金屬材料組織形式、特點和性能的控制

1、金屬材料組織形式、特點和性能的控制 單元5 1第二章 金屬材料組織和性能的控制2.1 純金屬的結(jié)晶凝固：液態(tài)L固態(tài)S S可以是非晶體。結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)過渡為另一種原子 規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程。 一次結(jié)晶：LS晶態(tài)二次結(jié)晶：SS晶態(tài)一、純金屬結(jié)晶的條件1 純金屬冷卻曲線液態(tài)金屬在結(jié)晶時的溫度時間曲線 過冷度理論結(jié)晶溫度 和實際結(jié)晶溫 度之差。 2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 2T = T0Tn 冷速越快，過冷度越大過冷指液態(tài)金屬實際 冷卻到結(jié)晶溫度 以下而暫不結(jié)晶 的現(xiàn)象。2 純金屬結(jié)晶的條件F TTFF固F液F= F固F液0 結(jié)晶驅(qū)動力 自然界的自發(fā)過

2、程進行的熱力學(xué)條件都是F0只有當(dāng)液體的過冷度達(dá)到一定的大小，使結(jié)晶的動力F大于建立界面所需要的表面能時，結(jié)晶過程才能開始進行。自由能溫度2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 33、純金屬的結(jié)晶過程2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 4.形核自發(fā)形核 非自發(fā)形核 .長大平面長大 樹枝狀長大結(jié)晶過程 2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 52.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 6二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc) 139491213941538912-Fe-Fe(fcc）a

3、-FeT時間770居里點以純鐵為例-Fe(fcc) a-Fe(bcc)鐵的體積會膨脹12.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 7純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.金屬材料組織和性能的控制 2.1 純金屬的結(jié)晶 單元5 8三、晶粒尺寸的控制 （1）晶粒度單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度（或直徑）表示 （2）過冷度對形核一長大的影響過冷度T提高，N提高、G提高過冷T太高，N降低、G降低（3）控制晶粒度的因素提高過冷度變質(zhì)處理在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。振動，攪拌等2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 1一、合金相圖類型

4、相圖是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。平衡是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各項的成分和相對質(zhì)量不在變化所達(dá)到的一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間而改變。（一）二元合金的結(jié)晶2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元62 根據(jù)結(jié)晶過程中出現(xiàn)的不同類型的結(jié)晶反應(yīng)，可把二元合金的結(jié)晶過程分為下列幾種類型。1. 發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶2. 發(fā)生共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 如Pb-Sn合金相圖3. 發(fā)生包晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相圖4發(fā)生共析反應(yīng)的合金的結(jié)晶2.金屬材料組織和性能的控制

5、2.2 合金的結(jié)晶 單元6 3發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 Cu-Ni相圖為典型的勻晶相圖，合金發(fā)生勻晶反應(yīng) ：L,從液相中逐漸結(jié)晶出固溶體。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 42. 發(fā)生共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 如Pb-Sn合金相圖 由一種液相在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫共晶反應(yīng)。生成的兩相混合物叫共晶體。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 53. 發(fā)生包晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相圖包晶反應(yīng)：c+ Ld 一種固相和液相結(jié)晶出另外一種固相，發(fā)生包晶反應(yīng)時三相共存，他們的成分確定，反應(yīng)在恒溫下平衡地進行。2.

6、金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 64發(fā)生共析反應(yīng)的合金的結(jié)晶 由一種固相轉(zhuǎn)變成完全不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固相，此兩相混合物稱為共析體。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 7（二）合金的性能與相圖的關(guān)系1.合金的使用性能與相圖的關(guān)系 固溶體的性能與溶質(zhì)元素的溶入量有關(guān)，溶質(zhì)的溶入量越多，晶格越大，合金的強度、硬度越高，電阻越大。合金的某些性能可按組成相性能依質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系疊加的辦法求出。 例如硬度：HB=HB()+HB() 對組織較敏感的某些性能如強度等，與組成相或組織成物的形態(tài)有很大關(guān)系。組成相或組織組成物越細(xì)密，強度越高。但形成化合物時，則在性能-成

7、分曲線上于化合物成分處出現(xiàn)極大值或極小值。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 82.合金的工藝性能與相圖的關(guān)系合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系： 純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對澆注和鑄造質(zhì)量越有利。合金的液、固相線溫度間隔大時，形成枝晶偏析的傾向性大；同時先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙為結(jié)晶液體的流動，而降低其流動性，增多分散縮孔。所以，鑄造合金常選共晶或接近共晶的成分。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元6 9合金的鍛造性能與相圖的關(guān)系： 合金為單相組織時變形抗力小，變形均勻，

8、不易開裂，因而變形能力大。雙相組織的合金變形能力。雙相組織的合金變形能力差些，特別是組織中存在有較多的化合物相時更是如此，因為他們都很脆。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 1二、 鐵碳合金組織（一）、Fe-Fe3C相圖的組元 1Fe組元性能特點強度低、硬度低、韌性、塑性好2Fe3C （ Cem， Cm）性能特點熔點高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零?？估瓘姸萣=180230MPa延伸率=30 50斷面收縮率=70 80ak=1.6 102 10 J/66硬度 50HB80HB抗拉強度b=30MPa硬度 800HB=0=0ak=0（二）、Fe-Fe3C相圖中的相和組織2.金屬

9、材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 21液相L2相 高溫鐵素體 （C固溶到 Fe中的間隙式固溶體）3相 鐵素體F （C固溶到 -Fe中的間隙式固溶體）強度、硬度低、塑性好 （室溫：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4相、A奧氏體 （C固溶到-Fe中的間隙式固溶體）強度低，易塑性變形5Fe3C性能特點熔點高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 36珠光體 P （鐵素體和滲碳體的共析混合物）抗拉強度b=770MPa延伸率= 20 35斷面收縮率=40 60ak=3 104 10 J/55硬度 180HBA F+F

10、e3C 或A P7277277萊氏體 高溫萊氏體 Le（奧氏體和滲碳體的共晶混合物）L1148Le低溫萊氏體 Le硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 42.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 5（三）、分析Fe-Fe3C相圖2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 92.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元7 102.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 1（三）、分析Fe-Fe3C相圖2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 22.金屬材料組織和性能的控制 2.2

11、 合金的結(jié)晶 單元8 4基于Fe-Fe3C相圖的Fe-C合金分類1工業(yè)純鐵，C%=0.0218%2鋼0.0218%C%= 2.11%亞共析鋼 0.0218%C%0.77%共析鋼 0.77%過共析鋼 0.77%C%= 2.11%3白口鑄鐵2.11%C%6.69%亞共晶白口鑄鐵 2.11%C%4.3%共晶白口鑄鐵 4.3%過共晶白口鑄鐵 4.3 %C%F+P-PdP+Fe3CII-P+Fe3CII+Le-Le-Le+Fe3CII-Fe3C2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 7F F+P P P+Fe3CII P+Fe3CII+LeLe Le+Fe3CII Fe3C2.含碳量組

12、織HB：取決于相及相對量3.含碳量性能C%HB 強度：C% 0.9% 塑性、韌性：C%塑性、韌性2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 8鐵碳合金相圖的建立2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 9鐵碳合金加熱冷卻轉(zhuǎn)變2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 10（六）、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1、在鋼鐵選材方面的應(yīng)用2、在鑄造工藝方面的應(yīng)用3、在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用4、在熱處理工藝方面的應(yīng)用2.金屬材料組織和性能的控制 2.2 合金的結(jié)晶 單元8 11鐵碳合金相圖練習(xí)題一、 名詞解釋 相圖 鐵素體 奧氏體 珠光體 滲碳體 二、間答題1、

13、合金結(jié)晶有哪些類型？各自的結(jié)晶特征？2、按鐵碳相圖，鐵碳合金如何分類？其中三種鋼室溫組織 是什么？3、含碳量為、三種鋼在700 770、 900時分別各為何組織？4、計算一下50鋼和T10鋼在室溫下 HBS、 、 數(shù)值？b 5、隨鋼中含碳量增加，其機械性能如何變化？其原因？2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 1一、金屬材料的塑性變形1、單晶體的塑性變形 單晶體塑性變形的基本方式滑移和孿生 （1）滑移 在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對的滑動滑移的特點： 滑移只在切應(yīng)力作用下發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力大小

14、不同。 滑移是晶體內(nèi)部位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果。并非是晶體兩部分沿 滑移面作整體的滑動。2.3 金屬的塑性加工2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 22.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 3 滑移造成的晶體總變性量是原子間距的整數(shù)值，不引起晶格位向的變化。 滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向進行。 滑移系（滑移面和該面上的一個滑移方向），滑移系數(shù)目，材料塑性；滑移方向，材料塑性。如FCC和BCC的滑移系為12個，HCP為3個，F(xiàn)CC的滑移方向多于BCC，金屬塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。 滑移時晶體伴

15、隨有轉(zhuǎn)動。金屬材料塑性變形的實質(zhì)：金屬塑性變形實質(zhì)上是以滑移和孿生兩種形式通過位錯運動來進行的。 2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 4一、金屬材料的塑性變形（2）孿生在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變。 金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對稱關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或?qū)\晶。孿生借助于切變進行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進行時發(fā)生. 孿生原子移動的相對位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值. FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生，BCC金屬僅在室溫或受沖擊時發(fā)生。HCP金屬較容易發(fā)

16、生孿生。 2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 52、多晶體的塑性變形多晶體由許多晶粒組成，各個晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。細(xì)晶強化通過晶粒細(xì)化使強度提高、塑性提高、韌性提高，硬度提高的現(xiàn)象。強化原理晶界原子排列較不規(guī)則缺陷多滑移阻力大。晶粒越細(xì)小，則晶界越多，變形抗力越大，則強度越大。晶粒越細(xì)小，單位體積晶粒多變形分散減少應(yīng)力集中 晶粒越細(xì)小，晶界多不利于裂紋的傳播斷裂前承受較大的塑性變形，則塑性越好。 由于晶粒越細(xì)小，強度越高，塑性越好，所以斷裂時需要消耗較大的功。因而韌性也較好。2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元9 63、塑性變

17、形對金屬組織和性能的影響（1）塑性變形對金屬組織的影響 形成纖維組織 形成亞結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生形變織構(gòu)（2）塑性變形對金屬性能的影響 產(chǎn)生加工硬化加工硬化金屬發(fā)生塑性變形,隨變性度的增大，其強度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。如：冷軋薄鋼板 冷拔鋼絲等。 由于纖維組織和形變織構(gòu)的產(chǎn)生，使金屬性能產(chǎn)生各向異性。使金屬晶體缺陷增多，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力。變性、開裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強度2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 1 單元10 二、塑性變形后金屬在加熱時組織和性能的變化1、回復(fù) T回復(fù)=（.3）T熔點回復(fù)使塑變后金屬的強度和硬度略有下降，塑性增高，但殘余應(yīng)力大大

18、降低。變化應(yīng)用工業(yè)上利用回復(fù)過程對變形金屬進行去應(yīng)力退火來降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元10 22、再結(jié)晶 T再=（.4）T熔點 變形后金屬在較高溫度加熱時，由于原子擴散能力增大，變形和破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，該過程稱為再結(jié)晶 。變化再結(jié)晶使塑變后金屬的強度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，殘余應(yīng)力完全消除，加工硬化現(xiàn)象被消除。，應(yīng)用工業(yè)上利用再結(jié)晶過程對變形后金屬進行再結(jié)晶退火來消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬的塑性和韌性。以利于后面的變形加工。3、晶粒長大2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑

19、性加工 3 單元10 三、金屬材料的熱加工和冷加工1、金屬材料的熱加工及其對組織和性能的影響熱加工在金屬再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。如鋼熱鍛和熱軋，但熱加工后不產(chǎn)生加工硬化。思考題：其原因是什么？熱加工對金屬組織和性能的影響： 能消除鑄態(tài)金屬中的各種缺陷，均勻組織，提高性能，尤其塑性和韌性。 能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，細(xì)化晶粒，提高機械性能。 能形成纖維組織，并改善其流向，使性能的方向性有利于零件使用的需要。2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 4 單元10 2、金屬材料的冷加工及其對組織和性能的影響冷加工在金屬再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工。如鋼冷軋、冷拔、冷沖。

20、冷加工后產(chǎn)生加工硬化。思考題：其原因是什么？冷加工對金屬組織和性能的影響： 能產(chǎn)生加工硬化，提高強度和硬度，塑性和韌性下降。 是重要的 強化手段，對不能熱處理強化的合金尤其重 要。但增加繼續(xù)塑性變形的抗力。2.金屬材料組織和性能的控制 2.3 金屬的塑性加工 單元10 52.3 金屬的塑性加工 練習(xí)題、名詞解釋回復(fù) 再結(jié)晶加工硬化熱加工 冷加工二、簡答題1、金屬塑性變形的主要方式和實質(zhì)?滑移孿生2、什么是細(xì)晶強化？其強化原理？3、回復(fù)和再結(jié)晶對塑性變形后金屬性能帶來什么影響?在工業(yè)上如何應(yīng)用？4、鋼熱鍛和熱軋后是否產(chǎn)生加工硬化？為什么？5、鋼經(jīng)冷軋等冷加工后是否產(chǎn)生加工硬化？加工硬化產(chǎn)生的原因

21、？6、為何面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性好？7、熱加工對金屬組織和性能有何影響？2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 1鋼熱處理基本原理一、鋼在加熱時轉(zhuǎn)變 大多數(shù)熱處理工藝都要將鋼加熱到臨界溫度以上，獲得全部或部分奧氏體組織，即進行奧氏體化，加熱時形成的奧氏體的質(zhì)量，對冷卻轉(zhuǎn)變過程及組織.性能有極大的影響。1. 奧氏體的形成 通常將加熱時的臨界溫度標(biāo)為；冷卻時標(biāo)為。 共析鋼（T8）的室溫平衡組織為珠光體，當(dāng)加熱到Ac1以上時，珠光體將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。奧氏體轉(zhuǎn)變過程：奧氏體晶核的形成；奧氏體晶核的長大；剩余滲碳體的溶解及奧氏體成分的均勻化四個基本過程。2.金屬材料組

22、織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 22. 影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素（1）加熱溫度隨加熱溫度的提高，碳原子擴散速度增大，奧氏體化速度加快。（2）加熱速度加熱速度越快過熱度越大，發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度越高，轉(zhuǎn)變所需時間就越短。（3）鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，滲碳體量增多，鐵素體和滲碳體的相界面增大，因而奧氏體的核心增多，轉(zhuǎn)變速度加快。（4）合金元素鈷.鎳等加快奧氏體化過程；鉻.鉬.釩等減慢奧氏體化過程；（5）原始組織原始組織中滲碳體為片狀時奧氏體形成速度快。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 33. 奧氏體的晶粒度及其影響因素 鋼的奧氏體晶粒大小直接影響冷卻所得組

23、織和性能。奧氏體晶粒細(xì)時，退火后所得的組織亦細(xì)，則鋼的強度.塑性.韌性較好。而淬火后得到的馬氏體也細(xì)小，因而韌性得到改善。 生產(chǎn)中一般采用標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級圖，由比較的方法來測定鋼的奧氏體晶粒大小。晶粒度通常分8級，14級為粗晶粒度，58級為細(xì)晶粒度。 鋼加熱到930*C+-10*C.保溫8小時.冷卻后測得的晶粒度叫本質(zhì)晶粒度?？杀硎緤W氏體晶粒長大的傾向。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 4影響奧氏體晶粒度的因素： 加熱溫度和保溫時間溫度高，時間長促進奧氏體晶粒長大。 鋼的成分碳含量增高時，晶粒長大的傾向增多。鋼中加入能形成穩(wěn)定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有

24、利于得到本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 5二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 等溫處理 將鋼迅速冷卻到臨界點以下給定溫度，進行保溫，使其在該溫度下恒溫轉(zhuǎn)變。 連續(xù)冷卻 將鋼以某種速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點以下變溫連續(xù)轉(zhuǎn)變。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 61.過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼過冷奧氏體的溫度轉(zhuǎn)變過程和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物可用其等溫轉(zhuǎn)變曲線圖來分析。該曲線可簡稱為C 曲線。轉(zhuǎn)變分如下三個區(qū)域。高溫轉(zhuǎn)變（在A1550之間）組織名稱符號轉(zhuǎn)變溫度范圍硬度放大倍數(shù)珠光體PAc1650170200HB500索氏體S6506002535HRC1000屈

25、氏體T6005503540HRC2000 中溫轉(zhuǎn)變550 Ms之間 (過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體型組織)550350 為上貝氏體。上B呈羽毛狀，強度和韌性都較差。350Mf為下貝氏體。為黑色針狀，硬度高，韌性好，具有較高的綜合機械性能。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 7 低溫轉(zhuǎn)變Ms點以下 （過冷奧氏體冷卻到Ms點以下后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變） 馬氏體M碳溶于Fe中的過飽和固溶體。過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是一種非擴散型轉(zhuǎn)變，形成速度很快，其轉(zhuǎn)變不是徹底的，要殘留少量的奧氏體。馬氏體形成時體積膨脹,在鋼中造成很大的內(nèi)應(yīng)力,嚴(yán)重時將使被處理的零件開裂。 馬氏體的形態(tài)有板條狀和針狀(

26、或稱片狀)兩種.其形態(tài)決定于奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù).碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%以下時,基本上是板條狀馬氏體(亦稱低碳馬氏體), 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%1.0%之間時，為板條馬氏體和針狀馬氏體的混合結(jié)構(gòu)。當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%時,則大多數(shù)是針狀馬氏體. 馬氏體的硬度很高，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，馬氏體的硬度越高。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 82.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 共析鋼過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變，其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線又稱TTT曲線。 臨界冷卻速度鋼能獲得馬氏體的最小冷卻速度。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元11 9轉(zhuǎn)變過程及產(chǎn)物：緩慢冷卻時過冷A將轉(zhuǎn)變

27、為珠光體，呈粗片狀，硬度為170HB220HB。稍快速度冷卻時過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，為細(xì)片狀組織，硬度為25HRC35HRC。采用油冷時得到的組織為屈氏體+馬氏體+殘余奧氏體。硬度為45HRC55HRC?？焖俣壤鋮s時奧氏體將過冷到M。點以下，得到的組織是馬氏體+殘余奧氏體。 綜上所述，剛在冷卻時，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物根據(jù)其轉(zhuǎn)變溫度的高低可分為高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物珠光體、索氏體、屈氏體，中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物上貝氏體、下貝氏體，低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物馬氏體等幾種。隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度增高，而韌性的變化則較為復(fù)雜。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 12.4.2 退火和正火一、退火 將組

28、織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得接近碰橫狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做退火。 據(jù)處理的目的和要求不同，剛的退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火和去應(yīng)力退火等等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 21. 完全退火 又稱重結(jié)晶退火，是把鋼加熱至以上2030，保溫一定時間后緩慢冷卻（隨爐冷卻或埋入石灰和砂中冷卻）。以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。目的: 通過完全重結(jié)晶，使熱加工造成的粗大、不均勻的組織均勻化和細(xì)化，以提高性能。由于冷卻速度緩慢，還可能消除內(nèi)應(yīng)力。應(yīng)用：主要用于亞共析鋼，過共析鋼不宜采用。2.金屬材料組

29、織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 32. 等溫退火 是將鋼件或毛坯加熱到高于Ac的溫度保溫適當(dāng)時間后，較快地冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度，并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。目的：與完全退火相同但轉(zhuǎn)變較易控制，能獲得均勻的預(yù)期組織；對于奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，長可大大縮短退火時間。應(yīng)用：奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，尤其高合金鋼。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 43. 球化退火使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝目的: 是使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化(退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎),以降低硬度,改善切學(xué)加工性能;并為以后的淬火作組織準(zhǔn)備.應(yīng)

30、用：用于過共析鋼,如工具鋼,滾珠軸承鋼等,2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 54. 擴散退火 將其加熱到略低于固相線的溫度，長時間保溫并進行緩慢冷卻的熱處理工藝。 擴散退火的加熱溫度一般選定在鋼的熔點以下100200，保溫時間一般為10h15h。加熱溫度提高時，擴散時間可以縮短。 擴散退火后鋼的晶粒很大，因此一般再進行完全退火或正火處理。目的和應(yīng)用：為減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學(xué)成分和組織不均勻性。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 65.去應(yīng)力退火 為消除鑄造、鍛造、焊接和機加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應(yīng)力而進行的低溫退火，去應(yīng)力

31、退火是將鋼件加熱至低于的某一溫度（一般為500650），保溫，然后隨爐冷卻，這種處理可以消除約50%80%的內(nèi)應(yīng)力，不引起組織變化。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 7二、正火鋼材或鋼件加熱到Ac和Accm以上，保溫適當(dāng)時間后，在自由流動的空氣中均勻冷卻的人處理稱為正火。正火后的組織：亞共析鋼為F+S，共析鋼為S,過共析鋼為S+Fe3C。 正火與完全退火的主要差別在與冷卻速度快些，目的是使鋼的組織正?；?，所以亦稱?；幚?，一般應(yīng)用于以下方面：2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元12 81. 作為最終熱處理 正火可以細(xì)化晶粒，使組織組織均勻化，減少亞共

32、析鋼中鐵素體含量，使珠光體含量增多并細(xì)化，從而提高鋼的強讀、硬度和韌性。對于普通結(jié)構(gòu)鋼零件，機械性能要求不很高時，可以正火作為最終熱處理。2. 作為預(yù)先熱處理 截面較大的合金結(jié)構(gòu)鋼件，在淬火或調(diào)質(zhì)處理前長進行正火，以消除魏氏組織和帶狀組織，并獲得細(xì)小而均勻的組織。對于過共析鋼可減少二次滲碳體量，并使其不形成連續(xù)網(wǎng)狀，為球化退火作組織準(zhǔn)備。3. 改善切削加工性能 低碳鋼或低碳合金鋼退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切學(xué)加工性能。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 12.4.3 淬火和回火一、淬火 將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時間，然后快速冷卻以獲

33、得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是鋼的最重要的強化方法。1. 淬火工藝(1) 淬火溫度的選定 一般情況下，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac以上共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 2(2) 加熱時間的確定 加熱時間包括升溫和保溫兩個階段。通常以裝爐后爐溫達(dá)到淬火溫度所需時間為升溫階段，并以此為保溫時間的開始。保溫階段指鋼件溫度均勻并完成奧氏體化所需的時間。(3) 淬火冷卻介質(zhì) 水、鹽水適用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。 機油和柴油一般用作為合金鋼的淬火介質(zhì)。 鹽浴、堿浴和硝鹽浴常用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小、變形要求嚴(yán)格

34、的工具等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 3(4) 淬火方法 單介質(zhì)淬火法采用一種介質(zhì)冷卻，操作簡單，易實現(xiàn)機械化，應(yīng)用較廣。缺點是水淬變形開裂傾向大；油淬冷卻速度小，淬透直徑小，大件淬不硬。 雙介質(zhì)淬火和分級淬火能有效的減少熱應(yīng)力和相變英里，降低工件變形和開裂的傾向，所以可用于形狀復(fù)雜和截面不均勻的工件的淬火。 等溫淬火大大降低了鋼件的內(nèi)應(yīng)力，減少變形，適用于處理復(fù)雜和精度要求高的小件，如彈簧、螺栓、小齒輪、軸及絲錐等，也可用于高合金鋼較大截面零件的淬火。其缺點是生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 4二、回火 鋼件淬

35、火后，為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能，將其加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫回火。 淬火綱一般不宜直接使用，必須進行回火。這是因為第一淬火后得到的是性能很脆的馬氏體，并存在有內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生變形和開裂；第二，淬火馬氏體和殘余奧氏體艘是不穩(wěn)定組織，在工作中會發(fā)生分解，導(dǎo)致零件尺寸的變化，而這對精密零件是不允許的，第三，為了獲得要求的強度，硬度，塑性和韌性，以滿足零件的使用要求。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 5根據(jù)回火溫度的高低，一般將回火分為三種：（1）低溫回火（150-250） 低溫回火后，組織為極細(xì)的e 碳化物和低過飽和

36、度a固溶體， 形態(tài)基本不變。 即為：回火馬氏體+殘余奧氏體。 低溫回火的目的 是降低淬火應(yīng)力，提高工件的韌性，保證淬火后的高硬度和高耐磨性。 應(yīng)用 主要用于處理各種高碳鋼工具、模具、滾動軸承以及滲碳和表面淬火的零件。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元13 6（2）中溫回火（350-500） 得到鐵素體基體與大量彌散分布的細(xì)粒狀的混合組織，叫做回火屈氏體。 中溫回火的目的 獲得回火屈氏體。因為回火屈氏體具有高的彈性極限和屈服強度，同時也具有一定的韌性，硬度一般為35HRC-45HRC。 應(yīng)用 主要用于處理各種彈簧及需要高屈服強度的零件。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼

37、的熱處理 單元13 7（3）高溫回火（500-650） 組織為再結(jié)晶等軸F+粗粒狀Fe3C，稱為回火索氏體 S。高溫回火的目的：獲得良好的綜合機械性能。 淬火+高溫回火調(diào)質(zhì)處理應(yīng)用 適用于承受各種復(fù)雜載荷的重要的機械零件。如軸類件、齒輪類件等回火溫度與機械性能的關(guān)系： 200以下，HRC不變。200-300，M分解，殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度降低不大，高碳鋼硬度有一定的升高。300，HRC降低。韌性：400度開始升高，600最高。 彈性極限：在300-400最高。塑性：在600-650最高。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 12.4.4 鋼的表面熱處理 僅對鋼的表面加熱

38、、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝稱為表面熱處理，也叫表面淬火。種類: 有感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱和電解加熱等表面熱處理，最常用的是前兩種。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 2 感應(yīng)加熱表面熱處理 感應(yīng)加熱的基本原理 感應(yīng)線圈通以交流電時，即在其內(nèi)部和周圍產(chǎn)生一與電流相同頻率的交變磁場。把工件置于磁場中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生電阻熱。由于交流電的集膚效應(yīng)，感應(yīng)電流，靠近表面的電流密度大，而中心幾乎為零。電流滲入工件表層的深度，與電流頻率有關(guān)。對于碳鋼：=500/f 式中，為電流透入深度（mm），f為電流頻率（Hz）。 f愈大，電流透入深度愈小，加熱層也愈薄

39、，不同頻率，可得到不同的淬硬層深度。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 3 感應(yīng)加熱淬火方法種類a. 高頻淬火（1050KHz）:適用于淬硬層0.5mm2mm 的小工件，如：機床齒輪，小銷等。b. 中頻淬火（100010000Hz）：適用于淬硬層2mm 15mm 的中大型工件，如軸類件。c. 工頻淬火（50Hz）：適用于淬硬層15mm以上的大型工件，如軋輥等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 4 感應(yīng)加熱適用的鋼種 中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB鋼等。這類鋼經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后表面淬火，心部保持較高的綜合機械性能，而表面具有較高的

40、硬度（50HRC）和耐磨性。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元14 5 感應(yīng)加熱淬火工藝特點表面淬火組織為細(xì)隱晶馬氏體。表面硬度高，比一般淬火高2HRC3HRC，且脆性較低。表面淬火可提高工件的疲勞強度。加熱速度快，沒有保溫時間，效率高，工件氧化脫碳少，淬火變形也小。加熱溫度和淬硬層厚度容易控制，便于實現(xiàn)機械化和自動化?？蓪崿F(xiàn)連續(xù)加熱、一次加熱和局部加熱淬火。其缺點是設(shè)備較貴，形狀復(fù)雜的零件處理較困難。 感應(yīng)加熱后，采用水、乳化液或聚乙稀醇水溶液噴射淬火，淬火后進行180200低溫回火，以降低淬火應(yīng)力，并保持高硬度和高耐磨性。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理

41、 單元14 62. 火焰加熱表面熱處理 火焰加熱表面淬火，是用乙炔-氧或煤氣-氧等火焰加熱工件表面，進行淬火。 火焰加熱表面淬火設(shè)備簡單，操作靈活，成本低等優(yōu)點。但生產(chǎn)率低，零件表面存在不同程度的過熱，質(zhì)量不穩(wěn)定。因此主要適用于單件、小批量生產(chǎn)及大型零件（如大型齒輪、軸、軋錕等）的表面淬火。 2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 12.4.5 鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理過程。 種類：滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。 作用：提高鋼件表層的耐磨性

42、、耐蝕性、抗氧化性能以及疲勞強度等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 2化學(xué)熱處理基本過程：介質(zhì)的分解加熱時介質(zhì)分解，釋放出欲滲入元素的活性原子；表面吸收分解出的活性原子在鋼件表面被吸收并溶解，超過溶解度時還能形成化合物；原子擴散溶入元素的原子在濃度梯度的作用下由表及里擴散，形成一定厚度的擴散層。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 3滲碳 鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表層工藝稱為滲碳。滲碳目的：增加低碳鋼表層的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和獲得一定碳濃度梯度，（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.0%）,再經(jīng)過淬火和回火處理。提高表面的硬度、耐磨性和疲勞強度，而使心部仍

43、保持良好的韌性和塑性。應(yīng)用：用于承受大的交變接觸應(yīng)力、嚴(yán)重磨損和較大沖擊載荷的零件，例如各種齒輪、活塞銷、套筒等。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 4 滲碳方法氣體滲碳 將工件在密封的滲碳爐中，加熱到900950，向爐內(nèi)滴入易分解的有機液體（如煤油、苯、甲醇等），或直接通入滲碳?xì)怏w（如煤氣、石油液化氣等），通過下列反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子，使鋼件表面滲碳：2COCO2+C CO2+H2H2O+CCnH2nnH2+nC CnH2n+2（n+1）H2+nC 氣體滲碳的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，勞動條件好，滲碳過程中可以控制，滲碳層的質(zhì)量和機械性能較好。此外，還可進行直接淬火。2.金屬材

44、料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 5 滲碳工藝 滲碳溫度一般采用900950。滲碳時間則決定于滲層厚度的要求。在900滲碳，保溫1h，滲碳厚度為，保溫4h，滲層厚度可達(dá)1mm。零件的滲碳層厚度，決定于其尺寸及工件條件，一般為。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 6 滲碳后的熱處理直接淬火 工藝簡單，效率高，成本低，脫碳傾向小，淬火馬氏體較粗，殘余奧氏體也較多，耐磨性較低，變形較大，適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼和耐磨性要求不太高和承載低的零件。一次淬火 滲碳緩慢冷卻后，重新加熱淬火。對于心部組織要求高的合金滲碳鋼，一次淬火的加熱溫度略高于心部的Ac3使其晶粒細(xì)化，并得到低碳馬氏體組織；適用于受載不大但表面性能要求較高的零件。二次淬火 只用于表面高耐磨性和心部高韌性的零件。 滲碳、淬火后進行低溫（150200）回火，以消除淬火應(yīng)力和提高韌性。2.金屬材料組織和性能的控制 2.4 鋼的熱處理 單元15 72. 氮化 氮化