第三章改变材料性能的主要途径(03热处理1)

工程材料及热加工MechanicalEngineeringMaterials&HotWorkingTechnology刘红华机械工程学院第三章改变材料性能的主要途径§3金属的合金化§2金属的晶粒度对材料性能的影响§1金属塑性变形对材料性能的影响§4金属的热处理§5高分子材料的增强与改性第四节金属的热处理第四节金属的热处理2.钢在冷却时的转变3.钢的退火与正火1.钢在加热时的转变4.钢的淬火5.钢的回火6.钢的淬透性第四节金属的热处理8.钢的化学热处理9.表面气相沉积7.钢的表面淬火10.影响热处理件质量的因素复习铁碳合金相图第四节金属的热处理金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。

金属热处理的特点金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。所以，它是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。金属热处理的作用其目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能。

通过适当的热处理可以显著提髙钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个甚至十几个。

恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。

热处理可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。应用实例例如:用高速钢（W18Cr4V）制造钻头的工艺流程如下：锻造→球化退火→机加工→淬火、回火→精加工（磨）。其中球化退火可改善锻件毛坯组织，降低硬度（达到HB207-255，相当于HRC17-25)，这样才能进行切削加工，达到工艺性能要求。其中淬火+回火，它可提高钻头的硬度（达到HRC60-65）、耐磨性和红硬性，可以切削加工其它金属，达到工程所要求的使用性能。应用实例钢制造一把钳工用的錾子若不热处理，即使錾子刃口磨得很好，在使用时刃口也会很快发生卷刃；若将已磨好錾子的刃口部分局部加热至一定温度以上，保温以后进行水冷及其它热处理工艺，则錾子将变得锋利而有韧性。在使用过程中，即使用鄉头经常敲打，錾子也不易发生卷刃和崩裂现象。钢经热处理后性能之所以发生如此重大的变化：

经过不同的加热冷却过程，钢的组织结构发生了变化，因此要制定正确的热处理工艺规范保证热处理质量；必须了解不同加热和冷却条件下的组织变化规律钢中组织转变的规律就是热处理的原理。

在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用.

模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。

热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。

铸造轧制3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。

热处理分类

热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）

20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织预备热处理与最终热处理预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理.预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间温度/℃热处理与相图钢为什么可进行热处理？热处理后为什么能获得前面所述的效果？是不是所有金属材料都能进行热处理呢？这些问题与合金相图有关。原则上只有在加热或冷却时有固态相变发生的合金或溶解度发生显著变化的合金才能进行热处理。在固态下不发生相变的纯金属、某些单相合金等不能用热处理手段强化，只能采用加工硬化的方法。①位于F点以左的合金：例如：某二元合金系相图如右图

在固态加热或冷却过程中均无相变发生。-不可热处理。②成分在FF′之间的合金：

α相自t1温度缓慢冷至MF时，β相又开始析出，继续冷却B在α相中的溶解度又会发生显著变化，这一过程为固态相变的平衡脱溶沉淀。如果合金从α相状态快速冷却，会得到过饱和到α′固溶体，这一过程为固态相变的不平衡脱溶沉淀（固溶处理）。-可热处理

③成分位于M点以右的合金：

α固溶体在温度变化时溶解度发生显著变化。-可热处理④如果相图a中的溶解度曲线MF变成垂直线MF′：

溶解度不随温度变化，所有合金在固态下均无相变发生。-所有成分的合金不可热处理

因为钢在加热或冷却过程中越过临界温度就要发生固态相变，所以能进行热处理。如能根据其变化规律，采取特定的加热和冷却方法，控制相变过程，便可获得所需的组织、结构和性能。Fe-Fe3C相图实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢的加热和冷却都是有一定速度的加热和冷却。加热冠以“c”，冷却冠以“r”，临界温度与实际转变温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示.由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据是以30-50℃/h

的速度加热或冷却时测得的.Ac1

–加热时由P→A的开始温度线。Ac3–加热时由F→A的终了温度线。Accm-加热时Fe3CⅡ溶入A的终了温度线。Ar1–冷却时由A→P的开始温度线。Ar3–冷却时由A→F的开始温度线。Arcm-冷却时由A→Fe3CⅡ的开始温度线。钢在加热时的转变加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。钢坯加热从Fe-C状态图可知，任何成分的碳钢加热到临界点Ac1线以上都会发生P→A转变，而亚共析钢、过亚析钢加热到Ac3、Accm线以上时便全部转变为A。奥氏体的形成过程

现以共析钢为例，来分析A的形成过程，共析钢的室温组织是P。P是F和Fe3C两相机械混合物。当加热到Ac1时，P开始向A转变。

从上式可知，P→A转变，是由成分相差悬殊，晶格不同的两相转变成另一种晶格的均匀单相奥氏体。在转变过程中，必须进行晶格重组，和铁、碳原子的充分扩散，即相变，才能使P→A。P→A的转变过程是通过生核与长大过程来实现的。P→A转变过程可分为四个阶段，如图3－22所示。第一步奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。当P加热到Ac1以上时，经过一段孕育期，P处于不稳定状态。首先在F与Fe3C的界面上形成A晶核，这是因为界面处的原子排列不规则，空位和位错密度较高，处于能量较高状态，A的碳质量分数介于F与Fe3C之间，则使一部分F转变为面心立方晶体的A(γ-Fe),侧面的渗碳体溶入A晶格中，使其具有共析奥氏体所需的碳质量分数，这样就形成了A晶核。第二步奥氏体晶核长大：

晶核通过碳原子的扩散向

和Fe3C方向长大。A晶核形成后，便开始长大。由于A与两侧F和Fe3C存在碳原子与铁原子的浓度差，促使F晶格不断的转变为面心立方的A，而渗碳体则连续溶入奥氏体中，并通过铁、碳原子的扩散，使A晶核长大，直至铁素体晶格转变完毕，所有A晶格相互接触为止。

第三步残余Fe3C溶解

由于A晶格与F晶格比较接近，而与Fe3C的晶格差别较大，故F向A转变的速度要比Fe3C溶入A的速度快。而且，Fe3C溶解所提供的碳原子远多于F转变为A所需的碳原子，故F全部转变成A后，尚有少量Fe3C存在于A晶粒中，随着时间的延长未溶Fe3C不断溶入A中，直至全部消失。第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。温度，℃共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）共析钢奥氏体化过程非完全奥氏体化

亚共析钢加热到Ac1～Ac3之间；共析钢加热到Ac1稍上、过共析钢加热到Ac1～Accm之间，分别得到A＋F、A＋Fe3C、A＋Fe3C组织。称为非完全奥氏体化。

钢种加热温度组织

亚共析钢Ac1～Ac3A＋F

共析钢Ac1

稍上A＋Fe3C

过共析钢Ac1～Accm

A＋Fe3C

强调：共析钢和过共析钢是非完全A体化非共析钢的A化由于非共析钢中除了P外，还有一部分先共析相，亚共析钢中有自由F，过共析钢中有Fe3CⅡ，因此非共析钢的A化分两步：1）完成P的A化；2）先共析相的A化。亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析

或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上.奥氏体的晶粒大小及其影响因素

奥氏体的晶粒大小是评定钢加热质量的重要指标之一。奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产物的组织性能都有重要的影响。奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性越高。奥氏体晶粒粗大，显著降低钢的冲击韧性、降低裂纹扩展功和提高脆性转折温度。此外，晶粒粗大的钢件，淬火变形和开裂倾向增大。奥氏体晶粒度晶粒度

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（930±10）摄氏度，保温3-5小时后，测定其奥氏体晶粒大小。晶粒度在5~8级者称为本质细晶粒钢，在1~4级者称为本质粗晶粒钢。晶粒度评定标准

一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-1G：晶粒度级别；N：100X时，平均晶粒数目/inch2（6.45cm2）

通常将钢加热到94010℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。

晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。

影响奥氏体晶粒长大的因素奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒长大。⑴加热温度和保温时间加热温度升高，晶粒急剧长大。在一定温度下，随着保温时间延长，奥氏体晶粒长大，但长大到一定尺寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。⑵加热速度:加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细。高温快速加热，短时保温可获得细小晶粒。（3）含碳量的影响。在一定范围之内，随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大。但是含碳量超过某一限度，奥氏体晶粒反而变得细小。见图。影响奥氏体晶粒长大的因素（4）合金元素的影响：合金元素Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，由于能形成熔点高、稳定性强，不易聚集长大的碳化物（VC、TiC、NbC等）和氮化物（VN、TiN、AlN、NbN等）第二相颗粒，因而能强烈阻碍奥氏体晶粒长大。b.而Cr、Mo、W等合金元素也能形成较稳定的碳化物和氮化物，对奥氏体晶粒长大的阻碍程度中等；影响奥氏体晶粒长大的因素c.不形成碳化物的合金元素Si、Ni、Cu等对奥氏体晶粒长大影响很小；d.Mn、P、O、N等元素溶入奥氏体后，削弱γ-Fe原子间的结合力，加速Fe原子的自扩散，从而促进奥氏体晶粒长大。（5）原始组织:平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也