《金属学与热处理》word版.doc

金属学与热处理作业题冶金0604 40621105 苏金丽2009.6.161. 解释奥氏体化和奥氏体的形成过程。画出加热与冷却过程对转变温度的影响图。. 答 ：1）奥氏体化（austenitizing）：在热处理过程中把钢加热到临界温度以上使常温下的铁素体和渗碳体组织转变为高温奥氏体的热转变过程叫做奥氏体化。奥氏体化的组织状态，包括奥氏体的成分、晶粒大小、亚结构、均匀性以及是否存在碳化物等其它相，对奥氏体在随后的冷却过程中得到的组织和性能有直接的影响。临界温度：对于共析钢A1（PSK）线，亚共析钢A3(GS)线，过共析钢Acm（ES）线 。 奥氏体（A-austenite）：碳和各种元素溶解在Fe中形成的固溶体（其中C、N等元素存在于奥氏体的间隙位置，或者晶格缺陷处；具备固溶体条件的合金元素，其原子半径和Fe原子半径相差不大的则固溶于替换原子的位置；还有一些元素难以固溶则多数吸附在奥氏体晶界等晶格缺陷处）。它仍保持Fe的面心立方晶格，其溶碳能力较大。奥氏体一般是在高温下才能稳定存在的组织。奥氏体组织一般为等轴状多边形晶粒，在奥氏体内存在孪晶，但形成条件不同时也可以得到针状奥氏体晶粒。在奥氏体化刚结束时奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经历一段时间的加热或保温，晶粒将要长大，晶粒边界平直化。2） 奥氏体形成过程：奥氏体的形成是扩散型相变，转变的全过程一般可分为奥氏体形核、奥氏体晶核长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化四个阶段。奥氏体晶核的形成：奥氏体的形核为之一般在渗碳体和铁素体两相界面上，此外珠光体领域的边界，铁素体镶块边界都可以成为奥氏体形核的地点。这是由于铁素体含碳量极低（0.02% 以下），而渗碳体含碳量有很高（6.67%），奥氏体的含碳两介于两者之间。在相界面上碳原子有吸附，含量较高，界面扩散速度又比较快，容易形成大的浓度涨落，使相界面某一微区达到形成奥氏体晶核所需要的含碳量；此外在街面上能量也较高，容易造成能量涨落，以便满足形核功的需求；在两相界面处还容易满足结构涨落的要求。所有这三个涨落在两相界面处的优势，造成奥氏体晶核在此处形成。奥氏体晶核的长大：当在渗碳体和铁素体的晶核交界面上形成奥氏体晶核时，形成了-和-Fe3C两个新的相界面。奥氏体晶核的长大过程实际上是两个相界面（非共格晶界）向原有铁素体和渗碳体中推移形成等轴晶粒的过程。在奥氏体晶核内部，碳原子分布是不均匀的。与铁素体教界面处的奥氏体的含碳量C-,而与渗碳体交界处的奥氏体含碳量C-cem,C-1.0%后，随C含量的增加， VC增高。2 合金元素的影响除Co以外，大部分合金元素溶入A中，都增加A的稳定性，使VC下降；若未溶入A中，以碳化物形式存在，则会使VC升高。3 A晶粒度的影响随A晶粒尺寸增大， VC 减小，对受P转变制约的VC 影响较大，而对受B转变制约的VC 影响较小。4 A化温度的影响 A化温度升高，A的合金化程度增大，稳定性升高，从而使VC 降低。5 A中非金属夹杂物和稳定碳化物硫化物、氧化物、氮化物及难溶的稳定碳化物，在A化时，能阻碍A晶粒的长大，促进非M组织的形成，使VC 增大。4. 马氏体类型（片状马氏体、板条状马氏体）及其转变的定义和特点。答：1）马氏体的定义:马氏体是原子经无需扩散切变位移的不变平面应变的晶格改组过程得到的具有严格晶体学关系和惯习面的，形成相中伴生极高密度位错或层错或精细孪晶等亚结构的整合组织。2） 马氏体的类型：片状马氏体、板条状马氏体（包括“隐晶” 马氏体） 和凸透镜状马氏体。3） 马氏体转变的定义：原子经无需扩散的共格切变位移，进行不变平面应变的晶格改组的一级相变。4） 马氏体转变的特点：1 马氏体相变的无扩散性2 不变平面应变的晶格改组3 马氏体和奥氏体具有一定的位向关系，存在惯习面4 相变产生大量亚结构（如：高密度的位错、层错、精细孪晶）5 表面浮凸现象6 马氏体相变的变温特性7 马氏体相变的可逆性马氏体相变的无扩散性： 钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点阵改组。 可以在很低的温度范围内进行，并且相变速度极快。 原子以切变方式移动，相邻原子的相对位移不超过原子间距，近邻关系不变。表面浮凸现象和不变平面应变的晶格改组： 表面浮凸现象倾动面 直线划痕的变形情况 （a）实验结果 （b）在界面处失去共格 （c）划痕扭曲 马氏体形成时引起的表面倾动 马氏体相变后，在其磨光的试样表面上出现倾动，形成浮凸，这一宏观现象说明马氏体相变产生了宏观切变。片状马氏体的表面浮凸为N型，板条状马氏体的表面浮凸为帐篷型。 惯习面和不变平面马氏体往往在母相的一定晶面上开始形成，这一定的晶面即称为惯习面。马氏体和母相的相界面，中脊面都可能成为惯习面。例如： 钢中0.5%C，惯习面为111，0.51.4%C，为225，1.51.8%C，为259。 直线划痕在倾动面处改变方向，但仍保持连续，且不发生扭曲。说明马氏体与母相保持切变共格，惯习面未经宏观可测的应变和转动，即惯习面为不变平面。 不变平面应变倾动面一直保持为平面。发生马氏体相变时，虽发生了变形，但原来母相中的任一直线仍为直线，任一平面仍为平面，这种变形即为均匀切变。造成均匀切变且惯习面为不变平面的应变即为不变平面应变。 三种不变平面应变 a）膨胀 b）孪生时的切变 c）马氏体相变时-切变 + 膨胀不变平面马氏体和奥氏体具有一定的位向关系这是相变以共格切变方式进行所致。 K-S 关系：111110M ; M 由于3个奥氏体方向上(每个方向上有2种马氏体取向)可能有6种不同的马氏体取向,而奥氏体的 111 晶面族中又有4种晶面，从而马氏体共有24种取向（变体）。 西山关系：111110M ; M 按西山关系，在每个111面上，马氏体可能有3种取向，故马氏体共有12种取 向（变体）。 G-T关系：和 K-S关系略有偏差，111110M 差10 ，M 差20 K-S关系和西山关系的比较： 晶面关系相同，只是晶面内的方向相差 50016。马氏体相变的变温特性MS-马氏体相变开始点。Mf -马氏体相变终了点。MS 点以下，无需孕育，转变立即开始，且以极大速度进行，但很快停止，不能进行到终了，需进一步降温。在Mf点以下，虽然转变量未达到100%，但转变已不能进行。如Mf点低于室温，则淬火到室温将保留相当数量的未转变奥氏体，称为残余奥氏体。马氏体相变的可逆性A M； Ms , Mf ; As , Af ; As Ms 钢中马氏体加热时，容易发生回火分解， 从马氏体中析出碳化物。 转变量-温度关系例如： Fe-0.8%C钢以5000/S快速加热，抑制回火转变，则在590600发生逆转变。马氏体形态和亚结构 板条马氏体：在低、中碳钢，马氏体时效钢中出现，形成温度较高。 基本单元板条为一个个单晶体。许多相互平行的板条组成一个板条束，它们具有相同的惯习面。板条马氏体的惯习面为111，位向关系为K-S关系。由于有四个不同的111面，所以一个奥氏体晶粒内可能形成四种马氏体板条束。板条马氏体示意图每个惯习面上可能有六种不同的取向，板条束内具有相同取向的小块称为板条块，常常呈现为黑白相间的块。板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以板条马氏体也称为位错马氏体 。 不呈孪晶关系的板条间存在一层残余奥氏体簿膜，这种微量的残余奥氏体对板条马氏体的韧性贡献很大。呈孪晶关系的板条间就不存在这种残余奥氏体薄膜。 片状马氏体： 在中、高碳钢，高镍的Fe-Ni合金中出现，形成温度较低。先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶粒，使后形成的马氏体片的大小受到限制。后形成的马氏体片，则在奥氏体晶粒内进一步分割奥氏体晶粒，所以后形成的马氏体片越来越短小。片状马氏体的立体外形呈双凸透镜状，多数马氏体片的中间有一条中脊面，相邻马氏体片互不平行，大小不一片的周围有一定量的残余奥氏体。惯习面，随形成温度的下降，由225变为259，位向关系由K-S关系变为西山关系。亚结构为细小孪晶，一般集中在中脊面附近，片的边缘为位错。随形成温度下降，孪晶区扩大。马氏体片互成交角，后形成的马氏体片对先形成的马氏体片有撞击作用，接触处产生显微裂纹。225或 259（a）板条马氏体 （b）片状马氏体片状马氏体示意图 影响马氏体形态及其亚结构的因素（1）Ms点：Ms点高 - 形成板条马氏体。Ms点低 - 形成片状马氏体。 C% Ms 板条M 板条M+片状M 片状M ；位错M 孪晶M（2） 奥氏体与马氏体的强度当马氏体在较高温度形成时，滑移的临界分切应力较低，滑移比孪生更易于发生，从而在亚结构中留下大量位错，形成亚结构为位错的板条马氏体。由于温度较高，奥氏体和马氏体的强度均较低。相变时，相变应力的松驰可以同时在奥氏体和马氏体中以滑移方式进行，故惯习面为 (111) 。 随着形成温度的下降，孪生的临界分切应力较低，变形方式逐渐过渡为以孪生进行，形成亚结构为孪晶的片状马氏体。若奥氏体的S低于206MPa，应力在奥氏体中以滑移方式松弛。由于形成的马氏体强度较高，应力在马氏体中只能以孪生方式松弛，则形成惯习面为 (225)的片状马氏体。若奥氏体的S超过206MPa，相变应力在两相中均以孪生方式松弛，则形成惯习面为 (259)的片状马氏体。 5. 贝氏体转变为啥称为中间转变,有哪些类型（上贝氏体强度不高、下贝氏体强度韧度都比较高）。答：1） 贝氏体是过冷奥氏体在中温区域转变后的一种(或一类)组织的统称。它一般是由铁素体(F)或称作贝氏体铁索体(BF)和碳化物等组成。2） 较高温度下形成的贝氏体具有羽毛状特征，称为上贝氏体(B1)；较低温度形成的贝氏体具有针状或柳叶状特征，称为下贝氏体(B)。上贝氏体强度不高、下贝氏体强度韧度都比较高。3） 贝氏体形成温度范围为BaBf点(Ba为贝氏体形成时开始的温度，Br为相变的终了温度)。通常，把片层状珠光体的形成过程称为高温转变(转变温度Ah)；把板条或针片状的马氏体的形成过程称为低温转变(转变温度Ma点)；把贝氏体形成称为中温转变。高温时形成的珠光体是一种典型的扩散性相变，低温时形成的马氏体是切变型的非扩散性相变，那么，中温时形成的贝氏体是一种半扩散性相变。更具体地说，过冷奥氏体处于中温区域时，其中碳原子能够进行扩散，而铁和置换式合金元素的原子却难以扩散。所以，贝氏体转变既有珠光体形成时的一些特征，又有马氏体形成时的某些特征，这说明了贝氏体转变时的过渡性和复杂性。鉴于以上转变温度和转变方式的特点称贝氏体转变为中间转变。6. 回火的定义、目的、种类和回火时的组织变化。答：1） 回火：钢件淬火后，再加热到A 1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。 2）回火目的： 稳定组织，消除淬火应力 调整硬度、强度、塑性、韧性 、回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提高。回火温度越高，这些力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化。 3）淬火钢在回火时组织的转变 ：马氏体的分解（ 100） 残余奥氏体的转变（ 200300） 碳化物的转变（ 250450） 渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶（ 450） 4）回火方法： 低温回火（150250），组织是回火马氏体，和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。硬度为5864，主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。 中温回火（ 350 500 ），组织为回火托氏体，对于一般碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三阶段，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消失。硬度为 3550，具有高的弹性极限，有良好的塑性和韧性，主用于弹性件及模具处理。 高温回火（ 500650），组织为回火索氏体，硬度为220330，广泛用于各种重要结构件。淬火和随后的高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢具有优良的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。 通常在工业上将钢件经淬火高温回火的复合热处理工艺称为调质。钢经正火后和调质后的硬度很相近，但重要的结构件一般都要进行调质而不采用正火。在抗拉强度大致相同情况下，经调质后的屈服点、塑性和韧性指标均显著超过正火，尤其塑性和韧性更为突出。 5）回火时间：一般为小时 6）回火冷却：一般空冷。一些重要的机器和工模具，为了防止重新产生内应力和变形、开裂,通常都采用缓慢的冷却方式。对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。 7）回火脆性 ：第一类回火脆性：左右，无法消除低温回火脆性。产生这类回火脆性的原因，一般认为在此回火温度范围内碳化物以断续的薄片沿马氏体片或马氏体条的界面析出，这样硬而脆的薄片与马氏体间结合较弱，降低了马氏体晶界处强度，因而使冲击韧性降低。 第二类回火脆性：，高温回火脆性。产生这类原因是由于经高温回火后缓冷通过脆化温度区所产生的脆性。办法：快冷；提高钢的纯洁度，减少有害元素的含量等。7. 退火的定义、目的、分类。答：1） 退火 ：将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。2） 目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。3） 退火工艺随目的之不同而有多种，如重结晶退火、等温退火、均匀化退火、球化退火、去除应力退火、再结晶退火，以及稳定化退火、磁场退火等等。 退火的一个最主要工艺参数是最高加热温度（退火温度），大多数合金的退火加热温度的选择是以该合金系的相图为基础的,如碳素钢以铁碳平衡图为基础。各种钢(包括碳素钢及合金钢)的退火温度，视具体退火目的的不同而在各该钢种的Ac3以上、Ac1以上或以下的某一温度。各种非铁合金的退火温度则在各该合金的固相线温度以下、固溶度线温度以上或以下的某一温度。 重结晶退火：应用于平衡加热和冷却时有固态相变(重结晶)发生的合金。其退火温度为各该合金的相变温度区间以上或以内的某一温度。加热和冷却都是缓慢的。合金于加热和冷却过程中各发生一次相变重结晶，故称为重结晶退火，常被简称为退火。这种退火方法，相当普遍地应用于钢。钢的重结晶退火工艺是:缓慢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢或过共析钢）以上3050，保持适当时间，然后缓慢冷却下来。通过加热过程中发生的珠光体（或者还有先共析的铁素体或渗碳体）转变为奥氏体（第一回相变重结晶）以及冷却过程中发生的与此相反的第二回相变重结晶，形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀的珠光体(或者还有先共析铁素体或渗碳体)。退火温度在Ac3以上（亚共析钢）使钢发生完全的重结晶者，称为完全退火，退火温度在Ac1与Ac3之间 (亚共析钢)或Ac1与Acm之间（过共析钢）,使钢发生部分的重结晶者,称为不完全退火。前者主要用于亚共析钢的铸件、锻轧件、焊件，以消除组织缺陷（如魏氏组织、带状组织等），使组织变细和变均匀，以提高钢件的塑性和韧性。后者主要用于中碳和高碳钢及低合金结构钢的锻轧件。此种锻、轧件若锻、轧后的冷却速度较大时，形成的珠光体较细、硬度较高；若停锻、停轧温度过低，钢件中还有大的内应力。此时可用不完全退火代替完全退火，使珠光体发生重结晶,晶粒变细，同时也降低硬度，消除内应力,改善被切削性。此外,退火温度在Ac1与Acm之间的过共析钢球化退火,也是不完全退火。 重结晶退火也用于非铁合金，例如钛合金于加热和冷却时发生同素异构转变，低温为 相(密排六方结构)，高温为 相（体心立方结构），其中间是“”两相区，即相变温度区间。为了得到接近平衡的室温稳定组织和细化晶粒，也进行重结晶退火，即缓慢加热到高于相变温度区间不多的温度，保温适当时间，使合金转变为相的细小晶粒；然后缓慢冷却下来，使相再转变为相或两相的细小晶粒。 等温退火：应用于钢和某些非铁合金如钛合金的一种控制冷却的退火方法。对钢来说，是缓慢加热到 Ac3（亚共析钢）或 Ac1（共析钢和过共析钢）以上不多的温度，保温一段时间,使钢奥氏体化,然后迅速移入温度在A1以下不多的另一炉内，等温保持直到奥氏体全部转变为片层状珠光体（亚共析钢还有先共析铁素体；过共析钢还有先共析渗碳体）为止，最后以任意速度冷却下来(通常是出炉在空气中冷却)。等温保持的大致温度范围在所处理钢种的等温转变图上A1至珠光体转变鼻尖温度这一区间之内(见过冷奥氏体转变图)；具体温度和时间，主要根据退火后所要求的硬度来确定。等温温度不可过低或过高，过低则退火后硬度偏高；过高则等温保持时间需要延长。钢的等温退火的目的，与重结晶退火基本相同,但工艺操作和所需设备都比较复杂,所以通常主要是应用于过冷奥氏体在珠光体型相变温度区间转变相当缓慢的合金钢。后者若采用重结晶退火方法，往往需要数十小时，很不经济；采用等温退火则能大大缩短生产周期，并能使整个工件获得更为均匀的组织和性能。等温退火也可在钢的热加工的不同阶段来用。例如,若让空冷淬硬性合金钢由高温空冷到室温时，当心部转变为马氏体之时，在已发生了马氏体相变的外层就会出现裂纹;若将该类钢的热钢锭或钢坯在冷却过程中放入700左右的等温炉内，保持等温直到珠光体相变完成后，再出炉空冷，则可免生裂纹。 含相稳定化元素较高的钛合金，其相相当稳定，容易被过冷。过冷的相，其等温转变动力学曲线（图3）与钢的过冷奥氏体等温转变图相似。为了缩短重结晶退火的生产周期并获得更细、更均匀的组织，亦可采用等温退火。均匀化退火：亦称扩散退火。应用于钢及非铁合金（如锡青铜、硅青铜、白铜、镁合金等）的铸锭或铸件的一种退火方法。将铸锭或铸件加热到各该合金的固相线温度以下的某一较高温度,长时间保温,然后缓慢冷却下来。均匀化退火是使合金中的元素发生固态扩散，来减轻化学成分不均匀性（偏析），主要是减轻晶粒尺度内的化学成分不均匀性（晶内偏析或称枝晶偏析）。均匀化退火温度所以如此之高，是为了加快合金元素扩散，尽可能缩短保温时间。合金钢的均匀化退火温度远高于Ac3，通常是10501200。非铁合金锭进行均匀化退火的温度一般是“0.95固相线温度(K)”,均匀化退火因加热温度高，保温时间长，所以热能消耗量大。 球化退火：只应用于钢的一种退火方法。将钢加热到稍低于或稍高于Ac1的温度或者使温度在A1上下周期变化，然后缓冷下来。目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、被切削性好、冷形变能力大。对工具钢来说，这种组织是淬火前最好的原始组织。 球化退火的具体工艺有：普通（缓冷）球化退火，缓冷适用于多数钢种，尤其是装炉量大时，操作比较方便，但生产周期长；等温球化退火，适用于多数钢种，特别是难于球化的钢以及球化质量要求高的钢（如滚动轴承钢）；其生产周期比普通球化退火短，不过需要有能够控制共析转变前冷却速率的炉子；周期球化退火，适用于原始组织为片层状珠光体组织的钢，其生产周期也比普通球化退火短，不过在设备装炉量大的条件下，很难按控制要求改变温度，故在生产中未广泛采用；低温球化退火，适用于经过冷形变加工的钢以及淬火硬化过的钢（后者通常称为高温软化回火）；形变球化退火，形变加工对球化有加速作用,将形变加工与球化结合起来,可缩短球化时间。它适用于冷、热形变成形的钢件和钢材（如带材）再结晶退火：应用于经过冷变形加工的金属及合金的一种退火方法。目的为使金属内部组织变为细小的等轴晶粒，消除形变硬化，恢复金属或合金的塑性和形变能力（回复和再结晶）。若欲保持金属或合金表面光亮，则可在可控气氛的炉中或真空炉中进行再结晶退火。 去除应力退火：铸、锻、焊件在冷却时由于各部位冷却速度不同而产生内应力，金属及合金在冷变形加工中以及工件在切削加工过程中也产生内应力。若内应力较大而未及时予以去除，常导致工件变形甚至形成裂纹。去除应力退火是将工件缓慢加热到较低温度（例如，灰口铸铁是500550，钢是500650），保温一段时间,使金属内部发生弛豫，然后缓冷下来。应该指出,去除应力退火并不能将内应力完全去除，而只是部分去除，从而消除它的有害作用。 还有一些专用退火方法，如不锈耐酸钢稳定化退火；软磁合金磁场退火；硅钢片氢气退火；可锻铸铁可锻化退火等。8. 正火的定义、目的。且与退火相比有何不同？答：1）正火，又称常化，是将工件加热至Ac3或Accm以上3050，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。2) 钢回火的目的 1 降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。 2 获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。 3 稳定工件尺寸 4 对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。3）正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。4）正火的主要应用范围有：用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。 过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。9. 淬火的定义、目的。答：1）钢的淬火：将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。2） 淬火的目的：使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。淬火能使钢强化的根本原因是相变，即奥氏体组织通过相变而成为马氏体组织（或贝氏体组织）。3） 常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主要用于钢件。常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。钢淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马氏体，获得高硬度，然后在适当温度下回火，使工件具有预期的性能。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力，当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。淬火效果的重要因素，淬火工件硬度要求和检测方法：淬火工件的硬度影响了淬火的效果。淬火工件一般采用洛氏硬度计，测试HRC硬度。淬火的薄硬钢板和表面淬火工件可测试HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm的淬火钢棒，可改用表面洛氏硬度计，测试HRN硬度。 在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。由于淬火后金属硬而脆，产生的表面残余应力会造成冷裂纹，回火可作为在不影响硬度的基础上，消除冷裂纹的手段之一。淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适，对于过大的零件，淬火深度不够，渗碳也存在同样问题，此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。 淬火是钢铁材料强化的基本手段之一。钢中马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相，故钢件淬火可以获得高硬度、高强度。但是，马氏体的脆性很大，加之淬火后钢件内部有较大的淬火内应力，因而不宜直接应用，必须进行回火。淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。机械中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件干差万别的技术要求，发展了各种淬火工艺。如，按接受处理的部位，有整体、局部淬火和表面淬火；按加热时相变是否完全，有完全淬火和不完全淬火（对于亚共析钢，该法又称亚临界淬火)；按冷却时相变的内容，有分级淬火，等温淬火和欠速淬火等。工艺过程包括：加热、保温、冷却3个阶段。下面以钢的淬火为例，介绍上述三个阶段工艺参数选择的原则。A 加热温度： 以钢的相变临界点为依据，加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒，淬火后获得细小马氏体组织。亚共析钢加热温度为Ac3温度以上3050。高温下钢的状态处在单相奥氏体(A)区内，故称为完全淬火。如亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度，则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体，即为不完全(或亚临界)淬火。过共析钢淬火温度为Ac1温度以上3050，这温度范围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火，淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。这-组织状态具有高硬度和高耐磨性。对于过共析钢，若加热温度过高，先共析渗碳体溶解过多，甚至完全溶解，则奥氏体晶粒将发生长大，奥氏体碳含量也增加。淬火后，粗大马氏体组织使钢件淬火态微区内应力增加，微裂纹增多，零件的变形和开裂倾向增加；由于奥氏体碳浓度高，马氏体点下降，残留奥氏体量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。实际生产中，加热温度的选择要根据具体情况加以调整。如亚共析钢中碳含量为下限，当装炉量较多，欲增加零件淬硬层深度等时可选用温度上限；若工件形状复杂，变形要求严格等要采用温度下限。B .保温时间:由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。对整体淬火而言，保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火，其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。加热与保温是影响淬火质量的重要环节，奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在58级。C. 冷却方法: 要使钢中高温相奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷却过程中， 表面与心部的冷却速度有-定差异，如果这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大，工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素，合理选择淬火介质和冷却方式。冷却阶段不仅零件获得合理的组织，达到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形状精度，是淬火工艺过程的关键环节。分类: 可按冷却方式分为单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。冷却方式的选择要根据钢种、零件形状和技术要求诸因素。a. 单液淬火:将工件加热后使用单一介质冷却，最常使用的有水和油两种。为防止工件过大的变形和开裂，工件不宜在介质中冷至室温，可在200300出水或油，在空气中冷却。单液淬火操作简单易行，广泛用于形状简单的工件。有时将工件加热后，先在空气中停留-段时间，再淬入淬火介质中，以减少淬冷过程中工件内部的温差，降低工件变形与开裂的倾向，称为预冷淬火。b. 双液淬火:工件加热后，先淬入水或其他冷却能力强的介质中冷却至400左右，迅速转入油或其他冷却能力较弱的介质中冷却。所谓“水淬油冷”法使用得相当普遍。先淬入冷却能力强的介质，工件快速冷却可避免钢中奥氏体分解。低温段转入冷却能力较弱的介质可有效减少工件的内应力，降低工件变形和开裂倾向。本工艺的关键是如何控制在水中停留的时间。根据经验，按工件厚度计算在水中停留的时间，系数为O.2O.3s/mm，碳素钢取上限，合金钢取下限。这种工艺适用于碳素钢制造的中型零件(直径1040mm)和低合金钢制造的较大型零件。 c. 分级淬火:工件加热后，淬入温度处于马氏体点(ms)附近的介质(可用熔融硝盐、碱或热油)中，停留一段时间，然后取出空冷。分级温度应选择在该钢种过冷奥氏体的稳定区域，以保证分级停留过程中不发生相变。对于具有中间稳定区(“两个鼻子”)型TTT曲线的某些高合金钢，分级温度也可选在中温(400600)区。分级的目的是使工件内部温度趋于一致，减少在后续冷却过程中的内应力及变形和开裂倾向。此工艺适用于形状复杂，变形要求严格的合金钢件。高速钢制造的工具淬火多用此工艺。d. 等温淬火:工件加热后，淬入温度处于该钢种下贝氏体(B下)转变范围的介质中，保温使之完成下贝氏体转变，然后取出空冷。等温温度对下贝氏体性能影响较大，温度控制要求严格。等温淬火工艺特别适用于要求变形小、形状复杂，尤其同时还要求较高强韧性的零件。10. 淬透性与淬硬性。答：1) 淬透性（hardenability）表示钢在一定条件下淬火时获得淬透层深度的能力，主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影响。淬透性：指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。即钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力，它表示钢接受淬火的能力。钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。钢的淬透性是钢材本身所固有的属性，它只取决于其本身的内部因素，而与外部因素无关。钢的淬透性主要取决于它的化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，加热温度和保温时间等因素有关。淬透性好的钢材，可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂，以减少变形和开裂。 淬透性主要取决于其临界冷却速度的大小，而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性，影响奥氏体的稳定性主要是：.化学成分的影响 碳的影响是主要的，当C小于1.2时，随着奥氏体中碳浓度的提高，显著降低临界冷却速度，C曲线右移，钢的淬透性增大；当C大于时，钢的冷却速度反而升高，C曲线左移，淬透性下降。其次是合金元素的影响，除钴外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，均使C曲线右移，降低临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。.奥氏体晶粒大小的影响 奥氏体的实际晶粒度对钢的淬透性有较大的影响，粗大的奥氏体晶粒能使C曲线右移，降低了钢的临界冷却速度。但晶粒粗大将增大钢的变形、开裂倾向和降低韧性。.奥氏体均匀程度的影响 在相同冷度条件下，奥氏体成分越均匀，珠光体的形核率就越低，转变的孕育期增长，C曲线右移，临界冷却速度减慢，钢的淬透性越高。.钢的原始组织的影响 钢的原始组织的粗细和分布对奥氏体的成分将有重大影响。.部分元素，例如Mn，Si等元素对提高淬透性能起到一定作用，但同时也会对钢材带来其他不利的影响。2) 淬硬性（hardening capacity）指钢在淬火时能够获得的淬硬层硬度的能力，也就是获得马氏体的能力。不要和淬透性混淆，淬透性才是指获得淬硬层深度的能力。只与钢中含碳量有关，含碳量越高，淬硬性越高。11. 形变热处理。答：1）形变热处理：是将塑性变形同热处理有机结合在一起，获得变强化和相变强化综合效果的工艺方法。这种工艺方法不仅可以提高钢的强韧性，还可以大大筒化金属材料或工件的生产流程。形变热处理方法很多，有低温形变热处理、高温形变热处理、等温形变热处理、形迹时效和形变化学热处理。2）形变热处理：形变强化和相变强化相结合的一种综合强化工艺。它包括金属材料的范性形变和固态相变两种过程，并将两者有机地结合起来，利用金属材料在形变过程中组织结构的改变，影响相变过程和相变产物，以得到所期望的组织与性能。形变热处理的主要优点是： 将金属材料的成形与获得材料的最终性能结合在一起，简化了生产过程，节约能源消耗及设备投资。 与普通热处理比较，形变热处理后金属材料能达到更好的强度与韧性相配合的机械性能。有些钢特别是微合金化钢，唯有采用形变热处理才能充分发挥钢中合金元素的作用,得到强度高、塑性好的性能。例如09MnNb钢正常轧制后屈服强度（s）为39kgf/mm2，-40梅氏（Mesnager）冲击值(K)为0.63kgfm/cm2；经正火后，-40的K可提高到68kgfm/cm2,而s下降5kgf/mm2；如采用控制轧制（形变热处理工艺之一），强度与韧性都可进一步提高：s约45kgf/mm2,-40的K可达612kgfm/cm2。 由于以上原因，形变热处理已广泛应用于生产金属与合金的板材、带材、管材、丝材，和各种零件如板簧、连杆、叶片、工具、模具等。 形变热处理工艺中的塑性变形（范性形变），可以用轧、锻、挤压、拉拔等各种形式；与其相配合的相变有共析分解、马氏体相变、脱溶等。形变与相变的顺序也多种多样：有先形变后相变；或在相变过程中进行形变；也可在某两种相变之间进行形变。 形变对母相的作用 形变热处理中，形变使相变前的母相的组织结构甚至成分都起变化，形变后或形变过程中的相变在相变动力学和相变产物的类型、形貌等方面，都不同于一般热处理，从而得到良好的性能。 形变对母相组织结构带来的变化随形变条件（形变温度、道次形变量、总形变量、形变速度）及金属材料成分的不同而有差异，根据对相变的作用，母相形变后的组织结构基本上属于三类： 在再结晶温度以上形变，道次形变量如超过再结晶临界变形量，则母相发生动态或静态的再结晶，使晶粒得到细化；如进行多道次形变,则发生多次再结晶,母相的晶粒显著细化（见回复和再结晶）。 在材料的再结晶温度以下形变，母相不发生再结晶，而产生大量晶体缺陷，或仅发生回复过程，形成多边化亚结构。 形变诱发第二相由母相中析出，析出的第二相又与位错交互作用，使母相的成分与结构皆发生变化。 形变对相变的作用 形变热处理中，形变后的母相组织经常是以上几类的综合。现以钢的奥氏体为例，说明形变后的奥氏体对以后的相变及相变产物的作用。 对铁素体珠光体型相变的作用 形变后产生了再结晶的细奥氏体晶粒，使冷却转变后的铁素体也相应得到细化。形变后未发生再结晶的奥氏体中的大量晶体缺陷，为此后铁素体的转变提供了大量形核位置，并使铁素体形核的热激活过程更容易进行，这两者使转变后的铁素体晶粒细化