金属材料学基础知识

1.影响珠光体转变为奥氏体的因素:（1）温度的影响随温度升高，奥氏体形核率I及线长大速率u大大增加，从而促进了珠光体向奥氏体的转变。（2）原始组织的影响珠光体有片状和粒状两种形态。当钢的原始组织为片状珠光体时，铁素体与渗碳体片层愈薄（片间距愈小），它们的相界面愈多，则奥氏体的形核位置增多，形核率愈大；与此同时奥氏体中的碳浓度梯度愈大，碳扩散速率愈快，奥氏体线长大速率愈大。因此细珠光体的奥氏体形成速率大于粗珠光体（见图4-13），得到的奥氏体晶粒细小、成分均匀。因此，对中、低碳钢，希望原始组织为细片状珠光体+细小块状铁素体。若珠光体中的渗碳体为球状，因铁素体与渗碳体的相界面较片状减少，故将减慢奥氏体形成速率。（3）合金元素合金元素的加入并不改变奥氏体的形成机制，但会影响奥氏体的形成速率。主要表现在以下几个方面：1）合金元素一般将改变珠光体向奥氏体转变的临界点。Ni、Mn、Cu等元素降低临界点，增加了过热度，使奥氏体形成速率加快；而Si、Al、Mo、W等元素则升高临界点，降低奥氏体形成速率。2）合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速率，因而也影响奥氏体的形成速率。Co和Ni提高碳在奥氏体中的扩散速率，故加快了奥氏体的形成速率。Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散速率影响不大。而Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速率，故大大降低奥氏体的形成速率。3）合金钢中奥氏体的均匀化时间要比碳钢长得多，使得奥氏体的形成速率也大大降低。所以，对不同的钢，形成奥氏体时所需要的保温时间也不一样。保温时间愈长，溶入奥氏体的合金元素越多，淬透性愈好。（4）含碳量共析钢奥氏体的形成速率最快。这是因为对亚共析钢和过共析来说，除了完成珠光体向奥氏体转变之外，还需要完成铁素体或渗碳体转变。2•晶粒度多晶体内的晶粒大小。钢的晶粒度按其奥氏体化条件与长大倾向又分成起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度三种（1）起始晶粒度指P刚完全转变为A时的A晶粒度细小而均匀越细小越容易长大（2）实际晶粒度钢在某一具体的获得的A的实际晶粒度的大小取决于具体的加热温度和保温时间V—定时T越高t越长越粗（3）本质晶粒度钢在一定条件A晶粒长大的倾向与脱氧方法和化学成分有关过热及校正加热转变终了时所得A晶粒度较细小但如果在转变终了继续升高温度，则A晶粒度继续长大如果仅仅是晶粒长大而未发生使晶界弱化的某些变化，则称为过热使得钢的强度韧性变坏校正办法重新加热到临界温度以上，再次通过加热转变以求得细小的起始A晶粒过热组织的校正：1）由于控温不当导致加热温度过高，在已经引起过热的情况下，应该采用较为缓慢的冷却以获得平衡组织，然后再次加热到正常温度即可获得细晶粒A2）如果过热后仍进行淬火，得到粗大的不平衡组织，则应该采取以下办法a采用中速加热以获得细小A晶粒b,先进行一次退火以获得平衡组织，然后再进行加热。过烧及校正如加热温度过高，不仅A晶粒已经长大，而且在A晶界上也已经发生了某些使晶界弱化的变化，称为过烧。过烧不易消除，方法有：a,重新加热到引起过烧的温度，以缓慢速度冷却。b,重新加热到引起过烧的温度，冷却至室温，再加热到较前次低100到150度，再冷至室温，如此重复加热冷却直到正常加热温度为止c,重新锻造d,进行多次正火对过饱和固溶体在适当温度，下进行加热保温，析出第二相，使强度、硬度升高的热处理工艺称为时效（aging）时效硬化的本质：从过饱和固溶体中析出弥散第二相。在室温放置产生的时效称为自然时效，而加热到室温以上某一温度进行的时效，则称为人工时效7,,时效的析出序列：a过饱和tGP.区过渡相过渡相Gt（CuA12）稳定相影响C曲线形状和位置的主要因素是合金元素，其次还有加热温度、保温时间、晶粒大小等合金元素对TTT图的影响最大。一般来说，除Co和Al以外的合金元素均使C曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳定性。，a,碳含量在0.8%〜1.0%时，C曲线处于最右侧，高于或低于这一含量时，曲线均向左移动。b,Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素使珠光体转变温度提高，而贝氏体转变温度降低，使得C曲线的珠光体和贝氏体转变分离。Ni和Mn是扩大奥氏体区的元素，使过冷奥氏体转变向低温移动。C,C对Ms和Mf点的影响最大，随含碳量增加，使Ms和Mf点降低，d,Al、Co提高Ms点，Si几乎无影响，而Cu、Ni、W、Mo、Cr、Mn等合金元素降低Ms点等温淬火是将工件奥氏体化以后，淬入保持一定温度的盐浴中，使其获得下贝氏体组织的工艺方法。测定CCT图的方法有金相硬度法、膨胀法、端淬法和磁性法等几种。。经过退火或正火后，亚共析钢得到的组织常为铁素体+片状珠光体，而共析或过共析钢的组织常为片状或粒状珠光体，。经过退火或正火后，亚共析钢得到的组织常为铁素体+片状珠光体，而共析或过共析钢的组织常为片状或粒状珠光体13,,铁素体概念碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格，用“F表示，铁素体的性能:强度和硬度低，而塑性、韧性好。在770°C以上具有顺磁性，在770°C以下时呈现铁磁性。14,珠光体是a和Fe3C两相的机械混合物。根据Fe3C的形态不同，珠光体主要分为片状珠光体和粒状珠光体两种，15片状珠光体：由片层相间的铁素体和渗碳体片组成，珠光体团：若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成。根据珠光体片间距的大小，可将珠光体分为三类。(1)一般的片状珠光体：A1〜650C温度范围内形成的其片间距大约为150~450nm(2)在650〜600°C温度范围内形成的珠光体，其片间距较小，约为80〜150nm，这种片状珠光体称为索氏体(S)。(3)在600〜550°C温度范围内形成的珠光体，其片间距极细，约为30〜80nm，这种极细的珠光体称为屈氏体(T)片状珠光体的力学性能主要决定于片间距。珠光体的片间距对强度和塑性的影响，断裂强度与片间距的倒数成正比，与晶粒尺寸基本无关；当片间距大于150nm时，钢的塑性基本不变，而当片间距减小于150nm时，随片间距减小，钢的塑性显著增加粒状珠光体：当渗碳体是以颗粒状分布于铁素体基体中时(2)一般球化退火得到粒状珠光体。(3)渗碳体颗粒的大小、形态及分布与热处理工艺有关，其数量取决于钢中的含碳量。(4)粒状珠光体的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态与分布。渗碳体颗粒越细，相界面越多，钢的硬度和强度越高。碳化物等轴状，分布越均匀，则钢的韧性越好。(5)在成分相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体的强度、硬度稍低，但塑性较好。粒状珠光体硬度稍低的原因是由于其铁素体和渗碳体的相界面比片状珠光体少亚共析钢在退火或正火状态下，随P的增加，强度提高，塑性，韧性降低，韧脆转变温度提高片状珠光体形成机制珠光体的形成包括Fe、C原子的扩散和Fe晶格的改组，因此珠光体转变是一种全扩散型转变。珠光体的形成除了按，片状机制外，还有分枝机制，此时珠光体中的渗碳体以分枝形式长大21，珠光体转变过程包括两个同时进行的过程：通过碳原子的扩散使奥氏体分解为高碳的Fe3C和低碳的F；(2)通过铁原子的扩散发生晶体结构的改组。A〜P(F+Fe3C)22片状珠光体的机械性能取决于(1)层片间距S0；⑵珠光体团尺寸；(3)F亚结构。片状珠光体与粒状珠光体性能比较同一成分钢，P粒相界面比P片少，强度低；塑性好是因为F呈连续分布，Fe3C颗粒分布在F基体上，对位错阻碍作用小。因此P粒表现出⑴切削加工性能好；（2）冷塑性变形性能好；（3）加热时变形或开裂倾向小。片状珠光体形成过程1）、形核（a）形核位置：Fe3C形核于奥氏体晶界或奥氏体晶内未溶Fe3C粒子。珠光体优先在奥氏体晶界上或其他晶体缺陷处形核。（b）晶核的形状：薄片。因表面积大，易接受扩散来的原子，且应变能小。2）、长大片状P的长大方式：（1）交替形核、纵向长大；（2）横向长大；（3）分枝形式长大粒状珠光体一般通过特定的热处理获得。生产中广泛应用的球化退火、淬火+高温回火，即通过下述方法得到粒状珠光体特定的热处理条件是：（1）低的奥氏体化温度，短的保温时间，加热转变未充分，有较多的未溶渗碳体粒子。⑵A-P临界点下高的等温温度，长的等温保温时间，冷却速度极慢，以得到粒状珠光体。（3）淬火+高温回火（调质处理）26伪共析转变概念：若将亚（过）共析钢自奥氏体区以较快速度冷却下来，先共析铁素体（或渗碳体）将来不及析出，奥氏体将被过冷到ES（GS）线的延长线SE（SG）以下T1温度，由于ESE和GSG分别为渗碳体和铁素体在奥氏体中的溶解度曲线，因此在该温度下保温一段时间，将自奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体，即过冷奥氏体将发生珠光体转变。但此时的珠光体与共析成分的珠光体不同，其中的铁素体与渗碳体的相对量与珠光体不同，随奥氏体的含碳量而变。这种转变称为伪共析转变，转变产物称为伪共析组织。ESG以下区域称为伪共析转变区。27珠光体等温转变的特点 （1）有孕育期，且孕育期随温度变化有极小值；（2）温度降低，转变速度增加，对应鼻温转变温度时转变速度最大，高于或低于该温度，转变速度均降低。（3）转变时间增加，转变量增加，当转变量超过50%后，转变量降低（A-P时对A产生压应力抑制A-P转变，压应力下C、Fe原子扩散和晶格改组困难）28退火概念将钢加热到临界温度Ac1以上或以下温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（如炉冷、坑冷、灰冷等）获得接近平衡组织的热处理工艺称为退火29,退火的目的总体：改善组织，提高性能a降低硬度，改善切削加工性能适合机加工的硬度范围：150-250HBb细化晶粒，均匀组织；c消除内应力；d去除气体，避免白点。注：当为目的b时，往往用正火代替退火30毛坯生产一一预备热处理一一机械加工一一最终热处理一一机械精加工预备热处理：退火;正火；调质最终热处理:淬火;回火；表面热处理31对结构钢、弹簧钢、热作模具钢等的完全退火退火加热速度取100-200°C/h,保温时间如下式：T=8・5+Q/4（h）对于亚共析钢锻轧钢材完全退火主要是消除锻后的组织及硬度的不均匀性，改善切削加工性能，为后续的热处理做好组织准备•保温时间：T=（3~4）+（0・4~0・5）Q（h）冷却速度:一般碳钢小于200C/h，而碳钢，低合金钢:100C/h 高合金钢:50C/h出炉温度:600C以下常用退火的工艺方法（1）完全退火 特点：a工艺：完全奥氏体化；b组织：层片状珠光体。目的：a降低硬度，改善切削加工性能；b细化晶粒；消除内应力；减轻组织不均匀性（消除魏氏组织等）适用范围：含碳0・30~0・60%的中碳钢、合金钢的铸、锻、热轧、焊件的预备热处理。（2）球化退火一一不完全退火的一种特点：a工艺：不完全奥氏体化；b组织：球状或粒状珠光体。目的：a降低硬度，改善切削加工性能；b获得均匀组织，改善热处理工艺性c经淬火、回火后获得优良的综合机械性能适用范围：含C量较高的工、模具钢的预备热处理工艺关键：aFe3C形态控制控制奥氏体化程度b球的大小控制控制过冷奥氏体冷却转变的温度T12钢完全退火与球化退火后组织与性能比较球化退火的强硬度更低，塑韧性更好,碳化物对基体的分割更均匀、彻底，更利切削加工等温退火优点：周期短，组织更均匀，是完全退火和球化退火工艺的改进。炉子要求比较高，最好釆用分段控温的连续加热炉，小批量生产时可采用两台炉子（加热炉和保温炉）进行操作。扩散退火1：定义：扩散退火又称均匀化退火。将金属铸锭或锻坯，在稍低于固相线的温度下长期加热，消除或减少化学成分偏析及显维组织的不均匀性，以达到均匀化的目的的热处理工艺。2：工艺：a）L般均匀化温度可选择在高于0・8〜0.9T熔，但低于固相线温度。b）:碳钢一般选择110（〜1200度・c）洽金钢为使其共晶碳化物充分溶解，温度允许提高到115（〜1250度将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新形核，转变为均匀细小的等轴晶粒，同时消除加工硬化的热处理工艺称为再结晶退火，36在冷变形加工中，随变形量增加，金属的强度、硬度增大，而塑性韧性则降低。这种现象称为加工硬化37去氢退火：溶解于固溶体中的氢，容易造成钢中出现白点缺陷。为了消除大型锻钢件中出现白点缺陷而进行的退火，称为去氢退火（又称为消除白点退火）。防治方法：①退火工艺参数的选择必须满足氢在钢中的溶解度小而扩散速度大的条件，使其排出锻件或由固溶状态变为分子状态存在。分子状态的氢所引起的压力可以通过塑性变形来消除，而不形成白点。②氢在a-Fe中的扩散系数比在丫-Fe中的扩散系数大得多，去氢退火在A1温度以下进行38去应力退火①定义：将冷变形后的金属在低于再结晶温度加热，以消除内应力，但仍保留加工硬化效果的热处理，称为去应力退火。球化退火①定义:使钢获得弥散分布于铁素体基体上的颗粒状碳化物组织（粒状珠光体）的热处理工艺称为球化退火。②目的:降低硬度，改善切削加工性能；消除网状或粗大碳化物颗粒，为最终热处理淬火做好组织准备，从而减小淬火时的变形和开裂。③应用:高碳工具钢、模具钢及轴承钢制作的刀具、冷作模具及轴承零件等的预备热处理，以改善切削加工性能及加工精度，防止工具的脆断和刀口崩落，提高轴承的接触疲劳寿命等。④分类：低温球化退火、一次球化退火、等温球化退火及周期球化退火。工艺：①连续退火一球不均匀；周期长②等温退火一球均匀；周期缩短低温球化退火①低温球化退火是将钢材或工件加热到Ac1以下10~30°C左右，长时间保温（一般90~100小时）后缓冷至450~550C后出炉空冷，以获得粒状珠光体的热处理工艺。②原珠光体片层较薄，且无网状碳化物出现的合金结构钢及高碳工具钢，以降低硬度,改善切削加工性；有时为了便于对低碳钢进行冷变形加工，也可进行低温球化退火412•—次球化退火①将钢加热到Acl与Accm（或Ac3）之间，一般稍稍高于Ac1温度，充分保温一定时间（2~6h）,然后缓慢冷却至500~650°C出炉冷却，称为一次球化退火②应用：一次球化退火工艺是目前生产中应用最广泛的球化退火工艺，它实际上是不完全退火。③对于亚共析钢，随着含碳量的增多，一次退火的加热温度略有降低；而对于过共析钢，则随其含碳量的增多，加热温度升高。42等温球化退火①将共析钢或过共析钢加热到Ac1+（20~30°C）保温，接着冷却到略低于Ar1以下的温度保持一段时间，然后炉冷或空冷到室温的球化退火工艺称为等温球化退火②若原始组织中网状碳化物较严重，则需加热到略高于Accm的温度，使碳化物网溶入奥氏体中，然后较快地冷却到Ar1以下温度进行等温球化退火③应用：与一次球化退火工艺相比，等温球化退火可获得较好的球化质量，提高生产率，因此它多应用于碳钢及合金钢刀具、冷冲模具以及轴承零件。43周期球化退火①将钢加热到Acl以上稍高的温度，短时保温后炉冷至略低于Ari,再进行短时保温，如此反复多次加热和冷却，称为周期球化退火（又称往复球化退火）②优点：Acl以上的短时加热，除奥氏体化外，还可使网状碳化物溶断，而在Ari以下保温时变为球状，同时使珠光体中的渗碳体附着在这些球上生长。几次反复后，便可得到球化效果更好的粒状珠光体组织。③周期球化退火适用于小批量生产的小型工具。特别适用于前几种工艺难于球化的钢种。44,正火将钢加热到Ac3或Accm以上30~50°C,保温一定时间使之完全奥氏体化后，在空气中冷却（大件也可采用鼓风或喷雾），得到珠光体类型组织的热处理工艺称为正火。其实质是完全奥氏体化加伪共析转变。45退火与正火的区别：①二者的加热温度相同，但正火的冷却速度较快，转变温度较低。②对于亚共析钢来说，相同钢正火后组织中析出的铁素体数量减少，珠光体数量增多，且珠光体的片间距减小；对于过共析钢来说，正火可以抑制先共析网状渗碳体的析出，钢的强度、硬度和韧性也比较高。46正火应用：可以作为预备热处理工艺，为后续的热处理工艺提供合适的组织状态，例如消除严重的网状碳化物，为过共析钢的球化退火提供细片状珠光体；又可以作为最终热处理工艺，满足工件的使用性能要求。（1）低碳钢选用正火作为预先热处理，可改善切削加工性能。⑵消除中碳钢热加工缺陷（3）消除过共析钢的网状碳化物（4）提高普通结构件的力学性能（5）避免淬火时的变形和开裂47退火、正火缺陷 （1）硬度偏高经常出现在含碳大于0.45%的中碳、高碳钢锻件中，主要是由于加热温度过高，冷速较快，球化不充分或碳化物弥散度较大所引起。也与装炉量过大、炉温不均匀有关（2）过热①工件在加热时加热温度过高、保温时间过长及炉内温度不均匀等都可以造成局部过热。过热的典型组织特征就是形成粗晶粒的组织，若冷却又较快时（如正火），会出现粗大的魏氏组织，使钢的性能恶化。②通过完全退火使晶粒细化加以消除（3）球化不完全①过共析钢球化退火后若球化不完全时，组织中会有细小片状碳化物存在。②原因：球化退火前有较严重的网状渗碳体，在退火时会出现集聚而造成。它们使得硬度偏高，而且在后续的淬火加热时易溶入奥氏体中，因而使淬火开裂倾向增加，而且残余奥氏体量会增多。③该缺陷可通过正火和球化退火来消除（4）脱碳工件在氧化性介质中加热时，会出现脱碳现象。若产生的脱碳层在规定的工艺公差之内，可在后续的切削加工中去除，对工件的最终热处理也不会产生影响。否则将导致淬火后的硬度不足、冷却时出现开裂。采用真空或保护气氛加热可防止脱碳现象的出现。（5）退火石墨碳 碳素工具钢或合金钢在退火时加热温度过高，保温时间过长，冷却缓慢或多次返修退火时容易出现石墨碳。在石墨碳的周围形成低碳大块铁素体，严重时断口呈黑色。石墨碳的出现会降低硬度，同时由于石墨对基体有割裂作用，降低了表面光洁度，刀具在使用中易崩刃和出现早期磨损。淬火后易出现淬火软点，对性能不利。48,1.低碳钢正火的目的：提高切削性能。2.中碳钢正火应根据钢的成分及工件尺寸来确定冷却方式。含碳量较高，含有合金元素，可釆用较缓慢冷却速度，如在静止空气中或成堆堆放冷却，反之则采用较快冷却速度3.过共析钢正火：消除网状碳化物，可采用较大冷速，如鼓风，喷雾，甚至油冷，水冷至Ari点以下，取出空冷。4.双重正火：过热组织或铸件粗大铸造组织，采用两次正火第一次正火：AC3+150~200C 第二次正火:A3+30~50C目的是为了细化组织。49正火与退火的选用 （1）含0.25%C以下的钢，在没有其它热处理工序时，可用正火来提高强度。（2）对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。但对含碳低于0.20%的钢，如前所述，应采用高温正火。对这类钢，只有形状复杂的大型铸件，才用退火消除铸造应力。（3）对含碳0.25—0.50%的钢，一般采用正火。其中含碳0.25—0.35%钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。对含碳较高的钢，硬度虽稍高（200HB）,但由于正火生产率高，成本低，仍采用正火。只有对合金元素含量较高的钢才釆用完全退火。（4）对含碳0.50—0.75%的钢，一般采用完全退火。因为含碳量较高，正火后硬度太高,不利于切削加工，而退火后的硬度正好适宜于切削加工。此外，该类钢多在淬火、回火状态下使用，因此二般工序安排是以退火降低硬度，然后进行切削加工，最终进行淬火、回火。（5）含碳0.75〜1.0%的钢，有的用来制造弹簧，有的用来制造刀具。前者釆用完全退火作预备热处理，后者则釆用球化退火。诚然，当采用不完全退火法使渗碳体球化时，应先时行正火处理，以消除网状渗碳体，并细化珠光体片。（6）含碳大于1,0%的钢用于制造工具，均采用球化退火作预备热处理。49影响球化质量的因素①加热温度一决定球化程温度过高：A均匀，粗片状P+少量球状渗碳体一一热组织 温度过低：细片状P+球状渗碳体一一欠热组织②冷却速度球大小均匀度钢硬度冷速慢：颗粒大而均匀冷速快：颗粒小，硬度高总要求：Ar1附近缓慢冷却50马氏体转变不仅新相和母相有一定的位向关系，而且马氏体在奥氏体的特定晶面上形成，这个晶面称为惯习面。（2）钢中马氏体的惯习面随奥氏体的含碳量及马氏体的形成温度而变化。C%V0.5%时，惯习面为｛111"，C%=0・5%~1.4%时，惯习面为｛225JY，C%>1.4