金屬材料及熱處理課件

材料性能的認(rèn)識**1.使用性能：在使用條件下所表現(xiàn)的性能力學(xué)性能(強度、硬度、塑性、韌性等)；物理性能（光、電、磁等）；化學(xué)性能(抗氧化性、抗腐蝕性等)；其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等)；2、工藝性能：材料制備、加工過程中所表現(xiàn)的性能鑄造性能（流動性、收縮、偏析等)；壓力加工性能、冷加工性能、鍛造性能等；切削加工性；焊接性；熱處理性能；等等材料性能包含使用性能與工藝性能兩方面：*一、強度與塑性1.強度—材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力，材料的強度用拉伸試驗測定?！?.1材料的力學(xué)性能

圖1-2低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線*強度指標(biāo)：金屬材料的強度是用應(yīng)力來表示的，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用σ表示。常用的強度指標(biāo)有：彈性極限

σe：是指材料產(chǎn)生完全彈性變形時所能承受的最大應(yīng)力。單位為MPa(N/mm2)

。屈服強度σs：材料在產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最小應(yīng)力。對于拉伸曲線上沒有屈服平臺的材料(脆性材料—鑄鐵)，此時將屈服強度定義為產(chǎn)生0.2%殘余伸長時的應(yīng)力(即變形量為試樣長度的0.2%，如圖1-3所示)，記s0.2?？估瓘姸圈襜：材料在斷裂前所承受的最大工程應(yīng)力。圖1-3鑄鐵應(yīng)力應(yīng)變曲線2.塑性—指金屬材料在靜載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。評定材料塑性的指標(biāo)通常是伸長率和斷面收縮率。*伸長率δ：試樣拉斷后標(biāo)距的增長量與原始標(biāo)距長度之比;

δ=(L1-L0)/L0×100%斷面收縮率ψ：試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比。

ψ=(A0-A1)/A0×100%

金屬材料的塑性好壞，對零件的加工和使用有十分重要的意義。例如，低碳鋼的塑性較好，故可以進行壓力加工，普通鑄鐵的塑性差，因而不能進行壓力加工，只能進行鑄造。同時由于材料具有一定的塑性，故能夠保證材料不致因稍有超載就突然破斷，這就增加了材料使用的安全可靠性。*二、硬度材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力，即金屬表面上局部體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或抵抗破壞的能力。是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。1.布氏硬度(HB)—較軟材料：有色金屬、灰口鑄鐵等。

測定原理：一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球在一定的載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量其壓痕直徑，計算硬度值。用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示。用HBS(淬火鋼球)或HBW(硬質(zhì)合金鋼球)表示。圖1-4布氏硬度試驗原理示意圖*布氏硬度試驗的優(yōu)缺點：優(yōu)點：試驗時使用的壓頭直徑較大，在試樣表面上留下壓痕也較大，測得的硬度值也較準(zhǔn)確。缺點：對金屬表面的損傷較大，不易測試太薄工件的硬度，也不適于測定成品件的硬度。

在進行布氏硬度試驗時，鋼球直徑D、施加的試驗力F和試驗力保持時間應(yīng)根據(jù)被測試金屬的種類和試樣厚度，按布氏硬度試驗規(guī)范正確選擇(見教材表1-1)。在試驗條件允許時，應(yīng)盡量選用直徑為10mm的球體作壓頭。選用的F/D2比值不同時布氏硬度值不能直接比較。*2.洛氏硬度(HR)—硬度中等：鋼鐵材料測定原理：以頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為φ1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在先施加初始試驗力F1(98N),再加上主試驗力F2的作用下壓入金屬表面。卸去F2后，仍保留初試驗力F1，測量其殘余壓入深度h3，用h3和h1只差h來計算洛氏硬度值。適合測量的材料：HRA：硬質(zhì)合金；HRC:

淬火鋼(應(yīng)用最多)HRB:

低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵圖1-5洛氏硬度實驗原理示意圖*洛氏硬度試驗的優(yōu)缺點：優(yōu)點：操作簡單迅速，效率高，直接從指示器上可讀出硬度值；壓痕小，故可直接測量成品或較薄工件的硬度；可測量高硬度薄層和深層材料。缺點：由于壓痕小，測得的數(shù)值不夠準(zhǔn)確，通常要在試樣不同部位測定四次以上，取其平均值為該材料的硬度值。*3.維氏硬度(HV)——較硬材測定原理：與布氏硬度相同，不同點是壓頭為金剛石正棱角錐。所測定的硬度值比布氏、洛氏精確，壓入深度淺，適于測定經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度。F↓維氏硬度試驗的優(yōu)缺點：優(yōu)點：與布氏、洛氏試驗比較，維氏硬度試驗不存在試驗力于壓頭直徑有一定比例關(guān)系的約束；不存在壓頭變形問題；測量數(shù)據(jù)精確可靠，誤差較小。缺點：其硬度值需要先測量對角線長度，然后經(jīng)計算或查表確定，故效率不如洛氏硬度試驗高。圖1-6維氏硬度實驗原理圖*三、沖擊韌性1.沖擊吸收功

當(dāng)加載速度極快時，不能用靜載荷下的σs、σb作失效判據(jù)。必須考慮所用材料的沖擊韌性。沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。沖擊載荷：指加載速度很快而作用時間很短的突發(fā)性載荷。沖擊功：指試樣在沖擊力一次作用下折斷時所吸收的功，用Ak表示。沖擊韌度：指試樣缺口處單位橫截面面積A上的沖擊功，用αk表示。即αk＝Ak/A

沖擊功Ak越大，材料的韌性越好，把沖擊功低的材料稱為脆性材料，高的稱為韌性材料。*圖1-7一次擺錘沖擊試驗原理示意圖(a)試樣放在試驗機上；(b)擺錘由h1升高到h2高度目前最常用的沖擊試驗方法是擺錘式一次沖擊試驗。*2.小能量多次沖擊試驗圖1-8小能量多次沖擊測試的原理圖1-沖頭;2-試樣;3-支承架;4-橡膠傳動軸

實踐證明，金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時，其沖擊抗力主要取決于沖擊韌度的大小，而在小能量多次沖擊條件下，其沖擊抗力主要取決于材料的強度和塑性。*四、疲勞強度

1.疲勞現(xiàn)象軸、齒輪、軸承、彈簧等零件，在工作過程中各點的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為疲勞斷裂。*

2.疲勞強度材料承受的交變應(yīng)力σ與材料斷裂前承受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系可用疲勞曲線來表示。金屬承受的交變應(yīng)力越大，則斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時，試樣可以經(jīng)受無限周期循環(huán)而不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限(疲勞強度)，即不至引起斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞極限，用σ-1表示。一般規(guī)定鋼鐵材料循環(huán)次數(shù)取107次，有色金屬及其合金循環(huán)次數(shù)取108次。圖1-9疲勞曲線示意圖§1.2材料的其他性能*一、材料的物理化學(xué)性能1.材料的物理性能密度：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度；熔點：金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點，純金屬都有固定的熔點；導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來衡量!熱導(dǎo)率的符號是λ，單位是W/m·K，熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱性越好。導(dǎo)電性：傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性，用電阻率來衡量，電阻率的單位是Ω?m，電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好，金屬導(dǎo)電性以銀為最好；銅、鋁次之；熱膨脹性：金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性，熱膨脹性用線脹系數(shù)αL或體脹系數(shù)αV來表示。磁性：金屬材料可分為鐵磁性材料、順磁性材料、和抗磁性材料三類。*2.材料的化學(xué)性能

金屬材料的化學(xué)性能是指材料抵抗其周圍介質(zhì)侵蝕的能力，主要包括耐蝕性和抗氧化性等。金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱化學(xué)穩(wěn)定性；在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。*二、金屬的工藝性能

工藝性能是指金屬材料制備、加工過程中所表現(xiàn)的性能，是反應(yīng)材料對不同加工工藝方法的適應(yīng)能力。主要包括鑄造性能、壓力加工性能、切削加工性、焊接性和熱處理性能等。1.鑄造性能

金屬及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能，衡量鑄造性能的主要指標(biāo)有流動性，收縮性和偏析傾向等。流動性—熔融金屬的流動能力稱為流動性；收縮性—鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性；偏析傾向—金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。*2.壓力加工性能

從理論上講，壓力加工性能是指金屬材料在冷熱狀態(tài)下塑性變形的能力"即熱鍛和冷沖壓時變形的能力；從加工方法上可用壓力加工時獲得優(yōu)良壓制件的難易程度來衡量壓力加工性能；壓力加工性能包括充填模具所需要的固體流動性，對模壁的摩擦阻力對氧化起皮的抗力，熱裂趨勢，冷變形時的硬化趨勢，不均勻變形，產(chǎn)生折皺的趨勢等。3.焊接性能

焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性，主要包括焊接性、熔接合金成分的改變、吸氣性及氧化性、內(nèi)應(yīng)力及冷熱開裂傾向等。*4.切削加工性能

切削加工金屬材料的難易程度稱為切削加工性能，切削加工性能一般用工件切削后的表面粗糙度及刀具壽命等方面來衡量。影響切削加工性能的因素主要有工件的化學(xué)成分，組織狀態(tài)，硬度，塑性，導(dǎo)熱性和形變強化等。5.熱處理性能

熱處理性能是指金屬材料對熱處理工藝的適應(yīng)性，即通過對金屬材料的熱處理，改善或提高金屬材料的物理，化學(xué)性能和力學(xué)性能。熱處理性能包括淬硬性，淬透性，淬火變形趨勢，表面氧化及脫碳趨勢，導(dǎo)熱率，回火脆性等。

金屬材料結(jié)構(gòu)的認(rèn)識§2.1金屬材料晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列方式不同，可將固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類。1、晶體內(nèi)部質(zhì)點按一定的幾何規(guī)律呈周期性規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體。有固定的熔點（如鐵為1538℃，銅為1083℃，鋁為660℃）；一般具有規(guī)則的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表現(xiàn)出晶體的各向異性。2、非晶體及其特性內(nèi)部質(zhì)點無規(guī)則的堆積在一起的物質(zhì)稱為非晶體。與晶體相反，沒有固定的熔點；表現(xiàn)出各向同性。晶體與非晶體在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。如：玻璃、瀝青、松香等。

二、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)的基本知識晶格—假設(shè)原子為剛性小球，利用假想的幾何線條連接起來構(gòu)成一個空間格架，這種抽象的，用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架就叫晶格。晶胞—晶體中原子排列具有周期性，最小的能夠完全反映晶格特征的幾何單元稱為晶胞。晶格常數(shù)—晶胞的三個互相垂直的棱邊長度a、b、c及三棱邊夾角α、β、γ稱為晶格常數(shù)。(a)原子堆垛模型(b)晶格(c)晶胞圖2-1簡單立方晶格與晶胞示意圖2.常見的金屬晶格類型

由于金屬鍵沒有方向性和飽和性，結(jié)合對象的選擇性不強，所以金屬原子結(jié)合在一起總是趨于結(jié)合得最緊湊和最密集的排列方式。常見的有面心立方、體心立方和密排六方晶格。(1)體心立方晶格(α－Fe、Cr、V、Mo、W等)

圖2-2體心立方晶格晶胞AEFCa2a3a

晶體結(jié)構(gòu)特征分析：點陣參數(shù)：a=b=cα=β=γ=90°；晶胞中原子數(shù)：N=1+8×1/8=2個；原子半徑：r=。圖2-3體心立方晶格半徑的求解示意圖(2)面心立方結(jié)構(gòu)(γ－Fe、Al、Cu、Au、Ag等)圖2-4面心立方晶格晶胞面心立方晶體結(jié)構(gòu)特征：點陣參數(shù)：a=b=cα=β=γ；晶胞原子數(shù)：N=3+1=4；原子半徑：r=a/4。(3)密排六方結(jié)構(gòu)(Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等)

圖2-5密排六方晶格晶胞晶體結(jié)構(gòu)特征：點陣參數(shù)：a1=a2=a3=a，α1=α2=α3=120°；平面軸X1、X2、X3和Z軸的夾角=90°，Z軸的單位長度=c，用a、c兩個量來度量；晶胞原子數(shù)：N=12×1/6+2×1/2+3=6；原子半徑r=a/2。三、實際晶體中的缺陷

晶體中各個晶粒的原子排列雖然相同，每個晶體都是各項異性的，但每個晶粒原子排列的位向是不同的，是任意分布的，各個方向相互補充和抵消，掩蓋了每個晶粒的各項異性。因此，多晶體為各向同性，稱為“偽各向同性”。晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的晶體，這樣的晶體稱為單晶體。實際使用的工業(yè)金屬材料是由許多晶粒組成的多晶體；晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。圖2-6各晶粒位向示意圖

實際晶體中，原子排列不完整，偏離理想分布的結(jié)構(gòu)區(qū)域稱為晶體的缺陷。這種局部存在的晶體缺陷，對金屬的性能影響很大。晶體缺陷按尺寸可分為：點缺陷、線缺陷、面缺陷。1.點缺陷空位：晶格中某個原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點，稱為空位。間隙原子：某個晶格間隙擠進了原子，稱為間隙原子。置換原子：材料中總存在一些其它元素的雜質(zhì)，它們可以形成間隙原子，也可能取代原來的原子位置，稱為置換原子?？瘴婚g隙原子置換原子圖2-7晶體結(jié)構(gòu)中的點缺陷點缺陷對晶體的影響：結(jié)構(gòu)上：造成晶格畸變。性能上：強度↑，電阻↑；塑性↓，韌性↓?？瘴缓烷g隙原子不是固定不變的，可以運動，這種運動是化學(xué)熱處理時原子擴散的重要方式。2.線缺陷晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象叫做位錯。通常位錯分為兩種：一種是刃型位錯，一種是螺型位錯。

刃型位錯：在晶體的某一水平面上，多出一個半原子面，這個半原子面如同刀刃一樣插入晶體，稱為刃型位錯，用符號┴表示。如圖2-8。螺型位錯:晶體上下兩部分的原子排列面在某些區(qū)域相互吻合的次序發(fā)生錯動，使不吻合的過渡區(qū)域原子排列呈螺旋形，稱為螺型位錯，如圖2-9。圖2-9螺型位錯┴圖2-8刃型位錯3.面缺陷面缺陷主要是指晶界與亞晶界。晶界晶界

圖2-10晶界

圖2-11金屬中的亞晶組織§2.2純金屬的結(jié)晶一、純金屬結(jié)晶過程結(jié)晶：原子由不規(guī)則排列的液態(tài)逐步過渡到規(guī)則的晶體狀態(tài)的過程稱為結(jié)晶。

1.過冷現(xiàn)象金屬在無限緩慢冷卻條件下(即平衡條件下)所測得的結(jié)晶溫度T0稱為理論結(jié)晶溫度。但在實際生產(chǎn)中，金屬由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時冷卻速度都是相當(dāng)快的，金屬總是要在理論結(jié)晶溫度T0以下的某一溫度Tn才開始進行結(jié)晶，溫度Tn稱為實際結(jié)晶溫度。實際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。即△T=T0－Tn

，△T稱為過冷度。實際金屬總是在過冷情況下進行結(jié)晶的，所以過冷是金屬結(jié)晶的一個必要條件。

圖2-12熱分析法測定金屬的冷卻曲線

結(jié)晶溫度通常采用熱分析法測量，即先將金屬熔化，并使溫度均勻，然后以極慢的速度冷卻，記錄下溫度隨時間的變化曲線，稱為冷卻曲線，如圖2-12。由于金屬在結(jié)晶過程中，釋放的結(jié)晶潛熱補償了外界散失的熱量，使溫度并不隨冷卻時間的增加而下降，直到金屬結(jié)晶終了后，已沒有結(jié)晶潛熱補償散失的熱量，故溫度又重新下降。2.純金屬的結(jié)晶過程(形核和長大)圖2-13金屬的結(jié)晶過程示意圖

結(jié)晶過程總是從形成一些極小的晶體開始，這些細(xì)小晶體稱為晶核。隨著溫度下降，液體中的原子不斷向晶核聚集，使晶核不斷長大；同時液體中會不斷有新的晶核形成并長大，直到各晶粒之間相互接觸、液體完全消失為止。所以，結(jié)晶的基本過程是形核與長大過程。

形核方式分為：自發(fā)形核(均勻形核)

指在一定得過冷條件下，僅依靠本身的原子有規(guī)則排列而形成晶核，稱為自發(fā)形核。實際鑄造生產(chǎn)中，這種形核現(xiàn)象很少。非自發(fā)形核(非均質(zhì)形核)

通常金屬液中總是存在著各種固態(tài)雜質(zhì)微粒，依附在這些雜質(zhì)表面很容易形成晶核，這種形核過程稱為非自發(fā)形核。晶核的長大：晶核形成后，隨后便是長大。晶核長大的實質(zhì)，就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。二、晶粒大小的控制1.增加過冷度

過冷度的增大，生核率和長大速度都增大，前者的增大更快，使晶粒細(xì)化?？梢蕴岣呃鋮s速度。圖2-14過冷度對形核率N和長大速度G的影響2.變質(zhì)處理

在結(jié)晶前往液體中加入細(xì)小的某種物質(zhì)，以增加形核率或降低長大速度，從而細(xì)化晶粒的方法稱為變質(zhì)處理。3.振動攪拌

可使正在生長的晶體破碎而細(xì)化，增加形核率?！?.3合金的形成一、合金、相和組織的基本概念合金：由兩種以上的金屬和非金屬熔合（或燒結(jié)）在一起而具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。組元：組成合金的獨立的、最基本的單元叫做組元。組元可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。合金系：給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構(gòu)成一個合金系。如：二元合金、三元合金；也可由構(gòu)成元素來命名，如鐵碳合金。相：指金屬或合金中結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和性能相同且與其他部分由明顯界面分開的均勻組成部分。包括固溶體、金屬化合物及純物質(zhì)(如石墨)。固態(tài)金屬一般是一個相，而合金可能是幾個相。組織：指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。

根據(jù)構(gòu)成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金可分為固溶體和金屬化合物兩大類。1.固溶體合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且晶格類型與組元之一相同的固相稱之為固溶體。間隙固溶體：溶質(zhì)原子填入溶劑晶格的空隙位置所形成的固溶體。條件：溶質(zhì)半徑小。置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點所形成的固溶體。條件：原子半徑接近；晶格結(jié)構(gòu)相同；周期表位置臨近。二、合金形成相結(jié)構(gòu)的方式

圖2-15固溶體(a)間隙固溶體(b)置換固溶體按固溶度分類有限固溶體—溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定的限度，超過這個限度就不再溶解，這個限度稱為固溶度。無限固溶體—溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑，固溶度可達到100%。

固溶體中隨著溶質(zhì)原子的加入，強度、硬度升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象稱之為固溶強化—金屬材料的主要強化手段或途徑之一。固溶強化的特點：溶質(zhì)與溶劑原子相差越大，溶質(zhì)原子濃度越高，所引起的晶格畸變越大，固溶強化效果越大；間隙原子的強化效果比置換原子的大。因為間隙原子引起的點陣畸變大。綜合機械性能好。適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，不僅可以顯著提高材料強硬度，而且材料的塑韌性不會明顯降低。2.金屬化合物金屬化合物是指合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。金屬化合物的晶格類型與組成它的組元的晶格類型完全不同，一般比較復(fù)雜，而且它的性能也不同于組成它的組元，通常金屬化合物均具有高的熔點、硬度和脆性，因此不能直接使用。金屬化合物存在于合金中一般起強化作用，使合金的強度、硬度、耐磨性及耐熱性提高，但塑性和韌性有所降低。因此，金屬化合物是金屬材料中不可缺少的強化相。

二元合金相圖的建立§3.1二元合金相圖

合金的結(jié)晶過程較為復(fù)雜，通常運用合金相圖來分析合金的結(jié)晶過程。

相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度及成分之間關(guān)系的一種圖解，又稱為狀態(tài)圖。利用相圖可以知道不同成分的材料在不同溫度下存在哪些相、各相的相對量、成分及溫度變化時所可能發(fā)生的變化。相圖在生產(chǎn)中，可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)程的重要依據(jù)；圖中的每一點表示一定成分的合金在一定溫度時的穩(wěn)定相狀態(tài)。

測定二元相圖最常用的方法是熱分析法。

①

配制一系列不同成分的Cu—Ni合金：取幾個點：100%Cu、

20%Ni+80%Cu、40%Ni+60%Cu、

60%Ni+40%Cu

、80%Ni+20%Cu、100%Ni②

用熱分析法測出所配制的各合金的冷卻曲線（溫度-時間）。③

找出合金冷卻曲線上的臨界點。④

把各臨界點畫在溫度—成分圖上，連成光滑曲線，填上相區(qū)，即為二元合金相圖。

連接各相同意義的點，所得的線稱為相界線。圖3-1Cu-Ni合金相圖的建立1.相圖分析

A點為純銅的熔點，B點為純鎳的熔點。A1B為液相線，液相線以上為液相區(qū)，用L表示；A3B為固相線，固相線以下為固相區(qū)，用α表示；液相線與固相線之間為兩相區(qū)，用L+α表示。

一、均晶相圖的建立

(L—α固溶體)均晶相圖—兩組元在液態(tài)和固態(tài)下以任何比例均可相互溶解，即在固態(tài)下能形成無限固溶體時，其相圖屬于均晶相圖。如：Cu-Ni、Fe-Cr、Cu-Au等。(a)Cu-Ni合金相圖(b)冷卻時的結(jié)晶圖3-2Cu-Ni合金相圖及冷卻時的結(jié)晶2.合金結(jié)晶過程分析平衡結(jié)晶是指合金在極緩慢的冷卻條件下進行的結(jié)晶過程。和純金屬不同，合金是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的，隨著溫度降低，固相的量不斷增多，液相的量不斷減少。同時，液相的成分沿液相線變化、固相的成分沿固相線變化。3.枝晶偏析實際生產(chǎn)條件下，冷卻較快，原子擴散不能充分進行，則形成成分不均勻的固溶體，先結(jié)晶的樹枝晶晶枝含高熔點組元較多，后結(jié)晶的樹枝晶晶枝含低熔點組元較多。在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均稱為枝晶偏析?？赏ㄟ^擴散退火消除。圖3-3Cu-Ni合金鑄件的枝晶偏析4.杠桿定律用來計算二元相圖中兩相平衡狀態(tài)下平衡相的相對質(zhì)量。杠桿的支點是兩個相的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(合金的成分點)，端點分別是兩個相的成分點。圖3-4杠桿定律的應(yīng)用圖例二、共晶相圖的建立(L—A+B)共晶相圖—凡是二元合金系中兩組元在液態(tài)能完全互溶，而在固態(tài)有限溶解或不溶解，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖。共晶轉(zhuǎn)變—一種液相在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫做共晶轉(zhuǎn)變。所生成的兩相機械混合物叫共晶體。1、相圖分析ⅣtAE—固相線L析出αtBE—固相線L析出βMF—Sn在α相中的溶解度線

NG—Pb在β相中的溶解度線

MEN—三相共存線圖3-5Pb-Sn合金相圖2.合金結(jié)晶過程分析合金Ⅰ（M點以左的合金）室溫組織應(yīng)為：α固溶體+βⅡ固溶體。室溫時的α與βⅡ的相對量：

1以上1~22~33以下圖3-6WSn<19%Sn-Pb合金的平衡結(jié)晶過程示意圖

合金Ⅱ(E點的合金)稱為共晶合金室溫組織應(yīng)為：

α相與β相的機械化合物(共晶相)。αM與βN的相對量，可用杠桿定律計算如下：()%1001′-=MNWWabENMNME%100×=NWb%,100×=MMNWa或共晶組織示意圖Pb-Sn共晶合金圖3-7WSn=61.9%Sn-Pb合金合金Ⅲ（M，E點間的合金）亞共晶合金其顯微組織為：初晶α+次生βⅡ+（α+β）共晶合金成分愈接近共晶成分，組織中共晶體(α+β)量越多，而初晶α量愈少。Pb-Sn亞共晶合金的顯微組織圖3-8Pb-Sn亞共晶合金合金IV（E，N點間的合金）過共晶合金其顯微組織為：初晶β+次生αⅡ+(α+β)共晶合金成分愈接近共晶成分，組織中共晶體(α+β)量越多，而初晶β量愈少。過共晶合金結(jié)晶示意圖Pb-Sn過共晶合金的顯微組織圖3-9Pb-Sn過共晶合金3.密度偏析概念：亞共晶或過共晶合金結(jié)晶時，初晶的密度與剩余液相的密度相差很大，則初晶將上浮或下沉,使最后凝固的合金出現(xiàn)上、下部成分不同，這種現(xiàn)象稱為密度偏析。影響：降低合金的使用與加工性能。處理方法：熱處理不能消除或減輕密度偏析，只能控制成分或在凝固時采取措施。如：增加冷卻速度、攪拌液體金屬或加入某種物質(zhì)形成骨架，以阻止初晶相上浮或下沉。§3.2鐵碳二元合金相圖1538℃1394℃912℃L→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe

體心立方面心立方體心立方

——純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一、鐵碳合金的基本相1.純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

金屬在固態(tài)下隨著溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的過程稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。所得的不同晶格的晶體稱為同素異構(gòu)體。如：Fe、Co、Ti、Mn等金屬。純鐵(工業(yè)純鐵)的性能：強度低硬度低塑性好鐵磁性很少作結(jié)構(gòu)材料。770℃磁性轉(zhuǎn)變點(居里點)有磁性無磁性

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是重結(jié)晶過程，遵循結(jié)晶的一般規(guī)律：有一定的轉(zhuǎn)變溫度；形核+長大；需要△T；有結(jié)晶潛熱。圖3-102.鐵碳合金中的相及其性能鐵素體(α或F)—鋼中基體相定義:C在體心立方α-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體；但C在α-Fe中的溶解度極小:0.0008%(20℃)~0.0218%(727℃)

性能:強硬度低(50HBS~80HBS)，塑韌性好(ψ：70%~80%；αk=160J)770℃以下具有鐵磁性，770℃以上則失去鐵磁性。奧氏體(γ或A)定義：C在面心立方γ－Fe中的間隙固溶體稱為奧氏體。溶碳量較大：0.77%(727℃)~2.11%(1148℃)性能:強硬度較低；塑性較好,變形抗力較低,易于鍛壓成形;非鐵磁性相。滲碳體(Fe3C)

定義：Fe與C形成的金屬化合物，含碳量6.69%，性能：硬度高：800HB，無塑性：δ=0;ψ=0;αk=0

弱的鐵磁性(<230℃)——硬脆組織，強化相。滲碳體具有復(fù)雜的晶格，是鐵碳合金的重要強化相；在鐵碳合金中的形態(tài)可呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀、板條狀。形態(tài)與分布對鋼的性能有很大的影響。滲碳體是一種亞穩(wěn)定化合物，在一定條件下會全部或部分地分解為鐵和石墨(石墨化)。LL+AAF+AA+Fe3CF+Fe3CFδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.008H二、鐵碳二元合金相圖圖3-11Fe-Fe3C相圖

由于鐵碳相圖左上角的包晶轉(zhuǎn)變對常用材料性能影響不大，常將Fe-Fe3C相圖左上角部分簡化，簡化后的相圖如下圖所示。圖3-12簡化后的Fe-Fe3C相圖符號溫度/℃wc×100含義A15380純鐵的熔點B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金的成分C11484.30共晶點D12276.69Fe3C的熔點E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120α-Fe→γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點K7276.69Fe3C的成分N13940γ-Fe→δ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點Q600（室溫）0.0057(0.0008)600℃（或室溫）時碳在α-Fe中的溶解度表3.1相圖中各點的溫度、含碳量及含義1.相圖中的點2.相圖中的線液相線(ABCD):其上體系為液相，(結(jié)晶時液相的成分變化線)固相線(AHJECF)：其下為固相，(結(jié)晶時固相的成分變化線)表示恒溫轉(zhuǎn)變的線：

HJB線(包晶轉(zhuǎn)變)，ECF線(共晶轉(zhuǎn)變)，PSK線(共析轉(zhuǎn)變)固溶度線：

ES：碳在奧氏體中的溶解度隨溫度的變化線

(溫度

，溶解度

)；（0.77%--2.11%）

PQ：碳在鐵素體中的溶解度隨溫度的變化線

(溫度

，溶解度

)(0.0008%—0.0218%)3.典型合金的平衡結(jié)晶及組織按含碳量和組織的不同，鐵碳合金分為三類，即工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵。共析鋼圖3-13共析鋼平衡相變過程示意圖727℃時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

AS→(αP＋Fe3C)=P珠光體的性能：硬度和強度較高：HBS180，σ750MPA，塑性也較好δ=20~25%白色為鐵素體基體，

黑色線條為滲碳體圖3-14T8鋼退火組織P相組成物F和Fe3C的相對含量可以由杠桿定律來計算：亞共析鋼常溫下的組織構(gòu)成：F+P相構(gòu)成：F+Fe3C圖3-15亞共析鋼平衡相變過程示意圖60鋼退火組織P+F20鋼退火組織P+F黑色部分為珠光體，白色基體為鐵素體圖3-16亞共析鋼的顯微組織兩種組織的相對含量用杠桿定律計算：假設(shè)Wc=0.20%過共析鋼常溫下的組織構(gòu)成：Fe3CII＋P相構(gòu)成：F+Fe3C圖3-17過共析鋼平衡相變過程示意圖圖3-18過共析鋼組織圖黑色為珠光體，白色為二次滲碳體兩種組織的相對含量用杠桿定律計算：假設(shè)Wc=1.3%共晶白口鑄鐵

工業(yè)上常用的鑄鐵是亞共晶白口鑄鐵，而共晶和過共晶白口鑄鐵很少使用，一般僅作為煉鋼原料。圖3-19共晶白口鑄鐵平衡相變過程示意圖1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變

LC→AE+Fe3C=Ld(高溫萊氏體)室溫組織：低溫萊氏體—L’d(P+Fe3C＋Fe3CⅡ)圖3-20共晶白口鑄鐵的顯微組織白色為共晶滲碳體黑色點條狀為珠光體組織二次滲碳體難以分辨組織構(gòu)成：P+L‘d+Fe3CⅡ亞共晶白口鑄鐵圖3-21亞共晶白口鑄鐵平衡相變過程示意圖圖3-22亞共晶白口鑄鐵的顯微組織

黑色枝狀晶體為珠光體，基體中黑白相間的為低溫萊氏體室溫組織構(gòu)成：Fe3CⅠ+L‘d過共晶白口鑄鐵’圖3-23過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶示意圖及顯微組織

鋼的熱處理基礎(chǔ)一、熱處理的概念

將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱到一定溫度，保溫一定時間，以一定速度冷卻下來，以改變其內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，獲得所需性能的一種工藝稱為熱處理。

熱處理不僅可用于強化鋼材，提高機械零件的使用性能，而且還可以用于改善鋼材的工藝性能。其共同點是：只改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，不改變表面形狀和尺寸。

熱處理歸屬材料加工工程領(lǐng)域。

二、熱處理的作用

在機床、汽車、礦山、石油、化工、航空等行業(yè)中用的大量零部件都需要通過熱處理工藝改善其性能。在機床制造中，約60~70%的零件要經(jīng)過熱處理，在汽車、拖拉機制造中，需要熱處理的零件多大70~80%；而加工模具及滾動軸承，則要100%進行熱處理。

總之，凡重要的零件都必須進行適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍苁褂?。三、熱處理的基本要?/p>

熱處理工藝中有三大基本要素：加熱、保溫、冷卻。這三大基本要素決定了材料熱處理后的組織和性能。

加熱是熱處理的第一道工序。不同的材料，其加熱工藝和加熱溫度都不同。加熱分為兩種，一種是在臨界點A1(鋼的共析線)以下的加熱，此時不發(fā)生組織變化。另一種是在A1以上的加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化。

保溫的目的是要保證工件燒透。保溫時間和介質(zhì)的選擇與工件和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般工件越大，導(dǎo)熱性越差，保溫時間就越長。

冷卻是熱處理的最終工序，也是熱處理最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。四、熱處理的基本類型根據(jù)加熱、冷卻方式的不同及組織、性能變化特點的不同，熱處理可以分為：常用鋼的熱處理普通熱處理退火正火淬火回火表面熱處理表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火火焰加熱表面淬火化學(xué)熱處理滲碳滲氮碳氮共滲及其他§4.1鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變一、鐵碳相圖和臨界點平衡狀態(tài)臨界點：A1，Ar，Ac冷卻時的臨界點：Ar1，Ar3，Arcm加熱時的臨界點：Ac1，Ac3，Accm過熱：加熱時高于合金相圖臨界溫度才發(fā)生相變的現(xiàn)象稱為過熱。過冷：冷卻時低于合金相圖臨界溫度才發(fā)生相變的現(xiàn)象稱為過冷。圖4-1鋼加熱和冷卻時各臨界點二、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變（以共析鋼為例）

鋼加熱時形成的奧氏體的化學(xué)成分、均勻性、晶粒大小等都對鋼的冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能產(chǎn)生重要的影響。因此，研究鋼在加熱時奧氏體的形成過程具有重要的意義。(a)(b)(c)(d)圖4-2共析鋼的奧氏體形成過程示意圖

共析鋼加熱到727°C（A1)以上，珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體。包括四個階段。奧氏體形核奧氏體核長大殘余滲碳體溶解奧氏體成分均勻化(一)奧氏體的形成

1.奧氏體的形核

P(Ｆ+Fe3C)→A0.0218%C6.69%C0.77%C

體心立方復(fù)雜斜方面心立方

奧氏體晶核在鐵素體和滲碳體相界面處較易形成，其原因為：(1)在鐵素體和滲碳體兩相界面處，碳原子濃度最容易達到0.77%，獲得形成奧氏體晶核所需的碳濃度；(2)在鐵素體和滲碳體兩相界面處，原子排列不規(guī)則，原子偏離平衡位置處于畸變狀態(tài)，具有較高能量。2.奧氏體晶體的長大奧氏體晶核長大是依靠珠光體中鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入奧氏體而進行的，即奧氏體的相界向著鐵素體和滲碳體這兩個方向同時推移的過程。3.殘余滲碳體的溶解當(dāng)鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體后，組織中還有一部分殘余滲碳體存在，隨著保溫時間的延長，殘余滲碳體不斷溶入奧氏體中。4.奧氏體成分均勻化奧氏體轉(zhuǎn)變剛結(jié)束，成分是不均勻的，須保溫一段時間，通過碳原子的擴散等到成分均勻的奧氏體組織，以便在冷卻后得到良好的組織與性能。5.亞(過)共析鋼中奧氏體的形成(二)影響奧氏體轉(zhuǎn)變的因素1.加熱溫度：加熱溫度越高，鐵、碳原子擴散速度越快，加速了奧氏體的形成。

2.加熱速度：加熱速度越快，轉(zhuǎn)變開始溫度越高，轉(zhuǎn)變終了溫度也越高，完成轉(zhuǎn)變所需時間越短，即奧氏體轉(zhuǎn)變速度越快。

3.鋼的原始組織：鋼的成分相同，其原始組織越細(xì)、相界面越多，奧氏體的形成速度就越快。

亞共析鋼和過共析鋼加熱時奧氏體的形成過程，基本上與共析鋼相同。分別加熱到A3、Acm點以上，才能獲得成分均與的奧氏體。1、奧氏體晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一種尺度，在研究奧氏體晶粒時，首先要區(qū)分三種晶粒度的概念。

(1)初始晶粒度：是指在臨界溫度以上，奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成，其晶粒邊界剛剛相互接觸時的晶粒大小。

(2)實際晶粒度：是指在某一具體加熱或熱加工條件下最終所得的奧氏體晶粒尺寸。三、奧氏體晶粒長大及其影響因素(3)本質(zhì)晶粒度：是根據(jù)冶金部標(biāo)準(zhǔn)YB27-64規(guī)定，將鋼加熱到930±10℃，保溫3~8小時后，以適當(dāng)方式冷卻，在室溫下測定的高溫奧氏體晶粒大小。它表示各種鋼奧氏體晶粒的長大趨勢。晶粒容易長大的稱為本質(zhì)粗晶粒鋼，晶粒不容易長大的稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。圖4-3

本質(zhì)粗晶粒鋼與本質(zhì)細(xì)晶粒鋼奧氏體晶粒長大示意圖

奧氏體大小用奧氏體晶粒度來表示，標(biāo)準(zhǔn)晶粒度分為10級，1~4級為粗晶粒，5~10級稱為細(xì)晶粒。2.影響奧氏體晶粒長大的因素(1)加熱溫度和保溫時間隨加熱溫度升高晶粒將逐漸長大。溫度越高或在一定溫度下保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大。因此，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時間。(2)加熱速度在相同的加熱溫度下，加熱速度越快，過熱度越大，形核率越高，起始晶粒度越小；另外，加熱速度快，則加熱時間就短，晶粒越來不及長大。(3)鋼中合金元素的含量大多數(shù)合金元素均能不同程度地阻礙奧氏體晶粒長大。等溫冷卻：將奧氏體急冷到臨界點以下某一溫度保溫，讓其發(fā)生恒溫轉(zhuǎn)變，然后再冷卻下來。右圖折線2所示；連續(xù)冷卻：從高溫奧氏體狀態(tài)一直連續(xù)冷卻到室溫。右圖折線1所示?！?.2鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變圖4-4

當(dāng)溫度在A1以上時，奧氏體是穩(wěn)定的，但當(dāng)溫度降到A1以下后，奧氏體即處于過冷狀態(tài)，這種奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體是不穩(wěn)定的，會轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌慕M織，鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變，實質(zhì)上是過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變。

生產(chǎn)中采用的冷卻方式包括：連續(xù)冷卻和等溫冷卻兩種。一、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變1.等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立將奧氏體迅速冷至臨界溫度以下的一定溫度，并在此溫度下進行等溫，在等溫過程中所發(fā)生的相變稱為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變。

將若干共析碳鋼小試樣加熱到奧氏體狀態(tài)，保溫一定時間后迅速冷卻到A1點以下不同溫度，例如700℃、650℃、600℃等等,隨后在各溫度下等溫，每經(jīng)過一定時間取出一個試樣立即淬入水中。然后，用金相-硬度法確定在給定溫度下經(jīng)一定時間等溫后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型和轉(zhuǎn)變百分?jǐn)?shù)，將結(jié)果繪制成曲線，即為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，簡稱TTT曲線或C曲線。TimeTemperatureTransformation圖4-5

共析碳鋼的C曲線由圖可以看出：(1)在各不同溫度下過冷奧氏體等溫分解需要一段準(zhǔn)備時間，稱為孕育期。(2)當(dāng)?shù)葴販囟葟腁1點逐漸降低時，相變的孕育期逐漸減短，轉(zhuǎn)變速度加快；溫度下降到某一溫度時，孕育期最短，轉(zhuǎn)變速度最快，通常把此處稱為C曲線的鼻部或拐點；溫度再降低，孕育期反而增長，轉(zhuǎn)變速度減慢。(3)對于碳鋼，在其C曲線鼻部以上為過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，生成珠光體；在鼻部以下至Ms點之間為中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，生成貝氏體；在Ms點以下為低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，生成馬氏體。2.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)與性能(1)珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)(7270C---5500C)

產(chǎn)物：珠光體7270C---6500C：珠光體片層較粗，P（珠光體）6500C---6000C：珠光體層片較細(xì)，S（索氏體）(高倍顯微鏡)6000C--5600C：珠光體層片極細(xì)，T(托氏體)(電子顯微鏡)層片變細(xì)，強度硬度增加，塑性韌性有所下降。

珠光體的鐵素體和滲碳體層片粗細(xì)與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。溫度越低，珠光體的層片越細(xì)。托圖4-6(2)貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)B轉(zhuǎn)變溫度：550—Ms（240℃

）產(chǎn)物：貝氏體貝氏體：由過飽和鐵素體和滲碳體組成的混合物。貝氏體的形狀和性能：（與等溫溫度有關(guān)）550--350℃:貝氏體呈羽毛狀，稱為上貝氏體，記為B上,碳化物呈較粗的片狀平行分布于鐵素體板條間;350--Ms(240℃)：貝氏體呈針葉狀，稱之為下貝氏體，記為B下，碳化物呈細(xì)小顆粒狀或短桿狀均勻地分布在鐵素體內(nèi)。上貝氏體的形貌下貝氏體的形貌上貝氏體的硬度高，塑性、韌性差，脆性較大，不用。

下貝氏體高強度、硬度、塑性韌性較好。工業(yè)中應(yīng)用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的零件中。圖4-7圖4-83.影響C曲線的因素(1)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在正常加熱條件下，Wc<0.77%時，隨和含碳量的增加，C曲線右移；而當(dāng)Wc>0.77%時，隨著含碳量的增加，C曲線左移。故碳鋼中共析鋼過冷奧氏體最穩(wěn)定。

C曲線的形狀也發(fā)生了改變，亞共析鋼和過共析鋼的C曲線多一條先共析相析出線。亞共析鋼形成先共析鐵素體，過共析鋼形成先共析滲碳體。隨著奧氏體中碳含量的增加，Ms點及Mf點降低。(2)合金元素除鈷外，所有合金元素溶入奧氏體后均能增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。(3)加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體成分越均勻，晶粒越粗大，晶界面積越少，可使過冷奧氏體穩(wěn)定性提高，C曲線右移。圖4-9亞共析鋼(0.54%C)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖圖4-10過共析鋼(1.13%C)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖

將若干共析碳鋼小試樣在規(guī)定的溫度奧氏體化后，以不同的速度連續(xù)冷卻。在冷卻中途的不同時期(即不同溫度)分別取出一組試樣用鹽水急冷，以終止其中的分解轉(zhuǎn)變過程。然后觀察金相組織并測定硬度，以確定在各種冷速下連續(xù)冷卻時的轉(zhuǎn)變開始點和終了點。將這些點畫在溫度-時間坐標(biāo)系中，并將轉(zhuǎn)變開始點與終了點各自分別連在一起，繪成連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，簡稱CCT曲線。ContinuousCoolingTransformation二、過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖中CC′線為轉(zhuǎn)變中止線；Ps-珠光體轉(zhuǎn)變開始線；Pf-珠光體轉(zhuǎn)變終了線；Ms-馬氏體轉(zhuǎn)變開始線；Mf-馬氏體轉(zhuǎn)變終了線。vk是使全部過冷奧氏體都不發(fā)生分解，而被過冷到Ms點以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度，稱為上臨界冷卻速度，通常也叫臨界冷卻速度或臨界淬火速度；vk’是過冷奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的最大冷速，稱為下臨界冷卻速度。圖4-11共析碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖水冷—M油冷—M+T空冷—S爐冷—P三、C曲線與CCT曲線的區(qū)別連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線位于等溫轉(zhuǎn)變曲線的右下方，這說明在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度低于相應(yīng)的等溫轉(zhuǎn)變時的溫度，且孕育期較長。等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為單一的組織。而連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時在一個溫度范圍內(nèi)進行的，獲得的組織不均勻，先轉(zhuǎn)變的組織較粗，后轉(zhuǎn)變的組織較細(xì)。在連續(xù)冷卻時不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。四、馬氏體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度：Ms（230°C）－Mf產(chǎn)物：馬氏體M馬氏體：碳在a--Fe中形成的過飽和固溶體，具有體心正方結(jié)構(gòu)。形貌：低碳馬氏體：板條馬氏體；高碳馬氏體：針狀馬氏體。性能特點：硬而脆，且隨Wc的增加而增加。必須經(jīng)過回火才能使用?；鼗鸷螅焊咛捡R氏體具有高強度高硬度、高耐磨性。低碳馬氏體具有好的綜合性能。高碳馬氏體低碳馬氏體圖4-12馬氏體形狀應(yīng)用高碳馬氏體用于高硬度高耐磨性的零件，如車刀、銑刀等。低碳馬氏體用于綜合性能好的零件，如發(fā)動機連桿螺栓、缸蓋螺栓，石油鉆井的吊環(huán)、吊鉗等。

鋼的整體熱處理

冶煉→鑄造

↑工藝性能預(yù)備熱處理↑使用性能最終熱處理鑄錠板棒型管焊接機加工冷軋冷拔深沖鍛件鑄件機加工零件或構(gòu)件熱軋→熱鍛→金屬材料加工過程：

熱處理工藝是指通過加熱、保溫和冷卻來改變材料內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，以獲得所需性能的方法。分為退火、正火、淬火、回火及化學(xué)熱處理等。二、退火的方法與應(yīng)用根據(jù)鋼的成分和目的不同，退火又分為完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火和去應(yīng)力退火等。1.完全退火和不完全退火

完全退火又稱重結(jié)晶退火。將亞共析鋼加熱至Ac3以上30~50℃，保溫足夠時間奧氏體化后，隨爐緩慢冷卻(或隨爐冷卻至500~600℃以下后空冷)，從而獲得接近平衡狀態(tài)的組織，這種熱處理工藝稱為完全退火?！?.1鋼的退火

將鋼加熱到臨界點Ac1以上或以下的一定溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)的組織，這種熱處理工藝稱為退火。一、退火的目的1.降低鋼件的硬度以利于切削加工；2.消除殘余應(yīng)力，以防鋼件變形與開裂；3.細(xì)化晶粒，改善組織，以提高鋼的力學(xué)性能，并為最終熱處理做準(zhǔn)備。

完全退火的目的為：消除鑄、鍛件中存在的內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，降低硬度，便于切削加工。完全退火只適用于亞共析鋼，不適用于過共析鋼。適用范圍亞共析鋼、合金鋼的鑄、鍛、熱軋、焊件的預(yù)備熱處理(切削加工前或熱處理前的預(yù)備熱處理)。

不完全退火是將亞共析鋼在Ac1~Ac3之間或過共析鋼在Ac1~Accm之間兩相區(qū)加熱，保溫足夠時間后緩慢冷卻的熱處理工藝。不完全退火的目的是：改善珠光體組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度以便切削加工。亞共析鋼不完全退火的溫度一般為740~780℃，其優(yōu)點是加熱溫度低，操作條件好，節(jié)省燃料和時間。2.等溫退火將鋼件加熱至Ac3+(30~50)℃(亞共析鋼)或Ac1+(20~40)℃(共析鋼和過共析鋼)，保溫一定時間后冷卻到稍低于Ar1某一溫度進行等溫轉(zhuǎn)變，以而獲得珠光體組織，然后空冷卻的工藝方法稱為等溫退火。等溫退火的目的與完全退火相同，能獲得均勻的預(yù)期組織，可有效縮短退火時間。生產(chǎn)中常用等溫退火來代替完全退火。3.球化退火

球化退火是將過共析鋼加熱到Ac1+(10~20)℃,保溫一定時間后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s使鋼中的碳化物由片狀變?yōu)榍驙?，并均勻分布在鐵素體基體上的熱處理工藝。主要用于過共析鋼及共析鋼的鍛軋件，是一種不完全退火。

球化退火的目的是：由片狀珠光體變?yōu)榱钪楣怏w，可降低鋼的硬度、改善切削加工性，改善組織、提高塑性。圖5-1

GCr15軸承鋼球化退火工藝曲線4.去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火是將鋼件加熱到Ac1以下100~200℃，保溫一定時間后緩慢隨爐冷卻的工藝方法。這種處理可以消除由于變形加工、機械加工、鑄造、鍛造、熱處理及焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。去應(yīng)力退火溫度通常為500~650℃，隨爐緩慢冷卻至200℃出爐。5.擴散退火(均勻化退火)

擴散退火是把鑄錠或鑄件加熱到Ac3以上150~200℃(通常為1100~1200℃)，保溫時間為10~15小時后隨爐冷卻。主要用于合金鋼錠或鑄件，使合金元素擴散均勻，以消除或減弱枝晶偏析。擴散退火后鋼的晶粒很粗大，因此一般還要進行完全退火或正火來細(xì)化晶粒。

正火是將鋼加熱到Ac3或Acm以上約50~70℃，保溫一定時間后，在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。正火和退火的主要區(qū)別在于前者冷卻速度較快，過冷度較大，通常獲得索氏體組織?！?.2鋼的正火正火的目的：

(1)對于大鍛件、截面較大的鋼材、鑄件，用正火來細(xì)化晶粒，均勻組織(如消除魏氏組織或帶狀組織)，為淬火處理作好組織準(zhǔn)備，此時正火相當(dāng)于退火的效果。

(2)低碳鋼退火后硬度太低，切削加工中易粘刀，光潔度較差。改用正火，可提高硬度，改善切削加工性。

(3)可以作為某些中碳鋼或中碳低合金鋼工件的最終熱處理，以代替調(diào)質(zhì)處理，具有一定的綜合力學(xué)性能。

(4)用于過共析綱，可消除網(wǎng)狀二次碳化物，為球化退火作好組織上的準(zhǔn)備。圖5-2退火與正火的加熱溫度范圍示意圖

將鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上30~50℃，保溫一定時間，然后在水或油等冷卻介質(zhì)中快速冷卻，得到馬氏體等不穩(wěn)定組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火的主要目的是：把奧氏體化工件淬成馬氏體，獲得所需要的力學(xué)性能。淬火是鋼的最重要的熱處理工藝，也是鋼的主要強化方法?！?.3鋼的淬火一、淬火工藝

1.淬火溫度的選擇淬火溫度即鋼的奧氏體化溫度，原則是獲得均勻細(xì)小的奧氏體組織。亞共析鋼的淬火加熱溫度為：Ac3+30~50℃；過高會得到粗大的馬氏體組織，過低會保留未溶鐵素體，使鋼的強度硬度下降。過共析鋼的淬火加熱溫度為：Ac1+30~50℃；過高得到粗針狀馬氏體，引起嚴(yán)重變形，增大開裂傾向；過低則得不到馬氏體組織。3、淬火冷卻介質(zhì)為了得到馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度Vk。但是，冷卻速度快必然產(chǎn)生很大的淬火內(nèi)應(yīng)力，這往往會引起工件變形。2.保溫時間保溫時間是指工件裝爐后，爐溫升到淬火加熱溫度后所需保持的時間。保溫的目的是：①使工件透熱，即工件整個截面都達到規(guī)定的淬火加熱溫度；②完成加熱時的轉(zhuǎn)變過程，獲得所需成分的細(xì)晶粒奧氏體。生產(chǎn)中通常根據(jù)加熱設(shè)備與工件的有效厚度確定。

鋼的理想淬火方式是：只在鼻尖附近快冷，為了減少零件淬火時因快冷產(chǎn)生應(yīng)力而開裂或變形，在鼻尖以外溫度采用緩慢冷卻。不過目前生產(chǎn)中還沒有找到完全理想的淬火冷卻介質(zhì)。工業(yè)上最常用的冷卻介質(zhì)有水和油。水：主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。油：一般用作合金鋼和某些小型復(fù)雜碳素鋼件的淬火。圖5-3鋼的理想淬火冷卻曲線二、常用淬火方法圖5-4各種淬火方法的冷卻曲線示意圖(a)單液淬火(b)雙液淬火(c)分級淬火(d)等溫淬火1.普通淬火(單液)法將淬火零件放入到一種淬火冷卻介質(zhì)中，連續(xù)冷卻到室溫的淬火冷卻方式。容易實現(xiàn)機械化、自動化，故廣泛應(yīng)用。2.雙液淬火法將工件先在水中淬火，防止工件發(fā)生珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，待工件表面溫度接近Ms點時，從水中取出，投入油中冷卻，在油冷過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這種淬火冷卻方式稱為雙液淬火。3.分級淬火(熱浴淬火)法將奧氏體化后的高溫工件迅速投入溫度略高于Ms點的鹽浴或堿浴中，等溫停留一段時間(以不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn))，使工件內(nèi)外溫度均勻，然后取出空冷，這種淬火冷卻方式稱為分級淬火。優(yōu)點是應(yīng)力小，變形??；但由于鹽浴或堿浴冷卻能力不大，只適宜形狀復(fù)雜的小零件。4.等溫淬火將奧氏體化后的高溫工件迅速投入溫度略高于Ms點的鹽浴中，停留足夠時間，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，然后取出空冷，這種淬火冷卻方式稱為等溫淬火。獲得的下貝氏體具有較高的硬度、強度，同時具有良好的塑韌性。

回火是將淬火鋼件加熱到臨界點Ac1以下的某一溫度，保溫一段時間(1~3h)，然后以適當(dāng)方式冷卻(通常是空冷)至室溫，以獲得所需組織和性能的熱處理工藝。一、回火的主要目的(1)降低零件脆性，消除或降低內(nèi)應(yīng)力，以防止工件開裂和變形；(2)調(diào)整工件的內(nèi)部組織和性能，以滿足工件的使用要求；(3)減少或消除殘余奧氏體，以穩(wěn)定工件尺寸；(4)改善加工性能。§5.4鋼的回火二、淬火鋼在回火時發(fā)生的轉(zhuǎn)變鋼淬火后，得到的馬氏體和參與奧氏體組織是不穩(wěn)定的，存在著向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向。回火加熱可加速這種自發(fā)轉(zhuǎn)變過程?；鼗鹂煞譃樗膫€階段：第一階段(200℃以下):馬氏體分解—回火馬氏體；第二階段(200~300℃):殘余奧氏體分解；第三階段(250~400℃):碳化物的轉(zhuǎn)變—回火托氏體；第四階段(400℃以上):滲碳體的聚集長大與α相的再結(jié)晶—回火索氏體或回火珠光體。三、回火種類及應(yīng)用(1)低溫回火在150~250℃之間進行，回火后組織為回火馬氏體。目的是在保持高強度、高硬度的前提下，降低鋼的淬火內(nèi)應(yīng)力，減小其脆性。主要用來處理刀具、量具、冷作模具、滾動軸承和滲碳件等。(2)中溫回火在350~500℃之間進行，回火后組織為回火屈氏體。中溫回火后具有最高的彈性極限和足夠的韌性。主要用來處理各種彈簧，也可用于處理要求高強度的工件，如刀桿、軸套等。(3)高溫回火在500~650℃之間進行，回火后組織為回火索氏體。

淬火+高溫回火的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理后工件既具有較高的強度，又具有良好的塑性和韌性，即具有高的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)處理廣泛用于要求高強度并受沖擊或交變負(fù)荷的重要工件，如連桿、軸等。圖5-5碳鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系

鋼的表面熱處理§6.1表面火焰淬火

鋼的表面淬火分為感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火等。一、表面火焰淬火的原理火焰加熱表面淬火是一種利用乙炔—氧氣或煤氣—氧氣混合氣體的燃燒火焰“將工件表面迅速加熱到淬火溫度”隨后以浸水和噴水方式進行冷卻“使工件表層轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而心部組織不變的工藝方法。二、表面火焰淬火的應(yīng)用優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作方便，成本低，工件大小不受限制，特別適用于大型工件、單件和小批量生產(chǎn)；缺點：淬火硬度和淬透性深度不易控制，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定，常取決于操作工人的技術(shù)水平和熟練程度，生產(chǎn)效率低，只適合單件和小批量生產(chǎn)。常用于軋鋼機齒輪、軋輥、礦山機械齒輪、軸、普通機床導(dǎo)軌、齒輪等零件。一、感應(yīng)淬火的原理

將工件放在通有交變電流的感應(yīng)圈內(nèi)，感應(yīng)圈周圍的交變磁場會使工件產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流，稱為渦流?！?.2表面感應(yīng)淬火

工件上產(chǎn)生的感應(yīng)電流在工件截面上的分布是不均勻的，在工件表面電流密度最大，心部幾乎沒有電流通過，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。鋼本身具有電阻，由于集膚效應(yīng)，是工件表面迅速達到淬火溫度而心部溫度不變。二、感應(yīng)加熱的頻率選用1)高頻感應(yīng)加熱淬火采用電子管式高頻設(shè)備，工作頻率通常為200~300kHz，可獲得0.5~2mm厚的硬化層，一般用于處理中小模數(shù)齒輪和小軸。2)中頻感應(yīng)加熱淬火生產(chǎn)上采用機械式中頻發(fā)電機組或可控硅變頻器，可提供頻率為1000、2500或8000Hz的電流，能獲得2~10mm厚的硬化層，主要用于大模數(shù)齒輪、較大尺寸的軸、鋼軌軌端及軌面全長淬火。3)工頻感應(yīng)加熱淬火工頻感應(yīng)加熱是采用工業(yè)上常用的50Hz工頻電流，因而只需降壓變壓器。能獲得10~20mm厚的硬化層，主要用于深層和穿透加熱，如大工件的表面淬火、鍛件的穿透加熱等。三、感應(yīng)加熱表面淬火的特點

1、感應(yīng)加熱是靠工件表面層感應(yīng)電流直接加熱，因而加熱效率高，加熱速度快(可達1000℃/秒)，無保溫過程。

2、雖然感應(yīng)加熱表面淬火的加熱溫度高，但由于加熱速度快，無保溫過程，故能獲得細(xì)晶粒奧氏體，淬火后得隱晶馬氏體，工件表面硬度高(比普通淬火高2~3HRC)，氧化、脫碳少。

3、感應(yīng)加熱表面淬火后，淬硬的表面層中存在很大的殘余壓應(yīng)力，有效地提高了工件的疲勞強度。由于不是整體加熱，淬火冷卻時，工件的變形小。

4、感應(yīng)加熱表面淬火生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)機械化、自動化。四、感應(yīng)加熱表面淬火用鋼中碳鋼和中碳合金鋼，如40鋼、45鋼、40Cr、40MnB等。V表V心Vk五、鋼的淬透性1.鋼的淬透性和淬硬性

淬透性是指鋼在淬火冷卻時獲得馬氏體組織的能力。它是鋼的固有屬性，反映了鋼在淬火時獲得馬氏體組織的難易程度。其大小通常用一定條件下淬火后鋼的淬透層深度來表示。同樣形狀和尺寸的工件，用不同的鋼材制造，在相同條件下淬火，淬透層越深，其淬透性越好。鋼的淬透性主要決定于臨界冷卻速度。速度越小，過冷奧氏體越穩(wěn)定，鋼的淬透性就越好。V表V心Vk圖6-3淬透層深度與冷卻速度

淬硬性：鋼淬火時的硬化能力，用淬成馬氏體可能得到的最高硬度表示?！Q于馬氏體中的C%。淬透性和淬硬性是兩個概念，淬硬性好的鋼，淬透性不一定好。如碳素工具鋼淬火后硬度很高，但淬透性不好；某些低碳合金鋼，淬硬性不高，但淬透性很好。2.淬透性測定方法1)按材料C曲線位置判定C曲線位置右移，鋼的淬透性越大。2)借臨界淬透直徑評定鋼材在某中介質(zhì)中淬火后,心部得到全部馬氏體或50%馬氏體組織時的最大直徑稱為臨界直徑。臨界直徑越大,表明鋼的淬透性越高。

測定方法：把被測鋼制成的不同直徑的圓形棒按規(guī)定條件進行淬火，然后垂直軸線截斷，沿直徑方向測定硬度。3)末端淬火法測定試驗方法：將試樣加熱到規(guī)定的淬火溫度后，從試樣末端噴水冷卻。沿試樣長度方向測出各種冷卻速度的不同組織與硬度，繪制出淬透性曲線。4圖6-5末端淬火法示意圖圖6-6末端淬火法硬度曲線3.淬透性對鋼力學(xué)性能的影響零件淬透后，整個截面各處性能均勻一致。而未淬透部分的組織和性能均不均勻，力學(xué)性能明顯下降，使零件承受載荷的能力大大下降。圖6-7淬透性對鋼回火后力學(xué)性能的影響

1)鋼的化學(xué)成分一般來說，在亞共析鋼中，淬透性隨著含碳量增加而增加；而在過共析鋼中，含碳量>1.2%時，淬透性隨含碳量增加而明顯下降。除Co外，大多數(shù)合金元素都能顯著提高鋼的淬透性。

2)奧氏體化條件奧氏體化溫度升高，保溫時間越長，奧氏體經(jīng)歷粗大，成分均勻，碳化物溶解徹底，過冷奧氏體越穩(wěn)定，從而提高淬透性。4.影響淬透性的因素凡能增加過冷奧氏體穩(wěn)定性的因素，均能增加鋼的淬透性。5.影響具體零件有效淬透深度的因素1)鋼的淬透性越大，零件的有效淬透深度也越大；2)淬火介質(zhì)的冷卻能力越大，零件的有效淬透深度越大；3)零件的體積越大，有效淬透深度越?。?)零件不同部位和形狀對冷卻速度有很大的影響。5)零件表面粘附塑料、銹斑或污物，會影響冷卻速度，使該處淬硬層淺。6.淬火缺陷及其防治措施1)變形與開裂—淬火時零件中引起的內(nèi)應(yīng)力是造成變形和開裂的根本原因。2)氧化和脫碳—鋼在氧化介質(zhì)中加熱時，氧原子與零件表面或晶界的鐵原子形成FeO的現(xiàn)象稱為氧化；在介質(zhì)中加熱，使鋼中溶解的碳形成CO或CH4而降低含碳量的現(xiàn)象稱為脫碳。3)過熱和過燒—零件在熱處理時，如果加熱溫度過高或在高溫下保溫時間過長，引起奧氏體晶粒顯著長大，這種現(xiàn)象稱為過熱。如果加熱溫度過高，使鋼的晶界嚴(yán)重氧化或熔化，這種現(xiàn)象稱為過燒。4)硬度不足和軟點—硬度不足是指工件上較大區(qū)域內(nèi)的硬度達不到技術(shù)要求；軟點是指工件內(nèi)許多小區(qū)域的硬度不足。5)防止措施合理選擇剛才與正確設(shè)計零件結(jié)構(gòu)?！x擇淬透性好的鋼；采用合理的熱處理工藝；采用正確的浸入淬火介質(zhì)方式；淬火后及時回火。

鋼的化學(xué)熱處理

鋼的化學(xué)熱處理是將鋼件放在一定溫度的化學(xué)活性介質(zhì)中，使一種或幾種元素的原子滲入鋼件表面，以改變鋼件表面層的化學(xué)成分，從而獲得預(yù)期的組織和性能的熱處理過程?；瘜W(xué)熱處理過程包括分解、吸收、擴散三個基本過程。與表面淬火相比，化學(xué)熱處理的主要優(yōu)點是：(1)表面強化效果極為顯著；(2)可獲得某些特殊的性能，如抗蝕性、抗高溫氧化性以及極高的耐磨性?；瘜W(xué)熱處理的種類很多，都以滲入鋼中的元素命名，如滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。

將低碳鋼件放入增碳活性介質(zhì)中，在900~950℃加熱保溫，使活性碳原子滲入鋼的表面以達到高碳，這種熱處理工藝稱為滲碳。由于滲碳工件心部要求具有較高的韌性，因此滲碳用鋼是含碳量為0.15~0.25%的低碳鋼或低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等，根據(jù)滲碳介質(zhì)狀態(tài)的不同，滲碳工藝有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳三種。其中應(yīng)用最廣泛的是氣體滲碳。1.滲碳方法(1)氣體滲碳法最常用的氣體(煤油、苯、甲醇等高溫分解的混合氣(