1、 James P. SchafferJames P. SchafferThe Science and Design of Engineering MaterialsThe Science and Design of Engineering Materials(Second Edition)(Second Edition)D. R. Askeland and P. P. PhuleD. R. Askeland and P. P. Phule The Science and Engineering of Materials The Science and Engineering of Materi
2、als (Fourth Edition)(Fourth Edition)组织转变动力学与显微组织组织转变动力学与显微组织The Science and Design of Engineering MaterialsNanjing University一天过完，不会再来。一天过完，不会再来。Chapter 8Nanjing University8.18.1引言引言 对于相变对于相变 转变是以什么过程开始的？转变是以什么过程开始的？ 这一过程进行的速度有多快？这一过程进行的速度有多快？ 各种因素如温度、压力或存在的杂质对各种因素如温度、压力或存在的杂质对 转变有什么影响？转变有什么影响？ 转变形成
3、的相的稳定性如何？转变形成的相的稳定性如何？ 转变机制对微观组织和性质有何影响？转变机制对微观组织和性质有何影响？Chapter 8Nanjing University 相图隐含着一个假设：即所研究系统相图隐含着一个假设：即所研究系统中的各相皆处于热力学平衡状态。中的各相皆处于热力学平衡状态。 一般情况，材料无论在生产或者使用一般情况，材料无论在生产或者使用时，都并非处于平衡状态。时，都并非处于平衡状态。 本章阐明相变的动力学。本章阐明相变的动力学。Chapter 8Nanjing University8.2 8.2 组织转变的基本特征组织转变的基本特征Chapter 8Nanjing Uni
4、versity 液体液体固体固体 不会发生应变或者对相变过程发生影响不会发生应变或者对相变过程发生影响 固体固体固体固体 相变阻力相变阻力 对相变过程的了解，有阻于我们在适当的时间对相变过程的了解，有阻于我们在适当的时间范围内获得最佳综合性能的热处理工艺。范围内获得最佳综合性能的热处理工艺。Chapter 8Nanjing University相变的驱动力相变的驱动力Chapter 8Nanjing University 形核规律形核规律 形核方式有两种：形核方式有两种： 均匀形核均匀形核( (新相晶核在母相内自发地形成新相晶核在母相内自发地形成) )； 非均匀形核非均匀形核( (新相晶核在母
5、相与外来夹杂的新相晶核在母相与外来夹杂的相界面处优先形成相界面处优先形成) )。 工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行，但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研行，但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固究晶体材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固态相变的基础。态相变的基础。Chapter 8Nanjing University 相界面 界面能Chapter 8Nanjing University两条假设两条假设 原子团与液体间界面的能量为各向同性原子团与液体间界面的能量为各向同性 单位表面的界面能与
6、固相尺寸无关。单位表面的界面能与固相尺寸无关。相的均匀形核相的均匀形核Chapter 8Nanjing University1.1.均匀形核的能量条件均匀形核的能量条件 在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由能的变化包括能的变化包括 （1 1）转变为固态的那部分体积引起的自由能下降）转变为固态的那部分体积引起的自由能下降 （2 2）形成晶胚新表面引起的自由能的增加）形成晶胚新表面引起的自由能的增加假设单位体积自由能的下降为假设单位体积自由能的下降为 G Gv v(G Gv v0) 0) ，晶胚，晶胚假设为球体，其半径为假设为球体，其半径为r r
7、 , ,则晶胚形成时体系自由能则晶胚形成时体系自由能的变化为的变化为: : VSLGrrrG3234)4()(Chapter 8Nanjing University形核导致的能形核导致的能量变化与形成量变化与形成相半径的关系相半径的关系. .Chapter 8Nanjing University 临界形核半径随着过冷度加大而减小临界形核半径随着过冷度加大而减小THTrvESL)2(*2223*1316THTGvESL形核过程中的能垒形核过程中的能垒Chapter 8Nanjing University2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learnin
8、g, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Chapter 8Nanjing University晶胚的最大尺寸随过冷度增大而增大，临界晶核半径、晶胚尺寸与过冷度的关系金属的结晶倾向很大，液体金属不易达到很大的过冷度， N与T的关系如右图所示，T不大时,N很小，但达到有效形核温度时，N急剧上升，这个有效形核温度值约为0.2Tm(K)。Chapter 8Nanjing University8.2.4 8.2.4 相的非均匀形核相的非均匀形核 使用孕育剂控制相变使用孕育剂控制相变 人工降雨人工降雨 球墨铸铁球墨
9、铸铁 TiOTiO2 2作为硅玻璃的形核晶体作为硅玻璃的形核晶体Chapter 8Nanjing University不同浸润特性的固液界面不同浸润特性的固液界面Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing UniversitycosLSMSLMLSMSLMcos)()(homfGGhel与均匀形核表达式相比，可以看出，两者仅差一个系数 在（0，）之间（2-3cos+cos3 ）恒小于1即非均匀形核功很小，在很小的T下即可形核。而且，角越小，润湿越好，则 越小。越易生核 。 总之，非均匀形核比均匀生核容易。 Chapter 8Nanjing Unive
10、rsityChapter 8Nanjing University8.2.5 8.2.5 基体基体/ /析出物的内界面析出物的内界面共格界面：结构材料共格界面：结构材料Al/LiAl/Li合金合金Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University 半共格界面：飞机铝合金和喷气发动机的半共格界面：飞机铝合金和喷气发动机的NiNi基合金基合金Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University非共格界面：钢中析出非共格界面：钢中析出F
11、eFe3 3C CChapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University8.2.6 新相的长大Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University8.3 8.3 相变在工程材料上的应用相变在工程材料上的应用Chapter 8Nanjing University8.3.1 8.3.1 钢中的相变钢中的相变 热处理热处理：钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速钢在固态下，通过加热、保温并以一定的速度冷却到室温度冷却到室温 ，以改变钢的内
12、部组织，从而获得所，以改变钢的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。需性能的一种工艺方法。 热处理的目的：热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。通过改变组织达到改变性能的目的。 热处理的过程：热处理的过程：任何一种热处理都要经过加热，保温，任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，冷却三个过程，因此，最高加热温度、保温时间、冷最高加热温度、保温时间、冷却速度却速度就成为热处理工艺的三大要素。就成为热处理工艺的三大要素。Chapter 8Nanjing University三个要素：1. 加热到预定的温度（最高加热温度）2. 在预定的温度下适当保温（保温时间），保温的时间
13、与工件的尺寸和性能有关；3. 以预定的冷却速度冷却（冷却速度）。冷却速度取决于所需的组织和性能。850温度空冷炉冷油冷时间(d,h，min)热处理工艺曲线的示意图Chapter 8Nanjing University1 常用的热处理分类 根据热处理的目的和工艺方法的根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为三大类：不同，热处理可分为三大类：普通热处理普通热处理：退火、正火、淬火、退火、正火、淬火、回火回火表面热处理表面热处理：表面淬火、化学热处：表面淬火、化学热处理（渗碳、渗氮等）理（渗碳、渗氮等）其他热处理其他热处理：形变热处理、超细化：形变热处理、超细化热处理、真空热处理、离子轰击热处
14、理、真空热处理、离子轰击热处理、激光热处理、电子束热热处理、激光热处理、电子束热处理等处理等Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University2. 2. 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 钢在室温下的组织钢在室温下的组织（即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况） ： 亚共析钢 F+P 共 析 钢 P 过共析钢 P+ Fe3C加热目的：使钢发生同素异晶转变（得到奥氏体A，消除铁素体F）Chapter 8Nanjing University过热度与过冷度过热度与过冷度 对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下对于加热：非平衡条件下的相变温
15、度高于平衡条件下的相变温度；的相变温度； 对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。的相变温度。 这个温差叫滞后度：加热转变这个温差叫滞后度：加热转变 过热度过热度 冷却转变冷却转变 过冷度，过冷度， 加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。从而使相变容易发生。 Chapter 8Nanjing University钢在加热和冷却时的相变临界点 实际相变温度与理论实际
16、相变温度与理论转变温度之间的关系转变温度之间的关系 平衡状态相变线：平衡状态相变线：A1A1、A3A3、AcmAcm 加热实际相变线：加热实际相变线：Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm 冷却实际相变线：冷却实际相变线：Ar1Ar1、Ar3Ar3、ArcmArcmChapter 8Nanjing University共析钢加热转变（奥氏体形成）过程温度：温度： 室温室温 Ac Ac1 1 F + Fe F + Fe3 3C AC A结构：结构： 体心体心 复杂复杂 面心面心含碳量：含碳量： 0.0218 6.69 0.770.0218 6.69 0.77Chapter 8Nanjing
17、 UniversityA形成过程组织转变示意图 1、奥氏体形核 （在 F / Fe3C相界面上形核） A 形形核核A 长长大大 2、奥氏体晶核长大 （F A晶格重构，Fe3C 溶解，C A中扩散）Chapter 8Nanjing UniversityA 成成分分均均匀匀化化4、奥氏体均匀化残残余余Fe3C溶溶解解 3、残余Fe3C溶解Chapter 8Nanjing University亚共析钢和过共析钢加热（亚共析钢和过共析钢加热（A A形成）过程的转变形成）过程的转变珠光体的转变：珠光体的转变： 亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先析相。其奥氏体亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先
18、析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，此转变过程同共的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，此转变过程同共析钢同。析钢同。先析相的溶解：先析相的溶解： 对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，PA；在AC1AC3的升温过程中，先析的F逐渐溶入A。即 P + F A + F A 对于过共析钢，平衡组织Fe3C+P，当加热到AC1以上时，PA；在AC1ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。 即P + Fe3C A + Fe3C A Chapter 8Nanjing University影响奥氏体形成速度的因素 （1）. 加热速度的影响 加热速度越快，奥氏
19、体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。（2）. 化学成分的影响 钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。 Chapter 8Nanjing University 钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。3.3.原始组织的影响原始组织的影响 钢中原
20、始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。Chapter 8Nanjing University3. 3. 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 过冷奥氏体过冷奥氏体高温时所形成的奥高温时所形成的奥氏体冷却到氏体冷却到A A1 1点以下尚未发生转变点以下尚未发生转变的奥氏体的奥氏体 。 冷却方式：等温冷却和连续冷却冷却方式：等温冷却和连续冷却 。 冷却方式不同、冷却速度不同，组冷却方式不同、冷却速度不同，组织转变的产物不同、钢的性能也不织转变的产物不同、钢的性能也不同
21、。同。Chapter 8Nanjing University(a)6550C (b)6000C珠光体显微组织Chapter 8Nanjing University(c)5340C (d)4870C珠光体显微组织Chapter 8Nanjing University共析合金在6800C保温时珠光体转变分数和时间的关系Chapter 8Nanjing University(a)4950C (b)4100C贝氏体显微组织Chapter 8Nanjing University共析钢过冷奥氏体等温冷却转变共析钢过冷奥氏体等温冷却转变 Chapter 8Nanjing University(1)(1)珠光
22、体型转变（高温转变）珠光体型转变（高温转变）珠光体型组成：F 和 Fe3C 片层的机械混合物转变温度范围与转变产物形态： A1650 ：珠光体 P 20HRc 650600 ：索氏体 S（细P） 600550 ：托氏体 T 40HRc （极细P又称屈氏体）珠光体性能： 珠光体片越细 HB，b且，kChapter 8Nanjing University珠光体组织特征图珠光体组织特征图(a)珠光体 (b) 索氏体(c)屈氏体Chapter 8Nanjing University(2)贝氏体转变（中温转变）贝氏体组成：贝氏体组成：F 和针状的和针状的Fe3C的机械混合物的机械混合物转变温度与转变产物
23、形态：转变温度与转变产物形态： 550350：上贝氏体（：上贝氏体（B上）上） 羽毛状组织羽毛状组织 塑性差，塑性差，40-45HRc 350230：下贝氏体（：下贝氏体（B下）下） 针片状组织针片状组织 （Ms） 综合性能好，综合性能好，45-50HRcChapter 8Nanjing University上贝氏组织特征图Chapter 8Nanjing University下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图Chapter 8Nanjing University(3)马氏体转变马氏体相变：马氏体相变： 无扩散的相变；相变取决于温度，与时间无关无扩散的相变；相变取决于温度，与时间无关马氏体转
24、变：马氏体转变： 过冷过冷A 单相单相 M（无渗碳体）（无渗碳体） - Fe - Fe马氏体组成：碳在马氏体组成：碳在- Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体 形态：形态： 低碳低碳 M（C1.0%) 片状片状 M 碳含量（碳含量（0.21.0%）混合混合 MChapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图Chapter 8Nanjing University高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8N
25、anjing University Fe-1.8%C 合金过冷后的马氏体转变 240CChapter 8Nanjing University Fe-1.8%C 合金过冷后合金过冷后的马氏体转的马氏体转变变 -600CChapter 8Nanjing University Fe-1.8%C 合金过冷后合金过冷后的马氏体转的马氏体转变变 -1000CChapter 8Nanjing Universityp硬度：硬度： 主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体的含碳量）体的含碳量） 低碳低碳M M（板条（板条M M）强而韧强而韧 高碳高碳M M（片状（片状M M）硬
26、而脆硬而脆p塑性和韧性：塑性和韧性： 低碳低碳M M 塑性、韧性好塑性、韧性好 高碳高碳M M 塑性、韧性差。塑性、韧性差。马氏体性能马氏体性能Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University含含C0.7%C0.7%的钢回火后的马氏体（球化体）显微组织的钢回火后的马氏体（球化体）显微组织Chapter 8Nanjing University共析钢过冷奥氏体连续冷却转变共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University 4 4 常见热处理工艺介绍常见
27、热处理工艺介绍 退火（退火（annealingannealing）和正火（）和正火（normalizingnormalizing）是生产上应用很）是生产上应用很广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，广泛的预备热处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。 钢的淬火（钢的淬火（quenchingquenching）与回火（）与回火（temperingtempering）是热处理工艺）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。中最重要、用途最广泛的工序。Chapter 8Nanjing University一、退火
28、一、退火 将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。称为退火。 常用的退火工艺有常用的退火工艺有完全退火、球化退火、扩散退完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火火、去应力退火等。等。 退火的主要目的在于调整和改善钢材的力学性能和工退火的主要目的在于调整和改善钢材的力学性能和工艺性能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提艺性能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提高塑性和韧性；消除内应力、为最终热处理做好组织高塑性和韧性；消除内应力、为
29、最终热处理做好组织准备准备 ），减少钢材化学成分和组织的不均匀性（扩），减少钢材化学成分和组织的不均匀性（扩散退火）。散退火）。 Chapter 8Nanjing University 把过共析钢加热到把过共析钢加热到Ac1Ac1以上以上20203030并保温后，以适当的并保温后，以适当的方式冷却，使钢中的网状碳化方式冷却，使钢中的网状碳化物球化，物球化，这种热处理工艺称为这种热处理工艺称为球化退火球化退火。( (从从A A中经共析反应中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出）呈球状析出） 主要用于过共析钢及合金工具钢的退火。由于过主要用于过共析钢
30、及合金工具钢的退火。由于过共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，共析钢中存在网状二次渗碳体，在切削加工时，对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状对刀具磨损很大，使切削加工性能变坏，而球状珠光体硬度低，节省刀具。珠光体硬度低，节省刀具。Chapter 8Nanjing University过共析钢热处理前的显微组织T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 Chapter 8Nanjing University 扩散退火（又称为均匀退火）扩散退火（又称为均匀退火）将工件加热到将工件加热到Ac3Ac3以上以上150-150-200200（1050-1150 1050-1150 ），长时间保
31、温（），长时间保温（10-15h)10-15h)后随炉缓冷。适后随炉缓冷。适用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，的不均匀性。但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般扩散退火仍需进行完全退火和正火。因此一般扩散退火仍需进行完全退火和正火。Chapter 8Nanjing University二、正火二、正火 将钢加热到将钢加热到Ac3Ac3或或AccmAccm以上以上30305050，保温，保温后在空气中冷却得到珠光体基体组织的热后在空气中冷却得到珠光体
32、基体组织的热处理工艺，称正火。处理工艺，称正火。 特点：特点： a)a)冷却速度比退火快，周期短、能耗少。冷却速度比退火快，周期短、能耗少。 b)b)组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。所提高。Chapter 8Nanjing University正火的主要目的:细化晶粒，提高强度，细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性改善切削加工性（避免（避免“粘刀粘刀”现象）现象） 。对过共析钢进行正火，可对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物减少或消除网状碳化物（二次（二次渗碳体），为球化退火做准备；渗碳体
33、），为球化退火做准备；取代部分完全退火取代部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少），（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢、对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。含碳较低的中碳钢可达到消除应力。可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热处理。热处理。Chapter 8Nanjing University三、淬火与回火三、淬火与回火 钢的淬火（钢的淬火（quenchingquenching）与回火（）与回火（temperingtempering）是热处理）是热处理工艺中最重要、用途最广泛的工序。工艺中最重要、用途最广泛的
34、工序。 通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度；通过淬火可以显著提高钢的强度和硬度； 通过回火可以消除淬火钢的残余内应力、稳定钢的组织；通过回火可以消除淬火钢的残余内应力、稳定钢的组织； 淬火和回火工艺是密不可分的。淬火和回火工艺是密不可分的。Chapter 8Nanjing University 淬火是将钢加热到淬火是将钢加热到Ac3Ac3或或Ac1Ac1以上以上30503050，保温后在，保温后在淬火介质中快速冷淬火介质中快速冷却，以获得马氏体却，以获得马氏体组织的热处理工艺。组织的热处理工艺。 目的：为了提高钢目的：为了提高钢的硬度和耐磨性的硬度和耐磨性 。Chapter 8Nanjing
35、University 亚共析钢必须加热到亚共析钢必须加热到Ac3Ac3以上，进行完全淬火。以上，进行完全淬火。这是这是因为亚共析钢如果在因为亚共析钢如果在Ac1 Ac3Ac1 Ac3之间加热，必然淬火时有一部之间加热，必然淬火时有一部分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在分铁素体保留在淬火组织中，粗大且较软的铁素体块分布在强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性。强硬的马氏体基体上，严重降低了钢的强度和韧性。 而过共析钢必须在而过共析钢必须在Ac1 AccmAc1 Accm之间加热，进行不完全之间加热，进行不完全淬火，使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳淬火，使淬火组织中保
36、留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒，以提高耐磨性。化物颗粒，以提高耐磨性。当加热温度高于当加热温度高于AccmAccm时，淬时，淬火会得到粗大马氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬度和火会得到粗大马氏体和过量残余奥氏体，这反而降低硬度和耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形甚至开裂耐磨性，增大脆性和淬火应力，使工件变形甚至开裂。Chapter 8Nanjing University 加热时间（包括零件的升温时间和保温时间）也是影加热时间（包括零件的升温时间和保温时间）也是影响淬火质量的因素之一。响淬火质量的因素之一。加热时间的确定受到加热速加热时间的确定受到加热速度、加热温度、钢材成分、零件形状和
37、尺寸、装炉方度、加热温度、钢材成分、零件形状和尺寸、装炉方式的影响。在生产上有许多计算加热时间的方法，其式的影响。在生产上有许多计算加热时间的方法，其中较常用的一种方法是中较常用的一种方法是当炉温到达淬火温度时，按工当炉温到达淬火温度时，按工件单位有效厚度的加热时间乘上工件的有效厚度来计件单位有效厚度的加热时间乘上工件的有效厚度来计算算。 例如：在箱式炉中，碳钢的单位有效厚度的加热时间例如：在箱式炉中，碳钢的单位有效厚度的加热时间为为1-1.3min/mm;1-1.3min/mm;合金钢合金钢1.5-2min/mm1.5-2min/mmChapter 8Nanjing University生产
38、中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）溶液和油。生产中常用的冷却介质分为是水、盐（碱）溶液和油。 （1 1）水的冷却能力很大，但易使工件变形和开裂，主要用于奥）水的冷却能力很大，但易使工件变形和开裂，主要用于奥氏体稳定性较差的碳钢。氏体稳定性较差的碳钢。 （2 2）盐（碱）水的冷却能力比水强，淬火后的工件硬度高而均）盐（碱）水的冷却能力比水强，淬火后的工件硬度高而均匀、表面光洁，但极易使工件变形和开裂且锈蚀。常用于形状简匀、表面光洁，但极易使工件变形和开裂且锈蚀。常用于形状简单、硬度要求高、尺寸变形要求不严的碳钢零件。单、硬度要求高、尺寸变形要求不严的碳钢零件。 （3 3）油冷却速度远小于水，有利
39、于减少工件的变形与开裂；但）油冷却速度远小于水，有利于减少工件的变形与开裂；但在在650650500500冷却能力差，容易造成碳素钢中奥氏体分解而淬不冷却能力差，容易造成碳素钢中奥氏体分解而淬不透。所以，油类冷却介质主要应用于过冷奥氏体比较稳定的合金透。所以，油类冷却介质主要应用于过冷奥氏体比较稳定的合金钢淬火。钢淬火。 Chapter 8Nanjing University常用淬火介质冷却能力比较常用淬火介质冷却能力比较淬火冷却介质淬火冷却介质冷却能力（冷却能力（C /SC /S）650500 650500 C C300200 300200 C C水（水（18 18 C C ）6006002
40、70270水（水（50 50 C C ）100100270270W WNaClNaCl10%10%的盐水溶液的盐水溶液（18 18 C C ）11001100300300W WNaOHNaOH10%10%的钠水溶液的钠水溶液（18 18 C C ）12001200300300肥皂水肥皂水3030200200矿物机油（矿物机油（1010号机油）号机油）1501503030Chapter 8Nanjing University 淬火钢一般不能直接使用。钢的淬火组织是淬火淬火钢一般不能直接使用。钢的淬火组织是淬火马氏体和残余奥氏体，都是不稳定组织，而淬火马氏体和残余奥氏体，都是不稳定组织，而淬火马氏
41、体又极脆，并存在很大的内应力，若不及时马氏体又极脆，并存在很大的内应力，若不及时回火，会使工件发生变形甚至开裂。回火，会使工件发生变形甚至开裂。 回火是将回火是将淬火钢淬火钢重新加热到重新加热到Ac1Ac1点以下某一温度点以下某一温度，保温后再冷却至室温的热处理工艺。保温后再冷却至室温的热处理工艺。Chapter 8Nanjing University根据回火温度的不同，回火方法主要有下列三种：1）低温回火低温回火（150250）：组织为回火马氏体，其目的是降低淬火应力和脆性，保持高硬度（HRC5564）和高耐磨性。常用于处理各种工模具以及渗碳淬火或表面淬火的工件。2）中温回火中温回火（350
42、500）：组织为回火托氏体，硬度HRC3545。中温回火的目的是具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的韧性和抗疲劳性，多用于各种弹簧和锻模等。Chapter 8Nanjing University3 3）高温回火高温回火（500650）：组织为回火索氏体，硬度HRC2535。特点是在保持较高强度的同时，具有较好的塑性和韧性。v调质处理：调质处理：淬火加高温回火的热处理又称为淬火加高温回火的热处理又称为调质处理，调质处理，广泛用于处理各类重要零件，例广泛用于处理各类重要零件，例如轴、齿轮、连杆、螺栓等。如轴、齿轮、连杆、螺栓等。Chapter 8Nanjing University8.3.2
43、过饱和固溶体的脱溶Al-CuAl-Cu相图和相图和Al-4% Cu Al-4% Cu 合金在冷却过程中的微观结构转变合金在冷却过程中的微观结构转变Chapter 8Nanjing University2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Chapter 8Nanjing University（a a）Cu-Ti Cu-Ti 合金中的魏氏组织合金中的魏氏组织( ( 420)420)；(b) Al-4% Cu(b
44、) Al-4% Cu合合金慢冷中形成的连续金慢冷中形成的连续析出相析出相 ( ( 500) 500)；(c) (c) 铜合金中在铜合金中在晶界处的析出相晶界处的析出相PbPb( ( 500). 500).Chapter 8Nanjing UniversityAl-CuAl-Cu合金时效处理合金时效处理2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.The magnesium-aluminum phase diagram
45、 is shown in Figure 11.11. Suppose a Mg-8% Al alloy is responsive to an age-hardening heat treatment. Design a heat treatment for the alloy.Design of an Age-Hardening Treatment2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Portion of
46、the aluminum-magnesium phase diagram.Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing UniversitySOLUTIONStep 1: Solution-treat at a temperature between the solvus and the eutectic to avoid hot shortness. Thus, heat between 340oC and 451oC.Step 2: Quench to room temperature fast enough to prevent the prec
47、ipitate phase from forming.Step 3: Age at a temperature below the solvus, that is, below 340oC, to form a fine dispersion of phase.8.3.3 合金的凝固和均匀化 晶内偏析：晶内偏析：由于在实际生产中冷却速度较快(不能保证平衡态),原子扩散迁移滞后于结晶, 相化学成分的均匀性得不到保证.这时就会出现在一个晶粒内,各处成分的不均匀现象. 冷却速度的影响冷却速度的影响 晶粒尺寸晶粒尺寸Chapter 8Nanjing University 成分对非平衡共晶数量的影响（a
48、）Al-2%Cu（b）Al-5%CuChapter 8Nanjing University冷却速度对铸态组织的影响Al-5%Cu（a）1oC/s（b）10oC/sChapter 8Nanjing University 冷却速度对一组铝合金晶粒尺寸的影响冷却速度对一组铝合金晶粒尺寸的影响Chapter 8Nanjing University8.3.4 回复和再结晶过程1 1 加工的分类加工的分类 冷加工冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。发生加工硬化。 热加工热加工：在再结晶温度以上的加工过程。：在再结晶温度以上的加工过程。（硬化、回复、（硬化、回复、
49、 再结晶。）再结晶。） 2 2 热加工温度：热加工温度：T T再再TT热加工热加工T70%）的金）的金属或合金，在属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体内能够完成再结晶的（再结晶体积分数积分数95%） 最低温度。最低温度。 高纯金属：高纯金属：T再再(0.250.35)Tm。2 经验公式经验公式 工业纯金属：工业纯金属：T再再(0.350.45)Tm。 合金：合金：T再再(0.40.9)Tm。 注：再结晶退火温度一般比上述温度高注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。Chapter 8Nanjing UniversityChapter 8Nanjing University8.3
50、.5 8.3.5 烧结烧结Chapter 8Nanjing University 烧结过程是一门古老的工艺。现在，烧结过烧结过程是一门古老的工艺。现在，烧结过程在许多工业部门得到广泛应用，如陶瓷、耐火程在许多工业部门得到广泛应用，如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含材料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含有烧结过程。烧结的目的是把粉状材料转变为致有烧结过程。烧结的目的是把粉状材料转变为致密体。密体。 研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化。研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化。对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得特别重要。特
