金屬學(xué)與熱處理金屬性質(zhì)和合金的回復(fù)與再結(jié)晶

1、金屬學(xué)與熱處理金屬性質(zhì)和合金的回復(fù)與再結(jié)晶 典型退火的過程，隨著保溫時(shí)間和延長(zhǎng)和溫度升高，可分為和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段。回復(fù)、再結(jié)晶的定義及性能變化及應(yīng)用。再結(jié)晶形核機(jī)制亞晶長(zhǎng)大形核 （變形量較大時(shí)）凸出形核: 再結(jié)晶溫度：T再(0.25-0.35)Tm。工業(yè)純金屬：T再(0.35-0.45)Tm。合金：T再(0.4-0.9)Tm。注：再結(jié)晶退火溫度一般比上述溫度高100200 。第七章、金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶 達(dá)到某一數(shù)值（210%）時(shí)，晶粒特別粗大，主要是G/N的比值大。（臨界變形度）。 臨界變形量：晶粒長(zhǎng)大方式正常長(zhǎng)大反常長(zhǎng)大再結(jié)晶圖：將晶粒大小、退火溫度與變形量的關(guān)系繪制成立體圖形，稱為

2、再結(jié)晶圖。冷加工熱加工按加工的溫度分類第八章 擴(kuò) 散空位機(jī)制擴(kuò)散機(jī)制間隙機(jī)制具有驅(qū)動(dòng)力：化學(xué)位梯度； 此外, 溫度梯度,應(yīng)力梯度,表面自由能差，以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用也可引起擴(kuò)散擴(kuò)散原子能固溶； 擴(kuò)散原子在基體有一定固溶度。溫度足夠高； 溫度 ,原子熱振動(dòng)越激烈,原子激活遷移幾率越大。時(shí)間足夠長(zhǎng) 擴(kuò)散原子的每次隨機(jī)躍遷距離只有nm級(jí),需長(zhǎng)時(shí)間 固態(tài)擴(kuò)散的條件固態(tài)擴(kuò)散需滿足下列四個(gè)條件。第八章 擴(kuò) 散第三節(jié) 影響擴(kuò)散的主要因素 溫度、晶體結(jié)構(gòu)、成分、其他影響程度：溫度成分結(jié)構(gòu)其它第八章 擴(kuò) 散擴(kuò)散的分類自擴(kuò)散 ：原子經(jīng)由自己元素的晶體點(diǎn)陣而遷移的擴(kuò)散 (如純金屬或固溶體的晶粒長(zhǎng)大-無濃度變化)互擴(kuò)

3、散:原子通過進(jìn)入對(duì)方元素晶體點(diǎn)陣而導(dǎo)致的擴(kuò)散（有濃度變化）下坡擴(kuò)散：原子由高濃度處向低濃度處進(jìn)行的擴(kuò)散。上坡擴(kuò)散：原子由低濃度處向高濃度處進(jìn)行的擴(kuò)散。原子擴(kuò)散：擴(kuò)散過程中不出現(xiàn)新相。反應(yīng)擴(kuò)散：由之導(dǎo)致形成一種新相的擴(kuò)散.有無濃度變化擴(kuò)散方向是否出現(xiàn)新相第八章 擴(kuò) 散第二節(jié) 擴(kuò)散定律 單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的某一單位面積截面的擴(kuò)散物質(zhì)流量（擴(kuò)散通量J）與濃度梯度成正比。菲克(Fick A)第一定律 適用條件：穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 - dc/dt=0,濃度及濃度梯度不 隨時(shí)間改變。表達(dá)式： J=-D(dc/dx)。 （C溶質(zhì)原子濃度；D-擴(kuò)散系數(shù)）第九章 鋼的熱處理原理第一節(jié) 概 述 熱處理是將鋼在固態(tài)

4、下加熱到預(yù)定的溫度，保溫一定的時(shí)間，然后以預(yù)定的方式冷卻到室溫的一種熱加工工藝。 定義熱處理及其作用熱處理工藝示意圖最終熱處理預(yù)備熱處理熱處理與相圖 原則上只有在加熱或冷卻時(shí)發(fā)生溶解度顯著變化或者同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的，即有固態(tài)相變的金屬或合金，才能進(jìn)行熱處理。純金屬、某些單相合金等不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的，只能采用加工硬化的方法。加熱與冷卻速度對(duì)臨界點(diǎn)的影響第九章 鋼的熱處理原理固態(tài)相變類型擴(kuò)散型非擴(kuò)散型半擴(kuò)散型第九章 鋼的熱處理原理 奧氏體是碳溶于-Fe所形成的固溶體。在合金鋼中，除了碳原子外，溶于-Fe中的還有合金元素原子。1、奧氏體的結(jié)構(gòu)第九章 鋼的熱處理原理共析鋼奧氏體的形成過程 奧氏體的形成過

5、程形核長(zhǎng)大殘余滲碳體的溶解均勻化第九章 鋼的熱處理原理奧氏體晶粒長(zhǎng)大及控制晶粒度 是表示晶粒大小的一種尺度。是以單位面積內(nèi)晶粒的個(gè)數(shù)或每個(gè)晶粒的平均面積與平均直徑。類別起始晶粒度實(shí)際晶粒度本質(zhì)晶粒度 指臨界溫度以上奧氏體形成剛剛完成，其晶粒邊界剛剛互相接觸時(shí)的晶粒大小。 指在某一熱處理加熱條件下，所得到的晶粒尺寸。 對(duì)鋼來說，如果不特別指明，一般是指奧氏體化后的實(shí)際晶粒大小。默認(rèn) 代表在某一條件下，奧氏體 的長(zhǎng)大傾向，通常采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的方法，即將鋼加熱到（93010）攝氏度，保溫3-5小時(shí)后，測(cè)定其奧氏體晶粒大小。晶粒度在58級(jí)者稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，在14級(jí)者稱為本質(zhì)粗晶粒鋼。晶粒度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 一

6、般生產(chǎn)中把奧氏體晶粒大小分為1-8個(gè)級(jí)別，其中1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)，超過8級(jí)以上的稱為超細(xì)晶粒。關(guān)系式 晶粒度的級(jí)別G與晶粒大小之間的關(guān)系為： N = 2G-1 G：晶粒度級(jí)別； N： 100X時(shí)，平均晶粒數(shù)目/inch22）第九章 鋼的熱處理原理例題： 晶粒度級(jí)別N可由關(guān)系式N=2G-12面積中觀察到的晶粒數(shù)，計(jì)算當(dāng)晶粒度為7級(jí)時(shí)，晶粒的實(shí)際平均直徑。第九章 鋼的熱處理原理解： n=27-1=64d平均=645/(100264) =0.032(mm)晶粒度影響因素加熱溫度保溫時(shí)間加熱速度化學(xué)成分原始組織第九章 鋼的熱處理原理冷卻方式等溫冷卻連續(xù)冷卻過冷奧氏體第九章 鋼的熱處理原理奧氏體不同冷卻

7、方式示意圖1等溫冷卻 2連續(xù)冷卻圖9.5 共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線第九章 鋼的熱處理原理過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線中間曲線左邊過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線，右側(cè)一條為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。水平A1鋼的臨界點(diǎn) (723)，即奧氏體與珠光體的平衡溫度Ms(230)為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度M f(-50)為馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的分析三水平線兩曲線第九章 鋼的熱處理原理問題： 如將一根直徑5mm的熱軋鋼試樣加熱到650，等溫15s后淬火水中，問等溫轉(zhuǎn)變曲線可否用來分析最后得到的組織？第九章 鋼的熱處理原理 不能原因：等溫轉(zhuǎn)變曲線是描述過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變的。熱軋共析

8、鋼加熱到650 并未發(fā)生奧氏體化。珠光體轉(zhuǎn)變(pearlite transformation） 共析成分的過冷奧氏體從Al以下至C曲線的“鼻尖”以上，即Al550溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，為全擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，即鐵原子和碳原子均進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 按形態(tài)片狀珠光體粒狀珠光體形成條件組織性能不同第九章 鋼的熱處理原理第九章 鋼的熱處理原理馬氏體轉(zhuǎn)變(pearlite transformation）立體形態(tài)亞結(jié)構(gòu)位向材料板條馬氏體（位錯(cuò)馬氏體）空間形態(tài)是扁條狀的。每個(gè)板條為一個(gè)單晶體位錯(cuò)（密度1011/cm21012/cm2）相互平行排列的板條低、中碳鋼及馬氏體時(shí)效鋼、不銹鋼等鐵基合金片狀馬氏體（孿晶馬氏

9、體）空間形態(tài)雙凸透鏡狀光學(xué)顯微鏡下則呈針狀或竹葉狀孿晶（間距為5nm10nm）有大量微裂紋互不平行，呈一定角度分布中、高碳鋼及wNi29%的Fe-Ni合金兩種馬氏體比較上貝氏體下貝氏體形成溫度不同550 -350350 -230 組織形態(tài)不同羽毛狀針葉狀組成物不完全相同鐵素體碳化物(Fe3C)鐵素體（過飽和）碳化物(FexC)組成物形態(tài)不同F(xiàn)呈條狀，碳化物在F條間呈斷續(xù)的斷桿狀F呈針葉狀，碳化物與F的長(zhǎng)軸呈5560角，在葉內(nèi)呈點(diǎn)狀有規(guī)律分布性能不同強(qiáng)韌性差綜合力學(xué)性能好貝氏體比較第九章 鋼的熱處理原理貝氏體轉(zhuǎn)變 當(dāng)加熱溫度過高并以較快速度冷卻時(shí)，先共析鐵素體或先共析滲碳體從奧氏體的晶界沿奧氏體

10、一定晶面往晶內(nèi)生長(zhǎng)，呈針片狀析出，連同其間的珠光體組織一起稱為魏氏組織。 魏氏組織的形成與鋼中碳含量、奧氏體晶粒大小及冷卻速度有關(guān)，通常伴隨奧氏體粗晶組織出現(xiàn)。第九章 鋼的熱處理原理魏氏組織共析鋼連續(xù)冷卻C曲線第九章 鋼的熱處理原理共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻C曲線碳化物的轉(zhuǎn)變第九章 鋼的熱處理原理離位析出：一種碳化物的析出是通過其它碳化物溶解并在其它地方重新形核、長(zhǎng)大的方式形成，這種單獨(dú)形核的方式。原位析出：一種碳化物的析出是由另外一種碳化物直接轉(zhuǎn)變過來，它們之間存在相同的慣習(xí)面。 鋼在回火時(shí)會(huì)產(chǎn)生回火脆性現(xiàn)象，即在250400和450650兩個(gè)溫度區(qū)間回火后，鋼的沖擊韌性明顯下降。這種脆化現(xiàn)象

11、稱為回火脆性。回火脆性根據(jù)脆化現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理和溫度區(qū)間，回火脆性可分為兩類： 回火溫度是否可逆影響因素材料原因一類回火脆性(低溫回火脆性)250400范圍內(nèi)不可逆沒有影響幾乎所有工業(yè)鋼鋼回火馬氏體中沿晶界析出穩(wěn)定的細(xì)片狀化合物，降低了晶界的斷裂強(qiáng)度第二類回火脆性(高溫回火脆性)一般450650合金元素有影響可逆，快冷可消除或抑制該脆性與加熱和冷卻條件有關(guān)合金鋼雜質(zhì)晶界偏聚，降低晶界斷裂強(qiáng)度第九章 鋼的熱處理原理淬火后回火產(chǎn)物與奧氏體直接分解產(chǎn)物比較第九章 鋼的熱處理原理托氏體索氏體回火托氏體回火索氏體是鐵素體加碳化物的珠光體類型組織相同區(qū)別碳化物呈片狀分布碳化物呈顆粒狀分布，許多性能得到改善相

12、同的硬度和強(qiáng)度時(shí)，屈服強(qiáng)度、韌性塑性提高片狀碳化物受力時(shí)會(huì)使基體產(chǎn)生應(yīng)力集中，碳化物脆斷或形成微裂紋。而粒狀的應(yīng)力集中小，微裂紋不易產(chǎn)生，故塑、韌性好第十章 鋼的熱處理工藝退 火正 火淬 火回 火定義，目的，選用原則，組織。來源殘留應(yīng)力狀態(tài)影響因素裂紋形式熱應(yīng)力溫差引起的膨脹不一致表面壓，心部拉工件截面尺寸，線膨脹系數(shù)，熱導(dǎo)率，冷卻速度等由內(nèi)到外的橫向裂紋或弧形裂紋組織應(yīng)力組織轉(zhuǎn)變的比體積不同表面拉，心部壓尺寸，相變溫度范圍內(nèi)的冷卻速度，導(dǎo)熱，淬透性等沿軸向由表面裂向心部的縱向裂紋淬火應(yīng)力第十章 鋼的熱處理工藝兩種應(yīng)力比較 工件在淬火過程中會(huì)發(fā)生形狀和尺寸的變化,有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生淬火裂紋，工件變

13、形和開裂的原因是由于淬火過程中在工件內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力造成的。 淬透性是是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，鋼的固有屬性，相同奧氏體化溫度下，其淬透性是不變的。實(shí)際工件的淬透層深度是指具體條件下測(cè)錠的半馬氏體區(qū)至表面的深度，與淬透性，工件尺寸及淬火介質(zhì)的冷卻能力等有關(guān)。 淬硬性是鋼淬火時(shí)的硬化能力，用淬成馬氏體可能得到的最高硬度表示，主要取決于馬氏體碳含量。淬透性，淬透深度，淬硬性區(qū)別第十章 鋼的熱處理工藝 根據(jù)鋼的淬透性曲線，鋼的淬透性值通常用 表示。其中：J 表示末端淬透性， d表示至末端的距離， HRC表示在該處測(cè)得的硬度值。 舉例：第十章 鋼的熱處理工藝感應(yīng)加熱淬火技術(shù)第十章 鋼的熱處理工藝工

14、作原理及作用?；瘜W(xué)熱處理（滲碳） 緩冷及熱處理后的組織及性能。形變熱處理 是形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的綜合效果。工程結(jié)構(gòu)用鋼機(jī)器零件用鋼刃具鋼模具鋼量具鋼耐蝕鋼耐熱鋼耐磨鋼耐寒鋼電工鋼結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼按用途分第十一章 工業(yè)用鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼第十二章 鑄 鐵 鑄鐵是2.11%C的鐵碳合金，除C外，還含有較多的Si、Mn和其它的一些雜質(zhì)元素，工業(yè)常用鑄鐵的碳含量為2.11-4.5% 。 滲碳體主要影響因素化學(xué)成分冷卻速度石墨第十二章 鑄 鐵 鑄鐵的分類碳存在的形式及斷口的顏色白口鑄鐵灰鑄鐵麻口鑄鐵滲碳體游離的石墨滲碳體游離的石墨第十二章 鑄 鐵石墨的形態(tài)普通灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵片狀團(tuán)絮狀球狀

15、蠕蟲狀蠕墨鑄鐵灰鑄鐵第十三章 有色金屬 鋁無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鋁合金的熱處理與鋼的異同點(diǎn)。 固溶處理和時(shí)效強(qiáng)化?？蔁崽幚韽?qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)化。 鋁合金的標(biāo)識(shí)。（硬鋁）鋁及鋁合金 鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化效果取決于固溶體的濃度和時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間。 時(shí)效溫度過高，時(shí)效時(shí)間過長(zhǎng)，將使合金軟化，稱為過時(shí)效。 固溶處理： 鋁合金經(jīng)加熱到單相區(qū)保溫后，快速冷卻后獲得過飽和固溶體的熱處理工藝。 時(shí)效強(qiáng)化（沉淀強(qiáng)化）： 過飽和固溶體在室溫放置或加熱到某一溫度保溫，隨時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生強(qiáng)度、硬度明顯升高，塑性降低的現(xiàn)象。（自然時(shí)效；人工時(shí)效）鋁合金的熱處理 鋁合金的強(qiáng)化熱處理包括固溶處理和時(shí)效處理。第十三章 有色金屬 答：

16、1.不可以。鋁合金在固態(tài)下加熱只有溶解度的變化，而沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，只能通過固溶處理時(shí)效強(qiáng)化。問題： 1. 鋁合金可以像鋼一樣通過馬氏體相變強(qiáng)化嗎？ 2. 鋁合金可以通過滲碳、氮化方式表面強(qiáng)化嗎？2. 不可以。因?yàn)镃、N在鋁中的溶解度很小，特別是鋁與氧親和力大，表面生成致密氧化膜，使?jié)B碳、滲氮時(shí)活性原子不能被表面吸收，同時(shí)也無法向心部擴(kuò)散，因而不能通過滲碳和滲氮表面強(qiáng)化。第十三章 有色金屬 硬鋁合金（2XXX） Al-Cu-Mg系合金，屬于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。合金中加入銅和鎂是為了形成強(qiáng)化相(CuAl2)和S(CuMgAl2)，含有少量的錳是為了提高抗蝕性能，而對(duì)時(shí)效強(qiáng)化不起作用。 硬鋁具有

17、相當(dāng)高的強(qiáng)度和硬度，經(jīng)自然時(shí)效后強(qiáng)度達(dá)到380 MPa490 MPa(原始強(qiáng)度為290 MPa300 MPa)，提高25%30%，硬度也明顯提高(由70HB85HB提高到120HB)。與此同時(shí)仍能保持足夠的塑性。 抗蝕性差，特別在海水中尤甚，且易產(chǎn)生晶間腐蝕。因此需要防護(hù)的硬鋁部件，其外部都包一層高純度鋁，制成包鋁硬鋁材，但是包鋁的硬鋁熱處理后強(qiáng)度較未包鋁的為低。代表：2A11T4，2A12T4。第十三章 有色金屬 第十三章 有色金屬 純鈦具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 鈦及鈦鈦合金鈦合金的分類、命名及特點(diǎn)。按熱處理后的組織特點(diǎn)鈦合金鈦合金鈦合金第十三章 有色金屬 純銅具有面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，塑

18、性高而強(qiáng)度低，伸長(zhǎng)率約為50，強(qiáng)度約240MPa。 銅及銅合金純銅：氫病 以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅，以H表示。 。黃銅最常見的腐蝕形式是“脫鋅”和“季裂”。黃銅：綜合分析題一、用冷拔銅絲制作的導(dǎo)線，冷拔之后應(yīng)如何處理，為什么？答：用冷拔銅絲制作的導(dǎo)線，冷拔之后應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火。 因?yàn)殂~導(dǎo)線的性能要求具有良好的導(dǎo)電性能，和一定的強(qiáng)度和塑性。 銅絲冷拔后，導(dǎo)電性能下降，具有較高的強(qiáng)度，但韌性較差。去應(yīng)力退火后，導(dǎo)線的導(dǎo)電性能基本可以恢復(fù)到冷拔前的水平，且強(qiáng)度、硬度變化不大，而塑性和韌性的所提高，符合導(dǎo)線使用性能的要求。綜合分析題二、設(shè)有一楔形板坯，經(jīng)過冷軋后，得到相同厚度的板材，然后進(jìn)行

19、再結(jié)晶退火，試問該板材的晶粒大小是否均勻，畫出沿板材方向的晶粒變化情況，并解釋原因。 答：晶粒大小不均勻，隨著楔子的進(jìn)入，其變形度逐漸增大，其晶粒度大小隨變形情況的變化如圖所示，當(dāng)變形量小時(shí)，晶粒仍保持原狀，這是由于變形小，畸變能小，不足以引起再結(jié)晶，所以晶粒大小沒有變化，。當(dāng)達(dá)到臨界變形度時(shí)，得到特別大的晶粒，當(dāng)超過這個(gè)臨界變形度后，則變形越大，晶粒越細(xì)，當(dāng)變形度達(dá)到一定程度后，再結(jié)晶晶粒基本保持不變，當(dāng)變形度再大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)二次結(jié)晶，導(dǎo)致晶粒重新粗化。綜合分析題見書中圖7-12綜合分析題三、 現(xiàn)有低碳鋼齒輪和中碳鋼齒輪各一只，為了使齒輪表面具有高的硬度和耐磨性，它們各應(yīng)進(jìn)行怎樣的熱處理？

20、比較熱處理后它們?cè)诮M織與性能上的異同點(diǎn)。答：低碳鋼齒輪，由于含碳量低，塑性和韌性較高，硬度和耐磨性差，所以使用表面滲碳熱處理，后進(jìn)行淬火+低溫回火，在表面可獲得混合馬氏體組織，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍然保持較高的塑性和韌性。 中碳鋼齒輪，首先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，由于含碳量較高，整個(gè)提高整個(gè)齒輪的強(qiáng)度、硬度、塑性韌性，組織狀態(tài)是回火索氏體。要提高表面硬度和耐磨性，再進(jìn)行表面淬火+低溫回火，組織表面為回火馬氏體，心部仍為回火索氏體。使齒輪表面具有高硬度、高強(qiáng)度和良好的耐磨性，而心部保持良好的塑性和韌性。綜合分析題四、用45鋼制造機(jī)床齒輪，其工藝路線為：鍛造-正火-粗加工-調(diào)質(zhì)-精加工-高頻感應(yīng)加熱表面淬火-低溫回火-磨加工。請(qǐng)說明各熱處理工序的目的及使用狀態(tài)下的組織。答：鍛造后的45鋼硬度較高，不利于切削加工，正火后將其硬度控制在160-230HB范圍內(nèi)，提高切削加工性能，組織是珠氏體。 粗加工后，調(diào)質(zhì)處理整個(gè)提高了45鋼強(qiáng)度、硬度、塑性韌性，組織狀態(tài)是回火索氏體。 高頻感應(yīng)加熱表面淬火是要提高45鋼表面硬度的同時(shí)，保持心部良好的塑性和韌性，組織表面為馬氏體，心