金属热处理原理

1金属热处理原理绪 论一、争论的内容和任务处理组织与性能之间关系的一门课程。性能的影响、状态图、塑性变形、回复、再结晶等等。热处理原理：着重争论的是金属及合金在固态下的相变规律、影响因素、动力学、非平衡转变，以及在热处理中的应用，争论热处理组织和性能之间的关系等等。金属材料从服役条件动身，选择什么样的材料、如何对材料进展处理，在使用和处理过程中会消灭什么问题，如何解决消灭的问题，最终可能得到什么样的性能，如何改进现有材料、挖掘其潜力，试制材料等，无不与热处理原理有着亲热的关系。固态金属〔包括纯金属及合金〕在温度和压力转变时，组织和构造会发生变化，这种变不同类型的转变。把握金属固态相变的规律及影响因素，就可以实行措施掌握相变过程，以也就是热处理。二、热处理进展概况人们在开头使用金属材料起，就开头使用热处理，其进展过程大体上经受了三个阶段。1、民间技艺阶段依据现有文物考证，我国西汉时代就消灭了经淬火处理的钢制宝剑。史书记载，在战国时期即消灭了淬火处理，据秦始皇陵开发证明，当时已有烤铁技术，兵马俑中的武士佩剑制作精良，距今已有两千多年的历史，出土后外表光亮完好，令世人赞美。古书中有“炼钢赤智，把握了很多热处理技术，但是把热处理进展成一门科学还是近百年的事。在这方面，西方和俄国的学者走在了前面，中国成立以后，我国的科学家也作出了很大的奉献。2、技术科学阶段〔试验科学〕—金相学16651895年，主要表现为试验技术的进展阶段。1665年：显示了Ag—Pt组织、钢刀片的组织；1772年：首次用显微镜检查了钢的断口；1808年：首次显示了陨铁的组织，后称魏氏组织；1831年：应用显微镜争论了钢的组织和大马士革剑；1864年：进展了索氏体；1868年：觉察了钢的临界点，建立了Fe—C相图；1871年：英国学者T.A.Blytb著“金相学用为独立的科学”在伦敦出版；1895年：觉察了马氏体；3、建立了肯定的理论体系—热处理科学S—S了的生疏等，建立了完整的热处理理论体系。第一章钢在加热和冷却时的转变§1—1 概 述一、热处理及其作用室温的一种热加工工艺。其工艺曲线如图7室温的一种热加工工艺。其工艺曲线如图7．1所示。热处理的作用：改善材料工艺性能和使用性能，充分挖掘材料的潜力，延长零件的使用奉命，提高产品质量，节约材料和能源。此外，还可以消退材料经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷、细化晶粒、消退偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。最终热处理：在生产过程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终外形和尺寸后，再进展的赐予工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。预备热处理：热加工后，为随后的冷拔、冷冲压和切削加工或最终热处理作好组织预备的热处理，称为预备热处理。二、钢临界温度1、Fe—Fe3C相图上的临界温度共析钢：PSK线〔A〕γ→P(α+FeC)1 3亚共析钢：原始组织F+P亚共析钢：原始组织F+PPSK线〔A1〕P→γGS线〔A3〕F→γ过共析钢：原始组织Fe3CF+P PSK线〔A1〕P→γES线〔Acm〕FeC溶入γ32、实际加热、冷却条件下的临界温度实际加热奥氏体的形成总是在肯定过热条件下发生的，因此，相变开头的温度必定会偏离相图上的平衡临界温度，加热时偏向高温，而冷却时偏向低温，称为“滞后〔冷却〕温度偏离平衡点越远，如下图。通常加热时的临界温度用脚标C表示，AC1、AC3、A温度用脚标r表示，A、A、ACcm。；冷却时的临界§1—2 钢在加热时的转变钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消退应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界以上，使钢局部或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为肯定的组织并获得所需的性能。钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变功奥氏体化过程。成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。因此，弄清钢的加热转变过程，即奥氏体的形成过程是格外重要的。一、奥氏体形成的热力学条件Fe—一、奥氏体形成的热力学条件Fe—FeC状态图可知，珠光体被加热到A〔727℃〕31均随温度的上升而降低但是下降的速度不同相交于某一温度该交点所对应的温度即1 72℃图1-1是珠光体奥氏体的自由能与温度的关系。高于A1〔727℃〕时，奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，珠光体将转变为奥氏体。转变的驱动力即珠光体与奥氏体的体积自由之差ΔGV。奥氏体形成时系统总的自由能变化为ΔG=ΔGV+ΔGS+ΔGe1-1珠光体和奥氏体自由能随温度的变化曲线示意V

为相奥氏体与母相珠光体之间的体积自由能差；ΔGS为形奥氏体时所增加的界面能；ΔGe为形成奥氏体时所增加的应变能。其中ΔGV是奥氏体转变的驱动力，GS与Ge是相变的阻力。由于奥氏体在高温下形成，Ge较小，相变的主要阻力是ΔGS。从能量方程可以看出：当T<T时，ΔG=G-G>0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体；0 V A P当T=T时，ΔG=G-G=0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体；0 V A P当T>T时，ΔG=G-G<0 ΔG<0 珠光体有可能转变为奥氏体；0 V A P因此奥氏体形成的热力学条件是：必需在A1温度以上，即在肯定的过热条件下奥氏体氏体转变才能使系统向低能状态转变，奥氏体才能自发地形成。二、奥氏体的形成过程〔一〕奥氏体的构造、组织和性能1、奥氏体的构造奥氏体是碳溶于γ-Feγ-Fe中的还有合金元素原子。〔1〕碳原子在点阵中的位置X射线构造分析证明，碳原子位于γ-Fe八面体间隙位置中心，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点，如图1-2所示。假设每一个八面体中心容纳一个碳原子，则碳的最大溶解度应为20〔。但实际上碳在-Fe中的最大溶解度仅2.11〔。这是因为γ-Fe为γ-Fe的八面体间隙半径仅5.210-n〔0.52Å，小于碳原子的半径7.×10-n〔0.77Å而使四周的八面体中心的间隙减小。因此不是全部的八面体中心均能容纳一个碳原子。〔2〕碳原子在奥氏体中的分布碳原子在奥氏体的分布是不均匀的，存在着浓度起伏。奥氏0.85%的奥氏体中可能存在大量比平均碳浓度高八倍的微区，相当于渗碳体的碳含量。〔3〕碳含量与点阵常数的关系碳原子的溶入使的γ〔3〕碳含量与点阵常数的关系碳原子的溶入使的γ-Fe点阵发生畸变，点常数增大。溶入的碳愈多，点阵常数愈大。如图1-3所示。2、奥氏体的组织在一般的状况下奥氏体的组织是由多边形的等轴1-4所示。3、奥氏体的性能在Fe-C合金中参加足够数量的能扩大γ相区的元素，可使奥氏体在室温，甚至在低温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种重要组织形态。以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。磁性：奥氏体具有顺磁性，故奥氏体钢又可作为无磁钢。比容：在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。可利用这一点调整剩余奥氏体的量，以到达削减淬火工件体积变化的目的。膨胀：奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故奥氏体钢也可被用来制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。导热性：除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。因此，为避开热应力引起的工件变形，奥氏体不行承受过大的加热速度加热。力学性能：奥氏体具有高的塑性、低的屈服强度，简洁塑性变形加工成形。由于面心从而使其热强性好。故奥氏体可作为高温用钢。〔二〕奥氏体的形成过程以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。从珠光体向奥氏体转变的转变方程，α+ Fe3C→γC%晶格类型0.0218体心立方6.69简单斜方0.77面心立方均匀化等四个阶段。1、奥氏体的形核形核条件奥氏体晶核的形成条件是系统的能量、构造和成分起伏。形核部位奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成，此外，在珠光体团的边界，过〔0.0218和6.69，因此在界面上碳浓度分布很不均匀，比较简洁满足成分起伏；界面两侧晶体构造相差较大，原子排列不规章，原子的活动力量较强，比较简洁满足构造起伏；界面上原子排列不规章，位错等晶体学缺陷密度较大，处于能量较高的状态，比较简洁满足能量起伏，同时相晶核形成时，可以使局部晶体学缺陷消逝，使系统的能量进一步下降，因此在相界面处是奥氏体形核的首选位置。2、奥氏体的长大1奥氏体晶核形成后便开头长大。奥氏体长大的机制可做如下的解释。在AC1以上某一t形成一奥氏体晶核。奥氏体晶核形成之后，将产生两个的相界面，一个是奥氏体与渗碳体相界面，另一个是奥氏体与铁素体相界面。为争论问题的便利，我们假定两个相界面都是平直的〔参见图1-。依据Fe-Fe3C相图可知，奥氏体与铁素体相邻的边界处的碳浓度为C1γ-，奥氏体与渗碳体相邻的边界处的碳浓度为C 。此时，两个边界处于界面的平衡状态，α γ-c这是系统自由能最低的状态。由于C >C ，因此，在奥氏体消灭碳的浓度梯度，从而引γ-c γ-α共析钢奥氏体长大示意图使它们相邻界面的碳浓度恢复到C

，与此同时，另一个界面上将发生铁素体向奥氏体的晶γ-c格改组，使其相邻边界的碳浓度恢复到C

，从而恢复界面的平衡，降低系统的自由能。γ-α面处碳浓度的平衡，引起渗碳体的溶解和铁素体的转变，再次恢复平衡。此过程循环往复地核的长大完毕。由图1-5，在铁素体内，铁素体与渗碳体和铁素体与奥氏体两个相界面之间也存在着碳浓度差C -C ，因此，当碳在奥氏体中进展集中的同时，在铁素体中也进展着集中。扩α-c α-γ散的结果，也将促进铁素体向奥氏体的转变，从而促进奥氏体的长大。3、剩余渗碳体的溶解先消逝，将有一局部渗碳体残留下来。这局部渗碳体在铁素体消逝后，随着保温时间的延长或温度的上升，通过碳原子的集中不断溶入奥氏体中。一旦渗碳体全部溶入奥氏体中，这一阶段便告完毕。为什么铁素体和渗碳体不能同时消逝，而总有局部渗碳体剩余？按相平衡理论，从Fe-FeC相图可以看出，在高于A

温度，刚刚形成的奥氏体，靠近3 C1CemC浓度高于共析成分较少，而靠近FC浓度低于共析成分较多〔ES线的斜率较大，GS线的斜率较小。所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消逝时，奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的PA的平均碳含量降低，低于共析成分，必定有局部