1、 熟知材料缺陷对热处理质量产生的影响；掌握常见合金的金相结构及特性、晶体缺陷与材料性能之间的关系；了解铁碳合金的组织转变机理、热处理工艺知识及特殊钢的热处理工艺。材料的外观缺陷主要有材料的氧化与脱碳、裂纹、结疤、麻点、分层、折叠、划伤、粘结、气泡、刮伤、表面夹杂和耳子等。材料的氧化与脱碳是材料在轧制过程中，在高温下与氧或二氧化碳、水蒸气、二氧化硫等氧化性气体相互作用的结果。材料的表面开裂缺陷是多种多样的，如以其开裂状况来分，有裂纹、发纹、结疤、龟裂、纵裂、网裂、节裂、劈裂、皮下气泡、分层、刮伤等表现形式。1.氧化与脱碳2.材料的表面开裂(1)裂纹裂纹是钢材表面及内部的开裂，其宽度和长度都较大，
2、一般为直线形，特征是有尖锐的根部或边缘。图1-1 1Cr11Ni2W2MoV钢轧棒原有径向裂纹导致锻造镦粗时开裂。图-锻裂时的横剖面图图-螺栓上的表面发纹，磁痕显示照片(2)发纹它开裂的宽度和长度都较小，一般也为直线形。(3)结疤指不均匀分布在金属材料表面呈舌状、指甲状或鱼鳞状的薄片，就像疖疤一样，也就是钢材表面粘结的形状不规则的凸起薄片。(4)龟裂锻件表面出现较浅龟裂，其形状如同龟壳上面的纹路，有时也称其为网裂。图-钢锻件网状裂纹图-钢锭中的气孔带入钢坯中形成的气泡(钢锻坯横向低倍照片)(5)皮下气泡金属材料的表面呈现无规律分布大小不等、形状不同、周围圆滑的小凸起、破裂的凸泡呈鸡爪形裂口或舌
3、状结疤，叫作气泡。(6)分层锻件金属局部不连续面分隔成两层或多层，其实质是钢材断面上未焊合的缝隙，它是钢锭中的裂纹、气泡，经轧制后表现出来的内部缺陷。(7)刮伤又叫划痕，在管材及冷拉材上的划痕叫划道，在钢丝上的划痕叫拉痕，一般呈直线形或弧形沟痕，通常可以看到沟底。(8)粘结金属板、箔、带在迭轧退火时产生的层与层间点、线、面的相互粘连。(9)耳子是指在型钢表面上与轧辊孔型开口处相对应的地方出现的顺轧制方向延伸的凸起部分，它是由于轧辊配合不当，或是轧钢时温度降低，宽度增大而造成的，叫作耳子。图-折叠纵剖面图()3.折叠图-折叠纵剖面图()4.其他表面缺陷其他表面缺陷如麻、凹坑、错位等，它们主要是影
4、响材料的尺寸精度。锻造比即锻造时变形程度的一种表示方法，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。1.材料的锻造比不足表-不同锻压比对钢疲劳极限的影响常见的非金属夹杂物按其来源分有两类：一类是冶炼浇注过程中，钢中气体与脱氧剂及合金元素物理化学反应的产物，一般为氧化物、硫化物、硅酸盐等。2.非金属夹杂物超标图-钢中夹杂物横向低倍照片内裂一般是指原材料中的白点、缩管残余及轴心晶间裂纹等缺陷,由于它们的存在或在后续加工时内裂发生变化，都会对机械零件的可靠性构成严重威胁。1)白点：又称发裂，它是钢中的内裂，是一种不允许存在的缺陷。图-德国的?钢棒材的白点横向低倍照片3.内裂2)缩孔残余：一般是由于
5、钢锭冒口部分产生的集中缩孔未切除干净，开坯和轧制时残留在钢材内部而产生的。图-钢圆饼形锻坯中心部位缩孔残余3)轴心晶间裂纹：轴心晶间裂纹是在钢锭凝固过程中产生的。轴心晶间裂纹的出现破坏了钢的连续性，虽然强度变化不大，但使断面收缩率和伸长率（未拉断）显著降低，因此它是一种不允许存在的缺陷。1)缩孔与疏松：铸件或钢锭冷却凝固时，体积要收缩，在最后凝固的部分因得不到液态金属的补充而会形成空洞状的缺陷。缩孔：钢液凝固时，由于体积收缩，在冒口端一般都存在缩孔。形成原因是钢锭凝固时体积收缩部分得不到及时补充，致使中心区形成宏观空洞。这是一种不允许的缺陷。4.缩孔与疏松、偏析、带状组织 疏松：铸铁或铸件在凝
6、固过程中，由于诸晶枝之间的区域内的熔体最后凝固而收缩以及放出气体，导致产生许多细小孔隙和气体而造成的不致密性。这种钢的组织不致密称为疏松。疏松可分为一般疏松和中心疏松。产生原因为：a钢液以树枝状晶的形式凝固时，枝晶间富集低熔点的杂质钢液在最后凝固时产生收缩。b.脱溶气体逸出产生孔隙。c.钢中非金属夹杂物经腐蚀脱落，从而留下孔隙。图1-11为35CrMo钢锻造后经7080的11盐酸水溶液热蚀照片。断口照片中的黑色部分即为疏松部位。呈黑色是因为该工件已经退火处理，使得疏松部位被氧化和渗入机油所致。图-钢锻造后经的盐酸水溶液热蚀照片2）偏析：合金金属内各个区域化学成分的不均匀分布现象称为偏析。产生偏
7、析的原因是钢的选择性结晶和铸锭时固相元素扩散不充分。偏析属于不能完全避免的缺陷，钢材中允许存在，但必须加以控制。根据偏析形成原因及表现形式的不同，一般可分为树枝状偏析、点状偏析及方形偏析等。树枝状偏析：它是选择结晶的结果。钢液在凝固结晶时，先形成树枝状晶轴，然后在一次晶轴上长出二次晶轴，依此类推，直至晶轴间的钢液全部凝固。但是，在实际生产中合金的冷却速度很快，远远达不到平衡的条件。因此，固、液二相中的扩散来不及充分进行，先后结晶出来的固相中较大的成分差别被保留下来。这种成分差别的存在，还造成结晶时固相以树枝状形态生长。因此，这种成分上的不均匀性被称为“树枝状偏析”或“枝晶偏析”。由于选择结晶和
8、元素扩散不充分，造成晶轴和晶间区域成分的不均匀。点状偏析：点状偏析是指在横向酸浸试样上出现的大小和形状不同、颜色灰暗的斑点，而在纵向酸浸试样上呈灰暗色的粗短条带。图-钢锻件模向低倍试片上的点状偏析经盐酸水溶液热蚀照片 方形偏析：在横向酸浸试样上呈现腐蚀较深并由密集的暗色小点组成且呈方形的偏析带叫做方形偏析。由于这种偏析基本上具有原钢锭横截面的形状，故又称锭型偏析。方型偏析的偏析带上的、及其他杂质的含量都比邻近部位的含量要高，它实际上是形偏析的横截面，因此，主要产生在钢锭的上半部，发生在柱状晶和中心等轴晶交界的区域上。严重的方形偏析将会影响钢的质量，易在轧制时产生夹层，并显著降低钢的伸长率(未拉
9、断)、断面收缩率和冲击韧性等性能指标。目前普遍认为，方形偏析是由于化学成分和物理质点的不均匀性造成的，其形成的直接原因是钢中的气体和非金属夹杂物含量高，或浇注温度高及钢锭断面过大等引起的。方形偏析属于允许存在的缺陷，有规定的合格级别。通常根据方框侵蚀的深度、孔洞的连续性和方框的宽窄来评定。方形偏析可以通过高温扩散退火的办法加以消除。但为了消除或减少方形偏析，根本途径还是提高钢液的纯洁度，缩短钢液的凝固时间，采用合理的锭模以及较大的压缩比等热加工。3)带状组织：热压力加工的钢锭，沿轧制方向可能出现两种组织交替、呈层状分布的情况，这种组织称为带状组织，图1-13为低碳钢中的带状组织。图-低碳钢中的
10、带状组织粗大组织是材料或毛坯在加热过程中，由于加热参数（如温度、加热时间）失控，使材料晶粒粗大，甚至产生过热、过烧等现象，粗大组织严重影响到材料或机械零件的使用性能，表现为强度和韧性的下降。图-钛合金锻制饼坯中的过热魏氏组织，低倍显示粗晶照片5.粗大组织()过热金属在热压力加工过程中因为加热温度过高，或者在较高温度下保持停留的时间过长，或者在急剧变形时强烈的内摩擦等引起变形热效应而导致金属内部的局部温度过高，这些都能产生过热现象，表现为金属的晶粒粗大，导致力学性能下降。()过烧金属在热压力加工过程中加热温度过高，甚至超过金属能承受的过热温度限制，除了会产生与过热相似的粗大晶粒和魏氏组织以外，最
11、主要的特征是将在晶界上发生氧化以及低熔点成分熔化的现象，破坏了晶粒间的结合力，使金属丧失塑性，在继续变形时即会导致开裂。多数金属元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、碳化物等化合物的形式存在于地壳之中。要想获得各种金属及其合金材料必须首先通过各种方法将金属元素从矿物中提取出来，接着对粗炼金属产品进行精炼提纯和合金化处理，然后浇注成锭，加工成材，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。根据金属材料生产工艺特点的不同可分为：火法冶金、湿法冶金、电冶金以及粉末冶金等。钢铁材料是由铁、碳及硅、锰、硫、磷等杂质元素组成的金属材料。由铁矿石等原料经高炉冶炼首先获得生铁，高炉生铁除了浇成铁锭，用于铸造工业
12、，获得铸铁件外，还可以用来炼钢。钢就是由生铁经高温熔炼降低其含碳量和清除杂质后而得到的。炼得的钢液，除少数浇成铸钢件以外，绝大多数都浇成钢锭，再经过轧制或锻压制成各种钢材（板材、型材、管材、线材等）或锻件，供进一步加工使用。图-钢铁材料生产过程示意图一般金属在矿石中以氧化物或硫化物等化合物的形式存在，用还原剂（如焦炭，CO等）将其还原为金属的过程，称为冶炼。(1)炼铁的原料及其作用炼铁的原料主要由铁矿石、燃料和熔剂三部分组成。1)铁矿石：铁矿石是提供铁元素的主要物质，常用的铁矿石有磁铁矿(Fe3O4)和赤铁矿(Fe2O3)两种，铁矿石中除了含铁的氧化物以外，还含有脉石(SiO2、Al2O3)和
13、硫、磷等杂质元素。.炼铁2)燃料：炼铁的主要燃料是焦炭。3)熔剂：常用的熔剂主要是石灰石(CaCO3)，其作用是与矿石中的脉石及燃料中的灰分互相作用，生成熔点低、流动性好和密度小的熔渣，以便将铁分离出来。(2)高炉炼铁过程为了使铁矿石中的铁和氧分离，必须把铁从氧化物中还原出来，因此炼铁的过程，实质上就是还原过程。图-高炉炼铁示意图(3)高炉产品1)铸造生铁：主要是灰铸铁，用于铸造工业。2)炼钢生铁：主要是白铸铁，用作炼钢的原料。另外高炉的副产品是煤气和炉渣，煤气是良好的燃料，炉渣可制成建筑材料，用途广泛。将冶炼得到的金属（生铁）进一步去除杂质，提高纯度的过程称为精炼。(1)炼钢过程炼钢是在15
14、001700的高温下进行的，把炉料熔化成液体，然后吹入空气、氧气或加入铁矿石，氧化炉料中的碳及其他杂质元素，使生铁中的碳及硅、锰、硫、磷形成氧化物和硫化物，以气体或炉渣的形式被排除。.炼钢(2)炼钢方法炼钢有转炉、平炉和电弧炉三种主要设备。图-炼钢过程流程图表-三种炼钢方法的热源、原料特点与产品(3)钢的脱氧方法根据钢液的脱氧程度不同，可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三类。)沸腾钢：钢液在熔炼末期仅用锰铁进行脱氧，钢液中残留的氧较高，在浇注时放出大量的CO气体，而使钢液沸腾。)镇静钢：钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分脱氧，钢液在钢锭模内平静地凝固，不产生CO气体，这样生产的钢叫镇静钢。)半镇
15、静钢：半镇静钢是脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢两者之间的钢。钢液炼成后，除少数直接铸成铸件外，绝大部分都要浇注成钢锭，然后轧成各种钢材。这是一种传统的浇注方法，它是把钢液经过浇注系统从下部或者直接从上部注入金属锭模内，待其冷凝后脱模，得到金属铸锭。1.模铸法连铸法是把钢液连续不断地注入一个铜质水冷结晶器中，强制冷却结晶成一定厚度的结晶外壳后，由引锭装置以适当的速度从结晶器中拉出，再继续喷水冷却至完全凝固，定尺切割成钢坯供轧材使用。钢材是钢锭或钢坯通过压力加工制成我们所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。2.钢材的生产1.钢材的概念2.连铸法冶炼成的各种钢液，直接用来铸成钢件的为数甚少，而大部分钢液是
16、要浇注成钢锭，然后把钢锭再制成不同形状、规格和尺寸的各种钢材，才能供直接使用。(1)轧制即将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙(各种形状)，因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，即金属坯料在两个回转轧辊的孔隙中受压变形，以获得各种产品的加工方法，轧制生产所用的坯料主要是金属锭。合理设计轧辊上的不同的孔型（与产品截面轮廓相似），可以轧制出各种不同形状的材料，如钢板、型材和无缝管材等，也可以直接轧制出毛坯或零件。(2)锻造即利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料改变成我们所需的形状和尺寸的一种压力加工方法。(3)拉拔是将已经轧制的金属坯料(型、管、制品等)通过模孔拉拔成截面减小、长度
17、增加的加工方法，大多用作冷加工。多数情况是在冷态下进行拉拔加工，所得到的产品具有较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度值，所以拉拔通常是轧制或挤压的后步工序，用以提高产品质量。(4)挤压是将金属放在密闭的挤压模内，一端施加压力，使金属从规定的模孔中挤出而得到有同形状和尺寸的成品的加工方法，即金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。(5)板料冲压板料冲压是指金属板料在冲模之间受压力产生分离或变形的加工方法，冲压属于板料成形。压力加工按成形时的受力和变形方式分类见表1 3。表-压力加工按成形时的受力和变形方式分类 化学成分是决定金属材料性能和质量的主要因素，因此通过化学分析法来确定金属材料的组
18、成成分，就显得尤其重要。()重量分析法采用适当的分离手段，使金属中被测定元素与其他成分分离，然后用称重法来测定被测元素含量。()容量分析法用标准溶液(已知浓度的溶液)与金属中被测元素完全反应，然后根据所消耗标准溶液的体积计算出被测元素的含量。化学分析前，首先要选取供检验的样品，称为试样。为了检验结果准确，所选取的试样一定要对所鉴定的金属具有代表性。选取试样的过程大致是这样的，首先用钻、锯、刨等方法直接从材料上取得粉末状试样，称为原始试样；将原始试样经加工、缩分，获得中间试样；然后将原始试样或中间试样再缩分成少量具有代表性的送验试样。根据合金元素之间相互作用的不同，合金的金相结构可分成固溶体和金
19、属化合物两大类。合金在固态下，组元间相互溶解形成的在某一组元晶格中包含有其他组元的固相称为固溶体。(1)固溶体的类型依据不同的分类标准，固溶体可分为不同的类型。1.固溶体图-固溶体的结构示意图图-无序固溶体和有序固溶体(2)固溶体性能形成固溶体时，虽然保持着溶剂金属的晶体结构，但由于溶质原子的溶入，将会使固溶体的晶格常数发生变化及晶格产生畸变，并且晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大，溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，所引起的晶格畸变也越严重。不过，单纯通过固溶强化所达到的最高强度指标毕竟有限，仍难以满足人们对结构材料的要求，因此必须在固溶强化的基础上再进行其他强化处理。金属化合物是合金组元间发
20、生化合作用而生成的一种新相。(1)正常价化合物正常价化合物通常是由金属元素与周期表中第四、第五、第六族的元素组成，它们是严格服从原子价规律的化合物，并且其成分是固定不变的。当它们在固溶体基体上合理分布时，将使合金得到强化。(2)电子化合物这类化合物的特征是不遵守原子价规律，而是按照一定电子浓度的比值(化合物是中价电子数与原子数之比)组成一定晶格类型的化合物。2.金属化合物在电子化合物中，电子浓度为3/2时通常具有体心立方晶格（简称相）；电子浓度为21/13时具有复杂立方晶格（简称相）；电子浓度为7/4时具有密排六方晶格（简称相）。表-合金中常见的电子化合物及其结构类型(3)间隙化合物由过渡族金
21、属元素与氢、硼、碳、氮等原子半径小的非金属元素结合将形成间隙相或间隙化合物。图-间隙相的晶体结构图-间隙化合物的晶体结构表-碳化物的硬度与熔点以上所介绍的各种相（固溶体和金属化合物）都是组成合金的基本单元，合金中相的综合体称为合金组织。3.合金组织图-晶体中的点缺陷)空位)间隙原子)置换原子)置换原子点缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很小，所以也称为零维缺陷。图-空位-体系能量曲线1.点缺陷对金属性能的影响线缺陷又称为位错。图-刃型位错示意图)立体图)平面图2.线缺陷对金属性能的影响图-螺型位错示意图)立体图)顶视图晶体的面缺陷一般是指具有二维尺寸的晶体缺陷。(1)晶体外表面晶体外表面上的原子与
22、晶体内部的原子所处的环境不同，内部原子周围都被邻近的原子对称地包围着，而表面原子只有一侧被内部原子包围着，另一侧则暴露在其他介质中。材料的表面缺陷是最显而易见的面缺陷。(2)晶粒边界大多数的晶体不是单晶体，而是多晶体，即材料是由大量的单晶体颗粒组成。3.面缺陷对金属性能的影响图-大角度晶界图-小角度晶界图-亚结构示意图图-孪晶面(3)孪晶界孪晶界是一种简单而特别的晶界。顾名思义，体缺陷就是原子偏离周期排列的三维缺陷。在工业生产中，经熔炼而得到的金属锭，如钢锭、铝合金锭或铜合金锭等，大多要经过轧制、冷拔、锻造、冲压等压力加工，如图1 30所示，使金属产生塑性变形而制成型材或工件。4.体缺陷图-压
23、力加工方法示意图)轧制)挤压)冷拔)锻造)冷冲压金属在外力（载荷）作用下，首先发生弹性变形，载荷增加到一定值后，除了发生弹性变形外，还发生塑性变形，继续增加载荷，塑性变形也逐渐增大，直至金属发生断裂。(1)单晶体的塑性变形在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移方式进行的，此外，尚有孪生和扭折等方式。1)滑移：金属塑性变形最基本的方式是滑移。例如，将一个表面经过抛光的纯锌单晶体进行拉伸试验，在试样的表面上出现了许多互相平行的倾斜线条的痕迹，称为滑移带，如图1 31所示。.金属的塑性变形图-锌单晶体滑移变形示意图)拉伸)压缩 滑移在切应力作用下产生。要使某一晶面滑动，作用在该晶面上的力必须
24、是相互平行、方向相反的切应力(垂直于该晶面的正应力只能引起伸长或收缩)，而且切应力必须达到一定值，滑移才能进行。当原子滑移到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形，如图1-32所示。许多晶面滑移的总和，就产生了宏观的塑性变形。图-晶体在切应力作用下的变形 滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生。研究表明，滑移优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够产生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。一般说来，滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。通常，滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。图-滑移带和滑移系的示意图 滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍。晶体滑移后，在其表
25、面上出现滑移痕迹，通常称为滑移带，如图1-33所示。在电子显微镜下观察还会发现，任何一条滑移带实际上都是由若干条滑移线组成的。滑移的同时伴随着晶体的转动。单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动，如图1-31b所示。图-位错的运动图-通过位错运动产生滑移的示意图2)孪生：孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常作为滑移不易进行时的补充。图-孪生变形示意图 孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些滑移面上进行。孪生后晶体变形部分的位向发生了改变，滑移后晶体各部分位向均未改变。与滑移系类似，孪生要素也与晶体结构有关，但同一结构的孪晶面、孪生方向与滑移面、滑移方向可以不同。表
26、1-6列出了滑移与孪生的区别。表-6滑移与孪生的区别3)扭折:由于各种原因，晶体中不同部位的受力情况和形变方式可能有很大的差异，对那些既不能进行滑移也不能进行孪生的地方，为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折。为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折，变形区域则称为扭折带。(2)多晶体的塑性变形1)晶粒取向的影响：晶粒取向对多晶体塑性变形的影响，主要表现在各晶粒变形过程中的相互制约和协调性。当外力作用于多晶体时，由于晶体的各向异性，位向不同的各个晶体所受应力并不一致。2)晶界的影响：由
27、于晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，何况晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，在室温下晶界对滑移具有阻碍效应。图1-37两个晶粒试样在拉伸时的变形)变形前b)变形后3)晶粒大小的影响：在一定体积内，晶粒的数量越多，晶粒就越细，并且不同位向的晶粒也越多，因而其塑性变形的抗力也越大。因此，一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均匀的晶粒。塑性变形不但可以改变材料的外形和尺寸，而且能使材料的内部组织和各种性能发生变化。(1)冷塑性变形对金属显微组织的影响随着变形量的增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长。图1-38冷变形纤
28、维组织，1002.冷塑性变形对金属组织与性能的影响(2)亚结构的变化塑性变形也会使晶粒内部的亚结构发生变化，使晶粒破碎成亚晶粒。(3)形变织构的产生金属冷塑性变形时，晶体要发生转动，使金属晶体中原为任意取向的各晶粒逐渐调整到取向彼此趋于一致，这就形成了晶体的择优取向。形变织构有两种类型：1)拔丝时形成的织构称为丝织构，其主要特征为各晶粒的某一晶向趋于平行于拉拔方向。2)轧板时形成的织构称为板织构，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于平行轧制面和轧制方向。当出现织构以后，多晶体金属就表现出一定程度的各向异性，这对材料的性能和加工工艺有很大的影响。(4)塑性变形对金属性能的影响塑性变形后金属
29、性能变化最显著的是力学性能。加工硬化是强化材料的一种主要手段。图1-39冷塑性变形对金属力学性能的影响图1-40冷冲压示意图(5)残留内应力内应力分为三类：第一类内应力又叫宏观内应力，是由于金属表层与心部变形不一致造成的，所以存在于表层与心部之间；第二类内应力又叫微观内应力，是由于晶粒之间变形不均匀造成的，所以存在于晶粒与晶粒之间；第三类内应力又叫点阵畸变，是由于晶体缺陷增加引起点阵畸变增大而造成的内应力，所以存在于晶体缺陷中。残留应力是一种内应力，在工件中处于自相平衡状态，其产生是由于工件内部各区域变形不均匀及相互间的牵制作用所致。1)宏观残留应力：是工件不同部分的宏观变形不均引起的，占总储
30、存能的0.1。2)微观残留应力：是晶粒或亚晶粒之间的变形不均产生的。3)点阵畸变：是工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷(如空位、间隙原子、位错等)引起的。内应力的产生，使材料变脆，耐蚀性降低。.回复与再结晶金属材料经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高将使其处于热力学不稳定的高吉布斯自由能状态，具有自发恢复到变形前低吉布斯自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能便会发生一系列变化。(1)回复当加热温度不太高时，原子活动能力有所增强，晶格畸变程度大大减轻，金属内应力显著降低，强度硬度稍稍下降，
31、塑性韧性略有上升，这个阶段称为回复。回复的实质是指冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。(2)再结晶对回复后的金属继续加热到较高温度时，由于原子活动能力增加，使畸变晶粒通过形核及晶核长大而形成新的等轴晶粒的过程称为再结晶。再结晶的实质就是冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程。(3)晶粒长大冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大
32、。(1)热加工与冷加工的本质区别金属的冷塑性变形加工和热塑性变形加工是以再结晶温度来划分的。热加工时，由于金属原子的结合力减小，而且加工硬化现象随时被再结晶过程所消除，从而使金属的强度硬度降低，塑性韧性增大，因此其塑性变形要比低温时容易得多。4.金属的热塑性变形(2)热加工对金属组织和性能的影响正确的热加工可以改善金属材料的组织和性能。1)消除铸态金属的组织缺陷：通过热加工，可使钢锭中的气孔缩孔大部分焊合，铸态的疏松被消除，提高了金属的致密程度。2)细化晶粒：热加工的金属经过塑性变形和再结晶的作用，只要能避免临界变形度(大约2%10%)及过高的终锻温度，就可以细化晶粒，提高钢的力学性能。3)形
33、成纤维组织：在热加工过程中，由于铸态组织中的各种夹杂物，在高温下具有一定的塑性，它们会沿着变形方向伸长而形成纤维组织。4)形成带状组织：如果钢在铸态组织中存在比较严重的偏析，或热加工时终锻(终轧)温度过低时，钢内就会出现与热加工方向大致平行的诸条带所组成的偏析组织，这种组织形态称为带状组织。我们已经建立起这样的概念，金属材料随温度的变化可以有液相和固相。图1-41钢的过冷转变与形核长大示意图)时间与转变速度的关系：一定的温度下停留一段时间，开始转变。)温度与转变速度的关系：因为温度对扩散有重要的影响，所以温度会强烈的影响扩散型固态相变的转变速率。图1-42新相长大速度与转变温度的关系1)温度变
34、化往往带来固态相变的发生。2)固态相变的基本过程是新相的形核与长大。3)对于降温过程中产生新相的扩散型固态相变而言，其转变动力学的规律是转变的速率随温度的变化出现极值，在同一温度下，随时间延长转变量增加。综上所述，在很多情况下，由于新相和母相的成分不同，金属固态相变必须通过某些组元的扩散才能进行，这时扩散便成为相变的控制因素。不锈耐酸钢是指在空气、水、盐的水溶液，酸及其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢。.不锈钢(1)合金元素在不锈钢中的作用1)碳：碳在钢中有两个优点，一是强烈稳定奥氏体，其作用相当于镍的30倍；二是能获得强度较高的马氏体类型不锈钢。2)铬：铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，是提
35、高铁的电极电位最有效的合金元素。铬是缩小区元素，当铬的质量分数超过13%时，铁铬合金不出现高温相区。3)镍：镍是奥氏体形成元素，但它只有与铬配合时，才能充分发挥其作用，所以不锈钢没有单独以镍作为合金元素的。4)锰：锰是镍的代用元素之一。5)氮：氮也是形成奥氏体的元素，可以部分地代替镍，其比例为0.0251。6)钛和铌的作用：钛和铌的主要作用是防止晶间腐蚀。合金元素的综合作用：碳与铬的配合可以形成各类不锈钢组织。(2)不同种类不锈钢的热处理方法及作用1)铁素体型不锈钢：常用铁素体型不锈钢有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti等。这种钢的缺点是：在400525长时间加热或停留，会因富铬相析出，韧
36、性会急剧下降而出现脆性。这种脆性可通过加热到600650，保温1h后快冷予以消除。在600800区间长时间加热会出现铁与铬的化合物(FeCr)，析出脆性相，使钢变脆。这类脆性可采用850950短时加热来消除。即合金从高温以较快的速度冷却，可以抑制脆性相的析出。在950以上加热时，由于晶粒长大也会出现脆性，此脆性无法通过热处理来消除。这是因为它是单相组织，无相变之故。铁素体型不锈钢进行热处理的目的，是为了消除加工应力和获得单一的铁素体组织，并消除脆性。)马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢的类型：马氏体型不锈钢主要有Cr13型和Cr17型两种。图1-43高温软化回火工艺曲线图1-44完全退火工艺曲线图1
37、-45淬火加热温度对马氏体不锈钢淬火硬度的影响表-马氏体型不锈钢淬火加热的保温时间表-8各种牌号马氏体不锈钢的淬火加热温度及淬火后的组织、硬度3)奥氏体型不锈钢及其热处理奥氏体型不锈钢的特点是具有良好的韧性、塑性、焊接性能、抗腐蚀及抗磁化性能，并且没有磁性及冷脆倾向。由FeNiC三元相图可知，铬的质量分数为18%时，若要获得奥氏体组织，镍的质量分数必须为9%，许多CrNi不锈钢都是在CrNi钢的基础上发展起来的。去应力退火：为消除冷加工后的应力，常采用300350的去应力退火，时间为12h，然后空冷。消除焊接应力和冷加工残留应力的退火，其温度不低于850，钢中含有Ti和Nb时，采用空冷；钢中不
38、含Ti和Nb时，则应水冷至540以后再空冷，以避开碳化铬析出的温度区间。去应力处理可消除应力腐蚀的敏感性并提高焊接件的尺寸稳定性。固溶处理：工件加热至适当温度并保温，使过剩相充分溶解，然后快速冷却室温，以获得单相奥氏体的工艺方法叫做固溶处理。固溶处理是用于消除加工硬化，以获得过饱和固溶体的热处理工艺，它可以提高钢的抗蚀能力和抗高温氧化性能。为了使碳化物及其他化合物充分溶入奥氏体，固溶温度一般为10501100。含碳量越高，固溶温度也越高。但加热温度过高，组织中出现大量铁素体，使钢的热加工工艺性能恶化，同时也降低钢的抗均匀腐蚀能力。加热时间按1min/mm计算。为防止碳化物的析出，在水中冷却。对
39、于厚度不大的零件，为防止变形，可在空气中冷却。这类钢应在中性或弱氧化性气氛中加热，常采用空气炉作为加热设备并以氨分解气氛等作为加热介质。稳定化处理：此工艺是针对含Ti、Nb的不锈钢而设置的。钢中加入Ti或Nb可消除晶间腐蚀，但是它们的效果必须通过稳定化处理才能体现出来。在固溶处理时，铬的碳化物全部溶入奥氏体中，Ti和Nb的碳化物则部分溶入奥氏体中。当零件处于450900温度范围内、并在强烈腐蚀性介质中工作时，溶入奥氏体中的大部分碳仍以Cr23C6形式在晶界析出，晶间腐蚀仍然发生。只有通过稳定化处理，才能保证形成碳化钛、碳化铌，达到防止晶间腐蚀的目的。稳定化处理工艺是将这种不锈钢加热到85090
40、0，保温26h，空冷或水冷。表-9常用不锈钢牌号及其热处理规范高温下工作的工件，在远低于材料抗拉强度的应力作用下也会破坏，其原因一方面是由于高温下钢被急剧地氧化，形成氧化皮，使截面缩小导致破坏；另一方面是由于温度升高，钢的强度迅速降低的结果。(1)耐热钢中合金元素的作用钢件在高温下工作发生氧化是不可避免的，但其氧化的速度是可以控制的。铬是提高钢的抗氧化性的主要元素。()各种耐热钢的热处理方法1)抗氧化钢抗氧化钢广泛用于工业炉中的构件、炉底板、料架、马弗炉、辐射管等。.耐热钢表-10常用抗氧化钢的牌号、成分及热处理 铁素体抗氧化钢：它是在铁素体不锈钢基础上加入抗氧化合金元素而形成的钢种，两者具有
41、类似的特点：有晶粒长大倾向、韧性较低，不宜作承受冲击负荷的零件。但是其抗氧化性能好，在含硫的气氛中有较好的耐蚀性。常用的牌号有Cr13型、Cr18型、Cr25型钢，它们的使用温度依次为800850、1000左右和10501100。常用钢号有1Cr13Si3、1Cr18Si2、1Cr13SiAl、1Cr25Si2等。这类钢加热时无固态相变发生，只作消除冷加工应力的退火处理，退火温度为700800。一般用于制造受力不大的加热炉构件。奥氏体抗氧化钢：一般使用的奥氏体抗氧化钢也是在奥氏体不锈钢基础上加入Si、Al元素形成的钢种。根据化学成分分为CrNi系、CrMnN系和FeAlMn系三类。一般作110
42、01150固溶处理。)热强钢及其热处理：根据钢的组织特点，可将热强钢分为四类：珠光体热强钢、马氏体热强钢、铁素体热强钢和奥氏体热强钢。表-常用热强钢牌号、热处理及使用温度表-常用热强钢牌号、热处理及使用温度 珠光体热强钢：珠光体热强钢是指在正火状态下，显微组织是珠光体和铁素体的这类耐热钢。它们的特点是含碳量低、合金元素少、工艺性能和导热性能好、热处理简单、价格便宜。广泛用于工作温度在600以下的动力工业和石油工业的构件。低碳珠光体热强钢适合于锅炉管用钢；中碳珠光体热强钢适合于作叶轮、转子、紧固件用钢。珠光体热强钢的热处理一般是正火+高温回火，正火温度一般选择得较高，在9801020，以保证碳化
43、物完全溶解并均匀分布。马氏体热强钢：这类钢的综合力学性能较好，主要分为两类：一类是Cr13型钢，常用作叶片用钢，前面不锈钢已经叙述，这里不再重复。另一类是CrSi钢，常用牌号有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，此类属于气阀钢，经调质处理后，广泛应用于700以下工作的各种发动机排气阀。调质工艺为加热1000以上，保温后淬火，常采用空冷或油冷。在高于使用温度100进行回火，回火时应注意避开400600回火脆性区，回火后空冷或油冷。铁素体热强钢：这类钢以含铬为主，其成分、牌号和铁素体抗氧化钢相同，除含铬量高外，还加入了一定量的铁素体形成元素铝、硅等。常用于制作受力不大的加热炉构件和电阻丝。与铁
44、素体不锈钢一样，这类钢有三个脆性温度区，热处理时应引起注意。奥氏体热强钢：珠光体和马氏体热强钢一般使用温度在650以下，使用温度再高则无法满足要求。奥氏体热强钢具有高的抗氧化性，高的塑性和冲击韧度，良好的焊接性能，常用于制造在600750之间工作的汽轮机叶片、发动机气阀等。根据强化机制可将奥氏体热强钢分为固溶强化奥氏体热强钢，碳化物沉淀强化奥氏体热强钢和金属间化合物强化奥氏体热强钢三类。矿山机械所用的破碎机齿板，经常与坚硬的矿石接触，受到高的接触应力和冲击载荷下的强烈磨损。根据磁导率的不同，可将金属材料分为三类：受磁场微弱吸引的顺磁性物质；微弱排斥的抗磁性物质；受磁场极大吸引、随磁场强度的变化
45、而变化的铁磁性物质。4.磁性合金.耐磨钢(1)软磁合金及热处理只有在外磁场作用下才能显示出磁性，去掉外磁场就不显示磁性的材料称为软磁合金。1)硅钢：常用热轧硅钢牌号有D21、D22、D32等。冷轧硅钢必须严格控制冷轧工艺和退火工艺，才能获得具有更高磁感应强度的一定织构，并具有粗大晶粒的冷轧硅钢片。2)坡莫合金：硅钢片虽然是应用最广泛的软磁材料，但是它无法满足极弱磁场强度下产生高磁感应强度的要求。坡莫合金在冷轧以后进行高温退火。(2)硬磁合金及热处理硬磁合金具有很大的矫顽力，常用来制造永久磁铁。1)淬火硬化型磁钢：这类材料有碳素钢、钨磁钢、铬磁钢、钴磁钢、铝磁钢。2)沉淀硬化型合金：这类合金主要
46、是以FeNiAl为基础的合金，具有沉淀硬化效应。这类钢的热处理方法基本上有两种：一种是固溶处理，即1在高温下全部溶解，然后以某一临界冷却速度冷却，从而获得最大矫顽力，磁钢不再回火。随着工业生产和科学技术的发展，以及生产实际的需求，热处理技术得到了很大的发展，出现了许多新的热处理工艺方法，在此仅介绍以下几种。氮基气氛是世纪70年代应付国际能源危机发展起来的新型热处理炉气氛。1)用于光亮淬火：使用碳分子筛制取的氮经净化获得体积分数为99.999%的高纯氮气氛，用于高碳钢、合金钢等光亮淬火。1.氮基可控气氛热处理2)用于渗碳：氮基渗碳气氛目前已进入商品化阶段，有许多应用实例都说明氮基气氛代替Rx气氛
47、进行低碳钢渗碳，不但在技术上可行，而且在经济上合理。3)用于碳氮共渗：在煤油与甲醇滴注入炉的同时，通入氨与空气的燃烧气加氨气，实现纺织机零件氮基气氛碳氮共渗。(1)真空在热处理中的作用将金属工件在低于(通常是10)的环境中加热的金属热处理工艺称为真空热处理。研究表明，真空在热处理中具有如下作用：1)脱脂：粘附在金属表面的油脂、润滑剂等蒸气压力较高，在真空加热时，自行挥发或分解成水、氢气和二氧化碳等气体。.真空热处理2)除气：金属在熔炼时，液态金属要吸收氢气、氧气、氮气、一氧化碳等气体，由于冷却速度太快，这些气体留在固体金属中，生成气孔及白点等各种冶金缺陷，使材料的电阻、磁导率、硬度、强度、塑性
48、及韧性等性能受到影响，根据气体在金属中的溶解度，与周围环境的分压平方根成正比的关系，分压越小即真空度越高，越可减少气体在金属中的溶解度，释放出来的气体被真空泵抽走。3)氧化物分解：金属表面的氧化膜、锈蚀、氧化物及氢化物在真空加热时被还原、分解或挥发而消失，使金属表面光洁。4)保护作用：真空热处理实质上是在极稀薄的气氛中进行的，炉内残存的微量气体不足以使被处理的金属材料产生氧化脱碳、增碳等作用。5)合金元素的蒸发：各种金属在不同温度下有不同的蒸气压，当真空度提高时，蒸气压高的金属如锰、铬等容易蒸发、并污染其他金属表面，使零件之间或零件与料筐之间粘结，造成电气短路、材质改性等缺陷。(2)真空热处理
49、的种类真空热处理可用于退火、脱气、固溶热处理、淬火、回火和沉淀硬化等工艺。真空中的退火、脱气、固溶处理主要用于纯净程度或表面质量要求高的工件，如难熔金属的软化和去应力、不锈钢和镍基合金的固溶处理、钛和钛合金的脱气处理、软磁合金改善磁导率和矫顽力的退火，以及要求光亮的碳钢、低合金钢和铜等的光亮退火。(3)真空热处理的发展真空热处理特别是真空淬火是随着航天技术的发展而迅速发展起来的新技术，它具有无污染、无氧化脱碳、质量高、节约能源、变形小等一系列优点。目前我国大部分省市均已不同程度地应用推广真空热处理工艺，处理的钢种涉及到高速工具钢、模具钢、弹簧钢、滚动轴承钢及各种结构钢零件、各种非铁金属及其合金
50、等。(1)激光热处理的基本原理激光是20世纪60年代出现的重大科学技术成就之一。激光加热表面淬火就是用激光束照射工件表面，工件表面吸收其红外线而迅速达到极高的温度，超过钢的相变点。表1-12激光淬火与常规淬火的耐磨性的比较3.激光热处理(2)激光热处理的应用自20世纪60年代初期发明激光以后，在热处理领域中迅速发展应用。(3)激光淬火的优点1)硬化深度、面积可以精确控制。2)适应的材料种类较广。3)可解决其他热处理方法不能解决的复杂形状工件的表面淬火。4)不需要真空设备。(4)激光淬火的缺点1)电光转换效率低，仅10%左右。2)零件表面需预先黑化处理，以提高光能的吸收率，而黑化处理成本较高。3
