金属学与热处理金属性质和合金的回复与再结晶

1、金属学与热处理金属性质和合金的回复与再结晶 典型退火的过程，随着保温时间和延长和温度升高，可分为和晶粒长大三个阶段。回复、再结晶的定义及性能变化及应用。再结晶形核机制亚晶长大形核 （变形量较大时）凸出形核: 再结晶温度：T再(0.25-0.35)Tm。工业纯金属：T再(0.35-0.45)Tm。合金：T再(0.4-0.9)Tm。注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200 。第七章、金属及合金的回复与再结晶 达到某一数值（210%）时，晶粒特别粗大，主要是G/N的比值大。（临界变形度）。 临界变形量：晶粒长大方式正常长大反常长大再结晶图：将晶粒大小、退火温度与变形量的关系绘制成立体图形，称为

2、再结晶图。冷加工热加工按加工的温度分类第八章 扩 散空位机制扩散机制间隙机制具有驱动力：化学位梯度； 此外, 温度梯度,应力梯度,表面自由能差，以及电场和磁场的作用也可引起扩散扩散原子能固溶； 扩散原子在基体有一定固溶度。温度足够高； 温度 ,原子热振动越激烈,原子激活迁移几率越大。时间足够长 扩散原子的每次随机跃迁距离只有nm级,需长时间 固态扩散的条件固态扩散需满足下列四个条件。第八章 扩 散第三节 影响扩散的主要因素 温度、晶体结构、成分、其他影响程度：温度成分结构其它第八章 扩 散扩散的分类自扩散 ：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散 (如纯金属或固溶体的晶粒长大-无浓度变化)互扩

3、散:原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散（有浓度变化）下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。原子扩散：扩散过程中不出现新相。反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散.有无浓度变化扩散方向是否出现新相第八章 扩 散第二节 扩散定律 单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量（扩散通量J）与浓度梯度成正比。菲克(Fick A)第一定律 适用条件：稳态扩散 - dc/dt=0,浓度及浓度梯度不 随时间改变。表达式： J=-D(dc/dx)。 （C溶质原子浓度；D-扩散系数）第九章 钢的热处理原理第一节 概 述 热处理是将钢在固态

4、下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。 定义热处理及其作用热处理工艺示意图最终热处理预备热处理热处理与相图 原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者同素异构转变的，即有固态相变的金属或合金，才能进行热处理。纯金属、某些单相合金等不能进行热处理强化的，只能采用加工硬化的方法。加热与冷却速度对临界点的影响第九章 钢的热处理原理固态相变类型扩散型非扩散型半扩散型第九章 钢的热处理原理 奥氏体是碳溶于-Fe所形成的固溶体。在合金钢中，除了碳原子外，溶于-Fe中的还有合金元素原子。1、奥氏体的结构第九章 钢的热处理原理共析钢奥氏体的形成过程 奥氏体的形成过

5、程形核长大残余渗碳体的溶解均匀化第九章 钢的热处理原理奥氏体晶粒长大及控制晶粒度 是表示晶粒大小的一种尺度。是以单位面积内晶粒的个数或每个晶粒的平均面积与平均直径。类别起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度 指临界温度以上奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚互相接触时的晶粒大小。 指在某一热处理加热条件下，所得到的晶粒尺寸。 对钢来说，如果不特别指明，一般是指奥氏体化后的实际晶粒大小。默认 代表在某一条件下，奥氏体 的长大倾向，通常采用标准实验的方法，即将钢加热到（93010）摄氏度，保温3-5小时后，测定其奥氏体晶粒大小。晶粒度在58级者称为本质细晶粒钢，在14级者称为本质粗晶粒钢。晶粒度评定标准 一

6、般生产中把奥氏体晶粒大小分为1-8个级别，其中1级最粗，8级最细，超过8级以上的称为超细晶粒。关系式 晶粒度的级别G与晶粒大小之间的关系为： N = 2G-1 G：晶粒度级别； N： 100X时，平均晶粒数目/inch22）第九章 钢的热处理原理例题： 晶粒度级别N可由关系式N=2G-12面积中观察到的晶粒数，计算当晶粒度为7级时，晶粒的实际平均直径。第九章 钢的热处理原理解： n=27-1=64d平均=645/(100264) =0.032(mm)晶粒度影响因素加热温度保温时间加热速度化学成分原始组织第九章 钢的热处理原理冷却方式等温冷却连续冷却过冷奥氏体第九章 钢的热处理原理奥氏体不同冷却

7、方式示意图1等温冷却 2连续冷却图9.5 共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线第九章 钢的热处理原理过冷奥氏体等温转变曲线中间曲线左边过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变终了线。水平A1钢的临界点 (723)，即奥氏体与珠光体的平衡温度Ms(230)为马氏体转变开始温度M f(-50)为马氏体转变终了温度共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线的分析三水平线两曲线第九章 钢的热处理原理问题： 如将一根直径5mm的热轧钢试样加热到650，等温15s后淬火水中，问等温转变曲线可否用来分析最后得到的组织？第九章 钢的热处理原理 不能原因：等温转变曲线是描述过冷奥氏体的转变的。热轧共析

8、钢加热到650 并未发生奥氏体化。珠光体转变(pearlite transformation） 共析成分的过冷奥氏体从Al以下至C曲线的“鼻尖”以上，即Al550温度范围内会发生珠光体转变，为全扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散运动。 按形态片状珠光体粒状珠光体形成条件组织性能不同第九章 钢的热处理原理第九章 钢的热处理原理马氏体转变(pearlite transformation）立体形态亚结构位向材料板条马氏体（位错马氏体）空间形态是扁条状的。每个板条为一个单晶体位错（密度1011/cm21012/cm2）相互平行排列的板条低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金片状马氏体（孪晶马氏

9、体）空间形态双凸透镜状光学显微镜下则呈针状或竹叶状孪晶（间距为5nm10nm）有大量微裂纹互不平行，呈一定角度分布中、高碳钢及wNi29%的Fe-Ni合金两种马氏体比较上贝氏体下贝氏体形成温度不同550 -350350 -230 组织形态不同羽毛状针叶状组成物不完全相同铁素体碳化物(Fe3C)铁素体（过饱和）碳化物(FexC)组成物形态不同F呈条状，碳化物在F条间呈断续的断杆状F呈针叶状，碳化物与F的长轴呈5560角，在叶内呈点状有规律分布性能不同强韧性差综合力学性能好贝氏体比较第九章 钢的热处理原理贝氏体转变 当加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体的晶界沿奥氏体

10、一定晶面往晶内生长，呈针片状析出，连同其间的珠光体组织一起称为魏氏组织。 魏氏组织的形成与钢中碳含量、奥氏体晶粒大小及冷却速度有关，通常伴随奥氏体粗晶组织出现。第九章 钢的热处理原理魏氏组织共析钢连续冷却C曲线第九章 钢的热处理原理共析钢过冷奥氏体连续冷却C曲线碳化物的转变第九章 钢的热处理原理离位析出：一种碳化物的析出是通过其它碳化物溶解并在其它地方重新形核、长大的方式形成，这种单独形核的方式。原位析出：一种碳化物的析出是由另外一种碳化物直接转变过来，它们之间存在相同的惯习面。 钢在回火时会产生回火脆性现象，即在250400和450650两个温度区间回火后，钢的冲击韧性明显下降。这种脆化现象

11、称为回火脆性。回火脆性根据脆化现象产生的机理和温度区间，回火脆性可分为两类： 回火温度是否可逆影响因素材料原因一类回火脆性(低温回火脆性)250400范围内不可逆没有影响几乎所有工业钢钢回火马氏体中沿晶界析出稳定的细片状化合物，降低了晶界的断裂强度第二类回火脆性(高温回火脆性)一般450650合金元素有影响可逆，快冷可消除或抑制该脆性与加热和冷却条件有关合金钢杂质晶界偏聚，降低晶界断裂强度第九章 钢的热处理原理淬火后回火产物与奥氏体直接分解产物比较第九章 钢的热处理原理托氏体索氏体回火托氏体回火索氏体是铁素体加碳化物的珠光体类型组织相同区别碳化物呈片状分布碳化物呈颗粒状分布，许多性能得到改善相

12、同的硬度和强度时，屈服强度、韧性塑性提高片状碳化物受力时会使基体产生应力集中，碳化物脆断或形成微裂纹。而粒状的应力集中小，微裂纹不易产生，故塑、韧性好第十章 钢的热处理工艺退 火正 火淬 火回 火定义，目的，选用原则，组织。来源残留应力状态影响因素裂纹形式热应力温差引起的膨胀不一致表面压，心部拉工件截面尺寸，线膨胀系数，热导率，冷却速度等由内到外的横向裂纹或弧形裂纹组织应力组织转变的比体积不同表面拉，心部压尺寸，相变温度范围内的冷却速度，导热，淬透性等沿轴向由表面裂向心部的纵向裂纹淬火应力第十章 钢的热处理工艺两种应力比较 工件在淬火过程中会发生形状和尺寸的变化,有时甚至会产生淬火裂纹，工件变

13、形和开裂的原因是由于淬火过程中在工件内产生的内应力造成的。 淬透性是是指钢在淬火时获得马氏体的能力，钢的固有属性，相同奥氏体化温度下，其淬透性是不变的。实际工件的淬透层深度是指具体条件下测锭的半马氏体区至表面的深度，与淬透性，工件尺寸及淬火介质的冷却能力等有关。 淬硬性是钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示，主要取决于马氏体碳含量。淬透性，淬透深度，淬硬性区别第十章 钢的热处理工艺 根据钢的淬透性曲线，钢的淬透性值通常用 表示。其中：J 表示末端淬透性， d表示至末端的距离， HRC表示在该处测得的硬度值。 举例：第十章 钢的热处理工艺感应加热淬火技术第十章 钢的热处理工艺工

14、作原理及作用。化学热处理（渗碳） 缓冷及热处理后的组织及性能。形变热处理 是形变强化与相变强化的综合效果。工程结构用钢机器零件用钢刃具钢模具钢量具钢耐蚀钢耐热钢耐磨钢耐寒钢电工钢结构钢工具钢特殊性能钢按用途分第十一章 工业用钢渗碳钢调质钢弹簧钢第十二章 铸 铁 铸铁是2.11%C的铁碳合金，除C外，还含有较多的Si、Mn和其它的一些杂质元素，工业常用铸铁的碳含量为2.11-4.5% 。 渗碳体主要影响因素化学成分冷却速度石墨第十二章 铸 铁 铸铁的分类碳存在的形式及断口的颜色白口铸铁灰铸铁麻口铸铁渗碳体游离的石墨渗碳体游离的石墨第十二章 铸 铁石墨的形态普通灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁片状团絮状球状

15、蠕虫状蠕墨铸铁灰铸铁第十三章 有色金属 铝无同素异构转变。铝合金的热处理与钢的异同点。 固溶处理和时效强化。可热处理强化和不可热处理强化。 铝合金的标识。（硬铝）铝及铝合金 铝合金的时效强化效果取决于固溶体的浓度和时效温度及时效时间。 时效温度过高，时效时间过长，将使合金软化，称为过时效。 固溶处理： 铝合金经加热到单相区保温后，快速冷却后获得过饱和固溶体的热处理工艺。 时效强化（沉淀强化）： 过饱和固溶体在室温放置或加热到某一温度保温，随时间的延长而发生强度、硬度明显升高，塑性降低的现象。（自然时效；人工时效）铝合金的热处理 铝合金的强化热处理包括固溶处理和时效处理。第十三章 有色金属 答：

16、1.不可以。铝合金在固态下加热只有溶解度的变化，而没有同素异构转变，只能通过固溶处理时效强化。问题： 1. 铝合金可以像钢一样通过马氏体相变强化吗？ 2. 铝合金可以通过渗碳、氮化方式表面强化吗？2. 不可以。因为C、N在铝中的溶解度很小，特别是铝与氧亲和力大，表面生成致密氧化膜，使渗碳、渗氮时活性原子不能被表面吸收，同时也无法向心部扩散，因而不能通过渗碳和渗氮表面强化。第十三章 有色金属 硬铝合金（2XXX） Al-Cu-Mg系合金，属于可热处理强化的铝合金。合金中加入铜和镁是为了形成强化相(CuAl2)和S(CuMgAl2)，含有少量的锰是为了提高抗蚀性能，而对时效强化不起作用。 硬铝具有

17、相当高的强度和硬度，经自然时效后强度达到380 MPa490 MPa(原始强度为290 MPa300 MPa)，提高25%30%，硬度也明显提高(由70HB85HB提高到120HB)。与此同时仍能保持足够的塑性。 抗蚀性差，特别在海水中尤甚，且易产生晶间腐蚀。因此需要防护的硬铝部件，其外部都包一层高纯度铝，制成包铝硬铝材，但是包铝的硬铝热处理后强度较未包铝的为低。代表：2A11T4，2A12T4。第十三章 有色金属 第十三章 有色金属 纯钛具有同素异构转变。 钛及钛钛合金钛合金的分类、命名及特点。按热处理后的组织特点钛合金钛合金钛合金第十三章 有色金属 纯铜具有面心立方结构，无同素异构转变，塑

18、性高而强度低，伸长率约为50，强度约240MPa。 铜及铜合金纯铜：氢病 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜，以H表示。 。黄铜最常见的腐蚀形式是“脱锌”和“季裂”。黄铜：综合分析题一、用冷拔铜丝制作的导线，冷拔之后应如何处理，为什么？答：用冷拔铜丝制作的导线，冷拔之后应进行去应力退火。 因为铜导线的性能要求具有良好的导电性能，和一定的强度和塑性。 铜丝冷拔后，导电性能下降，具有较高的强度，但韧性较差。去应力退火后，导线的导电性能基本可以恢复到冷拔前的水平，且强度、硬度变化不大，而塑性和韧性的所提高，符合导线使用性能的要求。综合分析题二、设有一楔形板坯，经过冷轧后，得到相同厚度的板材，然后进行

19、再结晶退火，试问该板材的晶粒大小是否均匀，画出沿板材方向的晶粒变化情况，并解释原因。 答：晶粒大小不均匀，随着楔子的进入，其变形度逐渐增大，其晶粒度大小随变形情况的变化如图所示，当变形量小时，晶粒仍保持原状，这是由于变形小，畸变能小，不足以引起再结晶，所以晶粒大小没有变化，。当达到临界变形度时，得到特别大的晶粒，当超过这个临界变形度后，则变形越大，晶粒越细，当变形度达到一定程度后，再结晶晶粒基本保持不变，当变形度再大时，可能会出现二次结晶，导致晶粒重新粗化。综合分析题见书中图7-12综合分析题三、 现有低碳钢齿轮和中碳钢齿轮各一只，为了使齿轮表面具有高的硬度和耐磨性，它们各应进行怎样的热处理？

20、比较热处理后它们在组织与性能上的异同点。答：低碳钢齿轮，由于含碳量低，塑性和韧性较高，硬度和耐磨性差，所以使用表面渗碳热处理，后进行淬火+低温回火，在表面可获得混合马氏体组织，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍然保持较高的塑性和韧性。 中碳钢齿轮，首先进行调质处理，由于含碳量较高，整个提高整个齿轮的强度、硬度、塑性韧性，组织状态是回火索氏体。要提高表面硬度和耐磨性，再进行表面淬火+低温回火，组织表面为回火马氏体，心部仍为回火索氏体。使齿轮表面具有高硬度、高强度和良好的耐磨性，而心部保持良好的塑性和韧性。综合分析题四、用45钢制造机床齿轮，其工艺路线为：锻造-正火-粗加工-调质-精加工-高频感应加热表面淬火-低温回火-磨加工。请说明各热处理工序的目的及使用状态下的组织。答：锻造后的45钢硬度较高，不利于切削加工，正火后将其硬度控制在160-230HB范围内，提高切削加工性能，组织是珠氏体。 粗加工后，调质处理整个提高了45钢强度、硬度、塑性韧性，组织状态是回火索氏体。 高频感应加热表面淬火是要提高45钢表面硬度的同时，保持心部良好的塑性和韧性，组织表面为马氏体，心