材料工程基础：5-1 金属材料的常规热处理

1、第三篇 材料的改性与表面加工 为了使材料充分发挥性能潜力，保证材料具有良好的继续加工工艺性和使用性能，材料在合成、制取加工成材后，往往要通过热处理和表面处理进行改性。 常规热处理是指对材料加热、保温、冷却改变材料整体性能。 表面改性包括： 改变材料表面组织结构表面淬火既改变表面组织结构，又改变表面成分表面化学热处理第5章 金属材料的常规热处理 金属材料的常规热处理是指在固态下加热、保温和冷却，通过改变金属材料内部的组织结构，使其获得所需性能的工艺。 根据加热和冷却方式不同，常规热处理为： 钢 铁有色金属 热处理的基本工艺过程，用时间温度坐标表示，称为热处理工艺曲线。 预备热处理，最终热处理。

2、（1）等温加热转变图 恒定T下，保温时所发生的状态变化。见图93 原始状态和合金化元素影响A的速度。 主要的应用：短时间热处理。如感应加热，激光加热。 3. 加热转变图 加热转变过程用加热转变图来表达，是一定温度下的形成量和时间的关系，反映加热过程的动力学问题。 51 常规热处理的基本原理52 常规热处理工艺51 常规热处理的基本原理 511 加热 1. 加热方式 能量转换 热处理工艺 2. 加热转变 先考察FeC相图 图中有A1、A3、ACM临介温度线，相图上的温度是平衡转变温度；但当进行加热和冷却时，转变要“滞后”，即加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温。这时用AC和Ar分别表示实际加热

3、和冷却时的临界温度。A1Ac1，Ar1 ； A3Ac3，Ar3 ； AcmAccm. Arcm加热分两种情况： 在临界点下加热 在临界温度以上加热 （2）连续加热转变图（CHT图 ）表示不同加热速度下奥氏体的形成数量Tt关系。 转变过程出现：4. 零件加热工艺制定 加热基本工艺参数: （1）加热温度 确定依据：金属及合金相变点、再结晶温度等。 （2）加热时间 升温时间：工件表面达到设定温度时间，取决于加热设备功率、介质、炉量。 透热时间：工件心部与表面温度趋于一致所需时间。 保温时间：达到热处理工艺要求而恒温保持的一致时间。 加热时间：升温 + 透热；可用经验计算。 以几何因素为基础的计算 表

4、征工件的几何因素，与零件形状的关系见表9-2 K-与加热条件有关的总的物理因素加热时间的计算：2）按工件有效厚度计算 5. 加热腐蚀 氧化与脱碳 （1）氧化： 570时，结构松散FeO,继续向内氧化。 （2）脱碳：工件表层C与脱C性气体相互作用的烧损现象。 在700 850时容易发生。 512 冷 却 冷却是热处理的重要工序，通过控制冷却，控制组织，获得一定的性能。 TTT表明等温冷却过程的组织结构变化CCT表明连续冷却过程的组织结构变化 1. 等温冷却转变图（TTT图） （1）什么是等温冷却转变图 表明等温冷却过程中钢的组织结构随温度、时间变化关系的状态图（2）TTT图的测定 金相法膨胀仪法

5、A化迅速淬入设定温度的等温盐浴，冷却不同时间后取出淬入冰盐水,使未转变的A体转变为M进行金相组织测定,测定不同等温下的转变量,然后给出该温下转变量f t关系的转变动力学曲线.将不同温度下转变点画在Tt图上,将相同性质的点连续起来. （3）TTT图呈C成型,也称C曲线. 左方:过冷A 高温区:珠光体转变 低温区:奥氏体转变 更低温区:马氏体转变点MS, MS与钢的成分有关. 见式(9-3)(P298) Ms = 512 - 453W（C）- 16.9W(Ni) + 15W(Cr) - 9.5W(Mo) + 217W2(C) - 71.5W(C)W(Mo) - 67.6W(C)W(Cr）（4）影响

6、C曲线的因素 合金元素,如Cr、Mo,出现两个C曲线，P、B转变分开.A化过程影响形状和位置共析钢等温冷却转变演示A化温度对C曲线的影响：实线：950，6s; 虚线：860，10min2 连续冷却转变图（CCT图） 实际热处理生产中，主要采用连续冷却，采用连续冷却转变图来指导生产。 （1）什么是CCT图： 连续冷却过程中组织变化与冷却速率的关系图。 （2）CCT图测定方法： 基本方法与TTT图相近。 A化以设定的系列恒定的速度冷却，得到相应冷却下的转变量与时间的关系（包括开始、终了及特殊）上述结果画在Tt（对数）坐标中共析钢连续冷却演示Diamond Pyramid Hardness 金刚石棱

7、锥硬度 （3）近于生产实际的非恒定冷速下的CCT图表达 不同冷却介质中不同直径试棒中心的冷却速度对比52 常规热处理工艺 521 退火 1. 退火的定义 将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却以获得近平衡状态组织结构的热处理工艺方法。 2. 退火的目的 使金属材料软化，使其易于冷成形和切削加工改变金材的其它性能和改变金材的组织 改善偏折、组织不均匀性、减少有害气体等。产生球化组织（过共析钢）改善电性能，改善尺寸稳定性3. 工艺方法 （1）亚临介退火:（低于临介温度A1）（2）不完全退火:（在A1A3（ACM）之间的退火（3）完全退火: A3（Acm）以上的退火 4 典型退火工艺

8、 （1）完全退火 加热到A3（ACM）以上，缓冷的退火工艺目的：细化晶粒，降低钢的硬度，改善切削加工性，消除加工过程内应力。适用范围：中碳钢锻件。（2）球化退火 获得F基体上分布的球状渗C体组织. Ac1以下长时间保温Ac1和Ar1间交替加热/冷却Ac1以上慢冷,或Ar1略下等温渗碳体未全溶的温度以适当冷速冷却,防止网状渗C体形成,然后再加热,按前a)、b)进行适用范围: 1）0.6% C以上的碳钢、模具钢、轴承钢.2）中、低碳钢,改善冷变形的加工性能（3）中间退火(再结晶退火) Ac1(11-22)温度下保温适当时间空冷.目的: 消除加工硬化,恢复韧性. （4）去应力退火 消除制造过程中的殘

9、留应力的工艺。相变温度以下保温后均匀冷却退火示意图5.2.2 正火 Ac3(Accm)以上30-50, 保温, 空冷, 获得含均匀珠光体组织的热处理工艺。 冷却速率以保证获得珠光体为依据. 目的: 改善力学性能，细化晶粒,均匀化成分和组织. 如铸铁: 使枝晶组织断开和细化,从而使成分均匀化锻件: 去除热轧产生的带状组织,细化锻造产生的粗大晶粒,去除锻造产生的混晶.5.2.3 淬火 1 淬火的一般性概念 （1）定义: A化后，通过淬入水、油、聚合物溶液、熔盐等介质中实现快冷, 获得 M 体组织的工艺方法. （2）目的: 获得M体组织,硬化淬火后的处理. 淬火 + 低温回火 （高硬度和耐磨性） 淬

10、火 + 中温回火 （获得高弹性极限） 淬火 + 高温回火 （获得良好强韧性配合） （3）淬火A化温度确定 亚共折钢 Ac3以上30-50 过共折钢 Ac1以上 合金钢 比碳钢略高温度 高合金钢（工具钢） 很高淬火加热温度。 （4）冷却 存在一临介冷却速度Vc，见CCT图当 Vc时，全M当 Vc时，M + 非M 获得M的能力叫淬透性用规定条件下获得的淬硬层深度来表示。常用端淬曲线或园棒淬硬层深度评价。淬硬层深度的计算依据：50%M淬透性是钢的一种属性，决定因素是临界冷速。（5）淬透性 2. 淬火机理 经奥氏体化的钢，淬入淬火液后冷却过程的冷却曲线如图示。经历三个阶段。 蒸汽膜形成沸腾形核阶段液体

11、冷却影响淬火冷速的因素 （1）介质种类（2）搅拌（3）淬火液温度 直径为38mm不锈钢经845 固溶处理淬水3. 淬火介质 淬火介质淬火工艺中采用的冷却介质蒸汽阶段与沸腾阶段冷速快，液体冷却（对流）阶段慢。 常用的淬火介质（剂）： 水、盐水、碱水、油、聚合物溶液、融盐、金属熔液、气体、流态床、雾、喷雾等。 要求：单液淬火双液淬火（水淬、油冷法）分级淬火（martempering）: 淬入碱、盐浴，均温后空冷。适用于小件（工具、量具等）等温淬火（austempering） 在Ms稍高温度等温，发生贝氏体转变。见图918工艺曲线图局部淬火（图919）4. 常用的淬火方法 5. 有色合金的固溶处理和

12、淬火 固溶处理：获得均匀的固溶体淬火目的： 避免固溶元素的析出，获得过饱和固溶体。 524 回火与时效 1. 回 火 回火是指钢淬火后再加热到相变点以下保温后以适当的方式冷却的一种热处理工艺。 目的：提高钢的韧性和塑性 （1） 回火工艺的控制参数 回火温度回火时间冷却速度（2）回火工艺 低温回火：得到回火马氏体为主。主要适用于，中、高C钢制造的工模具、零件等。中温回火（350-500），得到回火屈化体，主要适用弹簧热处理。 高温回火（500-650）调质处理。得到回火索氏体，具良好综合性能。适用于连杆、螺栓、齿轮等要求强韧性的。 M中C的偏聚M分解残留A转变碳化物的转变回火过程中发生的转变：2. 时效 固溶淬火的有色合金必须进行时效处理才能实现强化，主要是通过溶质原子自发析出形成弥散的析出相