工程材料及熱加工MechanicalEngineeringMaterials&HotWorkingTechnology劉紅華機(jī)械工程學(xué)院第三章改變材料性能的主要途徑§3金屬的合金化§2金屬的晶粒度對(duì)材料性能的影響§1金屬塑性變形對(duì)材料性能的影響§4金屬的熱處理§5高分子材料的增強(qiáng)與改性第四節(jié)金屬的熱處理第四節(jié)金屬的熱處理2.鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變3.鋼的退火與正火1.鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變4.鋼的淬火5.鋼的回火6.鋼的淬透性第四節(jié)金屬的熱處理8.鋼的化學(xué)熱處理9.表面氣相沉積7.鋼的表面淬火10.影響熱處理件質(zhì)量的因素復(fù)習(xí)鐵碳合金相圖第四節(jié)金屬的熱處理金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時(shí)間后，又以不同速度在不同的介質(zhì)中冷卻，通過(guò)改變金屬材料表面或內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)來(lái)控制其性能的一種工藝。為簡(jiǎn)明表示熱處理的基本工藝過(guò)程，通常用溫度—時(shí)間坐標(biāo)繪出熱處理工藝曲線。

金屬熱處理的特點(diǎn)金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。所以，它是機(jī)械制造中的特殊工藝過(guò)程，也是質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過(guò)熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過(guò)熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。金屬熱處理的作用其目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能。

通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提髙鋼的機(jī)械性能，延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命。

熱處理工藝不但可以強(qiáng)化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省材料和能源，而且能夠提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命，做到一個(gè)頂幾個(gè)甚至十幾個(gè)。

恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢韵T、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細(xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻。

熱處理可使工件表面具有抗磨損、耐腐蝕等特殊物理化學(xué)性能。應(yīng)用實(shí)例例如:用高速鋼（W18Cr4V）制造鉆頭的工藝流程如下：鍛造→球化退火→機(jī)加工→淬火、回火→精加工（磨）。其中球化退火可改善鍛件毛坯組織，降低硬度（達(dá)到HB207-255，相當(dāng)于HRC17-25)，這樣才能進(jìn)行切削加工，達(dá)到工藝性能要求。其中淬火+回火，它可提高鉆頭的硬度（達(dá)到HRC60-65）、耐磨性和紅硬性，可以切削加工其它金屬，達(dá)到工程所要求的使用性能。應(yīng)用實(shí)例鋼制造一把鉗工用的鏨子若不熱處理，即使鏨子刃口磨得很好，在使用時(shí)刃口也會(huì)很快發(fā)生卷刃；若將已磨好鏨子的刃口部分局部加熱至一定溫度以上，保溫以后進(jìn)行水冷及其它熱處理工藝，則鏨子將變得鋒利而有韌性。在使用過(guò)程中，即使用鄉(xiāng)頭經(jīng)常敲打，鏨子也不易發(fā)生卷刃和崩裂現(xiàn)象。鋼經(jīng)熱處理后性能之所以發(fā)生如此重大的變化：

經(jīng)過(guò)不同的加熱冷卻過(guò)程，鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此要制定正確的熱處理工藝規(guī)范保證熱處理質(zhì)量；必須了解不同加熱和冷卻條件下的組織變化規(guī)律鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律就是熱處理的原理。

在機(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過(guò)熱處理。在汽車(chē)、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用.

模具、滾動(dòng)軸承100%需經(jīng)過(guò)熱處理?？傊?，重要零件都需適當(dāng)熱處理后才能使用。

熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通過(guò)改變工件的組織來(lái)改變性能，而不改變其形狀。

鑄造軋制3、熱處理適用范圍:只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理強(qiáng)化。

熱處理分類(lèi)

熱處理原理：描述熱處理時(shí)鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律稱(chēng)熱處理原理。熱處理工藝：根據(jù)熱處理原理制定的溫度、時(shí)間、介質(zhì)等參數(shù)稱(chēng)熱處理工藝。(a)940淬火+220回火（板條M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板條M+條狀F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板條M回+條狀F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板條M回+塊狀F）

20CrMnTi鋼不同熱處理工藝的顯微組織預(yù)備熱處理與最終熱處理預(yù)備熱處理—為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進(jìn)一步熱處理作準(zhǔn)備的熱處理。最終熱處理—賦予工件所要求的使用性能的熱處理.預(yù)備熱處理最終熱處理W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線時(shí)間溫度/℃熱處理與相圖鋼為什么可進(jìn)行熱處理？熱處理后為什么能獲得前面所述的效果？是不是所有金屬材料都能進(jìn)行熱處理呢？這些問(wèn)題與合金相圖有關(guān)。原則上只有在加熱或冷卻時(shí)有固態(tài)相變發(fā)生的合金或溶解度發(fā)生顯著變化的合金才能進(jìn)行熱處理。在固態(tài)下不發(fā)生相變的純金屬、某些單相合金等不能用熱處理手段強(qiáng)化，只能采用加工硬化的方法。①位于F點(diǎn)以左的合金：例如：某二元合金系相圖如右圖

在固態(tài)加熱或冷卻過(guò)程中均無(wú)相變發(fā)生。-不可熱處理。②成分在FF′之間的合金：

α相自t1溫度緩慢冷至MF時(shí)，β相又開(kāi)始析出，繼續(xù)冷卻B在α相中的溶解度又會(huì)發(fā)生顯著變化，這一過(guò)程為固態(tài)相變的平衡脫溶沉淀。如果合金從α相狀態(tài)快速冷卻，會(huì)得到過(guò)飽和到α′固溶體，這一過(guò)程為固態(tài)相變的不平衡脫溶沉淀（固溶處理）。-可熱處理

③成分位于M點(diǎn)以右的合金：

α固溶體在溫度變化時(shí)溶解度發(fā)生顯著變化。-可熱處理④如果相圖a中的溶解度曲線MF變成垂直線MF′：

溶解度不隨溫度變化，所有合金在固態(tài)下均無(wú)相變發(fā)生。-所有成分的合金不可熱處理

因?yàn)殇撛诩訜峄蚶鋮s過(guò)程中越過(guò)臨界溫度就要發(fā)生固態(tài)相變，所以能進(jìn)行熱處理。如能根據(jù)其變化規(guī)律，采取特定的加熱和冷卻方法，控制相變過(guò)程，便可獲得所需的組織、結(jié)構(gòu)和性能。Fe-Fe3C相圖實(shí)際加熱或冷卻時(shí)存在著過(guò)冷或過(guò)熱現(xiàn)象，因此將鋼的加熱和冷卻都是有一定速度的加熱和冷卻。加熱冠以“c”，冷卻冠以“r”，臨界溫度與實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示.由于加熱冷卻速度直接影響轉(zhuǎn)變溫度，因此一般手冊(cè)中的數(shù)據(jù)是以30-50℃/h

的速度加熱或冷卻時(shí)測(cè)得的.Ac1

–加熱時(shí)由P→A的開(kāi)始溫度線。Ac3–加熱時(shí)由F→A的終了溫度線。Accm-加熱時(shí)Fe3CⅡ溶入A的終了溫度線。Ar1–冷卻時(shí)由A→P的開(kāi)始溫度線。Ar3–冷卻時(shí)由A→F的開(kāi)始溫度線。Arcm-冷卻時(shí)由A→Fe3CⅡ的開(kāi)始溫度線。鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變加熱是熱處理的第一道工序。加熱分兩種：一種是在A1以下加熱，不發(fā)生相變；另一種是在臨界點(diǎn)以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱(chēng)奧氏體化。鋼坯加熱從Fe-C狀態(tài)圖可知，任何成分的碳鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1線以上都會(huì)發(fā)生P→A轉(zhuǎn)變，而亞共析鋼、過(guò)亞析鋼加熱到Ac3、Accm線以上時(shí)便全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳。奧氏體的形成過(guò)程

現(xiàn)以共析鋼為例，來(lái)分析A的形成過(guò)程，共析鋼的室溫組織是P。P是F和Fe3C兩相機(jī)械混合物。當(dāng)加熱到Ac1時(shí)，P開(kāi)始向A轉(zhuǎn)變。

從上式可知，P→A轉(zhuǎn)變，是由成分相差懸殊，晶格不同的兩相轉(zhuǎn)變成另一種晶格的均勻單相奧氏體。在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，必須進(jìn)行晶格重組，和鐵、碳原子的充分?jǐn)U散，即相變，才能使P→A。P→A的轉(zhuǎn)變過(guò)程是通過(guò)生核與長(zhǎng)大過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。P→A轉(zhuǎn)變過(guò)程可分為四個(gè)階段，如圖3－22所示。第一步奧氏體晶核形成：首先在與Fe3C相界形核。當(dāng)P加熱到Ac1以上時(shí)，經(jīng)過(guò)一段孕育期，P處于不穩(wěn)定狀態(tài)。首先在F與Fe3C的界面上形成A晶核，這是因?yàn)榻缑嫣幍脑优帕胁灰?guī)則，空位和位錯(cuò)密度較高，處于能量較高狀態(tài)，A的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于F與Fe3C之間，則使一部分F轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w的A(γ-Fe),側(cè)面的滲碳體溶入A晶格中，使其具有共析奧氏體所需的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這樣就形成了A晶核。第二步奧氏體晶核長(zhǎng)大：

晶核通過(guò)碳原子的擴(kuò)散向

和Fe3C方向長(zhǎng)大。A晶核形成后，便開(kāi)始長(zhǎng)大。由于A與兩側(cè)F和Fe3C存在碳原子與鐵原子的濃度差，促使F晶格不斷的轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎降腁，而滲碳體則連續(xù)溶入奧氏體中，并通過(guò)鐵、碳原子的擴(kuò)散，使A晶核長(zhǎng)大，直至鐵素體晶格轉(zhuǎn)變完畢，所有A晶格相互接觸為止。

第三步殘余Fe3C溶解

由于A晶格與F晶格比較接近，而與Fe3C的晶格差別較大，故F向A轉(zhuǎn)變的速度要比Fe3C溶入A的速度快。而且，F(xiàn)e3C溶解所提供的碳原子遠(yuǎn)多于F轉(zhuǎn)變?yōu)锳所需的碳原子，故F全部轉(zhuǎn)變成A后，尚有少量Fe3C存在于A晶粒中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)未溶Fe3C不斷溶入A中，直至全部消失。第四步奧氏體成分均勻化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間保溫使奧氏體成分趨于均勻。溫度，℃共析鋼奧氏體化曲線（875℃退火）共析鋼奧氏體化過(guò)程非完全奧氏體化

亞共析鋼加熱到Ac1～Ac3之間；共析鋼加熱到Ac1稍上、過(guò)共析鋼加熱到Ac1～Accm之間，分別得到A＋F、A＋Fe3C、A＋Fe3C組織。稱(chēng)為非完全奧氏體化。

鋼種加熱溫度組織

亞共析鋼Ac1～Ac3A＋F

共析鋼Ac1

稍上A＋Fe3C

過(guò)共析鋼Ac1～Accm

A＋Fe3C

強(qiáng)調(diào)：共析鋼和過(guò)共析鋼是非完全A體化非共析鋼的A化由于非共析鋼中除了P外，還有一部分先共析相，亞共析鋼中有自由F，過(guò)共析鋼中有Fe3CⅡ，因此非共析鋼的A化分兩步：1）完成P的A化；2）先共析相的A化。亞共析鋼和過(guò)共析鋼的奧氏體化過(guò)程與共析鋼基本相同。但由于先共析

或二次Fe3C的存在，要獲得全部奧氏體組織，必須相應(yīng)加熱到Ac3或Accm以上.奧氏體的晶粒大小及其影響因素

奧氏體的晶粒大小是評(píng)定鋼加熱質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。奧氏體的晶粒大小對(duì)鋼的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織性能都有重要的影響。奧氏體晶粒越細(xì)小，鋼熱處理后的強(qiáng)度越高，塑性越好，沖擊韌性越高。奧氏體晶粒粗大，顯著降低鋼的沖擊韌性、降低裂紋擴(kuò)展功和提高脆性轉(zhuǎn)折溫度。此外，晶粒粗大的鋼件，淬火變形和開(kāi)裂傾向增大。奧氏體晶粒度晶粒度

是表示晶粒大小的一種尺度。是以單位面積內(nèi)晶粒的個(gè)數(shù)或每個(gè)晶粒的平均面積與平均直徑。類(lèi)別起始晶粒度實(shí)際晶粒度本質(zhì)晶粒度

指臨界溫度以上奧氏體形成剛剛完成，其晶粒邊界剛剛互相接觸時(shí)的晶粒大小。指在某一熱處理加熱條件下，所得到的晶粒尺寸。對(duì)鋼來(lái)說(shuō)，如果不特別指明，一般是指奧氏體化后的實(shí)際晶粒大小。默認(rèn)

代表在某一條件下，奧氏體的長(zhǎng)大傾向，通常采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的方法，即將鋼加熱到（930±10）攝氏度，保溫3-5小時(shí)后，測(cè)定其奧氏體晶粒大小。晶粒度在5~8級(jí)者稱(chēng)為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，在1~4級(jí)者稱(chēng)為本質(zhì)粗晶粒鋼。晶粒度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

一般生產(chǎn)中把奧氏體晶粒大小分為1-8個(gè)級(jí)別，其中1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)，超過(guò)8級(jí)以上的稱(chēng)為超細(xì)晶粒。關(guān)系式晶粒度的級(jí)別G與晶粒大小之間的關(guān)系為：

N=2G-1G：晶粒度級(jí)別；N：100X時(shí)，平均晶粒數(shù)目/inch2（6.45cm2）

通常將鋼加熱到94010℃奧氏體化后，設(shè)法把奧氏體晶粒保留到室溫來(lái)判斷。

晶粒度為1-4級(jí)的是本質(zhì)粗晶粒鋼,5-8級(jí)的是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。前者晶粒長(zhǎng)大傾向大，后者晶粒長(zhǎng)大傾向小。

影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素奧氏體晶粒長(zhǎng)大基本上是一個(gè)奧氏體晶界遷移的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是原子在晶界附近的擴(kuò)散過(guò)程。所以一切影響原子擴(kuò)散遷移的因素都能影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大。⑴加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度升高，晶粒急劇長(zhǎng)大。在一定溫度下，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，但長(zhǎng)大到一定尺寸后，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒不再明顯長(zhǎng)大。⑵加熱速度:加熱速度越快,過(guò)熱度越大,形核率越高,晶粒越細(xì)。高溫快速加熱，短時(shí)保溫可獲得細(xì)小晶粒。（3）含碳量的影響。在一定范圍之內(nèi)，隨著含碳量的增加，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向增大。但是含碳量超過(guò)某一限度，奧氏體晶粒反而變得細(xì)小。見(jiàn)圖。影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素（4）合金元素的影響：合金元素Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，由于能形成熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性強(qiáng)，不易聚集長(zhǎng)大的碳化物（VC、TiC、NbC等）和氮化物（VN、TiN、AlN、NbN等）第二相顆粒，因而能強(qiáng)烈阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大。b.而Cr、Mo、W等合金元素也能形成較穩(wěn)定的碳化物和氮化物，對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的阻礙程度中等；影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素c.不形成碳化物的合金元素Si、Ni、Cu等對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大影響很?。籨.Mn、P、O、N等元素溶入奧氏體后，削弱γ-Fe原子間的結(jié)合力，加速Fe原子的自擴(kuò)散，從而促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大。（5）原始組織:平衡狀態(tài)的組織有利于獲得細(xì)晶粒。奧氏體晶粒粗大，冷卻后的組織也