《工程材料科学与设计》（james p. schaffer）cha

1、 工程材料科学与设计工程材料科学与设计（James P. SchafferJames P. Schaffer等著）等著）余永宁等翻译余永宁等翻译机械工业出版社机械工业出版社组织转变动力学与显微组织组织转变动力学与显微组织材料科学与工程导论讲义一天过完，不会再来。一天过完，不会再来。学习时的苦痛是暂时的，学习时的苦痛是暂时的，未学到的痛苦是终生的。未学到的痛苦是终生的。 材料科学与工程导论讲义 狭义的相变过程：相变仅限于同组成的两相之狭义的相变过程：相变仅限于同组成的两相之间的结构变化，即相变前后化学组成不发生变化，间的结构变化，即相变前后化学组成不发生变化，相变过程是个物理过程而不涉及化学反应

2、，如液相变过程是个物理过程而不涉及化学反应，如液体蒸发、体蒸发、-石英与石英与-磷石英间的转变。磷石英间的转变。 广义的相变过程：包括过程前后相组成发生变广义的相变过程：包括过程前后相组成发生变化的情况，相变过程可能伴随化学反应发生。化的情况，相变过程可能伴随化学反应发生。引言引言材料科学与工程导论讲义对于相变对于相变 转变是以什么过程开始的？转变是以什么过程开始的？ 这一过程进行的速度有多快？这一过程进行的速度有多快？ 各种因素如温度、压力或存在的杂质对各种因素如温度、压力或存在的杂质对 转变有什么影响？转变有什么影响？ 转变形成的相的稳定性如何？转变形成的相的稳定性如何？ 转变机制对微观组

3、织和性质有何影响？转变机制对微观组织和性质有何影响？材料科学与工程导论讲义按热力学分类根据相变前后热力学函数的变化，相变按热力学分类根据相变前后热力学函数的变化，相变分为：分为：一级相变、二级相变、三级相变一级相变、二级相变、三级相变按质点迁移的特征分类：按质点迁移的特征分类：1 1、扩散型、扩散型、2 2无扩散型无扩散型材料科学与工程导论讲义在临界在临界T T、P P时，两相的化学势相等，但化学时，两相的化学势相等，但化学势的一阶偏微熵不相等。势的一阶偏微熵不相等。21PPTT21TTPP21STPVPT特征：相变时体积特征：相变时体积V V，熵，熵S S，热焓，热焓H H发生突变发生突变。

4、即：即：2121,VVSS1.1.一级相变一级相变材料科学与工程导论讲义21特征：相变时体积特征：相变时体积V V，热效应（，热效应（S S、H H）无突变；）无突变； C CP P、突变。突变。21212121,21PPCCVVSS即：即：2. 2. 二级相变二级相变材料科学与工程导论讲义 相图隐含着一个假设：即所研究系统中的各相皆处于热相图隐含着一个假设：即所研究系统中的各相皆处于热力学平衡状态。力学平衡状态。 一般情况，材料无论在生产或者使用时，都并非处于平一般情况，材料无论在生产或者使用时，都并非处于平衡状态。衡状态。 本章阐明相变的动力学。本章阐明相变的动力学。材料科学与工程导论讲义

5、 形核规律形核规律形核方式有两种：形核方式有两种： 一种是一种是均匀形核均匀形核，即新相晶核在母相内自发地，即新相晶核在母相内自发地形成；另一种是形成；另一种是非均匀形核非均匀形核，即新相晶核在母相与，即新相晶核在母相与外来夹杂的相界面处优先形成。外来夹杂的相界面处优先形成。 工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行，但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研行，但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固究晶体材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固态相变的基础。态相变的基础。材料科学与工程导论讲义 组织转变的

6、基本特征组织转变的基本特征材料科学与工程导论讲义液体液体固体固体 不会发生应变或者对相变过程发生影响不会发生应变或者对相变过程发生影响固体固体液体液体 相变阻力相变阻力 对相变过程的了解，有阻于我们在适当的时间范围对相变过程的了解，有阻于我们在适当的时间范围内获得最佳综合性能的热处理工艺。内获得最佳综合性能的热处理工艺。材料科学与工程导论讲义相变的驱动力相变的驱动力（G）T.P 0 过程自发进行过程自发进行EHTTG材料科学与工程导论讲义两条假设两条假设(1)(1)原子团与液体间界面的能量为各向同性原子团与液体间界面的能量为各向同性(2)(2)单位表面的界面能与固相尺寸无关。单位表面的界面能与

7、固相尺寸无关。材料科学与工程导论讲义相的均匀形核相的均匀形核相变过程中，自由能变化：相变过程中，自由能变化： V V 新相的体积新相的体积 ；G GV V 单位体积中旧相和新相之间的自由能之差单位体积中旧相和新相之间的自由能之差G G液液G G固固； A A 新相的总表面积；新相的总表面积； 新相的界面能。新相的界面能。12vGGGVGA 材料科学与工程导论讲义假设生成的新相晶胚呈球形，则：假设生成的新相晶胚呈球形，则：SL23434nrGnrGVnrTTHnrv2E3434式中：式中：r r 球形晶胚半径球形晶胚半径 ；n n 单位体积中半径单位体积中半径r r的晶胚数的晶胚数（1）当热起伏

8、小、当热起伏小、r、T很小时，很小时， G 1 0，且随，且随 r 增加而增加。增加而增加。 核胚核胚 （2）当热起伏大、当热起伏大、r大时，大时， G 1占主导地位，占主导地位， G 随随 r 增加而减小，当增加而减小，当G 0时，形成的新相稳定时，形成的新相稳定 晶核晶核 材料科学与工程导论讲义形核导致的能形核导致的能量变化与形成量变化与形成相半径的关系相半径的关系. .材料科学与工程导论讲义 THTrvESL2*临界形核半径随着过冷度加大而减小临界形核半径随着过冷度加大而减小r rr rr r* * ，为，为晶核晶核：可以稳定成长的新相区域：可以稳定成长的新相区域2223*1316THT

9、GvESL 形核过程中的能垒形核过程中的能垒.材料科学与工程导论讲义2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.材料科学与工程导论讲义晶胚的最大尺寸随过冷晶胚的最大尺寸随过冷度增大而增大，临界晶度增大而增大，临界晶核半径、晶胚尺寸与过核半径、晶胚尺寸与过冷度的关系冷度的关系金属的结晶倾向很大，液金属的结晶倾向很大，液体金属不易达到很大的过体金属不易达到很大的过冷度；冷度；TT不大时不大时,N,N很小，很小，但达到有

10、效形核温度时，但达到有效形核温度时，N N急剧上升，这个有效形急剧上升，这个有效形核温度值约为核温度值约为m m(K)(K)。材料科学与工程导论讲义8.2.4 8.2.4 相的非均匀形核相的非均匀形核 使用孕育剂控制相变使用孕育剂控制相变 人工降雨人工降雨 球墨铸铁球墨铸铁 TiOTiO2 2作为硅玻璃的形核晶体作为硅玻璃的形核晶体材料科学与工程导论讲义不同浸润特性的固液界面不同浸润特性的固液界面=0=0，完全润湿；，完全润湿；=90=90，是润，是润湿与否的分界线；湿与否的分界线；=180=180，完全，完全不润湿。不润湿。 材料科学与工程导论讲义cosLMMSLScosLMMSLS323c

11、oscosG4G 非均与均匀形核表达式相比，可以看出，两者仅差一个系数在（与均匀形核表达式相比，可以看出，两者仅差一个系数在（0 0，）之间）之间（2-3cos+cos2-3cos+cos3 3）恒小于）恒小于1 1即非均匀形核功很小，在很小的即非均匀形核功很小，在很小的TT下即可形核。而且，下即可形核。而且，角越小，润湿角越小，润湿越好，越易形核越好，越易形核 。 总之，非均匀形核比均匀生核容易。总之，非均匀形核比均匀生核容易。 材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义8.2.5 8.2.5 基体基体/ /析出物的内界面析出物的内界面共格界面：结构材料共格界面：结构材料Al/LiAl/L

12、i合金合金材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义半共格界面：飞机铝合金和喷气发动机的半共格界面：飞机铝合金和喷气发动机的NiNi基合金基合金材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义非共格界面：钢中析出非共格界面：钢中析出FeFe3 3C C材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义8.2.6 8.2.6 新相的长大新相的长大材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义8.3.1 8.3.1 钢中的相变钢中的相变 热处理热处理：钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速度冷却到室温度冷却到室温 ，以改变钢的

13、内部组织，从而获得所，以改变钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。需性能的一种工艺方法。 热处理的目的：热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。通过改变组织达到改变性能的目的。 热处理的过程：热处理的过程：任何一种热处理都要经过加热，保温任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，冷却三个过程，因此，最高加热温度、保温时间、最高加热温度、保温时间、冷却速度冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。就成为热处理工艺的三大要素。材料科学与工程导论讲义1 1 常用的热处理工艺方法常用的热处理工艺方法材料科学与工程导论讲义2. 2. 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 钢在室温下的组织

14、（即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况）钢在室温下的组织（即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况）加热目的：使钢发生同素异晶转变（得到奥氏体加热目的：使钢发生同素异晶转变（得到奥氏体A A，消除铁素体，消除铁素体F F）对于亚共析钢对于亚共析钢 F+PF+P共共 析析 钢钢 P P过共析钢过共析钢 P+ FeP+ Fe3 3C C材料科学与工程导论讲义过热度与过冷度过热度与过冷度 对于加热：对于加热： 非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；对于冷却：对于冷却： 非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。非平衡条件下的相变温度低于平衡条件

15、下的相变温度。这个温差叫滞后度：加热转变这个温差叫滞后度：加热转变 过热度过热度 冷却转变冷却转变 过冷度，过冷度，加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。 材料科学与工程导论讲义钢在加热和冷却时的相变临界点钢在加热和冷却时的相变临界点 平衡状态相变线：平衡状态相变线：A1A1、A3A3、AcmAcm 加热实际相变线：加热实际相变线：Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm 冷却实际相变线：冷却实际相变线

16、：Ar1Ar1、Ar3Ar3、ArcmArcm温度：温度： 室温室温 Ac1Ac1 F + Fe F + Fe3 3C AC A结构：结构： 体心体心 复杂复杂 面心面心含碳量：含碳量： 实际相变温度与理论转变温度实际相变温度与理论转变温度之间的关系之间的关系 材料科学与工程导论讲义奥氏体形成过程组织转变示意图奥氏体形成过程组织转变示意图( (共析钢共析钢) )1.1.奥氏体形核（在奥氏体形核（在 F / Fe3C F / Fe3C 相界面上形核）相界面上形核） A A 形形核核A A 长长大大2.2.奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大 （F AF A晶晶格重构，格重构，FeFe3 3C C 溶解，

17、溶解，C AC A中扩散）中扩散）材料科学与工程导论讲义A A 成成分分均均匀匀化化 4.4.奥氏体均匀化奥氏体均匀化残残余余FeFe3 3C C溶溶解解 3.3.残余残余FeFe3 3C C溶解溶解材料科学与工程导论讲义亚共析钢和过共析钢加热（亚共析钢和过共析钢加热（A A形成）过程的转变形成）过程的转变珠光体的转变：珠光体的转变： 亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，此转变过程同共析钢同。此转变过程同共析钢同。先析相的溶解：先析相的溶解：

18、对于亚共析钢，平衡组织对于亚共析钢，平衡组织F+PF+P，当加热到，当加热到AC1AC1以以上温度时，上温度时，PAPA；在；在AC1AC1AC3AC3的升温过程中，先析的的升温过程中，先析的F F逐渐溶入逐渐溶入A A。即。即 P + F A + F A P + F A + F A 对于过共析钢，平衡组织对于过共析钢，平衡组织Fe3C+PFe3C+P，当加热到，当加热到AC1AC1以上时，以上时，PAPA；在；在AC1AC1ACCMACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。中。 即即P + FeP + Fe3 3C C A + Fe A + Fe

19、3 3C C A A 材料科学与工程导论讲义影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素 1. 1. 加热速度的影响加热速度的影响 加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。2. 2. 化学成分的影响化学成分的影响 钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F F和和FeFe3 3C C的相界面增多，的相界

20、面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。 材料科学与工程导论讲义 钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。度比碳钢要高，保温时间也较长。3. 3.

21、 原始组织的影响原始组织的影响 钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P P比粒状比粒状P P的奥氏体形的奥氏体形成速度快。成速度快。材料科学与工程导论讲义3. 3. 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体过冷奥氏体高温时所形成的高温时所形成的奥氏体冷却到奥氏体冷却到A1A1点以下尚未发生点以下尚未发生转变的奥氏体转变的奥氏体 。 冷却方式

22、：等温冷却和连续冷却冷却方式：等温冷却和连续冷却 。冷却方式不同、冷却速度不同，冷却方式不同、冷却速度不同，组织转变的产物不同、钢的性能组织转变的产物不同、钢的性能也不同。也不同。材料科学与工程导论讲义(a)6550C (b)6000C珠光体显微组织珠光体显微组织材料科学与工程导论讲义(c)5340C (d)4870C珠光体显微组织（？）珠光体显微组织（？）材料科学与工程导论讲义共析合金在共析合金在6806800 0C C保温时珠保温时珠光体转变分数和光体转变分数和时间的关系时间的关系材料科学与工程导论讲义(a)4950C (b)4100C贝氏体显微组织贝氏体显微组织材料科学与工程导论讲义共析

23、钢过冷奥氏体等温冷却转变共析钢过冷奥氏体等温冷却转变 材料科学与工程导论讲义(1)(1)珠光体型转变（高温转变）珠光体型转变（高温转变）珠光体型组成：珠光体型组成：F F 和和 Fe3C Fe3C 片层的机械混合物片层的机械混合物转变温度范围与转变产物形态：转变温度范围与转变产物形态： A1650 A1650 ：珠光体：珠光体 P 20HRcP 20HRc 650600 650600 ：索氏体：索氏体 S S（细（细P P） 600550 600550 ：托氏体：托氏体 T 40HRcT 40HRc （极细（极细P P又称屈氏体）又称屈氏体）珠光体性能：珠光体性能： 珠光体片越细珠光体片越细

24、HBHB，b b且且，k k材料科学与工程导论讲义珠光体组织特征图珠光体组织特征图(a)(a)珠光体珠光体 (b) (b) 索氏体索氏体(c)(c)屈氏体屈氏体材料科学与工程导论讲义(2)(2)贝氏体转变（中温转变）贝氏体转变（中温转变）贝氏体组成：贝氏体组成：F F 和针状的和针状的Fe3CFe3C的机械混合物的机械混合物转变温度与转变产物形态：转变温度与转变产物形态： 550350550350：上贝氏体（：上贝氏体（B B上）上） 羽毛状组织羽毛状组织 塑性差，塑性差，40-45HRc40-45HRc 350230 350230：下贝氏体（：下贝氏体（B B下）下） 针片状组织针片状组织

25、综合性能好，综合性能好，45-50HRc45-50HRc材料科学与工程导论讲义上贝氏组织特征图上贝氏组织特征图材料科学与工程导论讲义下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图材料科学与工程导论讲义(3)(3)马氏体转变马氏体转变马氏体相变：马氏体相变： 无扩散的相变；无扩散的相变； 相变取决于温度，与时间无关相变取决于温度，与时间无关马氏体转变：马氏体转变： 过冷过冷A A 单相单相 M M（无渗碳体）（无渗碳体） - Fe - Fe- Fe - Fe马氏体组成：碳在马氏体组成：碳在- Fe- Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体 形态：形态： 低碳低碳 M M（C0.2%C1.0%) M (C1.

26、0%) 片状片状 M M 碳含量（碳含量（0.21.0%0.21.0%）混合混合 M M材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图材料科学与工程导论讲义高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义 Fe-1.8%C合金过冷后的马氏体转变240C材料科学与工程导论讲义 Fe-1.8%CFe-1.8%C 合金过冷后合金过冷后的马氏体转的马氏体转变变 -60-600 0C C材料科学与工程导论讲义 Fe-1.8%C 合金过冷后合金过冷后的马氏体转的马氏体转变变 -1000C材料科学与工程导论讲义

27、p硬度：主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体的含碳量）硬度：主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体的含碳量） 低碳低碳M M（板条（板条M M）强而韧强而韧 高碳高碳M M（片状（片状M M）硬而脆硬而脆p塑性和韧性：塑性和韧性： 低碳低碳M M 塑性、韧性好塑性、韧性好 高碳高碳M M 塑性、韧性差。塑性、韧性差。马氏体性能马氏体性能材料科学与工程导论讲义FCC-BCT材料科学与工程导论讲义含含C 0.7%C 0.7%的钢回火后的马氏体（球化体）显微组织的钢回火后的马氏体（球化体）显微组织材料科学与工程导论讲义 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 材料科学与工程导论讲

28、义材料科学与工程导论讲义 4 4 常见热处理工艺介绍（补充）常见热处理工艺介绍（补充） 退火（退火（annealingannealing）和正火（）和正火（normalizingnormalizing）是生产上应用很）是生产上应用很广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。 钢的淬火（钢的淬火（quenchingquenching）与回火（）与回火（temperingtempering）是热处理工艺）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。中最重要、用途最广

29、泛的工序。材料科学与工程导论讲义一、退火一、退火 将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（随炉冷将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。 常用的退火工艺有常用的退火工艺有完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火火等。等。 退火的主要目的在于调整和改善钢材的力学性能和工艺性能（退火的主要目的在于调整和改善钢材的力学性能和工艺性能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提高塑性和韧性；消降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提高塑性和韧性；消除

30、内应力、为最终热处理做好组织准备除内应力、为最终热处理做好组织准备 ），减少钢材化学成），减少钢材化学成分和组织的不均匀性（扩散退火）。分和组织的不均匀性（扩散退火）。材料科学与工程导论讲义 把过共析钢加热到把过共析钢加热到Ac1Ac1以上以上20203030并保温后，以适当的方并保温后，以适当的方式冷却，使钢中的网状碳化物式冷却，使钢中的网状碳化物球化，球化，这种热处理工艺称为这种热处理工艺称为球化退火球化退火。( (从从A A中经共析反应中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出）球状析出） 主要用于过共析钢及合金工具钢的退火。由于过主要用于过

31、共析钢及合金工具钢的退火。由于过共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状珠光体硬度低，节省刀具。珠光体硬度低，节省刀具。材料科学与工程导论讲义过共析钢热处理前的显微组织过共析钢热处理前的显微组织T10钢球化退火组织钢球化退火组织 ( 化染化染 ) 500 材料科学与工程导论讲义 扩散退火（又称为均匀退火）扩散退火（又称为均匀退火）将工件加热到将工件加热到Ac3Ac3以上以上150-150-200200（1050-1150 1050-1150 ），长时间保温（），长时间

32、保温（10-15h)10-15h)后随炉缓冷。适后随炉缓冷。适用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，的不均匀性。但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般扩散退火仍需进行完全退火和正火。因此一般扩散退火仍需进行完全退火和正火。材料科学与工程导论讲义二、正火二、正火 将钢加热到将钢加热到Ac3Ac3或或AccmAccm以上以上30305050，保温后在空气中冷却得，保温后在空气中冷却得到珠光体基体组织的热处理工艺，称正火。到珠光体基体组织的热处理工艺，称正火

33、。 特点：特点： a)a)冷却速度比退火快，周期短、能耗少。冷却速度比退火快，周期短、能耗少。 b)b)组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。材料科学与工程导论讲义正火的主要目的:细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性（避免切削加工性（避免“粘刀粘刀”现象）现象） 。对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物（二次渗对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物（二次渗碳体），为球化退火做准备；碳体），为球化退火做准备；取代部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少取代

34、部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。），对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热处理。处理。材料科学与工程导论讲义三、淬火与回火三、淬火与回火 钢的淬火（钢的淬火（quenchingquenching）与回火（）与回火（temperingtempering）是热处理工艺）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。中最重要、用途最广泛的工序。 通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度；通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度； 通过回火可以消除淬火钢的残

35、余内应力、稳定钢的组织；通过回火可以消除淬火钢的残余内应力、稳定钢的组织； 淬火和回火工艺是密不可分的。淬火和回火工艺是密不可分的。材料科学与工程导论讲义淬火是将钢加热到淬火是将钢加热到Ac3Ac3或或Ac1Ac1以上以上30503050，保温后在淬火，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。氏体组织的热处理工艺。目的：为了提高钢的硬度和目的：为了提高钢的硬度和耐磨性耐磨性 。材料科学与工程导论讲义 亚共析钢必须加热到亚共析钢必须加热到Ac3Ac3以上，进行完全淬火。以上，进行完全淬火。这是这是因为亚共析钢如果在因为亚共析钢如果在Ac1 Ac3Ac1

36、Ac3之间加热，必然淬火时有一部之间加热，必然淬火时有一部分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性。强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性。 而过共析钢必须在而过共析钢必须在Ac1 AccmAc1 Accm之间加热，进行不完全之间加热，进行不完全淬火，使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳淬火，使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒，以提高耐磨性。化物颗粒，以提高耐磨性。当加热温度高于当加热温度高于AccmAccm时，淬时，淬火会得到粗大马氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬

37、度和火会得到粗大马氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬度和耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形甚至开裂耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形甚至开裂。材料科学与工程导论讲义 加热时间（包括零件的升温时间和保温时间）也是影响加热时间（包括零件的升温时间和保温时间）也是影响淬火质量的因素之一。淬火质量的因素之一。加热时间的确定受到加热速度加热时间的确定受到加热速度、加热温度、钢材成分、零件形状和尺寸、装炉方式、加热温度、钢材成分、零件形状和尺寸、装炉方式的影响。在生产上有许多计算加热时间的方法，其中的影响。在生产上有许多计算加热时间的方法，其中较常用的一种方法是较常用的一种方法是当炉温到达淬火温度

38、时，按工件当炉温到达淬火温度时，按工件单位有效厚度的加热时间乘上工件的有效厚度来计算单位有效厚度的加热时间乘上工件的有效厚度来计算。 例如：在箱式炉中，碳钢的单位有效厚度的加热时间例如：在箱式炉中，碳钢的单位有效厚度的加热时间为为1-1.3min/mm;1-1.3min/mm;合金钢合金钢材料科学与工程导论讲义生产中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）溶液和油。生产中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）溶液和油。 （1 1）水的冷却能力很大，但易使工件变形和开裂，主要用于奥）水的冷却能力很大，但易使工件变形和开裂，主要用于奥氏体稳定性较差的碳钢。氏体稳定性较差的碳钢。 （2 2）盐（碱）水的冷却能力比

39、水强，淬火后的工件硬度高而均）盐（碱）水的冷却能力比水强，淬火后的工件硬度高而均匀、表面光洁，但极易使工件变形和开裂且锈蚀。常用于形状简匀、表面光洁，但极易使工件变形和开裂且锈蚀。常用于形状简单、硬度要求高、尺寸变形要求不严的碳钢零件。单、硬度要求高、尺寸变形要求不严的碳钢零件。 （3 3）油冷却速度远小于水，有利于减少工件的变形与开裂；但）油冷却速度远小于水，有利于减少工件的变形与开裂；但在在650650500500冷却能力差，容易造成碳素钢中奥氏体分解而淬不冷却能力差，容易造成碳素钢中奥氏体分解而淬不透。所以，油类冷却介质主要应用于过冷奥氏体比较稳定的合金透。所以，油类冷却介质主要应用于过

40、冷奥氏体比较稳定的合金钢淬火。钢淬火。 材料科学与工程导论讲义常用淬火介质冷却能力比较常用淬火介质冷却能力比较淬火冷却介质淬火冷却介质冷却能力（冷却能力（C /SC /S）650500 650500 C C300200 300200 C C水（水（18 18 C C ）600600270270水（水（50 50 C C ）100100270270W WNaClNaCl10%10%的盐水溶液的盐水溶液（18 18 C C ）11001100300300W WNaOHNaOH10%10%的钠水溶液的钠水溶液（18 18 C C ）12001200300300肥皂水肥皂水3030200200矿物机油

41、（矿物机油（1010号机油）号机油）1501503030材料科学与工程导论讲义 淬火钢一般不能直接使用淬火钢一般不能直接使用。钢的淬火组织是淬火马。钢的淬火组织是淬火马氏体和残余奥氏体，都是不稳定组织，而淬火马氏氏体和残余奥氏体，都是不稳定组织，而淬火马氏体又极脆，并存在很大的内应力，若不及时回火，体又极脆，并存在很大的内应力，若不及时回火，会使工件发生变形甚至开裂。会使工件发生变形甚至开裂。 回火是将回火是将淬火钢淬火钢重新加热到重新加热到Ac1Ac1点以下某一温度点以下某一温度，保，保温后再冷却至室温的热处理工艺。温后再冷却至室温的热处理工艺。材料科学与工程导论讲义根据回火温度的不同，回火

42、方法主要有下列三种：根据回火温度的不同，回火方法主要有下列三种：1）低温回火低温回火（150250）：组织为回火马氏体，其目的是降低淬火应力和脆性，保持高硬度（HRC5564）和高耐磨性。常用于处理各种工模具以及渗碳淬火或表面淬火的工件。2）中温回火中温回火（350500）：组织为回火托氏体，硬度HRC3545。中温回火的目的是具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的韧性和抗疲劳性，多用于各种弹簧和锻模等。3 3）高温回火（高温回火（500500650650）：组织为回火索氏体，硬度）：组织为回火索氏体，硬度HRC25HRC253535。特点是在保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧。特点是在

43、保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧性。性。v调质处理：调质处理：淬火加高温回火的热处理又称为调质处理，淬火加高温回火的热处理又称为调质处理，广泛用于处理各类重要零件，例如轴、齿轮、连杆、螺栓等广泛用于处理各类重要零件，例如轴、齿轮、连杆、螺栓等。材料科学与工程导论讲义8.3.2 过饱和固溶体的脱溶Al-CuAl-Cu相图和相图和Al-4% Cu Al-4% Cu 合金在冷却过程中的微观结构转变合金在冷却过程中的微观结构转变2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademar

44、k used herein under license.材料科学与工程导论讲义（a a）Cu-Ti Cu-Ti 合金中的魏氏组织合金中的魏氏组织( ( 420)420)；(b) Al-4% Cu(b) Al-4% Cu合合金慢冷中形成的连续金慢冷中形成的连续析出相析出相 ( ( 500) 500)；(c) (c) 铜合金中在铜合金中在晶界处的析出相晶界处的析出相Pb(Pb( 500). 500).材料科学与工程导论讲义Al-CuAl-Cu合金时效处理合金时效处理2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Lear

45、ning is a trademark used herein under license.材料科学与工程导论讲义The magnesium-aluminum phase diagram is shown in Figure 11.11. Suppose a Mg-8% Al alloy is responsive to an age-hardening heat treatment. Design a heat treatment for the alloy.Design of an Age-Hardening Treatment2003 Brooks/Cole, a division of

46、 Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Portion of the aluminum-magnesium phase diagram.材料科学与工程导论讲义SOLUTIONStep 1: Solution-treat at a temperature between the solvus and the eutectic to avoid hot shortness. Thus, heat between 340oC and 451oC.Step 2: Quench t

47、o room temperature fast enough to prevent the precipitate phase from forming.Step 3: Age at a temperature below the solvus, that is, below 340oC, to form a fine dispersion of phase.材料科学与工程导论讲义时效处理：过饱和固溶体的脱溶时效处理：过饱和固溶体的脱溶 自然失效与人工时效自然失效与人工时效改变材料性能的一个重要方法改变材料性能的一个重要方法（对应第五章的沉淀强化）（对应第五章的沉淀强化）材料科学与工程导论讲义

48、8.3.3 合金的凝固和均匀化 晶内偏析：晶内偏析：由于在实际生产中冷却速度较快(不能保证平衡态),原子扩散迁移滞后于结晶, 相化学成分的均匀性得不到保证.这时就会出现在一个晶粒内,各处成分的不均匀现象. 冷却速度的影响冷却速度的影响 晶粒尺寸晶粒尺寸材料科学与工程导论讲义 成分对非平衡共晶数量的影响（a）Al-2%Cu（b）Al-5%Cu材料科学与工程导论讲义冷却速度对铸态组织的影响Al-5%Cu（a）1oC/s（b）10oC/s材料科学与工程导论讲义 冷却速度对一组铝合金晶粒尺寸的影响冷却速度对一组铝合金晶粒尺寸的影响材料科学与工程导论讲义8.3.4 回复和再结晶过程1 1 加工的分类加工

49、的分类 冷加工冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。 热加工热加工：在再结晶温度以上的加工过程。（硬化、回复、：在再结晶温度以上的加工过程。（硬化、回复、 再再结晶。）结晶。） 热加工温度：热加工温度：T T再再TT热加工热加工TT固固100100200200。2. 2. 回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。3.3.再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新再结晶：

50、冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。完全消除的过程。材料科学与工程导论讲义形变量的影响形变量的影响（a a）0%0%（b b）25%25%（c c）50%50%材料科学与工程导论讲义位错密度随形变量增大位错密度随形变量增大而增加而增加（a a）0%0%（b b）25%25%（c c）50%50%材料科学与工程导论讲义冷加工冷加工 金属和合金经受冷加工（即低温下的塑性变形）时金属和合金经受冷加工（即低温下的塑性变形）时 （1 1）大部分能量消耗于塑性形变以改变形状）大

51、部分能量消耗于塑性形变以改变形状 和生成热能；和生成热能； （2 2）少部分能量储存在材料中）少部分能量储存在材料中 主要依附点缺陷、位错和层错等缺陷而存在晶体中主要依附点缺陷、位错和层错等缺陷而存在晶体中 几十几十几百几百J/molJ/mol材料科学与工程导论讲义退火的过程退火的过程（1 1）回复）回复 不涉及大角度晶界迁移不涉及大角度晶界迁移（2 2）再结晶）再结晶 主要通过大角度晶界迁移主要通过大角度晶界迁移（3 3）晶粒长大）晶粒长大 正常晶粒长大正常晶粒长大 异常晶粒长大（二次再结晶）异常晶粒长大（二次再结晶）材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义回复和再结晶的热力学驱动力与由

52、形变引起过剩的、回复和再结晶的热力学驱动力与由形变引起过剩的、储存在晶体中的能量有关。储存在晶体中的能量有关。 与相变不同：与相变不同： 没有晶体结构变化，而是组织变化没有晶体结构变化，而是组织变化 驱动力不同驱动力不同 再结晶不是相变过程！再结晶不是相变过程！材料科学与工程导论讲义退火温度和时间对恢复过程的影响退火温度和时间对恢复过程的影响材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义回复机制回复机制 （1 1）低温回复）低温回复 主要与点缺陷的迁移有关。点缺陷运动所需的热主要与点缺陷的迁移有关。点缺陷运动所需的热激活较低，在较低温度它们就可迁移至晶界，并通激活较低，在较低温度它们就可迁移至晶

53、界，并通过空位与位错的交互作用、空位与间隙原子的重新过空位与位错的交互作用、空位与间隙原子的重新结合，使点缺陷密度明显下降。结合，使点缺陷密度明显下降。 （2 2）中温回复）中温回复 主要与位错的滑移有关，发生位错运动和重新主要与位错的滑移有关，发生位错运动和重新分布。同一滑移面上异号位错相互吸引而消失等。分布。同一滑移面上异号位错相互吸引而消失等。 材料科学与工程导论讲义 （3 3）高温回复）高温回复 刃位错可获得足够的能量产生攀移。攀移：刃位错可获得足够的能量产生攀移。攀移：使滑移面上不规则的位错重新分布，刃位错垂直排使滑移面上不规则的位错重新分布，刃位错垂直排列成墙，显著较低了位错的弹性

54、畸变能；形成沿列成墙，显著较低了位错的弹性畸变能；形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙，垂直滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙，并产生亚晶，即多边化结构并产生亚晶，即多边化结构。 材料科学与工程导论讲义亚晶生成亚晶生成材料科学与工程导论讲义亚晶生成亚晶生成材料科学与工程导论讲义 亚晶粗化和长大亚晶粗化和长大材料科学与工程导论讲义再结晶再结晶冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态。并恢复到完全

55、软化状态。材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义再结晶温度再结晶温度金属金属 T T再再= =（）T T熔熔 高纯金属高纯金属 T T再再= =（）T T熔熔 再结晶没有一个热力学意义的明确临界温度。再结晶没有一个热力学意义的明确临界温度。对于形变金属，从受形变开始就获得储存能，它立刻就具对于形变金属，从受形变开始就获得储存能，它立刻就具有回复和再结晶的热力学条件，原则上就可以发生再结晶。有回复和再结晶的热力学条件，原则上就可以发生再结晶。温度不同，只不过是过程的速率不同。温度不同，只不过是过程的速率不同。人为定义了一个人为定义了一个“再结晶温度再结晶温度”，在一定时间内（，在一定时间内

56、（1 1小时）小时）刚好完成再结晶的温度。它是一个动力学意义的温度。刚好完成再结晶的温度。它是一个动力学意义的温度。材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义8.3.5 8.3.5 烧结烧结 大多数金属材料的制造过程是由凝固开始。某些金属、少数大多数金属材料的制造过程是由凝固开始。某些金属、少数聚合物以及很多陶瓷制品的制造过程是由制粉开始的。烧结是粉聚合物以及很多陶瓷制品的制造过程是由制粉开始的。烧结是粉末颗粒在高温下加压（或者不加压）以获得近于完全致密固体的末颗粒在高温下加压（或者不加压）以获得近于完全致密固体的过程。过程。 对于要求强度和塑性的产品，必须尽可能减少其孔隙率。如对于要求强度

57、和塑性的产品，必须尽可能减少其孔隙率。如果透光性是主要的性能，则要进一步减少孔隙的数量和控制其尺果透光性是主要的性能，则要进一步减少孔隙的数量和控制其尺寸以减少孔隙率。寸以减少孔隙率。烧结的驱动力：烧结的驱动力： 降低与粉末颗粒很大的表面积相关的自由能。降低与粉末颗粒很大的表面积相关的自由能。（1 1）提高烧结温度可以缩短烧结时间）提高烧结温度可以缩短烧结时间（2 2）压力有助于致密化过程和减小制件）压力有助于致密化过程和减小制件材料科学与工程导论讲义与烧结有关的一些概念与烧结有关的一些概念1 1烧结与烧成烧结与烧成烧成烧成包括物料的预热、脱水、分解、多相反应、熔融包括物料的预热、脱水、分解、多相反应、熔融、溶解、烧结等多