第三章改變材料性能的主要途徑(03熱處理1)

工程材料及熱加工MechanicalEngineeringMaterials&HotWorkingTechnology劉紅華機(jī)械工程學(xué)院第三章改變材料性能的主要途徑§3金屬的合金化§2金屬的晶粒度對材料性能的影響§1金屬塑性變形對材料性能的影響§4金屬的熱處理§5高分子材料的增強(qiáng)與改性第四節(jié)金屬的熱處理第四節(jié)金屬的熱處理2.鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變3.鋼的退火與正火1.鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變4.鋼的淬火5.鋼的回火6.鋼的淬透性第四節(jié)金屬的熱處理8.鋼的化學(xué)熱處理9.表面氣相沉積7.鋼的表面淬火10.影響熱處理件質(zhì)量的因素復(fù)習(xí)鐵碳合金相圖第四節(jié)金屬的熱處理金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度在不同的介質(zhì)中冷卻，通過改變金屬材料表面或內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)來控制其性能的一種工藝。為簡明表示熱處理的基本工藝過程，通常用溫度—時間坐標(biāo)繪出熱處理工藝曲線。

金屬熱處理的特點(diǎn)金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。所以，它是機(jī)械制造中的特殊工藝過程，也是質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。金屬熱處理的作用其目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能。

通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提髙鋼的機(jī)械性能，延長機(jī)器零件的使用壽命。

熱處理工藝不但可以強(qiáng)化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省材料和能源，而且能夠提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長機(jī)器零件的使用壽命，做到一個頂幾個甚至十幾個。

恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢韵T、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細(xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻。

熱處理可使工件表面具有抗磨損、耐腐蝕等特殊物理化學(xué)性能。應(yīng)用實(shí)例例如:用高速鋼（W18Cr4V）制造鉆頭的工藝流程如下：鍛造→球化退火→機(jī)加工→淬火、回火→精加工（磨）。其中球化退火可改善鍛件毛坯組織，降低硬度（達(dá)到HB207-255，相當(dāng)于HRC17-25)，這樣才能進(jìn)行切削加工，達(dá)到工藝性能要求。其中淬火+回火，它可提高鉆頭的硬度（達(dá)到HRC60-65）、耐磨性和紅硬性，可以切削加工其它金屬，達(dá)到工程所要求的使用性能。應(yīng)用實(shí)例鋼制造一把鉗工用的鏨子若不熱處理，即使鏨子刃口磨得很好，在使用時刃口也會很快發(fā)生卷刃；若將已磨好鏨子的刃口部分局部加熱至一定溫度以上，保溫以后進(jìn)行水冷及其它熱處理工藝，則鏨子將變得鋒利而有韌性。在使用過程中，即使用鄉(xiāng)頭經(jīng)常敲打，鏨子也不易發(fā)生卷刃和崩裂現(xiàn)象。鋼經(jīng)熱處理后性能之所以發(fā)生如此重大的變化：

經(jīng)過不同的加熱冷卻過程，鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此要制定正確的熱處理工藝規(guī)范保證熱處理質(zhì)量；必須了解不同加熱和冷卻條件下的組織變化規(guī)律鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律就是熱處理的原理。

在機(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。在汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用.

模具、滾動軸承100%需經(jīng)過熱處理?？傊?，重要零件都需適當(dāng)熱處理后才能使用。

熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。

鑄造軋制3、熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強(qiáng)化。

熱處理分類

熱處理原理：描述熱處理時鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律稱熱處理原理。熱處理工藝：根據(jù)熱處理原理制定的溫度、時間、介質(zhì)等參數(shù)稱熱處理工藝。(a)940淬火+220回火（板條M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板條M+條狀F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板條M回+條狀F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板條M回+塊狀F）

20CrMnTi鋼不同熱處理工藝的顯微組織預(yù)備熱處理與最終熱處理預(yù)備熱處理—為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進(jìn)一步熱處理作準(zhǔn)備的熱處理。最終熱處理—賦予工件所要求的使用性能的熱處理.預(yù)備熱處理最終熱處理W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線時間溫度/℃熱處理與相圖鋼為什么可進(jìn)行熱處理？熱處理后為什么能獲得前面所述的效果？是不是所有金屬材料都能進(jìn)行熱處理呢？這些問題與合金相圖有關(guān)。原則上只有在加熱或冷卻時有固態(tài)相變發(fā)生的合金或溶解度發(fā)生顯著變化的合金才能進(jìn)行熱處理。在固態(tài)下不發(fā)生相變的純金屬、某些單相合金等不能用熱處理手段強(qiáng)化，只能采用加工硬化的方法。①位于F點(diǎn)以左的合金：例如：某二元合金系相圖如右圖

在固態(tài)加熱或冷卻過程中均無相變發(fā)生。-不可熱處理。②成分在FF′之間的合金：

α相自t1溫度緩慢冷至MF時，β相又開始析出，繼續(xù)冷卻B在α相中的溶解度又會發(fā)生顯著變化，這一過程為固態(tài)相變的平衡脫溶沉淀。如果合金從α相狀態(tài)快速冷卻，會得到過飽和到α′固溶體，這一過程為固態(tài)相變的不平衡脫溶沉淀（固溶處理）。-可熱處理

③成分位于M點(diǎn)以右的合金：

α固溶體在溫度變化時溶解度發(fā)生顯著變化。-可熱處理④如果相圖a中的溶解度曲線MF變成垂直線MF′：

溶解度不隨溫度變化，所有合金在固態(tài)下均無相變發(fā)生。-所有成分的合金不可熱處理

因?yàn)殇撛诩訜峄蚶鋮s過程中越過臨界溫度就要發(fā)生固態(tài)相變，所以能進(jìn)行熱處理。如能根據(jù)其變化規(guī)律，采取特定的加熱和冷卻方法，控制相變過程，便可獲得所需的組織、結(jié)構(gòu)和性能。Fe-Fe3C相圖實(shí)際加熱或冷卻時存在著過冷或過熱現(xiàn)象，因此將鋼的加熱和冷卻都是有一定速度的加熱和冷卻。加熱冠以“c”，冷卻冠以“r”，臨界溫度與實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示.由于加熱冷卻速度直接影響轉(zhuǎn)變溫度，因此一般手冊中的數(shù)據(jù)是以30-50℃/h

的速度加熱或冷卻時測得的.Ac1

–加熱時由P→A的開始溫度線。Ac3–加熱時由F→A的終了溫度線。Accm-加熱時Fe3CⅡ溶入A的終了溫度線。Ar1–冷卻時由A→P的開始溫度線。Ar3–冷卻時由A→F的開始溫度線。Arcm-冷卻時由A→Fe3CⅡ的開始溫度線。鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種：一種是在A1以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是在臨界點(diǎn)以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱奧氏體化。鋼坯加熱從Fe-C狀態(tài)圖可知，任何成分的碳鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1線以上都會發(fā)生P→A轉(zhuǎn)變，而亞共析鋼、過亞析鋼加熱到Ac3、Accm線以上時便全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳。奧氏體的形成過程

現(xiàn)以共析鋼為例，來分析A的形成過程，共析鋼的室溫組織是P。P是F和Fe3C兩相機(jī)械混合物。當(dāng)加熱到Ac1時，P開始向A轉(zhuǎn)變。

從上式可知，P→A轉(zhuǎn)變，是由成分相差懸殊，晶格不同的兩相轉(zhuǎn)變成另一種晶格的均勻單相奧氏體。在轉(zhuǎn)變過程中，必須進(jìn)行晶格重組，和鐵、碳原子的充分?jǐn)U散，即相變，才能使P→A。P→A的轉(zhuǎn)變過程是通過生核與長大過程來實(shí)現(xiàn)的。P→A轉(zhuǎn)變過程可分為四個階段，如圖3－22所示。第一步奧氏體晶核形成：首先在與Fe3C相界形核。當(dāng)P加熱到Ac1以上時，經(jīng)過一段孕育期，P處于不穩(wěn)定狀態(tài)。首先在F與Fe3C的界面上形成A晶核，這是因?yàn)榻缑嫣幍脑优帕胁灰?guī)則，空位和位錯密度較高，處于能量較高狀態(tài)，A的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于F與Fe3C之間，則使一部分F轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w的A(γ-Fe),側(cè)面的滲碳體溶入A晶格中，使其具有共析奧氏體所需的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這樣就形成了A晶核。第二步奧氏體晶核長大：

晶核通過碳原子的擴(kuò)散向

和Fe3C方向長大。A晶核形成后，便開始長大。由于A與兩側(cè)F和Fe3C存在碳原子與鐵原子的濃度差，促使F晶格不斷的轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎降腁，而滲碳體則連續(xù)溶入奧氏體中，并通過鐵、碳原子的擴(kuò)散，使A晶核長大，直至鐵素體晶格轉(zhuǎn)變完畢，所有A晶格相互接觸為止。

第三步殘余Fe3C溶解

由于A晶格與F晶格比較接近，而與Fe3C的晶格差別較大，故F向A轉(zhuǎn)變的速度要比Fe3C溶入A的速度快。而且，F(xiàn)e3C溶解所提供的碳原子遠(yuǎn)多于F轉(zhuǎn)變?yōu)锳所需的碳原子，故F全部轉(zhuǎn)變成A后，尚有少量Fe3C存在于A晶粒中，隨著時間的延長未溶Fe3C不斷溶入A中，直至全部消失。第四步奧氏體成分均勻化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過長時間保溫使奧氏體成分趨于均勻。溫度，℃共析鋼奧氏體化曲線（875℃退火）共析鋼奧氏體化過程非完全奧氏體化

亞共析鋼加熱到Ac1～Ac3之間；共析鋼加熱到Ac1稍上、過共析鋼加熱到Ac1～Accm之間，分別得到A＋F、A＋Fe3C、A＋Fe3C組織。稱為非完全奧氏體化。

鋼種加熱溫度組織

亞共析鋼Ac1～Ac3A＋F

共析鋼Ac1

稍上A＋Fe3C

過共析鋼Ac1～Accm

A＋Fe3C

強(qiáng)調(diào)：共析鋼和過共析鋼是非完全A體化非共析鋼的A化由于非共析鋼中除了P外，還有一部分先共析相，亞共析鋼中有自由F，過共析鋼中有Fe3CⅡ，因此非共析鋼的A化分兩步：1）完成P的A化；2）先共析相的A化。亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼基本相同。但由于先共析

或二次Fe3C的存在，要獲得全部奧氏體組織，必須相應(yīng)加熱到Ac3或Accm以上.奧氏體的晶粒大小及其影響因素

奧氏體的晶粒大小是評定鋼加熱質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。奧氏體的晶粒大小對鋼的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織性能都有重要的影響。奧氏體晶粒越細(xì)小，鋼熱處理后的強(qiáng)度越高，塑性越好，沖擊韌性越高。奧氏體晶粒粗大，顯著降低鋼的沖擊韌性、降低裂紋擴(kuò)展功和提高脆性轉(zhuǎn)折溫度。此外，晶粒粗大的鋼件，淬火變形和開裂傾向增大。奧氏體晶粒度晶粒度

是表示晶粒大小的一種尺度。是以單位面積內(nèi)晶粒的個數(shù)或每個晶粒的平均面積與平均直徑。類別起始晶粒度實(shí)際晶粒度本質(zhì)晶粒度

指臨界溫度以上奧氏體形成剛剛完成，其晶粒邊界剛剛互相接觸時的晶粒大小。指在某一熱處理加熱條件下，所得到的晶粒尺寸。對鋼來說，如果不特別指明，一般是指奧氏體化后的實(shí)際晶粒大小。默認(rèn)

代表在某一條件下，奧氏體的長大傾向，通常采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的方法，即將鋼加熱到（930±10）攝氏度，保溫3-5小時后，測定其奧氏體晶粒大小。晶粒度在5~8級者稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，在1~4級者稱為本質(zhì)粗晶粒鋼。晶粒度評定標(biāo)準(zhǔn)

一般生產(chǎn)中把奧氏體晶粒大小分為1-8個級別，其中1級最粗，8級最細(xì)，超過8級以上的稱為超細(xì)晶粒。關(guān)系式晶粒度的級別G與晶粒大小之間的關(guān)系為：

N=2G-1G：晶粒度級別；N：100X時，平均晶粒數(shù)目/inch2（6.45cm2）

通常將鋼加熱到94010℃奧氏體化后，設(shè)法把奧氏體晶粒保留到室溫來判斷。

晶粒度為1-4級的是本質(zhì)粗晶粒鋼,5-8級的是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。前者晶粒長大傾向大，后者晶粒長大傾向小。

影響奧氏體晶粒長大的因素奧氏體晶粒長大基本上是一個奧氏體晶界遷移的過程，其實(shí)質(zhì)是原子在晶界附近的擴(kuò)散過程。所以一切影響原子擴(kuò)散遷移的因素都能影響奧氏體晶粒長大。⑴加熱溫度和保溫時間加熱溫度升高，晶粒急劇長大。在一定溫度下，隨著保溫時間延長，奧氏體晶粒長大，但長大到一定尺寸后，繼續(xù)延長保溫時間，晶粒不再明顯長大。⑵加熱速度:加熱速度越快,過熱度越大,形核率越高,晶粒越細(xì)。高溫快速加熱，短時保溫可獲得細(xì)小晶粒。（3）含碳量的影響。在一定范圍之內(nèi)，隨著含碳量的增加，奧氏體晶粒長大的傾向增大。但是含碳量超過某一限度，奧氏體晶粒反而變得細(xì)小。見圖。影響奧氏體晶粒長大的因素（4）合金元素的影響：合金元素Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，由于能形成熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性強(qiáng)，不易聚集長大的碳化物（VC、TiC、NbC等）和氮化物（VN、TiN、AlN、NbN等）第二相顆粒，因而能強(qiáng)烈阻礙奧氏體晶粒長大。b.而Cr、Mo、W等合金元素也能形成較穩(wěn)定的碳化物和氮化物，對奧氏體晶粒長大的阻礙程度中等；影響奧氏體晶粒長大的因素c.不形成碳化物的合金元素Si、Ni、Cu等對奧氏體晶粒長大影響很?。籨.Mn、P、O、N等元素溶入奧氏體后，削弱γ-Fe原子間的結(jié)合力，加速Fe原子的自擴(kuò)散，從而促進(jìn)奧氏體晶粒長大。（5）原始組織:平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細(xì)晶粒。奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也