金屬材料熱處理課件

第一節(jié)熱處理的理論基礎(chǔ)第二節(jié)鋼的熱處理第三節(jié)固溶與時(shí)效處理（二）金屬材料熱處理在鑄造、壓力加工和焊接成形過程中，不可避免地存在組織缺陷。對金屬材料進(jìn)行熱處理主要源于提高其綜合機(jī)械性能，符合材料在設(shè)計(jì)和制備過程中所遵循的“成分－組織－性能”的原則。第一節(jié)熱處理的理論基礎(chǔ)熱處理是將金屬材料以一定的速度加熱到預(yù)定溫度并保持預(yù)定的時(shí)間，再以預(yù)定的冷卻速度進(jìn)行冷卻的綜合工藝方法。

金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制導(dǎo)致材料失效的最大應(yīng)力結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料高分子材料金屬材料

強(qiáng)度

疲勞強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度屈服強(qiáng)度材料強(qiáng)度的唯一性判據(jù)

細(xì)晶強(qiáng)化：

合金的晶粒越細(xì)小，內(nèi)部的晶粒和晶界的數(shù)目就越多。細(xì)晶強(qiáng)化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性，原子能量高這一特點(diǎn)，對材料進(jìn)行強(qiáng)化。

雙晶粒的拉伸試驗(yàn)說明：晶界對形變有阻礙作用。雙晶粒拉伸示意圖低碳鋼的σs

與晶粒大小的關(guān)系

加工硬化：

加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強(qiáng)度、硬度升高；塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化（冷變形）是熱處理不能強(qiáng)化的金屬材料的主要強(qiáng)化方法。曲線分為三階段1）易滑移階段（位錯(cuò)少干擾）2）線性硬化階段（位錯(cuò)塞積）3）拋物線硬化階段（螺旋位錯(cuò)啟動(dòng)，位錯(cuò)密度下降）加工硬化曲線：

時(shí)效強(qiáng)化：

時(shí)效強(qiáng)化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下保溫析出過渡相、第二相等而實(shí)現(xiàn)對材料強(qiáng)化的方法。

復(fù)合強(qiáng)化：

利用兩種或兩種以上的強(qiáng)化方法，來達(dá)到塑性金屬材料強(qiáng)化的目的。鋼的形變熱處理固溶強(qiáng)化加工硬化

回火索氏體

第二相強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化

固態(tài)相變

塑性金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制表明：通過熱處理中的加熱和冷卻過程使合金產(chǎn)生固態(tài)相變，從而合金組織發(fā)生變化，最終導(dǎo)致材料性能產(chǎn)生變化。

固態(tài)相變是指固態(tài)物質(zhì)在溫度、壓力、電場、磁場改變時(shí)，從一種組織結(jié)構(gòu)會(huì)轉(zhuǎn)變成另一種組織結(jié)構(gòu)。

材料科學(xué)研究中的固態(tài)相變主要是指溫度改變而產(chǎn)生的相變。固態(tài)相變主要包括三種基本變化：1）晶體結(jié)構(gòu)的變化；2）化學(xué)成分的變化；3）有序程度的變化。一種相變可同時(shí)包括一種、兩種或三種變化。鋼鐵材料熱處理是通過加熱、保溫和冷卻方式借以改變合金的組織與性能的一種工藝方法，其基本內(nèi)容包括熱處理原理及熱處理工藝兩大方面。第二節(jié)鋼的熱處理鋼鐵材料的強(qiáng)韌化重要有兩個(gè)途徑：一是對鋼鐵材料實(shí)施熱處理；二是通過調(diào)整鋼的化學(xué)成分，加入合金元素（亦即鋼的合金化原理），以改善鋼的性能。

加熱時(shí)鋼的組織轉(zhuǎn)變奧氏體的形成過程鋼在加熱時(shí)奧氏體的形成過程又稱為奧氏體化。以共析鋼的奧氏體形成過程為例。

3）殘留滲碳體的溶解：鐵素體全部消失以后，仍有部分剩余滲碳體未溶解，隨著時(shí)間的延長，這些剩余滲碳體不斷地溶入到奧氏體中去，直至全部消失。1）奧氏體形核：奧氏體的晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體的界面上形成。2）奧氏體晶核長大：奧氏體晶核形成以后，依靠鐵、碳原子的擴(kuò)散，使鐵素體不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入到奧氏體中去而進(jìn)行的。4）奧氏體均勻化：滲碳體全部溶解完畢時(shí)，奧氏體的成分是不均勻的，只有延長保溫時(shí)間，通過碳原子的擴(kuò)散才能獲得均勻化的奧氏體。亞共析鋼的加熱過程：過共析鋼的加熱過程：

1）等溫冷卻試驗(yàn)：（a）

首先將若干薄圓片狀試樣放入錫熔爐中，在高于共析溫度的條件下進(jìn)行奧氏體化；（b）將上述奧氏體化后的試樣迅速放入另一錫熔爐保溫，爐溫低于共析溫度；（c）依據(jù)試樣保溫時(shí)間的差異，分別從爐中取出試樣，置于水中快冷；（d）磨制金相試樣，并觀察顯微組織。在不同溫度重復(fù)上述等溫轉(zhuǎn)變試驗(yàn)，可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出奧氏體鋼的等溫冷卻曲線。曲線的左邊一條線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線；右邊一條線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。該曲線下部還有兩條水平線，分別表示奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ms線和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf線。2）過冷奧氏體等溫冷卻曲線曲線分析在C曲線中，在不同過冷奧氏體開始出現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變的時(shí)間不同，這段時(shí)間稱為“孕育期”。其中，以C曲線最突出處（凸點(diǎn)）所對應(yīng)的溫度孕育期最短。過冷奧氏體等溫冷卻曲線形似“C”字，故俗稱C曲線，反應(yīng)了“溫度－時(shí)間－轉(zhuǎn)變量”的關(guān)系，所以C曲線又稱為TTT圖（Temperature-Time－TransformationDiagram）。3、非共析成分碳鋼的等溫轉(zhuǎn)變

非共析鋼的C曲線與共析鋼的C曲線不同。區(qū)別在于：亞共析鋼曲線左移，在其上方多了一條過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的轉(zhuǎn)變開始線；

過共析鋼曲線右移，在其上方多了一條過冷奧氏體析出二次滲碳體的開始線。

亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖4、共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變C曲線（TTT圖）反應(yīng)了過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的全貌，但在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼的熱處理大多是采用連續(xù)冷卻，因此，測出奧氏體的連續(xù)冷卻曲線，即CCT圖（右圖陰影部分），有很大的現(xiàn)實(shí)意義。ContinuousCoolingTransformationDiagramVc臨界冷卻速度：是指使奧氏體在冷卻過程中直接轉(zhuǎn)變成馬氏體而不發(fā)生其它轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度，即臨界淬火速度。名稱目的工藝制度組織應(yīng)用完全退火細(xì)化晶粒，消除鑄造偏析，降低硬度，提高塑性加熱到AC3＋20～50℃，爐冷至550℃左右空冷

F＋P亞共析鋼的鑄、鍛、軋件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韌性，為淬火作組織準(zhǔn)備加熱到AC1＋20～40℃，然后緩冷片狀珠光體和網(wǎng)狀滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罟参?、過共析鋼及合金鋼的鍛件、軋件等擴(kuò)散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均勻化加熱到AC3

Acm+100～200℃，先緩冷，后空冷粗大組織（組織嚴(yán)重過燒）合金鋼鑄錠及大型鑄鋼件或鑄件再結(jié)晶退火消除加工硬化，提高塑性加熱到再結(jié)晶溫度，再空冷變形晶粒變成細(xì)小的等軸晶冷變形加工的制品去應(yīng)力退火消除殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性加熱到500～650℃緩冷至200℃空冷無變化鑄、鍛、焊、冷壓件及機(jī)加工件常用退火工藝制度小結(jié)

正火（俗稱?；┱饘摷訜岬紸C3或ACm以上溫度30-50℃并保溫，出爐空冷至室溫的熱處理工藝。由于正火比退火加熱溫度略高，冷卻速度大，故珠光體的分散度大，先共析鐵素體的數(shù)量少，因而正火后強(qiáng)度、硬度較高。正火的應(yīng)用：①

用正火作為性能要求的一般結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。②

亞共析鋼采用正火來調(diào)整硬度，改切削加工性能。③

過共析鋼的正火可消除網(wǎng)狀碳化物。馬氏體形成過程示意圖3）馬氏體的組織形態(tài)馬氏體有兩種基本形態(tài)：板條馬氏體和片狀馬氏體。

W（C）≤0.20%時(shí)：基本上形成板條狀馬氏體（也稱低碳馬氏體），板條馬氏體內(nèi)有高密度的位錯(cuò)纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu)，又稱為位錯(cuò)馬氏體。

板條馬氏體片狀馬氏體W（C）≥0.60%時(shí)：形成片狀馬氏體（針狀馬氏體），片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。因此，片狀馬氏體又稱為孿晶馬氏體。

0.20%≤W（C）≤0.60%時(shí)：形成上述兩種馬氏體的混合組織，含碳量越高，條狀馬氏體量越少而片狀馬氏體量越多。

4）馬氏體的力學(xué)性能馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)。在相同屈服強(qiáng)度條件下，板條（位錯(cuò)）型馬氏體比片狀（孿晶）型馬氏體的韌性好得多。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量，通常情況是隨含碳量的增加而升高。5）小結(jié)

馬氏體轉(zhuǎn)變是典型的無擴(kuò)散性相變。馬氏體是碳在α—Fe中的過飽和固溶體，具有非常高的強(qiáng)度和硬度所以，馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化金屬的重要途徑之一。

將鋼加熱到Ac1或Ac3以上，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。

1）淬火加熱溫度淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒為原則，以便冷卻后獲得細(xì)小的馬氏體組織。亞共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac3以上30～50℃；過共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac1以上30～50℃。

4、鋼的淬火工藝2）淬火保溫時(shí)間淬火保溫時(shí)間主要根據(jù)鋼的成分特點(diǎn)、加熱介質(zhì)和零件尺寸來確定。

（a）含碳量越高，含合金元素越多，導(dǎo)熱性越差，則保溫時(shí)間就越長；（b）零件尺寸越大，保溫時(shí)間越長；（c）生產(chǎn)中常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定保溫時(shí)間；3）淬火冷卻速度淬火冷卻介質(zhì)選擇的原則：（a）為保證獲得馬氏體組織，要求V冷卻≥V臨界；（b）為保證零件不因淬火應(yīng)力而開裂，要求V冷卻不應(yīng)太大，應(yīng)該選擇合適的冷卻介質(zhì)。水：

主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。油：一般用作合金鋼和某些小型復(fù)雜碳素鋼件的淬火。鹽?。簽榱藴p少零件淬火時(shí)的變形，鹽浴也常用作淬火介質(zhì)，主要用于分級淬火和等溫淬火。

采用有機(jī)物和無機(jī)物等配制而成的水溶性聚合物淬火介質(zhì)，和淬火油改性添加劑，由于冷卻能力可調(diào)整，使用中介質(zhì)濃度可簡便測定，有減少變形、防止淬裂，不銹蝕、免清洗、

無味、無煙霧、不著火，使用溫度高，環(huán)保、少無污染，正常消耗是傳統(tǒng)油淬火的40%等特點(diǎn)，因而在國外已普及推廣應(yīng)用。但我國仍普遍采用通用的礦物油，一定比例的氯化鈉水溶液、堿溶液及硝鹽溶液為冷卻介質(zhì)。因而造成嚴(yán)重的污染。

5、常用淬火冷卻方法為了保證獲得所需淬火組織，又要防止變形和開裂，必須采用已有的淬火介質(zhì)再配以各種冷卻方法才能解決。通常的淬火方法包括單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等，如圖所示。。6、鋼的淬透性和淬硬性

鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。其大小通常用規(guī)定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）的距離作為淬透層深度。

生產(chǎn)中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火直徑，是指圓棒試樣在某介質(zhì)中淬火時(shí)所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。淬透性的應(yīng)用：（1）淬透性大的工件易淬透，組織和性能均勻一致；（2）淬火性大的工件在淬火時(shí)，可選用冷卻能力較小的淬火介質(zhì)以減小淬火應(yīng)力。（3）對受力大而復(fù)雜的工件，為確保組織性能均勻一致，可選用淬透性大的鋼。（4）當(dāng)要求工件表面硬度高，而心部韌性好時(shí)，可選用低淬透性鋼。鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。

回火1、定義：回火是把淬火后的鋼件，重新加熱到A1以下某一溫度，經(jīng)保溫后空冷至室溫的熱處理工藝。2、目的：淬火鋼件經(jīng)回火可以減少或消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織，提高鋼的塑性和韌性，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性得到適當(dāng)配合，以滿足不同工件的性能要求。3、回火過程的組織變化：第一階段（室溫～250℃）：馬氏體中的過飽和碳原子析出，形成碳化物FexC，得到回火馬氏體組織。第二階段（230～280℃）：馬氏體繼續(xù)分解，同時(shí)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檫^飽和固溶體與碳化物，得到回火馬氏體組織。第三階段（260～360℃）：馬氏體繼續(xù)分解，碳原子繼續(xù)析出使過飽和α固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體；回火馬氏體中的FexC轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的粒狀滲碳體，得到鐵素體和極細(xì)滲碳體的機(jī)械混合物，即回火屈氏體。第四階段（400℃以上）：碳化物聚集長大，溫度越高碳化物越大，得到粒狀碳化物與鐵素體的機(jī)械混合物，即回火索氏體。回火的目的是降低應(yīng)力和脆性，獲得回火馬氏體組織，使鋼具有高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。低溫回火一般用來處理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滾動(dòng)軸承和滲碳件等。（HRC≥60）4、回火的種類：1）低溫回火（150～250℃）2）中溫回火（350～500℃）回火的目的是獲得回火屈氏體，具備高的彈性極限和韌性，并保持一定的硬度，主要用于各種彈簧，鍛模、壓鑄模等模具。（35≤HRC≤45）3）高溫回火（500～650℃）回火的目的是具備良好的綜合機(jī)械性能（較高的強(qiáng)度、塑性、韌性），得到回火索氏體組織。一般把淬火加高溫回火的熱處理稱為“調(diào)質(zhì)處理”。適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機(jī)半軸、機(jī)床主軸及齒輪等重要機(jī)器零件。（28≤HRC≤33）

需要指出，有些鋼在250～400℃和450～650℃的范圍內(nèi)回火時(shí)，其沖擊韌性比在較低溫度回火時(shí)還顯著下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。在250～400℃回火時(shí)出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性，又叫第一類回火脆性；而在450～650℃溫度范圍內(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性，也叫第二類回火脆性。為防止低溫回火脆性，通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。防止高溫回火脆性的方法是加熱后快冷。

鋼的表面熱處理鋼的表面淬火

表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織，而心部仍保持淬火前組織的熱處理方法。1、火焰表面淬火：

火焰表面淬火是氧炔焰等高溫?zé)嵩磳⒐ぜ砻嬖S速加熱到形變溫度以上，然后立即進(jìn)行低溫回火，或利用工件內(nèi)部余熱自身回火。這種方法可獲得2～6mm的淬透深度，設(shè)備簡單，成本低，適于單件或小批量生產(chǎn)。2、感應(yīng)表面淬火：感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)：①淬火溫度高于一般淬火溫度。②淬火后馬氏體晶粒細(xì)化，表層硬度比普通淬火高2～3HRC。③表層存在很大的殘余壓應(yīng)力。④不易產(chǎn)生變形和氧化脫碳。⑤易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化。感應(yīng)加熱淬火后，為了減小淬火應(yīng)力和降低脆性，需進(jìn)行170～200℃低溫回火。

感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理，表層感應(yīng)電流密度大，溫度高；心部幾乎不受熱。鋼的化學(xué)熱處理是指將工件放在一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中分解出的一種或幾種元素的活性原子被鋼件表面吸附并向表層擴(kuò)散，從而改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的一種熱處理工藝方法。

鋼的化學(xué)熱處理基本過程：

①鋼件加熱時(shí)，化學(xué)介質(zhì)分解出滲入元素的活性原子；②活性原子被鋼件表面吸附和溶解；③原子由表面向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定的擴(kuò)散層。

將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子1、鋼的滲碳：滲入鋼的表層的工藝稱為滲碳。其目的是通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使表面獲得高碳回火馬氏體，具有高硬度、耐磨性和抗疲勞性能；而心部為低碳回火馬氏體或索氏體，具有一定的強(qiáng)度和良好的韌性配合。氣體滲碳示意圖1）滲碳方法

滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。2）滲碳后的組織

常用于滲碳的鋼為低碳鋼和低碳合金鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為：過共析組織（珠光體+碳化物）、共析組織（珠光體）、亞共析組織（珠光體+鐵素體）的過渡區(qū)，直至心部的原始組織。

3）滲碳后的熱處理滲碳后的熱處理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。

滲碳后的淬火和低溫回火示意圖2、鋼的滲氮：滲氮俗稱氮化，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面，在鋼件表面獲得一定深度的富氮硬化層的熱處理工藝。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等。常用的滲氮方法有氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲（軟氮化）等。生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣體滲氮。1）滲氮方法2）滲氮后的組織

含有Al、Cr、Mo等元素的合金鋼C、N和Fe的化合物C、N溶于α-Fe的固溶體彌散合金氮化物（如AlN等）3）滲氮后的鋼件性能

①氮化層HRC為69～73，在600～650℃有較高紅硬性；②一般，T滲氮＜T滲碳，無需進(jìn)一步熱處理，滲氮層各性能均優(yōu)于滲碳層，工件不易變形；③氮化層比碳化層薄且脆；且t滲氮＞t滲碳，生產(chǎn)效率低。④為提高工件心部強(qiáng)韌性，需在滲氮前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

碳氮共滲新介質(zhì)的研制是金屬熱處理研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。早期使用的NaCN等氰鹽均有劇毒，現(xiàn)已禁用。新一代碳氮共滲介質(zhì)往往同時(shí)考慮工藝性能和環(huán)保兩方面的因素。常用的介質(zhì)是煤氣和氨氣的混合物。3、鋼的碳氮共滲（氰化）：

碳氮共滲是同時(shí)向鋼件表面滲入碳和氮原子的化學(xué)熱處理工藝，也俗稱為氰化。碳氮共滲零件的性能介于滲碳與滲氮零件之間。

鋼的熱處理新工藝介紹無氧化加熱利用可控氣氛，即通過精確計(jì)量和微機(jī)控制技術(shù)對爐內(nèi)的氣體組分加以控制。如含碳液體或氣體的分解和裂解的碳濃度的控制。1、保護(hù)氣氛加熱：2、采用保護(hù)涂料：目前鋼和鈦合金已在熱處理中大量利用保護(hù)涂料來避免工件氧化。涂料由Al2O3、SiO2、SiC和其他金屬氧化物以及液態(tài)粘結(jié)劑配置而成。在真空爐中受真空氣氛保護(hù)，可防止工件氧化、減小變形；但容易引起元素?fù)]發(fā)。適于中小型零件的處理。3、真空熱處理：目前，實(shí)際生產(chǎn)中還采用以下先進(jìn)工藝：利用高能量密度對零件作超高速加熱，然后自激淬火，具有不氧化、不脫碳、變形小、表面光潔，提高硬