珠光体组织的冷脆性：韧脆的表征为用冲击

51、韧性以及断口形貌等，表征的是强度与塑性的综合。具有铁素体-珠光体组织的工程结构钢在-50-100间使用，因而要求有较低的韧-脆转化温度FATT50()。影响钢的冲击韧性和韧-脆转化温度的因素：有含碳量、晶粒尺寸、固溶元素、弥散析出相和非金属夹杂物等。（）、工程结构钢的焊接问题：焊接是构成金属结构件的常用方法。钢的可焊性是指在比较简单可行的焊接工艺条件下，钢材焊接后不产生裂纹，并获得良好的焊缝区的性能。焊缝区可分为熔化区、热影响区和未受热影响区。（）合金元素加入对焊接性的影响：、增加钢的淬透性，焊后冷却发生马氏体相变，升高内应力；、降低Ms点，使马氏体转变温度降低，此时钢的塑性差；、钢中含碳量增

52、高马氏体的比容和硬度，升高内应力；、氢脆引起塑性下降。碳当量：把单个合金元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢的含碳量加在一起，用这个碳当量来判断钢的可焊性的好坏。当钢的碳当量在0.47以上时，热影响区的硬度可超过350HV，这是一个界限。此时为了安全，防止裂纹产生，在焊接工艺上要采取措施以减少焊接内应力。、应变时效和淬火时效：、应变时效：工程构件用钢经冷塑性变形后, 在室温放置较长时间后或稍经加热后, 强度、硬度升高，塑性、韧性下降。原因：低碳钢在开始塑性变形时位错挣脱柯氏气团的钉扎而运动；当运动位错增值，流变应力开始增高，产生加工硬化现象；如果此时卸载放置或稍加热时，存在于-F

53、e间隙中的C、N原子重新形成柯氏气团钉扎位错，使强度升高，塑性降低。、淬火时效：低碳钢加热到接近于Ac1 温度淬火，于室温放置或稍经加热后，其强度提高而塑性韧性下降的现象。原因：它是过饱和的固溶体脱溶沉淀的结果，在室温或较高温度放置时，C、N原子将向位错和晶界偏聚，然后析出弥散的与母相共格的亚温相碳化物(Fe2.4C)和氮化物(Fe16N2)，产生强化，降低塑性。应变时效和淬火时效都增加钢的冷脆倾向，提高钢的脆性转折温度。经研究证明应该对钢中的氮进行严格控制。、耐大气腐蚀性能：工程结构钢多是在大气或海洋大气中服役，在潮湿空气作用下，会产生电化学腐蚀。因而, 要求它具有抗大气腐蚀的能力。耐蚀机理

54、: 虽然耐候钢与普碳钢锈层都是同样由-FeOOH、-FeOOH、Fe3O4所组成，但耐候钢生成的锈层与金属基体之间有50-100厚的非晶态的尖晶石型氧化物层，它与基体金属粘附性好、致密、富集Cr、Cu、P。、工程结构钢的种类：（）、铁素体-珠光体钢：这类钢服役时的显微组织是铁素体-珠光体，包括碳素工程结构钢，高强度低合金钢，微合金钢。、低碳贝氏体钢及其它钢：具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约440MPa，若要求更高强度和韧性的配合，就需要采用进一步采用相变强化的方法。主要是适当降低钢的碳含量，以改善韧性，由此造成的强度损失，由加入合金元素，通过轧后形成低碳贝氏体或马氏

55、体的相变强化的方法得到补偿，配合加入微合金元素Nb，以细化晶粒并进一步提高韧性。例如低碳贝氏体钢、针状铁素体钢、低碳马氏体钢、双相钢。第八章机械结构钢、机械结构钢：机械制造结构钢是用来制造各种机械零件的钢种。一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢。根据钢的生产工艺和用途，可分为调质钢，低碳马氏体钢，超高强度结构钢，渗碳钢、氮化钢，弹簧钢，轴承钢，易削钢。、服役条件：机械零件在工作时将承受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力的作用，或几种力的同时作用；在机械零件的截面上产生张、压、切等应力。这些应力可以是恒定的或变化的；在方向上可以是单向的反复的；在加载上可以是逐渐的或

56、是骤然的。工作温度一般是-50-100之间；介质是：大气、自然水、润滑油及其它介质的腐蚀作用。、失效形式：零件的损坏情况可以归纳为变形和断裂。、性能要求：在零件整个截面上具有足够高的屈服强度和抗拉强度，以防止过载变形和断裂；具有高的疲劳强度以防止交变负荷下的疲劳断裂；在零件整个截面上具有足够的塑性和韧性，以防止冲击或过载下的突然断裂；具有一定的耐蚀性。（）弹性设计：有的根据弹性来设计，在弹性范围内工作，根据比例极限p来计算；塑性设计：有些零件只允许少量塑性变形，可根据屈服强度s或0.2来塑性设计（实际中在许用应力与以上应力之间加上一个安全系数）, 实际也是从强度出发。强度与塑性的配合：对于塑性指标、及综合反映了强度和塑性的韧性指标，在设计时并不用于工程计算，只是根据经验提出要求；塑性、韧性指标是考虑到零件的安全性，避免发生突然事故、过载断裂而提出的。 原因：减轻零件重量，追求提高钢的强度；综合运用了加工强化、细晶强化、固溶强化、沉淀强化和马氏体相变强化等方法的结果；钢的屈服强度增高后，其塑性变形的能力就下降，因而增大了发生脆性断裂的倾向；在生产、加工过程中可以给钢材带来这样或那样的缺陷，有不少情况这种缺陷并不影响钢的屈服强度，却