金属材料组织形式、特点和性能的控制

1、金属材料组织形式、特点和性能的控制 单元5 1第二章 金属材料组织和性能的控制2.1 纯金属的结晶凝固：液态L固态S S可以是非晶体。结晶：一种原子排列状态过渡为另一种原子 规则排列状态（晶态）的转变过程。 一次结晶：LS晶态二次结晶：SS晶态一、纯金属结晶的条件1 纯金属冷却曲线液态金属在结晶时的温度时间曲线 过冷度理论结晶温度 和实际结晶温 度之差。 2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 2T = T0Tn 冷速越快，过冷度越大过冷指液态金属实际 冷却到结晶温度 以下而暂不结晶 的现象。2 纯金属结晶的条件F TTFF固F液F= F固F液0 结晶驱动力 自然界的自发过

2、程进行的热力学条件都是F0只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力F大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。自由能温度2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 33、纯金属的结晶过程2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 4.形核自发形核 非自发形核 .长大平面长大 树枝状长大结晶过程 2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 52.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 6二、同素异构转变-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc) 139491213941538912-Fe-Fe(fcc）a

3、-FeT时间770居里点以纯铁为例-Fe(fcc) a-Fe(bcc)铁的体积会膨胀12.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 7纯铁同素异构转变2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 8三、晶粒尺寸的控制 （1）晶粒度单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示 （2）过冷度对形核一长大的影响过冷度T提高，N提高、G提高过冷T太高，N降低、G降低（3）控制晶粒度的因素提高过冷度变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。振动，搅拌等2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 1一、合金相图类型

4、相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各项的成分和相对质量不在变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。（一）二元合金的结晶2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元62 根据结晶过程中出现的不同类型的结晶反应，可把二元合金的结晶过程分为下列几种类型。1. 发生匀晶反应的合金的结晶2. 发生共晶反应的合金的结晶 如Pb-Sn合金相图3. 发生包晶反应的合金的结晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相图4发生共析反应的合金的结晶2.金属材料组织和性能的控制

5、2.2 合金的结晶 单元6 3发生匀晶反应的合金的结晶 Cu-Ni相图为典型的匀晶相图，合金发生匀晶反应 ：L,从液相中逐渐结晶出固溶体。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 42. 发生共晶反应的合金的结晶 如Pb-Sn合金相图 由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫共晶反应。生成的两相混合物叫共晶体。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 53. 发生包晶反应的合金的结晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相图包晶反应：c+ Ld 一种固相和液相结晶出另外一种固相，发生包晶反应时三相共存，他们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。2.

6、金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 64发生共析反应的合金的结晶 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 7（二）合金的性能与相图的关系1.合金的使用性能与相图的关系 固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质的溶入量越多，晶格越大，合金的强度、硬度越高，电阻越大。合金的某些性能可按组成相性能依质量分数的关系叠加的办法求出。 例如硬度：HB=HB()+HB() 对组织较敏感的某些性能如强度等，与组成相或组织成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高。但形成化合物时，则在性能-成

7、分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 82.合金的工艺性能与相图的关系合金的铸造性能与相图的关系： 纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍为结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 9合金的锻造性能与相图的关系： 合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，

8、不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时更是如此，因为他们都很脆。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 1二、 铁碳合金组织（一）、Fe-Fe3C相图的组元 1Fe组元性能特点强度低、硬度低、韧性、塑性好2Fe3C （ Cem， Cm）性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。抗拉强度b=180230MPa延伸率=30 50断面收缩率=70 80ak=1.6 102 10 J/66硬度 50HB80HB抗拉强度b=30MPa硬度 800HB=0=0ak=0（二）、Fe-Fe3C相图中的相和组织2.金属

9、材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 21液相L2相 高温铁素体 （C固溶到 Fe中的间隙式固溶体）3相 铁素体F （C固溶到 -Fe中的间隙式固溶体）强度、硬度低、塑性好 （室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4相、A奥氏体 （C固溶到-Fe中的间隙式固溶体）强度低，易塑性变形5Fe3C性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 36珠光体 P （铁素体和渗碳体的共析混合物）抗拉强度b=770MPa延伸率= 20 35断面收缩率=40 60ak=3 104 10 J/55硬度 180HBA F+F

10、e3C 或A P7277277莱氏体 高温莱氏体 Le（奥氏体和渗碳体的共晶混合物）L1148Le低温莱氏体 Le硬而脆，塑性、韧性几乎为零。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 42.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 5（三）、分析Fe-Fe3C相图2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 92.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 102.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 1（三）、分析Fe-Fe3C相图2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 22.金属材料组织和性能的控制 2.2

11、 合金的结晶 单元8 4基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类1工业纯铁，C%=0.0218%2钢0.0218%C%= 2.11%亚共析钢 0.0218%C%0.77%共析钢 0.77%过共析钢 0.77%C%= 2.11%3白口铸铁2.11%C%6.69%亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3%共晶白口铸铁 4.3%过共晶白口铸铁 4.3 %C%F+P-PdP+Fe3CII-P+Fe3CII+Le-Le-Le+Fe3CII-Fe3C2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 7F F+P P P+Fe3CII P+Fe3CII+LeLe Le+Fe3CII Fe3C2.含碳量组

12、织HB：取决于相及相对量3.含碳量性能C%HB 强度：C% 0.9% 塑性、韧性：C%塑性、韧性2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 8铁碳合金相图的建立2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 9铁碳合金加热冷却转变2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 10（六）、Fe-Fe3C相图的应用1、在钢铁选材方面的应用2、在铸造工艺方面的应用3、在热锻、热轧工艺方面的应用4、在热处理工艺方面的应用2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 11铁碳合金相图练习题一、 名词解释 相图 铁素体 奥氏体 珠光体 渗碳体 二、间答题1、

13、合金结晶有哪些类型？各自的结晶特征？2、按铁碳相图，铁碳合金如何分类？其中三种钢室温组织 是什么？3、含碳量为、三种钢在700 770、 900时分别各为何组织？4、计算一下50钢和T10钢在室温下 HBS、 、 数值？b 5、随钢中含碳量增加，其机械性能如何变化？其原因？2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 单元9 1一、金属材料的塑性变形1、单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的基本方式滑移和孪生 （1）滑移 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动滑移的特点： 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小

14、不同。 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿 滑移面作整体的滑动。2.3 金属的塑性加工2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 单元9 22.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 单元9 3 滑移造成的晶体总变性量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。 滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目，材料塑性；滑移方向，材料塑性。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，金属塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。 滑移时晶体伴

15、随有转动。金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以滑移和孪生两种形式通过位错运动来进行的。 2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 单元9 4一、金属材料的塑性变形（2）孪生在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。 金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生. 孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值. FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发

16、生孪生。 2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 单元9 52、多晶体的塑性变形多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。强化原理晶界原子排列较不规则缺陷多滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。晶粒越细小，单位体积晶粒多变形分散减少应力集中 晶粒越细小，晶界多不利于裂纹的传播断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。 由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 单元9 63、塑性变

17、形对金属组织和性能的影响（1）塑性变形对金属组织的影响 形成纤维组织 形成亚结构 产生形变织构（2）塑性变形对金属性能的影响 产生加工硬化加工硬化金属发生塑性变形,随变性度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板 冷拔钢丝等。 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。变性、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 1 单元10 二、塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化1、回复 T回复=（.3）T熔点回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性增高，但残余应力大大

18、降低。变化应用工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 单元10 22、再结晶 T再=（.4）T熔点 变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶 。变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。，应用工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。以利于后面的变形加工。3、晶粒长大2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑

19、性加工 3 单元10 三、金属材料的热加工和冷加工1、金属材料的热加工及其对组织和性能的影响热加工在金属再结晶温度以上的塑性变形加工。如钢热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。思考题：其原因是什么？热加工对金属组织和性能的影响： 能消除铸态金属中的各种缺陷，均匀组织，提高性能，尤其塑性和韧性。 能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，细化晶粒，提高机械性能。 能形成纤维组织，并改善其流向，使性能的方向性有利于零件使用的需要。2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 4 单元10 2、金属材料的冷加工及其对组织和性能的影响冷加工在金属再结晶温度以下的塑性变形加工。如钢冷轧、冷拔、冷冲。

20、冷加工后产生加工硬化。思考题：其原因是什么？冷加工对金属组织和性能的影响： 能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。 是重要的 强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重 要。但增加继续塑性变形的抗力。2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工 单元10 52.3 金属的塑性加工 练习题、名词解释回复 再结晶加工硬化热加工 冷加工二、简答题1、金属塑性变形的主要方式和实质?滑移孪生2、什么是细晶强化？其强化原理？3、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响?在工业上如何应用？4、钢热锻和热轧后是否产生加工硬化？为什么？5、钢经冷轧等冷加工后是否产生加工硬化？加工硬化产生的原因

21、？6、为何面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性好？7、热加工对金属组织和性能有何影响？2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 1钢热处理基本原理一、钢在加热时转变 大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化，加热时形成的奥氏体的质量，对冷却转变过程及组织.性能有极大的影响。1. 奥氏体的形成 通常将加热时的临界温度标为；冷却时标为。 共析钢（T8）的室温平衡组织为珠光体，当加热到Ac1以上时，珠光体将转变为奥氏体。奥氏体转变过程：奥氏体晶核的形成；奥氏体晶核的长大；剩余渗碳体的溶解及奥氏体成分的均匀化四个基本过程。2.金属材料组

22、织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 22. 影响奥氏体转变速度的因素（1）加热温度随加热温度的提高，碳原子扩散速度增大，奥氏体化速度加快。（2）加热速度加热速度越快过热度越大，发生转变的温度越高，转变所需时间就越短。（3）钢中碳质量分数碳质量分数增加时，渗碳体量增多，铁素体和渗碳体的相界面增大，因而奥氏体的核心增多，转变速度加快。（4）合金元素钴.镍等加快奥氏体化过程；铬.钼.钒等减慢奥氏体化过程；（5）原始组织原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 33. 奥氏体的晶粒度及其影响因素 钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却所得组

23、织和性能。奥氏体晶粒细时，退火后所得的组织亦细，则钢的强度.塑性.韧性较好。而淬火后得到的马氏体也细小，因而韧性得到改善。 生产中一般采用标准晶粒度等级图，由比较的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度通常分8级，14级为粗晶粒度，58级为细晶粒度。 钢加热到930*C+-10*C.保温8小时.冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。可表示奥氏体晶粒长大的倾向。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 4影响奥氏体晶粒度的因素： 加热温度和保温时间温度高，时间长促进奥氏体晶粒长大。 钢的成分碳含量增高时，晶粒长大的倾向增多。钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有

24、利于得到本质细晶粒钢，2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 5二、钢在冷却时的转变 等温处理 将钢迅速冷却到临界点以下给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。 连续冷却 将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 61.过冷奥氏体的等温转变 共析钢过冷奥氏体的温度转变过程和转变产物可用其等温转变曲线图来分析。该曲线可简称为C 曲线。转变分如下三个区域。高温转变（在A1550之间）组织名称符号转变温度范围硬度放大倍数珠光体PAc1650170200HB500索氏体S6506002535HRC1000屈

25、氏体T6005503540HRC2000 中温转变550 Ms之间 (过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织)550350 为上贝氏体。上B呈羽毛状，强度和韧性都较差。350Mf为下贝氏体。为黑色针状，硬度高，韧性好，具有较高的综合机械性能。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 7 低温转变Ms点以下 （过冷奥氏体冷却到Ms点以下后发生马氏体转变） 马氏体M碳溶于Fe中的过饱和固溶体。过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变，形成速度很快，其转变不是彻底的，要残留少量的奥氏体。马氏体形成时体积膨胀,在钢中造成很大的内应力,严重时将使被处理的零件开裂。 马氏体的形态有板条状和针状(

26、或称片状)两种.其形态决定于奥氏体的碳质量分数.碳质量分数在0.25%以下时,基本上是板条状马氏体(亦称低碳马氏体), 碳质量分数在0.25%1.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混合结构。当碳质量分数大于1.0%时,则大多数是针状马氏体. 马氏体的硬度很高，碳质量分数越高，马氏体的硬度越高。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 82.过冷奥氏体的连续冷却转变 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变，其连续冷却转变曲线又称TTT曲线。 临界冷却速度钢能获得马氏体的最小冷却速度。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元11 9转变过程及产物：缓慢冷却时过冷A将转变

27、为珠光体，呈粗片状，硬度为170HB220HB。稍快速度冷却时过冷A转变为索氏体，为细片状组织，硬度为25HRC35HRC。采用油冷时得到的组织为屈氏体+马氏体+残余奥氏体。硬度为45HRC55HRC。快速度冷却时奥氏体将过冷到M。点以下，得到的组织是马氏体+残余奥氏体。 综上所述，刚在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温转变产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体等几种。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元12 12.4.2 退火和正火一、退火 将组

28、织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓冷却（一般为随炉冷却），以获得接近碰横状态组织的热处理工艺叫做退火。 据处理的目的和要求不同，刚的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等等。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元12 21. 完全退火 又称重结晶退火，是把钢加热至以上2030，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却）。以获得接近平衡组织的热处理工艺。目的: 通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能。由于冷却速度缓慢，还可能消除内应力。应用：主要用于亚共析钢，过共析钢不宜采用。2.金属材料组

29、织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元12 32. 等温退火 是将钢件或毛坯加热到高于Ac的温度保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的：与完全退火相同但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，长可大大缩短退火时间。应用：奥氏体较稳定的合金钢，尤其高合金钢。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元12 43. 球化退火使钢中碳化物球状化的热处理工艺目的: 是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化(退火前正火将网状渗碳体破碎),以降低硬度,改善切学加工性能;并为以后的淬火作组织准备.应

30、用：用于过共析钢,如工具钢,滚珠轴承钢等,2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元12 54. 扩散退火 将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺。 扩散退火的加热温度一般选定在钢的熔点以下100200，保温时间一般为10h15h。加热温度提高时，扩散时间可以缩短。 扩散退火后钢的晶粒很大，因此一般再进行完全退火或正火处理。目的和应用：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元12 65.去应力退火 为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，去应力

31、退火是将钢件加热至低于的某一温度（一般为500650），保温，然后随炉冷却，这种处理可以消除约50%80%的内应力，不引起组织变化。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元12 7二、正火钢材或钢件加热到Ac和Accm以上，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的人处理称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S,过共析钢为S+Fe3C。 正火与完全退火的主要差别在与冷却速度快些，目的是使钢的组织正常化，所以亦称常化处理，一般应用于以下方面：2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元12 81. 作为最终热处理 正火可以细化晶粒，使组织组织均匀化，减少亚共

32、析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强读、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不很高时，可以正火作为最终热处理。2. 作为预先热处理 截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前长进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。3. 改善切削加工性能 低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切学加工性能。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元13 12.4.3 淬火和回火一、淬火 将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获

33、得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化方法。1. 淬火工艺(1) 淬火温度的选定 一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Ac以上共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元13 2(2) 加热时间的确定 加热时间包括升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温达到淬火温度所需时间为升温阶段，并以此为保温时间的开始。保温阶段指钢件温度均匀并完成奥氏体化所需的时间。(3) 淬火冷却介质 水、盐水适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。 机油和柴油一般用作为合金钢的淬火介质。 盐浴、碱浴和硝盐浴常用于处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格

34、的工具等。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元13 3(4) 淬火方法 单介质淬火法采用一种介质冷却，操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。 双介质淬火和分级淬火能有效的减少热应力和相变英里，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。 等温淬火大大降低了钢件的内应力，减少变形，适用于处理复杂和精度要求高的小件，如弹簧、螺栓、小齿轮、轴及丝锥等，也可用于高合金钢较大截面零件的淬火。其缺点是生产周期长、生产效率低。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元13 4二、回火 钢件淬

35、火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫回火。 淬火纲一般不宜直接使用，必须进行回火。这是因为第一淬火后得到的是性能很脆的马氏体，并存在有内应力，容易产生变形和开裂；第二，淬火马氏体和残余奥氏体艘是不稳定组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸的变化，而这对精密零件是不允许的，第三，为了获得要求的强度，硬度，塑性和韧性，以满足零件的使用要求。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元13 5根据回火温度的高低，一般将回火分为三种：（1）低温回火（150-250） 低温回火后，组织为极细的e 碳化物和低过饱和

36、度a固溶体， 形态基本不变。 即为：回火马氏体+残余奥氏体。 低温回火的目的 是降低淬火应力，提高工件的韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。 应用 主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元13 6（2）中温回火（350-500） 得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状的混合组织，叫做回火屈氏体。 中温回火的目的 获得回火屈氏体。因为回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC-45HRC。 应用 主要用于处理各种弹簧及需要高屈服强度的零件。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢

37、的热处理 单元13 7（3）高温回火（500-650） 组织为再结晶等轴F+粗粒状Fe3C，称为回火索氏体 S。高温回火的目的：获得良好的综合机械性能。 淬火+高温回火调质处理应用 适用于承受各种复杂载荷的重要的机械零件。如轴类件、齿轮类件等回火温度与机械性能的关系： 200以下，HRC不变。200-300，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低不大，高碳钢硬度有一定的升高。300，HRC降低。韧性：400度开始升高，600最高。 弹性极限：在300-400最高。塑性：在600-650最高。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元14 12.4.4 钢的表面热处理 仅对钢的表面加热

38、、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理，也叫表面淬火。种类: 有感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等表面热处理，最常用的是前两种。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元14 2 感应加热表面热处理 感应加热的基本原理 感应线圈通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，产生电阻热。由于交流电的集肤效应，感应电流，靠近表面的电流密度大，而中心几乎为零。电流渗入工件表层的深度，与电流频率有关。对于碳钢：=500/f 式中，为电流透入深度（mm），f为电流频率（Hz）。 f愈大，电流透入深度愈小，加热层也愈薄

39、，不同频率，可得到不同的淬硬层深度。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元14 3 感应加热淬火方法种类a. 高频淬火（1050KHz）:适用于淬硬层0.5mm2mm 的小工件，如：机床齿轮，小销等。b. 中频淬火（100010000Hz）：适用于淬硬层2mm 15mm 的中大型工件，如轴类件。c. 工频淬火（50Hz）：适用于淬硬层15mm以上的大型工件，如轧辊等。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元14 4 感应加热适用的钢种 中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB钢等。这类钢经正火或调质后表面淬火，心部保持较高的综合机械性能，而表面具有较高的

40、硬度（50HRC）和耐磨性。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元14 5 感应加热淬火工艺特点表面淬火组织为细隐晶马氏体。表面硬度高，比一般淬火高2HRC3HRC，且脆性较低。表面淬火可提高工件的疲劳强度。加热速度快，没有保温时间，效率高，工件氧化脱碳少，淬火变形也小。加热温度和淬硬层厚度容易控制，便于实现机械化和自动化。可实现连续加热、一次加热和局部加热淬火。其缺点是设备较贵，形状复杂的零件处理较困难。 感应加热后，采用水、乳化液或聚乙稀醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180200低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理

41、 单元14 62. 火焰加热表面热处理 火焰加热表面淬火，是用乙炔-氧或煤气-氧等火焰加热工件表面，进行淬火。 火焰加热表面淬火设备简单，操作灵活，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量不稳定。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧锟等）的表面淬火。 2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元15 12.4.5 钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。 种类：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。 作用：提高钢件表层的耐磨性

42、、耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度等。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元15 2化学热处理基本过程：介质的分解加热时介质分解，释放出欲渗入元素的活性原子；表面吸收分解出的活性原子在钢件表面被吸收并溶解，超过溶解度时还能形成化合物；原子扩散溶入元素的原子在浓度梯度的作用下由表及里扩散，形成一定厚度的扩散层。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元15 3渗碳 钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表层工艺称为渗碳。渗碳目的：增加低碳钢表层的碳质量分数和获得一定碳浓度梯度，（碳质量分数约1.0%）,再经过淬火和回火处理。提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍

43、保持良好的韧性和塑性。应用：用于承受大的交变接触应力、严重磨损和较大冲击载荷的零件，例如各种齿轮、活塞销、套筒等。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元15 4 渗碳方法气体渗碳 将工件在密封的渗碳炉中，加热到900950，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇等），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气等），通过下列反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳：2COCO2+C CO2+H2H2O+CCnH2nnH2+nC CnH2n+2（n+1）H2+nC 气体渗碳的优点是生产效率高，劳动条件好，渗碳过程中可以控制，渗碳层的质量和机械性能较好。此外，还可进行直接淬火。2.金属材

44、料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元15 5 渗碳工艺 渗碳温度一般采用900950。渗碳时间则决定于渗层厚度的要求。在900渗碳，保温1h，渗碳厚度为，保温4h，渗层厚度可达1mm。零件的渗碳层厚度，决定于其尺寸及工件条件，一般为。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元15 6 渗碳后的热处理直接淬火 工艺简单，效率高，成本低，脱碳倾向小，淬火马氏体较粗，残余奥氏体也较多，耐磨性较低，变形较大，适用于本质细晶粒钢和耐磨性要求不太高和承载低的零件。一次淬火 渗碳缓慢冷却后，重新加热淬火。对于心部组织要求高的合金渗碳钢，一次淬火的加热温度略高于心部的Ac3使其晶粒细化，并得到低碳马氏体组织；适用于受载不大但表面性能要求较高的零件。二次淬火 只用于表面高耐磨性和心部高韧性的零件。 渗碳、淬火后进行低温（150200）回火，以消除淬火应力和提高韧性。2.金属材料组织和性能的控制 2.4 钢的热处理 单元15 72. 氮化 氮化