2022年2022年金属热处理知识点 .pdf

1 热处理的目的、分类、条件；定义：通过加热、保温和冷却的方法，使金属的内部组织结构发生变化，从而获得所要求的性能的一种工艺方法。目的： 1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。 2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。分类：特点： 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。热处理条件：（1）有固态相变发生的金属或合金（2）加热时溶解度有显著变化的合金热处理过程中 四个重要因素 :(1)加热速度 V；(2)最高加热温度 T;(3)保温时间 h; (4)冷却速度 Vt.2 什么是铁素体、奥氏体、渗碳体？其结构与性能；Ac1、Ar1、Ac3、Ar3、Accm 、Arcm临界温度的意义；奥氏体的形成条件；奥氏体界面形核的原因/ 条件；以共析钢为例，详细分析奥氏体的形成机理；影响奥氏体转变速度的因素；影响奥氏体晶粒长大的因素；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 24 页 - - - - - - - - - 铁素体： 碳溶于 -Fe 中形成的间隙固溶体 ,以 F 或 表示；结构：体心立方结构；组织：多边形晶粒性能：铁素体的塑性、韧性很好（=3050%、aKU=160200Jcm2） ，但强度、硬度较低(b=180280MPa、s=100170MPa、硬度为 5080HBS)。其力学性能几乎与纯铁相同。-Fe 中的间隙固溶体；用A 或 表示结构：面心立方晶格性能：奥氏体常存在于727以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好(b400 MPa、 4050%、硬度为160200HBS)，易锻压成形。钢材热加工都在 区进行。组织：多边形等轴晶粒，在晶粒内部往往存在孪晶亚结构渗碳体：铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强化相，高温下可分解，Fe3C 3Fe+C(石墨) 。结构：复杂斜方性能：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为 1227，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性极低 (0、aKU0)，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。 -Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 24 页 - - - - - - - - - 五个重要的成份点 : P、S、E、C、F。四条重要的线 : ECF、ES、GS、PSK。三个重要转变 : 包晶转变反应式、共晶转变反应式、共析转变反应式。两个重要温度 : 1148 、727 。奥氏体1.-Fe 中的间隙固溶体；用A 或 表示结构：面心立方晶格组织：多边形等轴晶粒，在晶粒内部往往存在孪晶亚结构性能：奥氏体常存在于 727以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好(b400 MPa、 4050%、硬度为160200HBS)，易锻压成形。钢材热加工都在 区进行。室温不稳定相高塑性、低屈服强度（利用奥氏体量改善材料塑性）顺磁性能（测残余奥氏体和相变点）线膨胀系数大（应用于仪表元件）导热性能差（耐热钢）比容最小（利用残余奥氏体量减少材料淬火变形）2.Ac1、Ar1 、Ac3、Ar3 、Accm、Arcm 临界温度的意义Ac1加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度；Ar1冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；Ac3加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar3冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度；Accm-加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度Arcm冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度3.奥氏体的形成条件过热（ TA1）4.奥氏体界面形核的原因 /条件(1) 易获得形成 A 所需浓度起伏，结构起伏和能量起伏.(2) 在相界面形核使界面能和应变能的增加减少。G = -Gv + Gs + Ge名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 24 页 - - - - - - - - - Gv体积自由能差，Gs 表面能，Ge 弹性应变能相界面 Gs 、Ge 较小，更易满足热力学条件G 垂直于片层长大速度（3）残余碳化物的溶解残余碳化物 : 当 F 完全转变为 A 时，仍有部分 Fe3C没有转变为 A，称为残余碳化物。A/F 界面向 F 推移速度 A/Fe3C 界面向 Fe3C推移速度刚形成的 A 平均含碳量 G 各种因素中， T的影响作用最强烈2、原始组织的影响片状 P转变速度 球状 P薄片较厚片转变快3、碳含量的影响 C， A形成速度4、合金元素的影响（1）对 A形成速度的影响改变临界点位置；影响碳在A 中的扩散系数；合金碳化物在A中溶解难易程度的牵制；对原始组织的影响（2）对 A均匀化的影响合金钢需要更长均匀化时间名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 24 页 - - - - - - - - - 7. 影响奥氏体晶粒长大的因素（1）加热温度和保温时间随加热温度升高，奥氏体晶粒长大速度成指数关系迅速增大。加热温度升高时，保温时间应相应缩短，这样才能获得细小的奥氏体晶粒。（2）加热速度：加热速度快，奥氏体实际形成温度高，形核率增高，由于时间短奥氏体晶粒来不及长大，可获得细小的起始晶粒度（3）钢的碳含量的影响碳在固溶于奥氏体的情况下，由于提高了铁的自扩散系数，将促进晶界的迁移，使奥氏体晶粒长大。共析碳钢最容易长大 。当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，由于其阻碍晶界迁移，所以将阻碍奥氏体晶粒长大。过共析碳钢的加热温度一般选在Ac1 - Accm 两相区，为的就是保留一定的残留渗碳体。（4）合金元素的影响Mn，P 促进奥氏体晶粒长大：Mn - 在奥氏体晶界偏聚，提高晶界能；P - 在奥氏体晶界偏聚，提高铁的自扩散系数。强碳氮化物形成元素Ti，Nb，V 形成高熔点难溶碳氮化物（如TiC，NbN） ，阻碍晶界迁移，细化奥氏体晶粒。（5）冶炼方法用 Al 脱氧，可形成AlN - 本质细晶粒钢用 Si、Mn 脱氧- 本质粗晶粒钢（6）原始组织主要影响 A 的起始晶粒。原始组织越细，起始晶粒越细小。但晶粒长大倾向大，即过热敏感性增大，不可采用过高的加热温度和长时间保温，宜采用快速加热、短时保温的工艺方法。3 何谓过冷奥氏体，过冷奥氏体等温转变曲线，转变产物；珠光体的组织形态和性能；珠光体的转变机理与影响因素；1. 珠光体的组织形态和性能组织形态：层片状、粒状、其他片状珠光体 ：其 F、Fe3C呈层状分布重量比： F: Fe3C = 8:1珠光体的存在：钢的退火或正火组织中力学性能：片间距，强度和硬度，同时塑性和韧性有所改善名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 24 页 - - - - - - - - - 粒状珠光体： 在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的两相机械混合物称为粒状珠光体。粒状珠光体一般经球化退火而得到，也可以通过淬火加回火处理得到。性能： Fe3C 细小，分布均匀，则强度、硬度较高，韧性也。与同成分片状 P相比：强度硬度稍低，塑韧性较高粒状珠光体的力学性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态与分布。2. 何谓过冷奥氏体过冷奥氏体 处于临界温度之下暂时存在的奥氏体。3.过冷奥氏体等温转变曲线，转变产物名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 24 页 - - - - - - - - - 4.珠光体的转变机理与影响因素一.片状珠光体的转变机理两个基本过程：形核长大（1）珠光体的形核（i）领先相与化学成分有关亚共析钢： F过共析钢： Fe3C共析钢：两者均可，一般认为是Fe3C（）珠光体形核位置领先相大多在奥氏体晶界或相界面（奥氏体与先共析相界面）上形核。因为这些区域缺陷较多，能量较高，原子容易扩散，容易满足形核所需要的成分起伏、能量起伏和结构起伏的条件。长大：扩散进行长大方式：纵向长大，沿着珠光体片长轴方向长大；横向长大，沿着珠光体片垂直方向长大。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 24 页 - - - - - - - - - 二、粒状珠光体的形成机制粒状珠光体可通过球化退火和马氏体组织回火得到。三、亚（过）共析钢的珠光体转变由偏离共析成分的过冷奥氏体所形成的珠光体称为伪共析体或伪珠光体。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 24 页 - - - - - - - - - 影响因素：一、奥氏体成分与组织（1）碳含量共析成分的 C 曲线最靠右（共析A 最稳定） ，成分偏离共析点， C 曲线将左移（先析相的析出，降低过冷 A 的稳定性）。成分偏离共析点越多， C 曲线左移越多。（2）奥氏体晶粒度晶粒细小，可促进P 转变（3）奥氏体成分不均匀性成分不均匀，有利形核，加速P 转变（4）合金元素除了 Co，大部分使 C 曲线右移，降低P的转变二、外界条件（1）加热温度和保温时间加热 T 低，保温 t 短，将加速 P 转变（2）应力和变形拉应力和变形均加速转变4 马氏体的定义：晶体结构、组织形态、性能；马氏体具有高硬度、高强度的本质； Ms、Mf 点；影响 Ms 点的主要因素；马氏体的形成条件与转变特点；1.马氏体的定义： 马氏体是 C 在 -Fe 中的过饱和间隙式固溶体。具有体心立方点阵 (C%极低钢 )或体心正方 (淬火亚稳相 )点阵。马氏体相变：钢铁在经过奥氏体化温度后采取快速冷却，抑制其扩散分解，在较低温度（ Ms）下发生的无扩散型相变。晶体结构：体心正方晶格（ a = b c）轴比 c/a 马氏体的正方度名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 24 页 - - - - - - - - - 钢中马氏体的本质：马氏体是碳溶于 -Fe中的过饱和间隙式固溶体，记为M 或 。其中的碳择优分布在 c 轴方向上的八面体间隙位置。这使得c 轴伸长， a 轴缩短，晶体结构为体心正方。其轴比c/a称为正方度，马氏体含碳量愈高，正方度愈大。马氏体的晶体结构类型（两种）：体心立方结构（ WC0.2%）组织形态： 板条，片状，蝴蝶状、薄板状及薄片状性能：一. 马氏体的强度和硬度钢中马氏体的主要特性是高硬度和高强度。马氏体高强度高硬度的本质相变强化马氏体相变的切变特性，造成马氏体晶体内产生大量的微观缺陷（位错、孪晶、层错等）使马氏体强化，称为相变强化。固溶强化马氏体中以间隙式溶入过饱和碳原子将引起强烈点阵畸变，形成以碳原子为中心应力场，并与位错发生交互作用，使碳原子钉扎位错，强化马氏体。马氏体时效强化马氏体发生碳原子偏聚和析出，从而产生时效强化。二. 马氏体的塑性和韧性(1)韧性马氏体的韧性主要决定于亚结构。C%:0.4%，韧性低，硬而脆。仅从韧性考虑，含C 量不宜 0.4%(2)马氏体的相变诱发塑性在马氏体转变过程中塑性有所增加-马氏体的相变诱发塑性。2.马氏体的形成条件与转变特点；马氏体的 形成条件 ：（1)快冷V Vc 避免 A 向 P、B 转变（2)深冷T MS提供足够的驱动力转变特点 ：（1） 、表面浮凸效应和共格切变表面浮凸效应 切变使马氏体表面出现一边凹陷、一边凸起，并带动附近奥氏体也发生弹性切变。马氏体转变以切变方式进行界面上原子为马氏体与奥氏体共有。（2）无扩散相变（3）M 转变的位向关系及惯习面位向关系相变时，整体相互移动一段距离，相邻原子的相对位置无变化。作小于一个原子间距位置的位移，因此奥氏体与马氏体保持一定的严格的晶体学位向关名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 24 页 - - - - - - - - - 系。位向关系有：（ 1）KS 关系（2）西山（ N）关系（3）GT 关系惯习面：马氏体是在母相的一定晶面上开始形成的，这个晶面就是惯习面。（4）马氏体转变不完全性（非恒温性）（5）马氏体转变的可逆性3.Ms、Mf 点马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示。马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示.4.影响 Ms 点的主要因素1）化学成分(1)C%影响C%的影响最为明显。C%升高， Ms 和 Mf 均下降，马氏体转变温度区间移向低温，残余奥氏体量增加。C%增加， Ms 呈连续下降趋势，当C%0.6%时，Ms 下降比 Mf 下降显著，当 C%增加到 C%0.6%时，Mf 下降缓慢直至基本不变。2)合金元素合金元素对 Ms 点影响比较复杂，多种合金元素同时作用的影响和一种合金元素的影响也不相同。总体上： 除了 Co、Al 提高 Ms 外，合金元素均有降低Ms 作用。 强碳化物形成元素加热时溶入奥氏体中很少，对Ms 点影响不大。 合金元素对 Ms 点的影响表现在影响平衡温度T0 和对奥氏体的强化作用。3）奥氏体化条件对 MS 的影响具有双重性，加热温度高和保温时间长，有利于C 及合金元素原子充分溶入到奥氏体中(固溶强化 )，降低 Ms 点；但同时奥氏体晶粒长大，缺陷减少，晶界强化作用降低，切变阻力减小，Ms 点有提高趋势。4）淬火速度 目前观点不统一一般认为：淬火速度较低时，即淬火温度较高，“C 原子气团 ”可以形成足够大的尺寸并在缺陷处偏聚，强化奥氏体，使Ms 点降低，淬火速度较高时，即淬火温度较低，抑制了“C 原子气团 ”形成，对奥氏体强化作用降低，使 Ms 点升高。也有人为：高速淬火Ms 点升高是淬火应力引起的。5）磁场(1)增加磁场只是提高Ms 点，对 Ms 点以下的马氏体转变和总的转变量无影响。(2)转变过程中增加磁场，转变量的增加趋势与未加磁场相同，撤去磁场，转变量又回到未加磁场状态。(3)磁场对 Ms 点影响与形变诱发马氏体影响相似，增加磁能补充了相变所需的驱动力，使马氏体相变能够产生。5 典型贝氏体的形成温度、组织形态和机械性能；贝氏体相变的基名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 24 页 - - - - - - - - - 本特征；1.贝氏体相变的基本特征兼有 P 转变与 M 转变的某些特征。（1）转变有上、下限温度（2）转变产物为非层片状（3）形核及长大（4）转变的不完全性（5）转变的扩散性指碳原子的扩散，中温区，Fe及 Me 原子则不发生扩散（6）贝氏体转变的晶体学BF 与母相 A 之间存在惯习面和位向关系（7）BF 也为碳过饱和固溶体过饱和程度随 B 形成温度的降低而增加，但低于M 过饱和程度2.典型贝氏体的形成温度、组织形态和机械性能一、上贝氏体1. 形成温度范围B 转变温度区的较高温度区域，对中、高碳钢，约550350。2. 组织形态由成束的、大致平行的F 板条加碳化物组成。铁素体 （羽毛状）束内相邻 F 位向差很小，束与束之间位向差较大；亚结构是位错；C400 )产物： S回9 典型零件（轴承、弹簧、工具）的热处理工艺；滚动轴承热处理：1、工作条件高载荷，交变应力高转速，一定冲击。2、失效形式接触疲劳破坏、塑性变形、磨损3、性能要求 : （内外圈和滚动体）高的硬度和耐磨性 ;高的接触疲劳强度 ;足够的韧性和耐蚀性 ;尺寸稳定性4、轴承用钢 : 高碳, Wc = 0.951.15% GCr15 ：含 Cr 量 WCr 1.5 % ，G滚动轴承钢5、热处理工艺预备热处理 :正火：消除网状碳化物，细化晶粒球化退火：降低硬度，提高韧性，为淬火组织准备淬火 : 获得马氏体组织 810 860（温度偏高），让 Cr 尽量溶入 A，又不致于导致晶粒粗大，A含碳过高；油冷冷处理 : 获得马氏体组织 , 减少 Ar低温回火 : 消除残余应力，保持高硬度.弹簧热处理：1、工作条件储存能量和减轻震动 , 主要承受拉力、压力、扭力、交变载荷；2、失效形式：疲劳断裂，永久变形3、性能要求：高的强度极限、弹性极限、疲劳极限、成型加工性能（塑性成型、热处理性能）4、常用材料 65 、65Mn 、60Si2Mn等中碳钢及中碳合金钢5、热处理工艺（一）冷成形弹簧（小弹簧）-去应力退火由强化过的钢丝（铅淬冷拔、冷拔、淬火+回火的钢丝）冷卷成弹簧，只需进行去应力退火（加热温度250 300 ） ，以消除变形过程中或淬火名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 24 页 - - - - - - - - - 中形成的残余应力，稳定尺寸。（二）热成形弹簧 淬火+中温回火（或采用等温淬火）采用热轧钢丝或钢板制成（如汽车板簧）淬火提高强度，中温回火 消除应力，提高弹性极限。淬火温度 Ac3 以上，回火温度 350 450 ，组织：回火屈氏体或采用等温淬火，得到贝氏体组织（三）沉淀硬化处理对于 17-7PH(0Cr17Ni7Al) 沉淀硬化钢，在冷拉或固溶处理状态下成型的弹簧。主要工艺过程如下：（1）固溶处理：奥氏体化，获得均匀一致的奥氏体组织（2）成型加工（3）调整热处理（或淬火处理）加热到奥氏体化稍低温度，冷却，获得低碳马氏体+残余奥氏体组织（4）深冷处理：使淬火状态下残余奥氏体继续转变为低碳马氏体（根据需要确定）（5）沉淀硬化处理在 480 550 保温 1 小时左右，使碳化物析出弥散强化。四）弹簧的其它强化处理（1）形变热处理对于 60Si2Mn、55Si2Mn等中碳钢具有较高的形变强化效果，因此这类弹簧适合于热成型 +淬火+回火（2）化学热处理对于在铁素体状态下能进行元素扩散渗的弹簧材料，可以不改变弹簧整体强度、韧性和弹性极限情况下，化学渗提高弹簧表面硬度和疲劳强度。典型工艺热成型加工 +淬火+回火- 化学渗处理。（3）喷丸强化使弹簧零件表面获得压应力，提高弹簧的使用寿命510 倍。（五）弹簧的稳定化处理为了减少弹性不完整性、或滞弹性，对弹簧进行加荷、或机械稳定、或加温加荷处理，以保证弹簧在使用过程中弹性稳定。工具热处理工具一般包括刃具、模具、量具常用钢包括：碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢（高速钢等）成分特点：高碳刃具热处理热处理：正火 +球化退火 +淬火+低温回火名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 24 页 - - - - - - - - - W18Cr4V 的生产工艺及热处理：冷作模具热处理球化退火冷作模具钢铸态组织极不均匀, 含有大量共晶碳化物，需反复锻打后退火处理。球化退火温度 830880，获得细化碳化物+珠光体组织，易于机械加工。淬火+回火一次硬化法：较低温度淬火（980）低温回火回火组织为 M回+碳化物 +Ar二次硬化法：较高温度淬火（1050 ） 23 次高温回火回火组织为 S 回+碳化物 +Ar( 少量）热作模具热处理完全退火淬火 550回火热处理后的组织 : S 回量具热处理名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 24 页 - - - - - - - - -