1、第六章 金属材料热处理基本原理钢的热处理工艺特种热处理有色金属热处理 基本原理热处理定义热处理的依据钢在加热过程中的组织转变钢在冷却时的转变马氏体相变与马氏体热处理是将固态金属或合金采用适当的方式加热、保温和冷却，以获得所需的组织与性能的工艺 热处理定义 热处理的三要素 目的 应用 温度、时间、冷却速度 成分、组织结构、性能 目的应用 液态金属成形 压力加工成形 焊接过程 机械加工 提高使用性能、强度、韧性 铸态组织热处理消除偏析非晶组织热处理纳米晶相加工硬化热处理减小（消除）应力 热影响区（过热区）高速钢钻头（硬、耐磨）如高速钢，结构钢飞机起落架：800MPa10200MPa20减重300%
2、重量差4倍热处理是提高强度的主要方法热处理的依据相图相变相图相区和相结构包晶转变，共晶转变，共析转变三条线，A1，A3，Acm举例说明，45#钢，共析钢，纯Fe变温下的相转变体心，面心，体心“同素异构转变”相变温度变化时，相结构发生变化，组织组成发生变化，从而决定着材料的性能。相变的条件：热力学条件，动力学条件，相变晶体学条件，相变温度，过冷度，冷却速度copper-aluminum phasediagram钢在加热过程中的组织转变Fe+Fe3C片层结构图说明共析钢如何转变成奥氏体奥氏体的形核，碳浓度不同，结构不同Fe3C的溶解，奥氏体核长大成分均匀化过程奥氏体晶粒长大Fe(0.02%C)+F
3、e3C(6.69%C)(0.77%C)体心 正交 面心（粗大的奥氏体晶粒将要降低热处理后材料的性能） 亚共析钢 过共析钢珠光体 奥氏体先共析铁素体奥氏体珠光体 奥氏体过共析Fe3C 奥氏体后续课程中将再学奥氏体转变动力学曲线，奥氏体晶粒度及其影响因素钢在冷却时的转变冷却速度的确定及其对性能的影响讲解等温冷却时过冷奥氏体，从12点时组织发生变化钢在冷却时的转变 过冷奥氏体的等温转变 C曲线 TTT图分析 影响TTT图的因素 亚共析钢的等温转变 共析钢的连续冷却转变过冷奥氏体的等温转变 C曲线（TTT曲线）实验方法：盐浴炉中（不同温度）保温不同时间试样淬火显微观察奥氏体开始转变时间孕育期炉中奥氏体
4、化TTT图分析孕育期，鼻尖处最短过冷度增大，自由能差增大，形核容易,孕育期短；低温时C扩散慢，孕育期长。C曲线上半部分，过冷度起主要作用，转变逐渐变快；C曲线下半部分，扩散慢，相变慢。三种类型固态相变（a）高温转变（A1至550） 珠光体转变A1（727650）珠光体（粗珠光体片2502000nm） （650600）索氏体（细珠光体片） 屈氏体 （3080nm）（b）中温转变（C曲线凸点至Ms之间） 贝氏体转变 形态已不能形成片状结构，极细的渗碳体分布在针状铁素体中（上贝） 或铁素体和碳化物的复相组织（下贝）（c）低温转变，马氏体转变 因温度太低，C原子无法扩散这里充分强调晶粒细化对性能的影响
5、！不同温度转变的组织形态的一致性和特点！影响TTT图的因素 碳含量的影响 合金元素的影响 奥氏体化条件随C含量增加，亚共析钢右移，过共析钢左移，共析钢处于最右边最稳定所有溶入奥氏体中的合金元素，都增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，仅Co、Al元素使C曲线左移成分越均匀，C曲线右移亚共析钢的等温转变 亚共析钢的C曲线往左移过冷奥氏体不稳定 上部多一条转变线共析钢的连续冷却转变 图4.8图4.9特点：往右，往下，只有上半部分 不同冷却速度下的组织结构 临界冷却速度马氏体相变与马氏体 马氏体相变热力学 马氏体相变动力学和晶体学 马氏体性能马氏体相变是一种无扩散的切变型相变共析钢 AMMs以下面心
6、立方 0.77%体心正方 0.77%马氏体相变热力学G0G= -GAM +GS +GE Fe 0.0218%C，高碳时，c/a更大，易开裂马氏体相变动力学和晶体学无扩散相变，切变方式，相变速度非常快，不是靠马氏体长大，而是生形成新晶核马氏体性能高强，高硬，高应力和体积变化，引起开裂钢的热处理工艺 退火 正火 淬火 回火退火 均匀化退火 完全退火 不完全退火（球化退火） 再结晶退火 去应力退火温度，时间，缓慢冷却消除铸造中凝固偏析，通过扩散完成。高温时间长，当然晶粒长大。A3以上3050，时间为热均匀，缓冷目的：降低硬度，提高塑性温度为再结晶温度，消除加工硬化，去应力，以便进一步塑性变形 过共析
7、钢(共析钢) A1+(2040)目的使网状渗碳体球化，改善加工性能回复处理，只是去应力，但保持加工硬化的硬度正火A3以上3050，保温，空气冷却细化晶粒，提高强度和塑性，可以作为终处理(a)退火组织 （b）正火组织淬火 淬火工艺参数的确定 淬火介质的选择，淬火方式 钢的淬透性（如何测量？） 合金元素在淬火中的作用加热A3(亚共析钢)或A1 (过共析钢)线以上，保温(奥氏体化)，快速冷却得到马氏体组织，高强度，高硬度，通过回火，在低温下扩散分解得到极细小的Fe+Fe3C的两相组织，具有高强度高塑性，韧性好！淬火工艺参数的确定 加热温度 淬火保温时间 淬火冷却速度亚共析钢A3以上30-50共析钢、
8、过共析钢 A1以上2040 过共析钢如果渗碳体全部溶解，则含碳量高C曲线左移，奥氏体 不稳定，临界冷却速度加快，易开裂 高含碳量c/a值大，易开裂（相变体积变化大） 先共析渗碳体球化提高强度 细化奥氏体晶粒，从而细化马氏体晶粒原因：亚共析钢，让先铁素体全部转变成奥氏体，并使成分均匀化，淬火 后，没有先共析铁素体相，材料强度高，性能均一。保证零件各部分达到温度即可 冷速过大，会加大内应力和开裂淬火介质的选择，淬火方式盐水、冰水最快 水 常用 油 适中(较慢) 熔盐单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火钢的淬透性指钢在淬火时获得马氏体层深度的能力。工程上规定从表面达到50%马氏体层的深度解释 不同深度冷
9、却速度不同，表面快，芯部慢，芯部不易得到马氏体淬透性大小决定冷却速度冷却速度，以及工件全部被淬透的尺寸合金元素在淬火中的作用大尺寸如果选择高冷却速度，马氏体，开裂！加入合金元素，使C曲线右移，提高淬透性，降低冷却速度减小开裂 。等元素回火 低温回火 中温回火 高温回火马氏体分解，但在低温下分解，获得细小组织，提高性能温度时间冷却速度低温回火（150250） 组织为马氏体，过饱和碳部分析出 形成FexC材料硬度仍旧很高，适合工具、刀具、量具等中温回火（350500）回火屈氏体，极细小的铁素体和球状渗碳体提高弹性和韧性，主要为弹簧钢等高温回火（500650）回火索氏体（较小的铁素体和球状渗碳体混合
10、物）良好的力学性能（高强度，高塑性，高韧性）重要零件如曲轴，连杆，齿轮等特种热处理 钢的表面淬火 化学渗碳、氮、金属 形变热处理钢的表面淬火 高频感应加热，火焰加热 表面很硬，耐磨，芯部有韧性，承受载荷 如轴套化学渗碳、氮、金属 化学渗碳、氮、金属，提高表面硬度改善表面性能 在高温下，通过扩散渗，改变表面成分，高碳马氏体很硬，低温回火，从而改善性能，渗金属，抗氧化性等形变热处理 将变形强化（加工硬化）和热处理强化结合起来的形变热处理工艺 e.g.轧制后立即淬火处理 晶粒轧碎细化 加工硬化强度、塑性、韧性均提高有色金属热处理 通过淬火获得饱和固溶体，再时效使过饱和固溶体中溶质弥散析出，提高强度！ 依据 相图中固溶体的溶解度随温度变化大 温度 时间 冷却速度 时效处理（扩散分解） 温度： 固溶温度到室温差的1525% 时效时间的影响 先析出提高性能 后聚集长大，性能降低铝合金的固溶与时效处理固溶 Al-Cu合金：CuAl2相晶界析出，将塑性基体隔开，塑性差 淬火后得到过饱和Al，温度稍提高，但塑性 提高，CuAl2相溶解时效： GP1区 Cu原子富集，共格，畴变，阻碍位错运动 强度提高 GP2区 有序化，但共格，畴变增加，强度提高 相 名义CuAl2相，非完全共格，应力场减小， 强度下降 相 稳定CuAl2相，非共格，形成界面，强度、 硬度进一步下降
