金屬材料組織形式、特點(diǎn)和性能的控制

1、金屬材料組織形式、特點(diǎn)和性能的控制 單元5 1第二章 金屬材料組織和性能的控制2.1 純金屬的結(jié)晶凝固：液態(tài)L固態(tài)S S可以是非晶體。結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)過渡為另一種原子 規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程。 一次結(jié)晶：LS晶態(tài)二次結(jié)晶：SS晶態(tài)一、純金屬結(jié)晶的條件1 純金屬冷卻曲線液態(tài)金屬在結(jié)晶時(shí)的溫度時(shí)間曲線 過冷度理論結(jié)晶溫度 和實(shí)際結(jié)晶溫 度之差。 2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 2T = T0Tn 冷速越快，過冷度越大過冷指液態(tài)金屬實(shí)際 冷卻到結(jié)晶溫度 以下而暫不結(jié)晶 的現(xiàn)象。2 純金屬結(jié)晶的條件F TTFF固F液F= F固F液0 結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力 自然界的自發(fā)過

2、程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是F0只有當(dāng)液體的過冷度達(dá)到一定的大小，使結(jié)晶的動(dòng)力F大于建立界面所需要的表面能時(shí)，結(jié)晶過程才能開始進(jìn)行。自由能溫度2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 33、純金屬的結(jié)晶過程2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 4.形核自發(fā)形核 非自發(fā)形核 .長大平面長大 樹枝狀長大結(jié)晶過程 2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 52.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 6二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc) 139491213941538912-Fe-Fe(fcc）a

3、-FeT時(shí)間770居里點(diǎn)以純鐵為例-Fe(fcc) a-Fe(bcc)鐵的體積會(huì)膨脹12.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 7純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 8三、晶粒尺寸的控制 （1）晶粒度單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度（或直徑）表示 （2）過冷度對(duì)形核一長大的影響過冷度T提高，N提高、G提高過冷T太高，N降低、G降低（3）控制晶粒度的因素提高過冷度變質(zhì)處理在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。振動(dòng)，攪拌等2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 1一、合金相圖類型

4、相圖是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。平衡是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各項(xiàng)的成分和相對(duì)質(zhì)量不在變化所達(dá)到的一種狀態(tài)。此時(shí)合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而改變。（一）二元合金的結(jié)晶2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元62 根據(jù)結(jié)晶過程中出現(xiàn)的不同類型的結(jié)晶反應(yīng)，可把二元合金的結(jié)晶過程分為下列幾種類型。1. 發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶2. 發(fā)生共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 如Pb-Sn合金相圖3. 發(fā)生包晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相圖4發(fā)生共析反應(yīng)的合金的結(jié)晶2.金屬材料組織和性能的控制

5、2.2 合金的結(jié)晶 單元6 3發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 Cu-Ni相圖為典型的勻晶相圖，合金發(fā)生勻晶反應(yīng) ：L,從液相中逐漸結(jié)晶出固溶體。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 42. 發(fā)生共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 如Pb-Sn合金相圖 由一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫共晶反應(yīng)。生成的兩相混合物叫共晶體。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 53. 發(fā)生包晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相圖包晶反應(yīng)：c+ Ld 一種固相和液相結(jié)晶出另外一種固相，發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)三相共存，他們的成分確定，反應(yīng)在恒溫下平衡地進(jìn)行。2.

6、金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 64發(fā)生共析反應(yīng)的合金的結(jié)晶 由一種固相轉(zhuǎn)變成完全不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固相，此兩相混合物稱為共析體。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 7（二）合金的性能與相圖的關(guān)系1.合金的使用性能與相圖的關(guān)系 固溶體的性能與溶質(zhì)元素的溶入量有關(guān)，溶質(zhì)的溶入量越多，晶格越大，合金的強(qiáng)度、硬度越高，電阻越大。合金的某些性能可按組成相性能依質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系疊加的辦法求出。 例如硬度：HB=HB()+HB() 對(duì)組織較敏感的某些性能如強(qiáng)度等，與組成相或組織成物的形態(tài)有很大關(guān)系。組成相或組織組成物越細(xì)密，強(qiáng)度越高。但形成化合物時(shí)，則在性能-成

7、分曲線上于化合物成分處出現(xiàn)極大值或極小值。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 82.合金的工藝性能與相圖的關(guān)系合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系： 純組元和共晶成分的合金的流動(dòng)性最好，縮孔集中，鑄造性能好。相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對(duì)澆注和鑄造質(zhì)量越有利。合金的液、固相線溫度間隔大時(shí)，形成枝晶偏析的傾向性大；同時(shí)先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙為結(jié)晶液體的流動(dòng)，而降低其流動(dòng)性，增多分散縮孔。所以，鑄造合金常選共晶或接近共晶的成分。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 9合金的鍛造性能與相圖的關(guān)系： 合金為單相組織時(shí)變形抗力小，變形均勻，

8、不易開裂，因而變形能力大。雙相組織的合金變形能力。雙相組織的合金變形能力差些，特別是組織中存在有較多的化合物相時(shí)更是如此，因?yàn)樗麄兌己艽唷?.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 1二、 鐵碳合金組織（一）、Fe-Fe3C相圖的組元 1Fe組元性能特點(diǎn)強(qiáng)度低、硬度低、韌性、塑性好2Fe3C （ Cem， Cm）性能特點(diǎn)熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零?？估瓘?qiáng)度b=180230MPa延伸率=30 50斷面收縮率=70 80ak=1.6 102 10 J/66硬度 50HB80HB抗拉強(qiáng)度b=30MPa硬度 800HB=0=0ak=0（二）、Fe-Fe3C相圖中的相和組織2.金屬

9、材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 21液相L2相 高溫鐵素體 （C固溶到 Fe中的間隙式固溶體）3相 鐵素體F （C固溶到 -Fe中的間隙式固溶體）強(qiáng)度、硬度低、塑性好 （室溫：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4相、A奧氏體 （C固溶到-Fe中的間隙式固溶體）強(qiáng)度低，易塑性變形5Fe3C性能特點(diǎn)熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 36珠光體 P （鐵素體和滲碳體的共析混合物）抗拉強(qiáng)度b=770MPa延伸率= 20 35斷面收縮率=40 60ak=3 104 10 J/55硬度 180HBA F+F

10、e3C 或A P7277277萊氏體 高溫萊氏體 Le（奧氏體和滲碳體的共晶混合物）L1148Le低溫萊氏體 Le硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 42.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 5（三）、分析Fe-Fe3C相圖2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 92.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 102.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 1（三）、分析Fe-Fe3C相圖2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 22.金屬材料組織和性能的控制 2.2

11、 合金的結(jié)晶 單元8 4基于Fe-Fe3C相圖的Fe-C合金分類1工業(yè)純鐵，C%=0.0218%2鋼0.0218%C%= 2.11%亞共析鋼 0.0218%C%0.77%共析鋼 0.77%過共析鋼 0.77%C%= 2.11%3白口鑄鐵2.11%C%6.69%亞共晶白口鑄鐵 2.11%C%4.3%共晶白口鑄鐵 4.3%過共晶白口鑄鐵 4.3 %C%F+P-PdP+Fe3CII-P+Fe3CII+Le-Le-Le+Fe3CII-Fe3C2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 7F F+P P P+Fe3CII P+Fe3CII+LeLe Le+Fe3CII Fe3C2.含碳量組

12、織HB：取決于相及相對(duì)量3.含碳量性能C%HB 強(qiáng)度：C% 0.9% 塑性、韌性：C%塑性、韌性2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 8鐵碳合金相圖的建立2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 9鐵碳合金加熱冷卻轉(zhuǎn)變2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 10（六）、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1、在鋼鐵選材方面的應(yīng)用2、在鑄造工藝方面的應(yīng)用3、在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用4、在熱處理工藝方面的應(yīng)用2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 11鐵碳合金相圖練習(xí)題一、 名詞解釋 相圖 鐵素體 奧氏體 珠光體 滲碳體 二、間答題1、

13、合金結(jié)晶有哪些類型？各自的結(jié)晶特征？2、按鐵碳相圖，鐵碳合金如何分類？其中三種鋼室溫組織 是什么？3、含碳量為、三種鋼在700 770、 900時(shí)分別各為何組織？4、計(jì)算一下50鋼和T10鋼在室溫下 HBS、 、 數(shù)值？b 5、隨鋼中含碳量增加，其機(jī)械性能如何變化？其原因？2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 1一、金屬材料的塑性變形1、單晶體的塑性變形 單晶體塑性變形的基本方式滑移和孿生 （1）滑移 在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)滑移的特點(diǎn)： 滑移只在切應(yīng)力作用下發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力大小

14、不同。 滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。并非是晶體兩部分沿 滑移面作整體的滑動(dòng)。2.3 金屬的塑性加工2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 22.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 3 滑移造成的晶體總變性量是原子間距的整數(shù)值，不引起晶格位向的變化。 滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向進(jìn)行。 滑移系（滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向），滑移系數(shù)目，材料塑性；滑移方向，材料塑性。如FCC和BCC的滑移系為12個(gè)，HCP為3個(gè)，F(xiàn)CC的滑移方向多于BCC，金屬塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。 滑移時(shí)晶體伴

15、隨有轉(zhuǎn)動(dòng)。金屬材料塑性變形的實(shí)質(zhì)：金屬塑性變形實(shí)質(zhì)上是以滑移和孿生兩種形式通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行的。 2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 4一、金屬材料的塑性變形（2）孿生在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變。 金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對(duì)稱關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或?qū)\晶。孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生. 孿生原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值. FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生，BCC金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。HCP金屬較容易發(fā)

16、生孿生。 2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 52、多晶體的塑性變形多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。細(xì)晶強(qiáng)化通過晶粒細(xì)化使強(qiáng)度提高、塑性提高、韌性提高，硬度提高的現(xiàn)象。強(qiáng)化原理晶界原子排列較不規(guī)則缺陷多滑移阻力大。晶粒越細(xì)小，則晶界越多，變形抗力越大，則強(qiáng)度越大。晶粒越細(xì)小，單位體積晶粒多變形分散減少應(yīng)力集中 晶粒越細(xì)小，晶界多不利于裂紋的傳播斷裂前承受較大的塑性變形，則塑性越好。 由于晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高，塑性越好，所以斷裂時(shí)需要消耗較大的功。因而韌性也較好。2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 63、塑性變

17、形對(duì)金屬組織和性能的影響（1）塑性變形對(duì)金屬組織的影響 形成纖維組織 形成亞結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生形變織構(gòu)（2）塑性變形對(duì)金屬性能的影響 產(chǎn)生加工硬化加工硬化金屬發(fā)生塑性變形,隨變性度的增大，其強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。如：冷軋薄鋼板 冷拔鋼絲等。 由于纖維組織和形變織構(gòu)的產(chǎn)生，使金屬性能產(chǎn)生各向異性。使金屬晶體缺陷增多，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力。變性、開裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強(qiáng)度2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 1 單元10 二、塑性變形后金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化1、回復(fù) T回復(fù)=（.3）T熔點(diǎn)回復(fù)使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度略有下降，塑性增高，但殘余應(yīng)力大大

18、降低。變化應(yīng)用工業(yè)上利用回復(fù)過程對(duì)變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火來降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元10 22、再結(jié)晶 T再=（.4）T熔點(diǎn) 變形后金屬在較高溫度加熱時(shí)，由于原子擴(kuò)散能力增大，變形和破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，該過程稱為再結(jié)晶 。變化再結(jié)晶使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，殘余應(yīng)力完全消除，加工硬化現(xiàn)象被消除。，應(yīng)用工業(yè)上利用再結(jié)晶過程對(duì)變形后金屬進(jìn)行再結(jié)晶退火來消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬的塑性和韌性。以利于后面的變形加工。3、晶粒長大2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑

19、性加工 3 單元10 三、金屬材料的熱加工和冷加工1、金屬材料的熱加工及其對(duì)組織和性能的影響熱加工在金屬再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。如鋼熱鍛和熱軋，但熱加工后不產(chǎn)生加工硬化。思考題：其原因是什么？熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響： 能消除鑄態(tài)金屬中的各種缺陷，均勻組織，提高性能，尤其塑性和韌性。 能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，細(xì)化晶粒，提高機(jī)械性能。 能形成纖維組織，并改善其流向，使性能的方向性有利于零件使用的需要。2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 4 單元10 2、金屬材料的冷加工及其對(duì)組織和性能的影響冷加工在金屬再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工。如鋼冷軋、冷拔、冷沖。

20、冷加工后產(chǎn)生加工硬化。思考題：其原因是什么？冷加工對(duì)金屬組織和性能的影響： 能產(chǎn)生加工硬化，提高強(qiáng)度和硬度，塑性和韌性下降。 是重要的 強(qiáng)化手段，對(duì)不能熱處理強(qiáng)化的合金尤其重 要。但增加繼續(xù)塑性變形的抗力。2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元10 52.3 金屬的塑性加工 練習(xí)題、名詞解釋回復(fù) 再結(jié)晶加工硬化熱加工 冷加工二、簡答題1、金屬塑性變形的主要方式和實(shí)質(zhì)?滑移孿生2、什么是細(xì)晶強(qiáng)化？其強(qiáng)化原理？3、回復(fù)和再結(jié)晶對(duì)塑性變形后金屬性能帶來什么影響?在工業(yè)上如何應(yīng)用？4、鋼熱鍛和熱軋后是否產(chǎn)生加工硬化？為什么？5、鋼經(jīng)冷軋等冷加工后是否產(chǎn)生加工硬化？加工硬化產(chǎn)生的原因

21、？6、為何面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性好？7、熱加工對(duì)金屬組織和性能有何影響？2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 1鋼熱處理基本原理一、鋼在加熱時(shí)轉(zhuǎn)變 大多數(shù)熱處理工藝都要將鋼加熱到臨界溫度以上，獲得全部或部分奧氏體組織，即進(jìn)行奧氏體化，加熱時(shí)形成的奧氏體的質(zhì)量，對(duì)冷卻轉(zhuǎn)變過程及組織.性能有極大的影響。1. 奧氏體的形成 通常將加熱時(shí)的臨界溫度標(biāo)為；冷卻時(shí)標(biāo)為。 共析鋼（T8）的室溫平衡組織為珠光體，當(dāng)加熱到Ac1以上時(shí)，珠光體將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。奧氏體轉(zhuǎn)變過程：奧氏體晶核的形成；奧氏體晶核的長大；剩余滲碳體的溶解及奧氏體成分的均勻化四個(gè)基本過程。2.金屬材料組

22、織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 22. 影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素（1）加熱溫度隨加熱溫度的提高，碳原子擴(kuò)散速度增大，奧氏體化速度加快。（2）加熱速度加熱速度越快過熱度越大，發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度越高，轉(zhuǎn)變所需時(shí)間就越短。（3）鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，滲碳體量增多，鐵素體和滲碳體的相界面增大，因而奧氏體的核心增多，轉(zhuǎn)變速度加快。（4）合金元素鈷.鎳等加快奧氏體化過程；鉻.鉬.釩等減慢奧氏體化過程；（5）原始組織原始組織中滲碳體為片狀時(shí)奧氏體形成速度快。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 33. 奧氏體的晶粒度及其影響因素 鋼的奧氏體晶粒大小直接影響冷卻所得組

23、織和性能。奧氏體晶粒細(xì)時(shí)，退火后所得的組織亦細(xì)，則鋼的強(qiáng)度.塑性.韌性較好。而淬火后得到的馬氏體也細(xì)小，因而韌性得到改善。 生產(chǎn)中一般采用標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)圖，由比較的方法來測定鋼的奧氏體晶粒大小。晶粒度通常分8級(jí)，14級(jí)為粗晶粒度，58級(jí)為細(xì)晶粒度。 鋼加熱到930*C+-10*C.保溫8小時(shí).冷卻后測得的晶粒度叫本質(zhì)晶粒度?？杀硎緤W氏體晶粒長大的傾向。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 4影響奧氏體晶粒度的因素： 加熱溫度和保溫時(shí)間溫度高，時(shí)間長促進(jìn)奧氏體晶粒長大。 鋼的成分碳含量增高時(shí)，晶粒長大的傾向增多。鋼中加入能形成穩(wěn)定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有

24、利于得到本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 5二、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 等溫處理 將鋼迅速冷卻到臨界點(diǎn)以下給定溫度，進(jìn)行保溫，使其在該溫度下恒溫轉(zhuǎn)變。 連續(xù)冷卻 將鋼以某種速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點(diǎn)以下變溫連續(xù)轉(zhuǎn)變。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 61.過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼過冷奧氏體的溫度轉(zhuǎn)變過程和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物可用其等溫轉(zhuǎn)變曲線圖來分析。該曲線可簡稱為C 曲線。轉(zhuǎn)變分如下三個(gè)區(qū)域。高溫轉(zhuǎn)變（在A1550之間）組織名稱符號(hào)轉(zhuǎn)變溫度范圍硬度放大倍數(shù)珠光體PAc1650170200HB500索氏體S6506002535HRC1000屈

25、氏體T6005503540HRC2000 中溫轉(zhuǎn)變550 Ms之間 (過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體型組織)550350 為上貝氏體。上B呈羽毛狀，強(qiáng)度和韌性都較差。350Mf為下貝氏體。為黑色針狀，硬度高，韌性好，具有較高的綜合機(jī)械性能。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 7 低溫轉(zhuǎn)變Ms點(diǎn)以下 （過冷奧氏體冷卻到Ms點(diǎn)以下后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變） 馬氏體M碳溶于Fe中的過飽和固溶體。過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是一種非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，形成速度很快，其轉(zhuǎn)變不是徹底的，要?dú)埩羯倭康膴W氏體。馬氏體形成時(shí)體積膨脹,在鋼中造成很大的內(nèi)應(yīng)力,嚴(yán)重時(shí)將使被處理的零件開裂。 馬氏體的形態(tài)有板條狀和針狀(

26、或稱片狀)兩種.其形態(tài)決定于奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù).碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%以下時(shí),基本上是板條狀馬氏體(亦稱低碳馬氏體), 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%1.0%之間時(shí)，為板條馬氏體和針狀馬氏體的混合結(jié)構(gòu)。當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%時(shí),則大多數(shù)是針狀馬氏體. 馬氏體的硬度很高，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，馬氏體的硬度越高。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 82.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 共析鋼過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變，其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線又稱TTT曲線。 臨界冷卻速度鋼能獲得馬氏體的最小冷卻速度。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 9轉(zhuǎn)變過程及產(chǎn)物：緩慢冷卻時(shí)過冷A將轉(zhuǎn)變

27、為珠光體，呈粗片狀，硬度為170HB220HB。稍快速度冷卻時(shí)過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，為細(xì)片狀組織，硬度為25HRC35HRC。采用油冷時(shí)得到的組織為屈氏體+馬氏體+殘余奧氏體。硬度為45HRC55HRC?？焖俣壤鋮s時(shí)奧氏體將過冷到M。點(diǎn)以下，得到的組織是馬氏體+殘余奧氏體。 綜上所述，剛在冷卻時(shí)，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物根據(jù)其轉(zhuǎn)變溫度的高低可分為高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物珠光體、索氏體、屈氏體，中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物上貝氏體、下貝氏體，低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物馬氏體等幾種。隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度增高，而韌性的變化則較為復(fù)雜。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 12.4.2 退火和正火一、退火 將組

28、織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得接近碰橫狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做退火。 據(jù)處理的目的和要求不同，剛的退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火和去應(yīng)力退火等等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 21. 完全退火 又稱重結(jié)晶退火，是把鋼加熱至以上2030，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻（隨爐冷卻或埋入石灰和砂中冷卻）。以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。目的: 通過完全重結(jié)晶，使熱加工造成的粗大、不均勻的組織均勻化和細(xì)化，以提高性能。由于冷卻速度緩慢，還可能消除內(nèi)應(yīng)力。應(yīng)用：主要用于亞共析鋼，過共析鋼不宜采用。2.金屬材料組

29、織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 32. 等溫退火 是將鋼件或毛坯加熱到高于Ac的溫度保溫適當(dāng)時(shí)間后，較快地冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度，并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。目的：與完全退火相同但轉(zhuǎn)變較易控制，能獲得均勻的預(yù)期組織；對(duì)于奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，長可大大縮短退火時(shí)間。應(yīng)用：奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，尤其高合金鋼。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 43. 球化退火使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝目的: 是使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化(退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎),以降低硬度,改善切學(xué)加工性能;并為以后的淬火作組織準(zhǔn)備.應(yīng)

30、用：用于過共析鋼,如工具鋼,滾珠軸承鋼等,2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 54. 擴(kuò)散退火 將其加熱到略低于固相線的溫度，長時(shí)間保溫并進(jìn)行緩慢冷卻的熱處理工藝。 擴(kuò)散退火的加熱溫度一般選定在鋼的熔點(diǎn)以下100200，保溫時(shí)間一般為10h15h。加熱溫度提高時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間可以縮短。 擴(kuò)散退火后鋼的晶粒很大，因此一般再進(jìn)行完全退火或正火處理。目的和應(yīng)用：為減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學(xué)成分和組織不均勻性。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 65.去應(yīng)力退火 為消除鑄造、鍛造、焊接和機(jī)加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應(yīng)力而進(jìn)行的低溫退火，去應(yīng)力

31、退火是將鋼件加熱至低于的某一溫度（一般為500650），保溫，然后隨爐冷卻，這種處理可以消除約50%80%的內(nèi)應(yīng)力，不引起組織變化。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 7二、正火鋼材或鋼件加熱到Ac和Accm以上，保溫適當(dāng)時(shí)間后，在自由流動(dòng)的空氣中均勻冷卻的人處理稱為正火。正火后的組織：亞共析鋼為F+S，共析鋼為S,過共析鋼為S+Fe3C。 正火與完全退火的主要差別在與冷卻速度快些，目的是使鋼的組織正?；砸喾Q?；幚恚话銘?yīng)用于以下方面：2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 81. 作為最終熱處理 正火可以細(xì)化晶粒，使組織組織均勻化，減少亞共

32、析鋼中鐵素體含量，使珠光體含量增多并細(xì)化，從而提高鋼的強(qiáng)讀、硬度和韌性。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)鋼零件，機(jī)械性能要求不很高時(shí)，可以正火作為最終熱處理。2. 作為預(yù)先熱處理 截面較大的合金結(jié)構(gòu)鋼件，在淬火或調(diào)質(zhì)處理前長進(jìn)行正火，以消除魏氏組織和帶狀組織，并獲得細(xì)小而均勻的組織。對(duì)于過共析鋼可減少二次滲碳體量，并使其不形成連續(xù)網(wǎng)狀，為球化退火作組織準(zhǔn)備。3. 改善切削加工性能 低碳鋼或低碳合金鋼退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切學(xué)加工性能。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 12.4.3 淬火和回火一、淬火 將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻以獲

33、得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是鋼的最重要的強(qiáng)化方法。1. 淬火工藝(1) 淬火溫度的選定 一般情況下，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac以上共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 2(2) 加熱時(shí)間的確定 加熱時(shí)間包括升溫和保溫兩個(gè)階段。通常以裝爐后爐溫達(dá)到淬火溫度所需時(shí)間為升溫階段，并以此為保溫時(shí)間的開始。保溫階段指鋼件溫度均勻并完成奧氏體化所需的時(shí)間。(3) 淬火冷卻介質(zhì) 水、鹽水適用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。 機(jī)油和柴油一般用作為合金鋼的淬火介質(zhì)。 鹽浴、堿浴和硝鹽浴常用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小、變形要求嚴(yán)格

34、的工具等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 3(4) 淬火方法 單介質(zhì)淬火法采用一種介質(zhì)冷卻，操作簡單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)用較廣。缺點(diǎn)是水淬變形開裂傾向大；油淬冷卻速度小，淬透直徑小，大件淬不硬。 雙介質(zhì)淬火和分級(jí)淬火能有效的減少熱應(yīng)力和相變英里，降低工件變形和開裂的傾向，所以可用于形狀復(fù)雜和截面不均勻的工件的淬火。 等溫淬火大大降低了鋼件的內(nèi)應(yīng)力，減少變形，適用于處理復(fù)雜和精度要求高的小件，如彈簧、螺栓、小齒輪、軸及絲錐等，也可用于高合金鋼較大截面零件的淬火。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 4二、回火 鋼件淬

35、火后，為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能，將其加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫回火。 淬火綱一般不宜直接使用，必須進(jìn)行回火。這是因?yàn)榈谝淮慊鸷蟮玫降氖切阅芎艽嗟鸟R氏體，并存在有內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生變形和開裂；第二，淬火馬氏體和殘余奧氏體艘是不穩(wěn)定組織，在工作中會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致零件尺寸的變化，而這對(duì)精密零件是不允許的，第三，為了獲得要求的強(qiáng)度，硬度，塑性和韌性，以滿足零件的使用要求。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 5根據(jù)回火溫度的高低，一般將回火分為三種：（1）低溫回火（150-250） 低溫回火后，組織為極細(xì)的e 碳化物和低過飽和

36、度a固溶體， 形態(tài)基本不變。 即為：回火馬氏體+殘余奧氏體。 低溫回火的目的 是降低淬火應(yīng)力，提高工件的韌性，保證淬火后的高硬度和高耐磨性。 應(yīng)用 主要用于處理各種高碳鋼工具、模具、滾動(dòng)軸承以及滲碳和表面淬火的零件。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 6（2）中溫回火（350-500） 得到鐵素體基體與大量彌散分布的細(xì)粒狀的混合組織，叫做回火屈氏體。 中溫回火的目的 獲得回火屈氏體。因?yàn)榛鼗鹎象w具有高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，同時(shí)也具有一定的韌性，硬度一般為35HRC-45HRC。 應(yīng)用 主要用于處理各種彈簧及需要高屈服強(qiáng)度的零件。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼

37、的熱處理 單元13 7（3）高溫回火（500-650） 組織為再結(jié)晶等軸F+粗粒狀Fe3C，稱為回火索氏體 S。高溫回火的目的：獲得良好的綜合機(jī)械性能。 淬火+高溫回火調(diào)質(zhì)處理應(yīng)用 適用于承受各種復(fù)雜載荷的重要的機(jī)械零件。如軸類件、齒輪類件等回火溫度與機(jī)械性能的關(guān)系： 200以下，HRC不變。200-300，M分解，殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度降低不大，高碳鋼硬度有一定的升高。300，HRC降低。韌性：400度開始升高，600最高。 彈性極限：在300-400最高。塑性：在600-650最高。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 12.4.4 鋼的表面熱處理 僅對(duì)鋼的表面加熱

38、、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝稱為表面熱處理，也叫表面淬火。種類: 有感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱和電解加熱等表面熱處理，最常用的是前兩種。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 2 感應(yīng)加熱表面熱處理 感應(yīng)加熱的基本原理 感應(yīng)線圈通以交流電時(shí)，即在其內(nèi)部和周圍產(chǎn)生一與電流相同頻率的交變磁場。把工件置于磁場中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生電阻熱。由于交流電的集膚效應(yīng)，感應(yīng)電流，靠近表面的電流密度大，而中心幾乎為零。電流滲入工件表層的深度，與電流頻率有關(guān)。對(duì)于碳鋼：=500/f 式中，為電流透入深度（mm），f為電流頻率（Hz）。 f愈大，電流透入深度愈小，加熱層也愈薄

39、，不同頻率，可得到不同的淬硬層深度。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 3 感應(yīng)加熱淬火方法種類a. 高頻淬火（1050KHz）:適用于淬硬層0.5mm2mm 的小工件，如：機(jī)床齒輪，小銷等。b. 中頻淬火（100010000Hz）：適用于淬硬層2mm 15mm 的中大型工件，如軸類件。c. 工頻淬火（50Hz）：適用于淬硬層15mm以上的大型工件，如軋輥等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 4 感應(yīng)加熱適用的鋼種 中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB鋼等。這類鋼經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后表面淬火，心部保持較高的綜合機(jī)械性能，而表面具有較高的

40、硬度（50HRC）和耐磨性。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 5 感應(yīng)加熱淬火工藝特點(diǎn)表面淬火組織為細(xì)隱晶馬氏體。表面硬度高，比一般淬火高2HRC3HRC，且脆性較低。表面淬火可提高工件的疲勞強(qiáng)度。加熱速度快，沒有保溫時(shí)間，效率高，工件氧化脫碳少，淬火變形也小。加熱溫度和淬硬層厚度容易控制，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化?？蓪?shí)現(xiàn)連續(xù)加熱、一次加熱和局部加熱淬火。其缺點(diǎn)是設(shè)備較貴，形狀復(fù)雜的零件處理較困難。 感應(yīng)加熱后，采用水、乳化液或聚乙稀醇水溶液噴射淬火，淬火后進(jìn)行180200低溫回火，以降低淬火應(yīng)力，并保持高硬度和高耐磨性。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理

41、 單元14 62. 火焰加熱表面熱處理 火焰加熱表面淬火，是用乙炔-氧或煤氣-氧等火焰加熱工件表面，進(jìn)行淬火。 火焰加熱表面淬火設(shè)備簡單，操作靈活，成本低等優(yōu)點(diǎn)。但生產(chǎn)率低，零件表面存在不同程度的過熱，質(zhì)量不穩(wěn)定。因此主要適用于單件、小批量生產(chǎn)及大型零件（如大型齒輪、軸、軋錕等）的表面淬火。 2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 12.4.5 鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理過程。 種類：滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。 作用：提高鋼件表層的耐磨性

42、、耐蝕性、抗氧化性能以及疲勞強(qiáng)度等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 2化學(xué)熱處理基本過程：介質(zhì)的分解加熱時(shí)介質(zhì)分解，釋放出欲滲入元素的活性原子；表面吸收分解出的活性原子在鋼件表面被吸收并溶解，超過溶解度時(shí)還能形成化合物；原子擴(kuò)散溶入元素的原子在濃度梯度的作用下由表及里擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 3滲碳 鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表層工藝稱為滲碳。滲碳目的：增加低碳鋼表層的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和獲得一定碳濃度梯度，（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.0%）,再經(jīng)過淬火和回火處理。提高表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而使心部仍

43、保持良好的韌性和塑性。應(yīng)用：用于承受大的交變接觸應(yīng)力、嚴(yán)重磨損和較大沖擊載荷的零件，例如各種齒輪、活塞銷、套筒等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 4 滲碳方法氣體滲碳 將工件在密封的滲碳爐中，加熱到900950，向爐內(nèi)滴入易分解的有機(jī)液體（如煤油、苯、甲醇等），或直接通入滲碳?xì)怏w（如煤氣、石油液化氣等），通過下列反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子，使鋼件表面滲碳：2COCO2+C CO2+H2H2O+CCnH2nnH2+nC CnH2n+2（n+1）H2+nC 氣體滲碳的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)條件好，滲碳過程中可以控制，滲碳層的質(zhì)量和機(jī)械性能較好。此外，還可進(jìn)行直接淬火。2.金屬材

44、料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 5 滲碳工藝 滲碳溫度一般采用900950。滲碳時(shí)間則決定于滲層厚度的要求。在900滲碳，保溫1h，滲碳厚度為，保溫4h，滲層厚度可達(dá)1mm。零件的滲碳層厚度，決定于其尺寸及工件條件，一般為。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 6 滲碳后的熱處理直接淬火 工藝簡單，效率高，成本低，脫碳傾向小，淬火馬氏體較粗，殘余奧氏體也較多，耐磨性較低，變形較大，適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼和耐磨性要求不太高和承載低的零件。一次淬火 滲碳緩慢冷卻后，重新加熱淬火。對(duì)于心部組織要求高的合金滲碳鋼，一次淬火的加熱溫度略高于心部的Ac3使其晶粒細(xì)化，并得到低碳馬氏體組織；適用于受載不大但表面性能要求較高的零件。二次淬火 只用于表面高耐磨性和心部高韌性的零件。 滲碳、淬火后進(jìn)行低溫（150200）回火，以消除淬火應(yīng)力和提高韌性。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 72. 氮化 氮化