固態(tài)相變原理(7-8)

第七章

熱處理工藝1.金屬熱處理的發(fā)展過程熱處理工藝的歷史悠久：在我國歷史上，熱處理工藝出現于鐵器時代。鑄鐵的柔化處理就是根據這一要求最早出現的熱工藝。商代已有經再結晶退火的金屬用品。西漢佩劍滲碳：表面0.6％：內部：0.05％洛陽出土的戰(zhàn)國時代鐵錛是由白口鐵經脫碳退火制成。青銅劍商代出土的酒器

隨著其他新能源、新技術的開發(fā)，熱處理工藝發(fā)展成為復合工藝：如激光處理、感應表面淬火等。隨著計算機、自動控制技術的發(fā)展，制造出了由計算機輔助熱處理生產的設備，如真空熱處理設備。生產工藝的發(fā)展，生產設備的改進，現代工業(yè)制造出了更高性能的零件2.近代熱處理工藝的發(fā)展

普通熱處理（退火、正火、淬火、回火等）表面淬火（感應加熱主、火焰加熱等）化學熱處理（滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等）復合熱處理（可控氣氛、真空、離子熱處理等）熱處理分類常見的實驗儀器加熱時間包括兩個部分：*工件達到熱處理堆滿所要求溫度的時間；*完成組織轉變及其他熱處理目的所要求的組織結構狀態(tài)變化所需要的時間。溫度場表達式：t=?(x,y,z,τ)式中x,yz為所求點的位置，τ為加熱時間，t為加熱τ時間，后點(x,y,z)的溫度。熱處理所需的加熱時間可以采用計算方法或者是經驗公式計算，而熱處理時影響加熱因素很多，所以通常用的是經驗計算方法，可以通過實驗來確定。熱處理加熱時間的確定影響熱處理工件加熱的因素加熱方式的影響加熱方式有：隨爐加熱主、到溫入爐加熱和高溫入爐加熱等。加熱方式的不同、加熱的速度也不同。加熱介質及工件放置方式的影響工件在爐內排布方式的加熱時間修正值選擇原則：避免工件表面與加熱介質發(fā)生化學反應，即應降低氧化性氣體在爐氣中的分壓，使反應朝還原方向進行。真空加熱：在低于一個大氣壓的稀薄空氣中加熱，可避免氧化、脫碳、達到光亮熱處理的目的。保護氣氛：在工件加熱時保護其表面不氧化、脫碳的氣氛叫保護氣氛。吸熱式氣氛（天然氣、煤氣及其他有機物）放熱工氣氛（原料氣與充足空氣混合）氨熱分解氣：把液氨汽化后并通往有觸媒的反應罐使氨氣在高溫下發(fā)生分解，從面獲得氨熱分解氣。主要成分：75%H2和25%N2加熱介質的選擇

名詞術語解釋：均勻化退火，再結晶退火，完全退火，等溫退火，去內應力退火，不完全退火，球化退火，正火2.對于大型鑄件為什么需要均勻化退火？通過熱處理能否完全改善鋼中的偏析？為什么？3.有一批45鋼普通車床傳動齒輪，其工藝路線為鍛造-熱處理-機械加工-高頻淬火-回火。試問鍛后應進行何種熱處理？習題與思考題§7.1退火與正火一、退火

退火的主要目的是降低硬度，改善力學性能；消除組織缺陷，均勻化學成分；消除或減少內應力，穩(wěn)定尺寸；為最終熱處理做組織準備。相變重結晶退火

（A1以上）完全退火等溫退火不完全退火球化退火均勻化退火無相變退火

（A1以下）再結晶退火去應力退火等溫退火球化退火溫度的確定？定義：為去除由于形變加工、鍛造、焊接等所引起的及鑄件內存在的殘余應力（但組織不變化）而進行的退火工藝。目的：消除鑄件、鍛件、焊接件應力，穩(wěn)定幾何形狀，防止開裂。尤其在機械加工后，由于應力平衡的破壞，常會造成變形超差，使工件報廢。因此各類鑄件在機械加工前應進行消除應力處理。加熱溫度：鑄鐵件去應力退火溫度不應太高，否則造成珠光體的石墨化。由于材料成分、加工方法、內應力大小及分布的不同，以及去除程度的不同，去應力退火的加熱溫度范圍很寬，應根據具體情況決定。去應力退火二、正火定義：正火是將鋼材或鋼件加熱到Ac3(或Acm)以上適當溫度，保溫適應時間后在空氣中冷卻，得到珠光體類的組織的熱處理工藝。目的：正火的目的是獲得一定的硬度、細化晶粒，并獲得比較均勻的組織和性能。正火是工業(yè)上常用的熱處理工藝之一。正火既可作為預備熱處理工藝，為下續(xù)熱處理工藝提供適宜的組織狀態(tài)，例如為過共析鋼的球化退火提供細片狀珠光體，消除網狀碳化物等；也可作為最終熱處理工藝，提供合適的機械性能，例如碳素結構鋼零件的正火處理等。此外，正火處理也常用來消除某些處理缺陷。鋼在退火、正火后組織和性能與鋼成分、原始組織狀態(tài)、工藝規(guī)范等因素有關。經完全退火與正火后的組織有以下區(qū)別：正火的珠光體組織比退火狀態(tài)的片層間距小，領域也小。正火的冷卻速度快，先共析產物（自由鐵素體，滲碳體）不能充分析出，比平衡冷卻時析出數量要少。同是由于奧氏體的成分偏離共析成分面出現伙共析組織。對于過共析鋼，退火后組織為球光體+網狀碳化物。正火得到全部細珠光體組織，或者沿晶界析出一部分條狀碳化物。

由于合金鋼中碳化物更穩(wěn)定，一易充分固溶到奧氏體中，退火后不容易形成層狀珠光體。正火后得到的粒狀索氏體或屈氏體硬度較高。正常規(guī)范下通過退火、正火使鋼的晶粒細化。但是如果加熱溫度過高，使奧氏體晶粒粗大，退火后形成粗晶粒的組織。1、過燒：由于加熱溫度過高，出現晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件報廢。

過燒缺陷現象2、黑脆：碳素工具鋼或合金鋼在退火后，有時硬度雖然低，但脆性大，斷口呈黑色，主要原因是退火溫度過高，保溫時間過長，冷卻慢。T12鋼退火石墨碳斷口呈黑色§7.2淬火與回火一、淬火定義：將鋼加熱至AC1或AC3以上某一溫度，保溫以后以大于臨界冷卻速度（VC）冷卻，以得到介穩(wěn)定狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。主要目的：提高硬度、強度及耐磨性獲得良好的綜合機械性能改善鋼的特殊性能必要條件：加熱溫度：必須高于臨界點以上，以獲得奧氏體組織；冷卻速度：必須大于臨界冷卻速度；淬火后的組織：非平衡組織。淬透性與淬硬性定義：鋼材淬火時獲得馬氏體的能力特性，即被淬透的能力。影響因素：鋼的化學成分：過共析鋼：當加熱溫度低于ACCM點，含碳晨低于1%以下時，隨著含碳量的增加，臨界冷卻速度下降，淬透性提高；含碳時超過1%則相反；合金元素溶入量越多，影響越大。奧氏體晶粒度：奧氏體晶粒尺寸增大，淬透性提高，奧氏體晶粒尺寸對珠光體轉變的延遲作用比對貝氏體的大。奧氏體化溫度提高奧氏體溫度，不僅能促使奧氏體晶粒增大，而且促使碳化物及其它非金屬夾雜物溶入并使奧氏體成分均勻化。這將提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從面提高淬透性。第二相的存在和分布奧氏體未溶的非金屬夾雜物和碳化物的存在以及其大小和分布，影響過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而影響淬透性。此外，鋼的原始組織、應變和外力場等對鋼的淬透性也有影響。對淬火冷卻介質的要求：必須有足夠的冷卻速度，其冷卻能力即要保證工件的冷卻速度不小于臨界冷卻速度，但同時冷卻能力又不過大而導致工件變形及開裂。表3-1理想淬火介質要求溫度區(qū)（°C）對冷卻速度要求從相變角度要求從減少應力、變形、開裂角度要求>650中等-減少熱應力，減少變形650～400大不發(fā)生珠光體轉變-<300小-減少組織應力，減少變形開裂分類：常用的淬火介質為液態(tài)介質（水、水溶液或油），按工件淬火冷卻過程中淬火介質：有物態(tài)變化的和無物態(tài)變化的。無物態(tài)變化的淬火介質：主要靠冷卻介質的輻射、傳導與對流作用將赤熱的工件中熱量帶來實現的。屬于這類介質有熔鹽、熔堿與空氣。影響因素：導熱性：介質導熱性好，工件熱量被迅速帶走，說明冷卻能力強；比熱：比熱大則工件熱量被大量而迅速吸收，冷卻能力強；粘度：粘度小，淬入后，流動性好介質將工件熱量迅速帶走；穩(wěn)定：若低，可吸收工件的大量熱量，使工件快速冷卻。常用淬火介質及其冷卻特性介質應具有的性能：有一定冷卻能力；成分穩(wěn)定不變質；粘度小，流動性好；無毒，無味；不腐蝕工件；淬火后易清洗；來源廣，價格低。常用淬火介質有：水及其溶液、油、水油混合液（乳化液）低熔點熔鹽。水―最常用的淬火介質水溫對冷卻特性影響很大。水的冷卻速度快循環(huán)水的冷卻能力大于靜止的。堿和鹽的水溶液：水中溶入鹽、堿等物質減小了蒸汽膜的穩(wěn)定性，使蒸汽膜階段縮短，特性溫度提高，從而加速了冷卻速度。油：油的冷卻能力及其使用溫度范圍主要取決于油的粘度及閃點。有機物的水溶液及乳化液：最常用的是聚乙二醇水溶液，容易控制濃度，冷卻能力強。一般用于火焰淬火和感應淬火的噴水淬火淬火方法及其應用目前生產上常用的淬火方法：單液淬火法：把已經加熱到淬火溫度的工件淬入一種介質，使其完全冷卻。中斷淬火法：（雙淬火介質淬火法）把已經加熱到淬火溫度的工作，先在冷卻能力強的淬火介質中冷卻至MS點，然后轉入慢冷的淬火介質中，冷卻至室溫，可獲得較高的淬硬層深度又可以減少內應力及防止發(fā)生淬火開裂。噴射淬火法：向工件噴射水流的淬火方法，按所要求的淬火深度而確定水流的大小。分級淬火法：把工件由奧氏體化溫度淬入高于該鋼種的馬氏體開始轉變溫度的淬火介質，在其中冷卻直至工件各部分溫度達到淬火介質的溫度，然后緩冷到室溫，發(fā)生馬氏體轉變。等溫淬火法：淬火應力淬火時工件的內應力熱應力―工件在加熱（或冷卻）時由于不同部位的溫度差導，導致熱脹冷縮的不一致所引起的應力組織應力―由于工件在不同部位組織轉變不同時而引起的內應力瞬時應力―冷卻過程中某一時刻所產生的內應力殘余應力―冷卻終了殘余在工件內部的應力1.熱應力的變化規(guī)律：淬火冷卻時產生的熱應力是由截面溫度差所造成，冷卻速度全愈大，截面溫差愈大，則產生的熱應力愈大。在相同冷卻介質條件下，工件加熱溫度愈高、尺寸愈大、鋼材熱傳導系數愈小，工件內溫差愈大，熱應力愈大。2.組織應力的變化規(guī)律組織應力的大小除與鋼在馬氏體轉變溫度范圍內的冷卻速度、鋼件尺寸、鋼的導熱性及奧氏體的屈服強度有關外，還與鋼的含碳量、馬氏體的比容及鋼的淬透性等有關。工件淬火冷卻時，如其瞬時內應力超過該鋼材的斷裂強度，則將發(fā)生淬火裂紋。1.縱向裂紋特征：沿著工件軸向方向由表面裂向心意味的深度較大的裂紋。起因：鋼材沿軋制方向有帶狀夾雜物，或在淬火切向拉應力作用下由原存的重皮、裂紋擴展而成。完全淬透情況下發(fā)生。2.橫向裂縫和弧形裂紋特征：垂直于軸線方向，由內往外斷裂，在未滲透情況下形成。原因：屬于熱應力所引起。存在：常發(fā)生于大型軸類工件上。淬火裂紋3.表面裂紋（或稱網狀裂紋）分布在工件表面的深度較小的裂紋，濃度一般在0.01到1.55mm左右。出現原因：當工件表面出于某種原因呈現拉應力狀態(tài)，且表面材料的塑性又很小，在拉應力作用下不能發(fā)生塑性變形時就出現這種裂紋。淬火裂紋產生的原因及分布形式：如圖是鋼件表面裂紋，實際鋼件淬火生產中產生的原因及分布是很多的，有時候是交織一起出現的，應根據時間情況找出在，確定有效防止措施。二、回火定義：將淬火后的合金過飽和固溶體加熱到低于相變臨界點溫度，保溫一段時間后再冷卻到室溫的工藝方法。目的：減少或消除淬火應力，提高韌性和塑性，獲得硬度、強度、塑性和韌性的適當配合，滿足不同工件的性能要求。當鋼全淬成馬氏體再加熱回火時，隨著回火溫度升高，按其內部組織結構變化，分四個階段進行：馬氏體的分解；殘余奧氏體的轉變；碳化物的轉變；相狀態(tài)的變化及碳化物的聚集長大。三、淬回火的缺陷淬回火的缺陷有淬火變形、開裂、氧化、脫碳、硬度不足或不均勻面腐蝕、過燒、過熱及其它按質量檢查標準規(guī)定金相組織不合格等。1、淬火變形、開裂盡量做到均勻加熱及正確加熱。正確選擇冷卻方法和冷卻介質?；驹瓌t是：

a)盡可能采用預冷，即在工件淬入淬火介質前，盡可能緩慢地冷卻至Ar附近以減少工件內溫差；b).在保證滿足淬硬層深度及硬度要求的前提下，盡可能采用冷卻緩慢的淬火介質；c).盡可能減慢在Ms點以下的冷卻速度；d).合理地選擇和采用分級或等溫淬火工藝。

正確選擇淬火工件浸入淬火介質方式和運動入向基本原則是：

a.淬火時應盡量保證能得到最均勻的冷卻。

b.以最小阻力方向淬入。

進行及時、正確的回火淬火不冷到底并及時回火，是防止開裂的有效措施。對于形狀復雜的高碳鋼和高碳合金鋼，淬火后及時回火尤為重要。2.氧化、脫碳、表面腐蝕及過燒3.硬度不足造成淬火工件硬度不足的原因：加熱溫度過低，保溫時間不足。表面脫碳引起表面硬度不足。磨去表層后所測得的硬度比表面高。冷卻速度不夠，在金相組織上可以看到黑色屈氏體沿晶界分布。鋼材淬透性不夠，截面大處淬不硬。采用中斷淬火時，在水中停留時間過長再轉入油中，因冷卻不足或自回火而導致硬度降低。工具淬火溫度過高，殘余奧氏體量過多，影響硬度。4.硬度不均勻產生淬火軟點的原因：工件表面有氧化皮及污垢等：淬火介質中有雜質，如水中有油，使淬火后產生軟點；工件在淬火介質中冷卻時，冷卻介質的攪動不夠，沒有及時趕走工件的凹槽及大截面處形成的氣泡而產生軟點；滲碳件表面碳濃度不均勻，例如有嚴重的碳化物偏析，或原始組織粗大，鐵素體呈大塊狀分布。補救方法：對前三種情況，可以進行一次回火，再次加熱，在恰當的冷卻介質及冷卻方法的條件下淬火補救。對后兩種情況，如淬火后不再加工，則一旦出現缺陷，很難補救。一、名詞術語解析臨界淬火冷卻速度淬火烈度淬透性臨界直徑淬硬性，淬火應力，熱應力，組織應力，噴霧淬火，調質，時效，亞溫淬火，過熱與過燒，軟點二、淬火介質基本類型劃分的依據是什么？其冷卻機制上有什么根本區(qū)別？三、分析水、鹽水、堿水的冷卻特性，并找出影響其冷卻能力的因素。四、對淬火用油有哪些基本要求？影響淬火油冷卻能力因素有哪些？指出生產中對淬火油質量進行監(jiān)控的現實意義。習題與思考題第八章脫溶沉淀與時效

從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質原子聚集區(qū)以及亞穩(wěn)定過渡相的過程稱為脫溶或沉淀，是一種擴散型相變。

將這種雙相組織加熱到固溶度線以上某一溫度（如T1）保溫足夠時間，將獲得均勻的單相固溶體α相，這種處理稱為固溶處理。

若將經過固溶處理后的C0成分合金急冷，抑制α相分解，則在室溫下獲得亞穩(wěn)的過飽和α相固溶體。這種過飽和固溶體在室溫或較高溫度下等溫保持時，亦將發(fā)生脫溶，但脫溶相往往不是狀態(tài)圖中的平衡相，而是亞穩(wěn)相或溶質原子聚集區(qū)。這種脫溶可顯著提高合金的強度和硬度，稱為沉淀強（硬）化或時效強（硬）化。

自然時效和人工時效。

8.1脫溶過程和脫溶物的結構

合金經固溶處理并淬火獲得亞穩(wěn)過飽和固溶體，若在足夠高的溫度下進行時效，最終將沉淀析出平衡脫溶相。但在平衡相出現之前，根據合金成分不同會出現若干個亞穩(wěn)脫溶相或稱為過渡相。以A1-4%Cu合金為例，其室溫平衡組織為α相固溶體和θ相（CuAl2）。該合金經固溶處理并淬火冷卻獲得過飽和α相固溶體后，加熱到130℃進行時效，其脫溶順序為：G.P.區(qū)→θ″相→θ′相→θ相，即在平衡相（θ）出現之前，有三個過渡脫溶物相繼出現。1．G.P.區(qū)的形成及其結構

在若干原子層范圍內的溶質原子聚集區(qū)即稱為Guinier-Preston區(qū)，簡稱G.P.區(qū)。G.P.區(qū)具有以下特點：（ⅰ）在過飽和固溶體的分解初期形成，且形成速度很快，通常為均勻分布；（ⅱ）其晶體結構與母相過飽和固溶體相同，并與母相保持第—類共格關系；（ⅲ）在熱力學上是亞穩(wěn)定的。2．過渡相的形成及其結構

1）θ″相的形成與結構一般是以G.P.區(qū)為基礎，沿其直徑方向和厚度方向（以厚度方向為主）長大形成過渡相θ″相。θ″相具有正方點陣，點陣常數為a＝b＝4.04?，與母相α相同，c＝7.8?

，較α相的兩倍(8.08?)略小。θ″相的晶胞有五層原子面中，中央一層為100％Cu原子層，最上和最下的兩層為100％A1原子層，而中央一層與最上、最下兩層之間的兩個夾層則由Cu和A1原子混合組成，總成分相當于CuAl2。θ″相與基體α相仍保持完全共格關系。θ″相仍為薄片狀，片的厚度約0.8～2nm，直徑約14～15nm。隨著θ″相的長大，在其周圍基體中產生