固態(tài)相變原理(7-8)

第七章

熱處理工藝1.金屬熱處理的發(fā)展過程熱處理工藝的歷史悠久：在我國歷史上，熱處理工藝出現(xiàn)于鐵器時(shí)代。鑄鐵的柔化處理就是根據(jù)這一要求最早出現(xiàn)的熱工藝。商代已有經(jīng)再結(jié)晶退火的金屬用品。西漢佩劍滲碳：表面0.6％：內(nèi)部：0.05％洛陽出土的戰(zhàn)國時(shí)代鐵錛是由白口鐵經(jīng)脫碳退火制成。青銅劍商代出土的酒器

隨著其他新能源、新技術(shù)的開發(fā)，熱處理工藝發(fā)展成為復(fù)合工藝：如激光處理、感應(yīng)表面淬火等。隨著計(jì)算機(jī)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，制造出了由計(jì)算機(jī)輔助熱處理生產(chǎn)的設(shè)備，如真空熱處理設(shè)備。生產(chǎn)工藝的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)，現(xiàn)代工業(yè)制造出了更高性能的零件2.近代熱處理工藝的發(fā)展

普通熱處理（退火、正火、淬火、回火等）表面淬火（感應(yīng)加熱主、火焰加熱等）化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等）復(fù)合熱處理（可控氣氛、真空、離子熱處理等）熱處理分類常見的實(shí)驗(yàn)儀器加熱時(shí)間包括兩個(gè)部分：*工件達(dá)到熱處理堆滿所要求溫度的時(shí)間；*完成組織轉(zhuǎn)變及其他熱處理目的所要求的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化所需要的時(shí)間。溫度場表達(dá)式：t=?(x,y,z,τ)式中x,yz為所求點(diǎn)的位置，τ為加熱時(shí)間，t為加熱τ時(shí)間，后點(diǎn)(x,y,z)的溫度。熱處理所需的加熱時(shí)間可以采用計(jì)算方法或者是經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，而熱處理時(shí)影響加熱因素很多，所以通常用的是經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，可以通過實(shí)驗(yàn)來確定。熱處理加熱時(shí)間的確定影響熱處理工件加熱的因素加熱方式的影響加熱方式有：隨爐加熱主、到溫入爐加熱和高溫入爐加熱等。加熱方式的不同、加熱的速度也不同。加熱介質(zhì)及工件放置方式的影響工件在爐內(nèi)排布方式的加熱時(shí)間修正值選擇原則：避免工件表面與加熱介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即應(yīng)降低氧化性氣體在爐氣中的分壓，使反應(yīng)朝還原方向進(jìn)行。真空加熱：在低于一個(gè)大氣壓的稀薄空氣中加熱，可避免氧化、脫碳、達(dá)到光亮熱處理的目的。保護(hù)氣氛：在工件加熱時(shí)保護(hù)其表面不氧化、脫碳的氣氛叫保護(hù)氣氛。吸熱式氣氛（天然氣、煤氣及其他有機(jī)物）放熱工氣氛（原料氣與充足空氣混合）氨熱分解氣：把液氨汽化后并通往有觸媒的反應(yīng)罐使氨氣在高溫下發(fā)生分解，從面獲得氨熱分解氣。主要成分：75%H2和25%N2加熱介質(zhì)的選擇

名詞術(shù)語解釋：均勻化退火，再結(jié)晶退火，完全退火，等溫退火，去內(nèi)應(yīng)力退火，不完全退火，球化退火，正火2.對于大型鑄件為什么需要均勻化退火？通過熱處理能否完全改善鋼中的偏析？為什么？3.有一批45鋼普通車床傳動齒輪，其工藝路線為鍛造-熱處理-機(jī)械加工-高頻淬火-回火。試問鍛后應(yīng)進(jìn)行何種熱處理？習(xí)題與思考題§7.1退火與正火一、退火

退火的主要目的是降低硬度，改善力學(xué)性能；消除組織缺陷，均勻化學(xué)成分；消除或減少內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸；為最終熱處理做組織準(zhǔn)備。相變重結(jié)晶退火

（A1以上）完全退火等溫退火不完全退火球化退火均勻化退火無相變退火

（A1以下）再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火等溫退火球化退火溫度的確定？定義：為去除由于形變加工、鍛造、焊接等所引起的及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力（但組織不變化）而進(jìn)行的退火工藝。目的：消除鑄件、鍛件、焊接件應(yīng)力，穩(wěn)定幾何形狀，防止開裂。尤其在機(jī)械加工后，由于應(yīng)力平衡的破壞，常會造成變形超差，使工件報(bào)廢。因此各類鑄件在機(jī)械加工前應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理。加熱溫度：鑄鐵件去應(yīng)力退火溫度不應(yīng)太高，否則造成珠光體的石墨化。由于材料成分、加工方法、內(nèi)應(yīng)力大小及分布的不同，以及去除程度的不同，去應(yīng)力退火的加熱溫度范圍很寬，應(yīng)根據(jù)具體情況決定。去應(yīng)力退火二、正火定義：正火是將鋼材或鋼件加熱到Ac3(或Acm)以上適當(dāng)溫度，保溫適應(yīng)時(shí)間后在空氣中冷卻，得到珠光體類的組織的熱處理工藝。目的：正火的目的是獲得一定的硬度、細(xì)化晶粒，并獲得比較均勻的組織和性能。正火是工業(yè)上常用的熱處理工藝之一。正火既可作為預(yù)備熱處理工藝，為下續(xù)熱處理工藝提供適宜的組織狀態(tài)，例如為過共析鋼的球化退火提供細(xì)片狀珠光體，消除網(wǎng)狀碳化物等；也可作為最終熱處理工藝，提供合適的機(jī)械性能，例如碳素結(jié)構(gòu)鋼零件的正火處理等。此外，正火處理也常用來消除某些處理缺陷。鋼在退火、正火后組織和性能與鋼成分、原始組織狀態(tài)、工藝規(guī)范等因素有關(guān)。經(jīng)完全退火與正火后的組織有以下區(qū)別：正火的珠光體組織比退火狀態(tài)的片層間距小，領(lǐng)域也小。正火的冷卻速度快，先共析產(chǎn)物（自由鐵素體，滲碳體）不能充分析出，比平衡冷卻時(shí)析出數(shù)量要少。同是由于奧氏體的成分偏離共析成分面出現(xiàn)伙共析組織。對于過共析鋼，退火后組織為球光體+網(wǎng)狀碳化物。正火得到全部細(xì)珠光體組織，或者沿晶界析出一部分條狀碳化物。

由于合金鋼中碳化物更穩(wěn)定，一易充分固溶到奧氏體中，退火后不容易形成層狀珠光體。正火后得到的粒狀索氏體或屈氏體硬度較高。正常規(guī)范下通過退火、正火使鋼的晶粒細(xì)化。但是如果加熱溫度過高，使奧氏體晶粒粗大，退火后形成粗晶粒的組織。1、過燒：由于加熱溫度過高，出現(xiàn)晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件報(bào)廢。

過燒缺陷現(xiàn)象2、黑脆：碳素工具鋼或合金鋼在退火后，有時(shí)硬度雖然低，但脆性大，斷口呈黑色，主要原因是退火溫度過高，保溫時(shí)間過長，冷卻慢。T12鋼退火石墨碳斷口呈黑色§7.2淬火與回火一、淬火定義：將鋼加熱至AC1或AC3以上某一溫度，保溫以后以大于臨界冷卻速度（VC）冷卻，以得到介穩(wěn)定狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。主要目的：提高硬度、強(qiáng)度及耐磨性獲得良好的綜合機(jī)械性能改善鋼的特殊性能必要條件：加熱溫度：必須高于臨界點(diǎn)以上，以獲得奧氏體組織；冷卻速度：必須大于臨界冷卻速度；淬火后的組織：非平衡組織。淬透性與淬硬性定義：鋼材淬火時(shí)獲得馬氏體的能力特性，即被淬透的能力。影響因素：鋼的化學(xué)成分：過共析鋼：當(dāng)加熱溫度低于ACCM點(diǎn)，含碳晨低于1%以下時(shí)，隨著含碳量的增加，臨界冷卻速度下降，淬透性提高；含碳時(shí)超過1%則相反；合金元素溶入量越多，影響越大。奧氏體晶粒度：奧氏體晶粒尺寸增大，淬透性提高，奧氏體晶粒尺寸對珠光體轉(zhuǎn)變的延遲作用比對貝氏體的大。奧氏體化溫度提高奧氏體溫度，不僅能促使奧氏體晶粒增大，而且促使碳化物及其它非金屬夾雜物溶入并使奧氏體成分均勻化。這將提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從面提高淬透性。第二相的存在和分布奧氏體未溶的非金屬夾雜物和碳化物的存在以及其大小和分布，影響過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而影響淬透性。此外，鋼的原始組織、應(yīng)變和外力場等對鋼的淬透性也有影響。對淬火冷卻介質(zhì)的要求：必須有足夠的冷卻速度，其冷卻能力即要保證工件的冷卻速度不小于臨界冷卻速度，但同時(shí)冷卻能力又不過大而導(dǎo)致工件變形及開裂。表3-1理想淬火介質(zhì)要求溫度區(qū)（°C）對冷卻速度要求從相變角度要求從減少應(yīng)力、變形、開裂角度要求>650中等-減少熱應(yīng)力，減少變形650～400大不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變-<300小-減少組織應(yīng)力，減少變形開裂分類：常用的淬火介質(zhì)為液態(tài)介質(zhì)（水、水溶液或油），按工件淬火冷卻過程中淬火介質(zhì)：有物態(tài)變化的和無物態(tài)變化的。無物態(tài)變化的淬火介質(zhì)：主要靠冷卻介質(zhì)的輻射、傳導(dǎo)與對流作用將赤熱的工件中熱量帶來實(shí)現(xiàn)的。屬于這類介質(zhì)有熔鹽、熔堿與空氣。影響因素：導(dǎo)熱性：介質(zhì)導(dǎo)熱性好，工件熱量被迅速帶走，說明冷卻能力強(qiáng)；比熱：比熱大則工件熱量被大量而迅速吸收，冷卻能力強(qiáng)；粘度：粘度小，淬入后，流動性好介質(zhì)將工件熱量迅速帶走；穩(wěn)定：若低，可吸收工件的大量熱量，使工件快速冷卻。常用淬火介質(zhì)及其冷卻特性介質(zhì)應(yīng)具有的性能：有一定冷卻能力；成分穩(wěn)定不變質(zhì)；粘度小，流動性好；無毒，無味；不腐蝕工件；淬火后易清洗；來源廣，價(jià)格低。常用淬火介質(zhì)有：水及其溶液、油、水油混合液（乳化液）低熔點(diǎn)熔鹽。水―最常用的淬火介質(zhì)水溫對冷卻特性影響很大。水的冷卻速度快循環(huán)水的冷卻能力大于靜止的。堿和鹽的水溶液：水中溶入鹽、堿等物質(zhì)減小了蒸汽膜的穩(wěn)定性，使蒸汽膜階段縮短，特性溫度提高，從而加速了冷卻速度。油：油的冷卻能力及其使用溫度范圍主要取決于油的粘度及閃點(diǎn)。有機(jī)物的水溶液及乳化液：最常用的是聚乙二醇水溶液，容易控制濃度，冷卻能力強(qiáng)。一般用于火焰淬火和感應(yīng)淬火的噴水淬火淬火方法及其應(yīng)用目前生產(chǎn)上常用的淬火方法：單液淬火法：把已經(jīng)加熱到淬火溫度的工件淬入一種介質(zhì)，使其完全冷卻。中斷淬火法：（雙淬火介質(zhì)淬火法）把已經(jīng)加熱到淬火溫度的工作，先在冷卻能力強(qiáng)的淬火介質(zhì)中冷卻至MS點(diǎn)，然后轉(zhuǎn)入慢冷的淬火介質(zhì)中，冷卻至室溫，可獲得較高的淬硬層深度又可以減少內(nèi)應(yīng)力及防止發(fā)生淬火開裂。噴射淬火法：向工件噴射水流的淬火方法，按所要求的淬火深度而確定水流的大小。分級淬火法：把工件由奧氏體化溫度淬入高于該鋼種的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度的淬火介質(zhì)，在其中冷卻直至工件各部分溫度達(dá)到淬火介質(zhì)的溫度，然后緩冷到室溫，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。等溫淬火法：淬火應(yīng)力淬火時(shí)工件的內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力―工件在加熱（或冷卻）時(shí)由于不同部位的溫度差導(dǎo)，導(dǎo)致熱脹冷縮的不一致所引起的應(yīng)力組織應(yīng)力―由于工件在不同部位組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)而引起的內(nèi)應(yīng)力瞬時(shí)應(yīng)力―冷卻過程中某一時(shí)刻所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力殘余應(yīng)力―冷卻終了殘余在工件內(nèi)部的應(yīng)力1.熱應(yīng)力的變化規(guī)律：淬火冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力是由截面溫度差所造成，冷卻速度全愈大，截面溫差愈大，則產(chǎn)生的熱應(yīng)力愈大。在相同冷卻介質(zhì)條件下，工件加熱溫度愈高、尺寸愈大、鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)愈小，工件內(nèi)溫差愈大，熱應(yīng)力愈大。2.組織應(yīng)力的變化規(guī)律組織應(yīng)力的大小除與鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)的冷卻速度、鋼件尺寸、鋼的導(dǎo)熱性及奧氏體的屈服強(qiáng)度有關(guān)外，還與鋼的含碳量、馬氏體的比容及鋼的淬透性等有關(guān)。工件淬火冷卻時(shí)，如其瞬時(shí)內(nèi)應(yīng)力超過該鋼材的斷裂強(qiáng)度，則將發(fā)生淬火裂紋。1.縱向裂紋特征：沿著工件軸向方向由表面裂向心意味的深度較大的裂紋。起因：鋼材沿軋制方向有帶狀?yuàn)A雜物，或在淬火切向拉應(yīng)力作用下由原存的重皮、裂紋擴(kuò)展而成。完全淬透情況下發(fā)生。2.橫向裂縫和弧形裂紋特征：垂直于軸線方向，由內(nèi)往外斷裂，在未滲透情況下形成。原因：屬于熱應(yīng)力所引起。存在：常發(fā)生于大型軸類工件上。淬火裂紋3.表面裂紋（或稱網(wǎng)狀裂紋）分布在工件表面的深度較小的裂紋，濃度一般在0.01到1.55mm左右。出現(xiàn)原因：當(dāng)工件表面出于某種原因呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，且表面材料的塑性又很小，在拉應(yīng)力作用下不能發(fā)生塑性變形時(shí)就出現(xiàn)這種裂紋。淬火裂紋產(chǎn)生的原因及分布形式：如圖是鋼件表面裂紋，實(shí)際鋼件淬火生產(chǎn)中產(chǎn)生的原因及分布是很多的，有時(shí)候是交織一起出現(xiàn)的，應(yīng)根據(jù)時(shí)間情況找出在，確定有效防止措施。二、回火定義：將淬火后的合金過飽和固溶體加熱到低于相變臨界點(diǎn)溫度，保溫一段時(shí)間后再冷卻到室溫的工藝方法。目的：減少或消除淬火應(yīng)力，提高韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，滿足不同工件的性能要求。當(dāng)鋼全淬成馬氏體再加熱回火時(shí)，隨著回火溫度升高，按其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化，分四個(gè)階段進(jìn)行：馬氏體的分解；殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變；碳化物的轉(zhuǎn)變；相狀態(tài)的變化及碳化物的聚集長大。三、淬回火的缺陷淬回火的缺陷有淬火變形、開裂、氧化、脫碳、硬度不足或不均勻面腐蝕、過燒、過熱及其它按質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定金相組織不合格等。1、淬火變形、開裂盡量做到均勻加熱及正確加熱。正確選擇冷卻方法和冷卻介質(zhì)?；驹瓌t是：

a)盡可能采用預(yù)冷，即在工件淬入淬火介質(zhì)前，盡可能緩慢地冷卻至Ar附近以減少工件內(nèi)溫差；b).在保證滿足淬硬層深度及硬度要求的前提下，盡可能采用冷卻緩慢的淬火介質(zhì)；c).盡可能減慢在Ms點(diǎn)以下的冷卻速度；d).合理地選擇和采用分級或等溫淬火工藝。

正確選擇淬火工件浸入淬火介質(zhì)方式和運(yùn)動入向基本原則是：

a.淬火時(shí)應(yīng)盡量保證能得到最均勻的冷卻。

b.以最小阻力方向淬入。

進(jìn)行及時(shí)、正確的回火淬火不冷到底并及時(shí)回火，是防止開裂的有效措施。對于形狀復(fù)雜的高碳鋼和高碳合金鋼，淬火后及時(shí)回火尤為重要。2.氧化、脫碳、表面腐蝕及過燒3.硬度不足造成淬火工件硬度不足的原因：加熱溫度過低，保溫時(shí)間不足。表面脫碳引起表面硬度不足。磨去表層后所測得的硬度比表面高。冷卻速度不夠，在金相組織上可以看到黑色屈氏體沿晶界分布。鋼材淬透性不夠，截面大處淬不硬。采用中斷淬火時(shí)，在水中停留時(shí)間過長再轉(zhuǎn)入油中，因冷卻不足或自回火而導(dǎo)致硬度降低。工具淬火溫度過高，殘余奧氏體量過多，影響硬度。4.硬度不均勻產(chǎn)生淬火軟點(diǎn)的原因：工件表面有氧化皮及污垢等：淬火介質(zhì)中有雜質(zhì)，如水中有油，使淬火后產(chǎn)生軟點(diǎn)；工件在淬火介質(zhì)中冷卻時(shí)，冷卻介質(zhì)的攪動不夠，沒有及時(shí)趕走工件的凹槽及大截面處形成的氣泡而產(chǎn)生軟點(diǎn)；滲碳件表面碳濃度不均勻，例如有嚴(yán)重的碳化物偏析，或原始組織粗大，鐵素體呈大塊狀分布。補(bǔ)救方法：對前三種情況，可以進(jìn)行一次回火，再次加熱，在恰當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)及冷卻方法的條件下淬火補(bǔ)救。對后兩種情況，如淬火后不再加工，則一旦出現(xiàn)缺陷，很難補(bǔ)救。一、名詞術(shù)語解析臨界淬火冷卻速度淬火烈度淬透性臨界直徑淬硬性，淬火應(yīng)力，熱應(yīng)力，組織應(yīng)力，噴霧淬火，調(diào)質(zhì)，時(shí)效，亞溫淬火，過熱與過燒，軟點(diǎn)二、淬火介質(zhì)基本類型劃分的依據(jù)是什么？其冷卻機(jī)制上有什么根本區(qū)別？三、分析水、鹽水、堿水的冷卻特性，并找出影響其冷卻能力的因素。四、對淬火用油有哪些基本要求？影響淬火油冷卻能力因素有哪些？指出生產(chǎn)中對淬火油質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控的現(xiàn)實(shí)意義。習(xí)題與思考題第八章脫溶沉淀與時(shí)效

從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)以及亞穩(wěn)定過渡相的過程稱為脫溶或沉淀，是一種擴(kuò)散型相變。

將這種雙相組織加熱到固溶度線以上某一溫度（如T1）保溫足夠時(shí)間，將獲得均勻的單相固溶體α相，這種處理稱為固溶處理。

若將經(jīng)過固溶處理后的C0成分合金急冷，抑制α相分解，則在室溫下獲得亞穩(wěn)的過飽和α相固溶體。這種過飽和固溶體在室溫或較高溫度下等溫保持時(shí)，亦將發(fā)生脫溶，但脫溶相往往不是狀態(tài)圖中的平衡相，而是亞穩(wěn)相或溶質(zhì)原子聚集區(qū)。這種脫溶可顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度，稱為沉淀強(qiáng)（硬）化或時(shí)效強(qiáng)（硬）化。

自然時(shí)效和人工時(shí)效。

8.1脫溶過程和脫溶物的結(jié)構(gòu)

合金經(jīng)固溶處理并淬火獲得亞穩(wěn)過飽和固溶體，若在足夠高的溫度下進(jìn)行時(shí)效，最終將沉淀析出平衡脫溶相。但在平衡相出現(xiàn)之前，根據(jù)合金成分不同會出現(xiàn)若干個(gè)亞穩(wěn)脫溶相或稱為過渡相。以A1-4%Cu合金為例，其室溫平衡組織為α相固溶體和θ相（CuAl2）。該合金經(jīng)固溶處理并淬火冷卻獲得過飽和α相固溶體后，加熱到130℃進(jìn)行時(shí)效，其脫溶順序?yàn)椋篏.P.區(qū)→θ″相→θ′相→θ相，即在平衡相（θ）出現(xiàn)之前，有三個(gè)過渡脫溶物相繼出現(xiàn)。1．G.P.區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)

在若干原子層范圍內(nèi)的溶質(zhì)原子聚集區(qū)即稱為Guinier-Preston區(qū)，簡稱G.P.區(qū)。G.P.區(qū)具有以下特點(diǎn)：（ⅰ）在過飽和固溶體的分解初期形成，且形成速度很快，通常為均勻分布；（ⅱ）其晶體結(jié)構(gòu)與母相過飽和固溶體相同，并與母相保持第—類共格關(guān)系；（ⅲ）在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定的。2．過渡相的形成及其結(jié)構(gòu)

1）θ″相的形成與結(jié)構(gòu)一般是以G.P.區(qū)為基礎(chǔ)，沿其直徑方向和厚度方向（以厚度方向?yàn)橹鳎╅L大形成過渡相θ″相。θ″相具有正方點(diǎn)陣，點(diǎn)陣常數(shù)為a＝b＝4.04?，與母相α相同，c＝7.8?

，較α相的兩倍(8.08?)略小。θ″相的晶胞有五層原子面中，中央一層為100％Cu原子層，最上和最下的兩層為100％A1原子層，而中央一層與最上、最下兩層之間的兩個(gè)夾層則由Cu和A1原子混合組成，總成分相當(dāng)于CuAl2。θ″相與基體α相仍保持完全共格關(guān)系。θ″相仍為薄片狀，片的厚度約0.8～2nm，直徑約14～15nm。隨著θ″相的長大，在其周圍基體中產(chǎn)生