固态相变原理(7-8)

第七章

热处理工艺1.金属热处理的发展过程热处理工艺的历史悠久：在我国历史上，热处理工艺出现于铁器时代。铸铁的柔化处理就是根据这一要求最早出现的热工艺。商代已有经再结晶退火的金属用品。西汉佩剑渗碳：表面0.6％：内部：0.05％洛阳出土的战国时代铁錛是由白口铁经脱碳退火制成。青铜剑商代出土的酒器

随着其他新能源、新技术的开发，热处理工艺发展成为复合工艺：如激光处理、感应表面淬火等。随着计算机、自动控制技术的发展，制造出了由计算机辅助热处理生产的设备，如真空热处理设备。生产工艺的发展，生产设备的改进，现代工业制造出了更高性能的零件2.近代热处理工艺的发展

普通热处理（退火、正火、淬火、回火等）表面淬火（感应加热主、火焰加热等）化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等）复合热处理（可控气氛、真空、离子热处理等）热处理分类常见的实验仪器加热时间包括两个部分：*工件达到热处理堆满所要求温度的时间；*完成组织转变及其他热处理目的所要求的组织结构状态变化所需要的时间。温度场表达式：t=ƒ(x,y,z,τ)式中x,yz为所求点的位置，τ为加热时间，t为加热τ时间，后点(x,y,z)的温度。热处理所需的加热时间可以采用计算方法或者是经验公式计算，而热处理时影响加热因素很多，所以通常用的是经验计算方法，可以通过实验来确定。热处理加热时间的确定影响热处理工件加热的因素加热方式的影响加热方式有：随炉加热主、到温入炉加热和高温入炉加热等。加热方式的不同、加热的速度也不同。加热介质及工件放置方式的影响工件在炉内排布方式的加热时间修正值选择原则：避免工件表面与加热介质发生化学反应，即应降低氧化性气体在炉气中的分压，使反应朝还原方向进行。真空加热：在低于一个大气压的稀薄空气中加热，可避免氧化、脱碳、达到光亮热处理的目的。保护气氛：在工件加热时保护其表面不氧化、脱碳的气氛叫保护气氛。吸热式气氛（天然气、煤气及其他有机物）放热工气氛（原料气与充足空气混合）氨热分解气：把液氨汽化后并通往有触媒的反应罐使氨气在高温下发生分解，从面获得氨热分解气。主要成分：75%H2和25%N2加热介质的选择

名词术语解释：均匀化退火，再结晶退火，完全退火，等温退火，去内应力退火，不完全退火，球化退火，正火2.对于大型铸件为什么需要均匀化退火？通过热处理能否完全改善钢中的偏析？为什么？3.有一批45钢普通车床传动齿轮，其工艺路线为锻造-热处理-机械加工-高频淬火-回火。试问锻后应进行何种热处理？习题与思考题§7.1退火与正火一、退火

退火的主要目的是降低硬度，改善力学性能；消除组织缺陷，均匀化学成分；消除或减少内应力，稳定尺寸；为最终热处理做组织准备。相变重结晶退火

（A1以上）完全退火等温退火不完全退火球化退火均匀化退火无相变退火

（A1以下）再结晶退火去应力退火等温退火球化退火温度的确定？定义：为去除由于形变加工、锻造、焊接等所引起的及铸件内存在的残余应力（但组织不变化）而进行的退火工艺。目的：消除铸件、锻件、焊接件应力，稳定几何形状，防止开裂。尤其在机械加工后，由于应力平衡的破坏，常会造成变形超差，使工件报废。因此各类铸件在机械加工前应进行消除应力处理。加热温度：铸铁件去应力退火温度不应太高，否则造成珠光体的石墨化。由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同，以及去除程度的不同，去应力退火的加热温度范围很宽，应根据具体情况决定。去应力退火二、正火定义：正火是将钢材或钢件加热到Ac3(或Acm)以上适当温度，保温适应时间后在空气中冷却，得到珠光体类的组织的热处理工艺。目的：正火的目的是获得一定的硬度、细化晶粒，并获得比较均匀的组织和性能。正火是工业上常用的热处理工艺之一。正火既可作为预备热处理工艺，为下续热处理工艺提供适宜的组织状态，例如为过共析钢的球化退火提供细片状珠光体，消除网状碳化物等；也可作为最终热处理工艺，提供合适的机械性能，例如碳素结构钢零件的正火处理等。此外，正火处理也常用来消除某些处理缺陷。钢在退火、正火后组织和性能与钢成分、原始组织状态、工艺规范等因素有关。经完全退火与正火后的组织有以下区别：正火的珠光体组织比退火状态的片层间距小，领域也小。正火的冷却速度快，先共析产物（自由铁素体，渗碳体）不能充分析出，比平衡冷却时析出数量要少。同是由于奥氏体的成分偏离共析成分面出现伙共析组织。对于过共析钢，退火后组织为球光体+网状碳化物。正火得到全部细珠光体组织，或者沿晶界析出一部分条状碳化物。

由于合金钢中碳化物更稳定，一易充分固溶到奥氏体中，退火后不容易形成层状珠光体。正火后得到的粒状索氏体或屈氏体硬度较高。正常规范下通过退火、正火使钢的晶粒细化。但是如果加热温度过高，使奥氏体晶粒粗大，退火后形成粗晶粒的组织。1、过烧：由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。

过烧缺陷现象2、黑脆：碳素工具钢或合金钢在退火后，有时硬度虽然低，但脆性大，断口呈黑色，主要原因是退火温度过高，保温时间过长，冷却慢。T12钢退火石墨碳断口呈黑色§7.2淬火与回火一、淬火定义：将钢加热至AC1或AC3以上某一温度，保温以后以大于临界冷却速度（VC）冷却，以得到介稳定状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。主要目的：提高硬度、强度及耐磨性获得良好的综合机械性能改善钢的特殊性能必要条件：加热温度：必须高于临界点以上，以获得奥氏体组织；冷却速度：必须大于临界冷却速度；淬火后的组织：非平衡组织。淬透性与淬硬性定义：钢材淬火时获得马氏体的能力特性，即被淬透的能力。影响因素：钢的化学成分：过共析钢：当加热温度低于ACCM点，含碳晨低于1%以下时，随着含碳量的增加，临界冷却速度下降，淬透性提高；含碳时超过1%则相反；合金元素溶入量越多，影响越大。奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高，奥氏体晶粒尺寸对珠光体转变的延迟作用比对贝氏体的大。奥氏体化温度提高奥氏体温度，不仅能促使奥氏体晶粒增大，而且促使碳化物及其它非金属夹杂物溶入并使奥氏体成分均匀化。这将提高过冷奥氏体的稳定性，从面提高淬透性。第二相的存在和分布奥氏体未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性。此外，钢的原始组织、应变和外力场等对钢的淬透性也有影响。对淬火冷却介质的要求：必须有足够的冷却速度，其冷却能力即要保证工件的冷却速度不小于临界冷却速度，但同时冷却能力又不过大而导致工件变形及开裂。表3-1理想淬火介质要求温度区（°C）对冷却速度要求从相变角度要求从减少应力、变形、开裂角度要求>650中等-减少热应力，减少变形650～400大不发生珠光体转变-<300小-减少组织应力，减少变形开裂分类：常用的淬火介质为液态介质（水、水溶液或油），按工件淬火冷却过程中淬火介质：有物态变化的和无物态变化的。无物态变化的淬火介质：主要靠冷却介质的辐射、传导与对流作用将赤热的工件中热量带来实现的。属于这类介质有熔盐、熔碱与空气。影响因素：导热性：介质导热性好，工件热量被迅速带走，说明冷却能力强；比热：比热大则工件热量被大量而迅速吸收，冷却能力强；粘度：粘度小，淬入后，流动性好介质将工件热量迅速带走；稳定：若低，可吸收工件的大量热量，使工件快速冷却。常用淬火介质及其冷却特性介质应具有的性能：有一定冷却能力；成分稳定不变质；粘度小，流动性好；无毒，无味；不腐蚀工件；淬火后易清洗；来源广，价格低。常用淬火介质有：水及其溶液、油、水油混合液（乳化液）低熔点熔盐。水―最常用的淬火介质水温对冷却特性影响很大。水的冷却速度快循环水的冷却能力大于静止的。碱和盐的水溶液：水中溶入盐、碱等物质减小了蒸汽膜的稳定性，使蒸汽膜阶段缩短，特性温度提高，从而加速了冷却速度。油：油的冷却能力及其使用温度范围主要取决于油的粘度及闪点。有机物的水溶液及乳化液：最常用的是聚乙二醇水溶液，容易控制浓度，冷却能力强。一般用于火焰淬火和感应淬火的喷水淬火淬火方法及其应用目前生产上常用的淬火方法：单液淬火法：把已经加热到淬火温度的工件淬入一种介质，使其完全冷却。中断淬火法：（双淬火介质淬火法）把已经加热到淬火温度的工作，先在冷却能力强的淬火介质中冷却至MS点，然后转入慢冷的淬火介质中，冷却至室温，可获得较高的淬硬层深度又可以减少内应力及防止发生淬火开裂。喷射淬火法：向工件喷射水流的淬火方法，按所要求的淬火深度而确定水流的大小。分级淬火法：把工件由奥氏体化温度淬入高于该钢种的马氏体开始转变温度的淬火介质，在其中冷却直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后缓冷到室温，发生马氏体转变。等温淬火法：淬火应力淬火时工件的内应力热应力―工件在加热（或冷却）时由于不同部位的温度差导，导致热胀冷缩的不一致所引起的应力组织应力―由于工件在不同部位组织转变不同时而引起的内应力瞬时应力―冷却过程中某一时刻所产生的内应力残余应力―冷却终了残余在工件内部的应力1.热应力的变化规律：淬火冷却时产生的热应力是由截面温度差所造成，冷却速度全愈大，截面温差愈大，则产生的热应力愈大。在相同冷却介质条件下，工件加热温度愈高、尺寸愈大、钢材热传导系数愈小，工件内温差愈大，热应力愈大。2.组织应力的变化规律组织应力的大小除与钢在马氏体转变温度范围内的冷却速度、钢件尺寸、钢的导热性及奥氏体的屈服强度有关外，还与钢的含碳量、马氏体的比容及钢的淬透性等有关。工件淬火冷却时，如其瞬时内应力超过该钢材的断裂强度，则将发生淬火裂纹。1.纵向裂纹特征：沿着工件轴向方向由表面裂向心意味的深度较大的裂纹。起因：钢材沿轧制方向有带状夹杂物，或在淬火切向拉应力作用下由原存的重皮、裂纹扩展而成。完全淬透情况下发生。2.横向裂缝和弧形裂纹特征：垂直于轴线方向，由内往外断裂，在未渗透情况下形成。原因：属于热应力所引起。存在：常发生于大型轴类工件上。淬火裂纹3.表面裂纹（或称网状裂纹）分布在工件表面的深度较小的裂纹，浓度一般在0.01到1.55mm左右。出现原因：当工件表面出于某种原因呈现拉应力状态，且表面材料的塑性又很小，在拉应力作用下不能发生塑性变形时就出现这种裂纹。淬火裂纹产生的原因及分布形式：如图是钢件表面裂纹，实际钢件淬火生产中产生的原因及分布是很多的，有时候是交织一起出现的，应根据时间情况找出在，确定有效防止措施。二、回火定义：将淬火后的合金过饱和固溶体加热到低于相变临界点温度，保温一段时间后再冷却到室温的工艺方法。目的：减少或消除淬火应力，提高韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，满足不同工件的性能要求。当钢全淬成马氏体再加热回火时，随着回火温度升高，按其内部组织结构变化，分四个阶段进行：马氏体的分解；残余奥氏体的转变；碳化物的转变；相状态的变化及碳化物的聚集长大。三、淬回火的缺陷淬回火的缺陷有淬火变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足或不均匀面腐蚀、过烧、过热及其它按质量检查标准规定金相组织不合格等。1、淬火变形、开裂尽量做到均匀加热及正确加热。正确选择冷却方法和冷却介质。基本原则是：

a)尽可能采用预冷，即在工件淬入淬火介质前，尽可能缓慢地冷却至Ar附近以减少工件内温差；b).在保证满足淬硬层深度及硬度要求的前提下，尽可能采用冷却缓慢的淬火介质；c).尽可能减慢在Ms点以下的冷却速度；d).合理地选择和采用分级或等温淬火工艺。

正确选择淬火工件浸入淬火介质方式和运动入向基本原则是：

a.淬火时应尽量保证能得到最均匀的冷却。

b.以最小阻力方向淬入。

进行及时、正确的回火淬火不冷到底并及时回火，是防止开裂的有效措施。对于形状复杂的高碳钢和高碳合金钢，淬火后及时回火尤为重要。2.氧化、脱碳、表面腐蚀及过烧3.硬度不足造成淬火工件硬度不足的原因：加热温度过低，保温时间不足。表面脱碳引起表面硬度不足。磨去表层后所测得的硬度比表面高。冷却速度不够，在金相组织上可以看到黑色屈氏体沿晶界分布。钢材淬透性不够，截面大处淬不硬。采用中断淬火时，在水中停留时间过长再转入油中，因冷却不足或自回火而导致硬度降低。工具淬火温度过高，残余奥氏体量过多，影响硬度。4.硬度不均匀产生淬火软点的原因：工件表面有氧化皮及污垢等：淬火介质中有杂质，如水中有油，使淬火后产生软点；工件在淬火介质中冷却时，冷却介质的搅动不够，没有及时赶走工件的凹槽及大截面处形成的气泡而产生软点；渗碳件表面碳浓度不均匀，例如有严重的碳化物偏析，或原始组织粗大，铁素体呈大块状分布。补救方法：对前三种情况，可以进行一次回火，再次加热，在恰当的冷却介质及冷却方法的条件下淬火补救。对后两种情况，如淬火后不再加工，则一旦出现缺陷，很难补救。一、名词术语解析临界淬火冷却速度淬火烈度淬透性临界直径淬硬性，淬火应力，热应力，组织应力，喷雾淬火，调质，时效，亚温淬火，过热与过烧，软点二、淬火介质基本类型划分的依据是什么？其冷却机制上有什么根本区别？三、分析水、盐水、碱水的冷却特性，并找出影响其冷却能力的因素。四、对淬火用油有哪些基本要求？影响淬火油冷却能力因素有哪些？指出生产中对淬火油质量进行监控的现实意义。习题与思考题第八章脱溶沉淀与时效

从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩散型相变。

将这种双相组织加热到固溶度线以上某一温度（如T1）保温足够时间，将获得均匀的单相固溶体α相，这种处理称为固溶处理。

若将经过固溶处理后的C0成分合金急冷，抑制α相分解，则在室温下获得亚稳的过饱和α相固溶体。这种过饱和固溶体在室温或较高温度下等温保持时，亦将发生脱溶，但脱溶相往往不是状态图中的平衡相，而是亚稳相或溶质原子聚集区。这种脱溶可显著提高合金的强度和硬度，称为沉淀强（硬）化或时效强（硬）化。

自然时效和人工时效。

8.1脱溶过程和脱溶物的结构

合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体，若在足够高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶相。但在平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若干个亚稳脱溶相或称为过渡相。以A1-4%Cu合金为例，其室温平衡组织为α相固溶体和θ相（CuAl2）。该合金经固溶处理并淬火冷却获得过饱和α相固溶体后，加热到130℃进行时效，其脱溶顺序为：G.P.区→θ″相→θ′相→θ相，即在平衡相（θ）出现之前，有三个过渡脱溶物相继出现。1．G.P.区的形成及其结构

在若干原子层范围内的溶质原子聚集区即称为Guinier-Preston区，简称G.P.区。G.P.区具有以下特点：（ⅰ）在过饱和固溶体的分解初期形成，且形成速度很快，通常为均匀分布；（ⅱ）其晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保持第—类共格关系；（ⅲ）在热力学上是亚稳定的。2．过渡相的形成及其结构

1）θ″相的形成与结构一般是以G.P.区为基础，沿其直径方向和厚度方向（以厚度方向为主）长大形成过渡相θ″相。θ″相具有正方点阵，点阵常数为a＝b＝4.04Å，与母相α相同，c＝7.8Å

，较α相的两倍(8.08Å)略小。θ″相的晶胞有五层原子面中，中央一层为100％Cu原子层，最上和最下的两层为100％A1原子层，而中央一层与最上、最下两层之间的两个夹层则由Cu和A1原子混合组成，总成分相当于CuAl2。θ″相与基体α相仍保持完全共格关系。θ″相仍为薄片状，片的厚度约0.8～2nm，直径约14～15nm。随着θ″相的长大，在其周围基体中产生