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第一章金属材料的性能培训要求：了解金属物理、化学性能和力学性能、以及金属材料的工艺性能 金属和合金统称为金属材料，工业用的金属材料可分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属即是铁及其合金，除黑色金属以外的金属及其合金统称为有色金属。 金属材料在不同条件下能表现出来的属性称为金属材料的性能，主要有物理性能，化学性能、力学性能和工艺性能。第一节金属材料的物理和化学性能一、 金属材料的物理性能金属材料在各种物理现象作用下表现出的性能称为物理性能。主要的物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导电性、磁性等。1 密度：单位体积新具有的质量、单位Kg/m³密度小于5×10³Kg/m³的金属称为轻金属密度大于5×10³Kg/m³的金属称为重金属。2 熔点:在缓慢加热的条件下，金属由固态变成液态时的温度。3 热膨胀性：金属材料随温度升高而体积增大的现象，4 导热性：金属材料传导热量的能力。5 导电性：金属材料传导电的性能。6 磁性：金属材料能够被磁铁吸引的性能。二、 金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属对周围介质侵蚀的抵抗能力，其包括耐腐蚀性和抗氧化性。1、 耐腐蚀性:金属材料在常温下对大气、水蒸汽、酸及碱等介质腐蚀的抵抗能力。2、 抗氧化性：金属材料在高温下对周围介质中的氧与其作用而损坏的抵抗能力。第二节金属材料的力学性能金属材料所受的外力称作载荷。静载荷：大小不变或变化很慢的载荷。冲击载荷：一般指突然增加的载荷。循环载荷：大小或方向随时间 周期性能变化的载荷。金属材料在外力作用下，显示与弹性和非弹性反应相关的涉及应应变关系的性能称为力学性能。金属受力时其原子的相对位置发生改变，其充观表现为形状、尺寸的变化称为变形，变形分弹和塑性变形两种。弹性变形是指金属在外力作用下产生变形，当外力除去后又恢复到原始形状和尺寸的变形。塑性变形是指金属在外力作用下断裂前发生不可逆永久的变形。力学性能指标主要有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度。一、 强度：金属材料在外力作用时，抵抗变形和断裂的能力称为强度。=F/S F外力（N） =应力（N/mm²）S横截面积（mm²）二、塑性： 金属材料断裂前承受塑性变形的能力称为塑性。三、硬度：硬度是指金属材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。常用硬度的测量方法有布氏硬度法，洛氏硬度法，维氏硬度法3种。四、韧性：金属材料在冲击试验力作用下对破裂的抵抗能力称为韧性。五、疲劳强度：材料在循环应力的作用下在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂的过程，称为疲劳。材料在无限次循环载荷作用下而不会发生断裂所能承受的最大应力值称为金属材料的疲劳强度。第三节金属材料到工艺性能金属材料是否易于加工成型的性能称为工艺性能其主要包括铸造性能，压力加工性能、铆焊性能、热处理性能、可加工性能等。工艺性能与物理、化学、力学性能有着直接的关系。一、 铸造性能 金属或合金能否利用铸造的方法制成优良铸件的能力称为铸造性能。二、 压力加工性能金属材料压力加工中承受塑性变形而不破裂的性能。三、 焊接性能金属材料利用焊接的方法实现牢固连接能力称为焊接性能。四、 可加工性能可加工性能是指一定生产条件下，材料加工的难易程度。五、 热处理性能金属材料通过热处理后改变或改善性能的能力称为热处理性能。 复习思考题:1、 金属的物理性能主要有哪些？2、 金属的化学性能主要有哪些？3、 什么是力学性能？常用力学性能有哪些？4、 什么是强度？5、 什么是塑性？6、 什么是硬度，常用的硬度测量方法有哪些？7、 什么是冲击韧性？8、 什么是疲劳及疲劳强度？第二章金属学基础知识培训要求:了解金属学基础知识中的有关概念，掌握FeFe3C 图中的有关知识。金属及合金的性能是由他们的内部组织结构决定的，因此，了解金属及合金的内部组织结构，对于正确选用和加工金属材料是非常重要的。第一节纯金属的晶体结构与结晶一、 纯金属的晶体结晶1、 晶体与非晶体一切物质都是由原子组成的，根据原子在物质内部的排列方式，可以把固体物质分为晶体和非晶体两大类。（1） 非晶体原子杂乱而无秩序的堆砌在一起物质称为非晶体，如普通玻璃、石蜡、松香、沥青等。（2） 晶体原子都是按一定稽核形状有规则有次序排列的物质称为晶体，如结晶盐、石墨、天然金刚石等。（3） 晶体的特点由于晶体和非晶体在原子排列上存在着本质的区别，所以其显示就不同的特点:A、 晶体一般都有具体规则外形。B、 晶体都有固体的熔点。C、 晶体具有各向异性，即其性能随方向而不同。2、 有关晶体的概念（1） 晶格用于描述原子在晶体中排列方式的空间格架称为晶格。（2） 晶胞能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。（3） 晶面通过晶格中若干原子中心所组成的平面叫晶面。3、 常见金属的晶格类型 A 体心立方晶体。有W、G、Mo、V、aFeB 面心立方晶格。有A1、Cu、Ni、FeC 密排方式晶格。有Zn、Mg、Be4、 实际金属的晶体结构（1） 单晶体和多晶体晶体分为单晶体和多晶体，所有晶胞都按相同方向排列的晶体称为单晶体，由许多结晶方向不同的小晶体集合而成的晶体称为多晶体。工业中金属材料一般都是多晶体结构。二、 纯金属的结晶1、 结晶的概念：金属的结晶是指液态金属凝固成为固态金属的过程，也就是由原子不规则排列的液体逐步过渡到原子规则排列的晶体的过程。2、 冷却曲线和过冷度（1） 冷却曲线将金属熔化，然后以非常缓慢的速度冷却，记录下金属的温度随时间变化的数据，并将其绘于温度时间直角坐标图上，便可得到纯金属的冷却曲线。（2） 过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之差值（T0T1）成为过冷度。3、 结晶过程金属的结晶是由晶核的不断形成和长大两个基本过程组成的，这是金属结晶时都遵循的基本规律。生产中细化晶粒的方法:(1)增加过冷度；（2）孕育处理；（3）附加振动。三、 铁的同素异构转变1、 同素异构转变： 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为铁的同素异构转变过程。2、铁的同素异构转变过程。Fe Fe3、同素异构转变的特点: 同素异构转变实质上也是一个结晶过程通常称重结晶。 同素异构转变是钢能否进行热处理的主要根据。 附图 ： 纯铁的冷却曲线 第二节合金的构造与结晶特点纯金属虽然具有较高的导电性、导热性等性能，但它们的力学性能一般较低，而且价格较高，因此在生产中用得不多，生产中大量使用的都是合金，合金除具有纯金属的基本特性外，还具有良好的力学性能及特殊的物理和化学性能，而且可以通过调整成分，改变其内部组织结构，来达到适应多种用途和各种性能要求的目的。一、 合金的构造1、 有关概念：(1) 合金：合金是由两种或以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成具有金属特性的物质。(2) 组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。(3) 合金系：由若干个组定组元可以配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。(4) 相：在合金中凡成分和性质均匀一致的部分称为相，合金的性能主要由组成合金的各个相本身的结构、性能、形态分布和相的相对量所决定的。2、 合金的基本构造合金的构造分为固溶体，金属化合物，机械混合物三种。（1） 固溶体:当合金凝固后其组元间仍然能互相溶解而形成均匀一致的，但仍保持其中某一组元晶格的固体合金，称为固溶体，基体组元称为溶剂，分布其中的组元称为溶质。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。 通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料的强度、硬度提高的现象称为固溶强化。（2） 金属化合物合金中的组元，按一定的原子数量之比相互化合形成的、具有金属特性的一种新相称为金属化合物。（3） 机械混合物有两项或多项构成的组织称为机械混合物。二、 合金的结晶特性具有共晶转变和共析转变合晶的结晶都属于恒温结晶。所谓共晶转变是指一定成分的液态合金，在一定的温度下，同时结晶出两种成分不同的固相共晶体的转变。所谓共析转变是指一定成分的一种固溶体，在恒温下，同时析出两种不同相的转变。第三节铁碳合金相图一、 铁碳合金基本相铁碳合金在固态下有一下三种基本相。1、 铁素体碳溶于Fe晶格中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号“F”表示。铁素体含碳量极少，所以其组织和性能与纯铁相近，具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低，铁素体770°C以下具有铁磁性，若高于此温度则铁磁性消失。2、 奥氏体碳溶于 Fe晶格中形成的间隙固溶体成为奥氏体，用符号“A”表示。奥氏体的强度和硬度较铁素体高，但其塑性较好，变形抗力较低，大多数钢在进行压力冷加工和热处理时，都加热到奥氏体状态，奥氏体无磁性。3、 渗碳体铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的金属化合物称为渗碳体，用分子式Fe3C表示。渗碳体的硬度很高，可以刻化玻璃，但其塑性和韧性几乎为零，所以不能单独使用，它是铁碳合金中的强化相，渗碳体在铁碳合金中与其它共存构成机械混合物时，可以是片状、网状、粒状或板条状，他的形状、大小及分布对钢和铸铁的性能有很大影响。二、 简化的FeFe3C相图铁碳合金相图是表示在极缓加热（或极缓慢冷却）的条件下不同的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态和组织的图形，从铁碳合金相图中可以了解铁碳合金的成分，组织与性能之间的关系。1、 FeFe3C相图的主要点、线、区。表a1、FeFe3C相图中的几个主要点。点的符号 温度 碳质量分数Wc/% 点的含义A 1538 0 纯铁的熔点C 1148 4.3 共晶点L4.3 A0.11+Fe3CD 1227 6.69 渗碳体的熔点E 1148 2.11 碳在奥氏体中最大溶解度G 912 0 aFeFe同素异构转变点S 727 0.77 共析点A0.77 F+Fe3CFeFe3（相图中几个主要特性线的意义）ACD线为固相线，此线以上合金呈单项液体状态。AECF线为固相线，此线以下合金是固态，加热到此线温度时，合金开始溶化。GS线为冷却时奥氏体析出铁素体的开始线，也是加热时铁素体转变为奥氏体的终了线，常用A3表示。ES线为碳在奥氏体中的溶解度曲线，常用Acm表示，碳的质量分数Wc大于0.77%的铁碳合金，自1148冷却到727的过程中，随着温度的下降，碳在奥氏体中的溶解度沿着ES线逐渐降低，过剩的碳将以渗碳体的形式从奥氏体中析出，这种渗碳体通常称为二次渗碳体，用Fe3C表示。ECF（1148）为共晶转变线，碳的质量分数Wc为2.11%到6.69%的铁碳合金，自液态冷却到1148时，都要发生共晶转变，即从液态合金（C点成分）中间时结晶出奥氏体（E点成分）和渗碳体两相机械混合物，称为莱氏体，也称为共晶体，用LD表示。PSK（727°C）为共析转变线，常用A1表示、碳的质量分数为0.0218%到6.6%的铁碳合金，冷却到727时，都要发生共析转变，即奥氏体（S点成分）中间时析出铁素体（P点成分）和渗碳体的两相机械混合物称为珠光体（P）。 表aa、FeFe3C相图中的特性线简化后的FeFe3C相图（图2-1）中共有12个相区，它们包括5个单项区，5个两相区，2个三相区。2、 铁碳合金按平衡组织分类在FeFe3C相图中，根据碳的质量分数Wc和平衡组织的不同，可以把铁碳合金分为工业纯铁、钢、白口铸铁三类。（1） 工业纯铁碳的质量分数Wc小于0.0218%的铁碳合金。（2） 钢碳的质量分数Wc在0.00218%2.11%之间的铁碳合金。根据碳的质量分数Wc和室温组织的不同又可分为以下三种。亚共析钢：Wc为0.0218%0.77%共析钢:Wc为0.77%过共析钢:Wc为0.77%2.11%（3） 白口铸铁碳的质量分数Wc在2.11%4.69之间的铁碳合金。3、 典型合金结晶过程分析图2-26位钢部分典型合金的冷却曲线以下，对图中、合金结晶过程分析。（1） 共析钢（碳质量分数Wc=0.77%）图2-26种合金为共析钢。当液态合金冷却到温度时，从液体中开始结晶出奥氏体，1-2点温度之间，液态合金与奥氏体共存，但随着温度的降低结晶出奥氏体的量越来越多，而剩下的液体随之减少，当冷却到2点温度时结晶结束，合金全部结晶成碳质量分数Wc为0.77%的奥氏体2-3点温度范围内，为单相奥氏体的缓慢冷却，合金组织不变，当冷却到3点温度(727）时，碳质量分数Wc为0.77%的奥氏体在恒温下发生共析转变，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物珠光体、即:A0.77 P0.77( F0.0218 + Fe3C )(2)亚共析钢（碳质量分数Wc为0.0218%0.77%）图2-26中合金为亚共析钢。液态合金在1-3点温度时，开始从奥氏体中析出铁素体，在3-4点温度之间，随着温度的降低，从奥氏体中析出的铁素体数量不断增多，由于铁素体中碳的质量分数Wc极小，故而随着铁素体量的增加，剩余奥氏体中的碳的质量分数Wc不断增加，奥氏体中的碳的质量分数Wc沿Gs线向S点方向变化，当冷却4点温度（727）时，剩余奥氏体中的碳的质量分数Wc达到0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体，4点以下为室温，合金组织不发生变化，因此，亚共析钢的在温组织是铁素体和珠光体的机械混合物。（3）过共析钢（碳质量分数Wc为0.77%2.11%）图2-26中合金为过共析钢。液态合金1-3点温度之间的结晶过程与共析钢基本相同，当冷却到3点温度时，奥氏体中的碳的质晶分数Wc达到饱和状态，开始从奥氏体的晶界中析出网状的二次渗碳体，在3-4点温度之间，随着温度的降低，析出的二次渗碳体不断增多，奥氏体中的碳的质量分数Wc沿Es线逐渐减小，当冷却到4点温度时（727），剩余奥氏体中的碳的质量分数Wc达到0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体，4点以下主室温，合金组织不再发生变化，因此，过共析钢的室温组织是珠光体和二次渗碳体。（4）共晶白口铸铁（碳的质量分数Wc4.3%） 当液态合金冷却到1148时，碳的质量分数Wc为4.3%的液态合金在恒温下发生共晶转变，同时，结晶奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用Ld表示即： L4.3 Ld4.3（A2.11+Fe3C）共晶白口铁的室温组织为珠光体+二次渗碳体。4、 含碳量对铁碳合金的组织和性能影响碳是铁碳合金的组元之一，在室温下，主要以渗碳体形式存在于合金中，铁碳合金的组织和性能与其含碳量有极大的关系。第三章钢的热处理基础知识第一节 钢在加热时的组织转变一 钢的实际临界点把钢加热或冷却到相变即将开始或结束的温度称为临界点（或临界温度）。Fe-Fe3C相图中A1、A3、Acm都是钢的临界点，值得注意的是Fe-Fe3C相图上的临界点都是平衡条件下的加热或冷却时的临界点。在实际冷却或加热条件下，其速度不可能无限缓慢，必定会出现过冷或过热现象，在相图上实际的相变温度和临界点就会产生偏移的现象，而且加热或冷却速度越快，偏移量越大。为了便于区别，通常把实际加热时的各临界点用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的各临界点用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢的各实际临界点的含义如下：Ac1 加热时珠光体转变为奥氏体的温度；Ar1 冷却时奥氏体转变为珠光体的温度；Ac3 加热时铁素体溶入奥氏体的温度；Ar3 冷却时奥氏体开始析出铁素体的开始温度;Accm 加热时二次渗碳体溶入奥氏体的终了温度；Arcm 冷却时二次渗碳体从奥氏体中析出的开始温度；钢的临界点，是热处理时正确选择温度的主要依据。Fe-Fe3C相图中钢部分在加热和冷却时各临界点的位置如图4-1所示。二 钢的组织向奥氏体转变1 珠光体向奥氏体转变共析钢在室温时的平衡组织为珠光体，当加热到Ac1点以上温度时，图41 钢在加热和冷却是个临界点的位置时 ，珠光体应该全部转变为奥氏体，其转变可用下式表示：P（ F + Fe3C ） A珠光体向奥氏体的转变可以分为以下3个步骤：1） 奥氏体晶核的形成和长大2） 残余渗碳体的溶解3） 奥氏体的均匀化由此可知，热处理工艺中的保温阶段，除了使工件截面上的温度均匀一致外，更重要的是为了获得成分均匀的奥氏体晶粒，以便冷却后获得良好的组织和性能。三 奥氏体晶粒长大和晶粒度1 奥氏体晶粒长大钢加热时，珠光体向奥氏体转变，但随着加热温度的升高或高温下保温时间的延长，晶粒就会自发长大。钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后所得到的组织和性能。粗大的晶粒会使钢的力学性能下降，尤其是塑性和韧性将明显下降，淬火时也易产生变形和开裂。因此，钢在加热时，为防止奥氏体晶粒长大，获得均匀细小的奥氏体晶粒，就必须严格控制加热温度和保温时间。2 奥氏体的晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。一般情况下，晶粒度就是表示奥氏体的晶粒度，即奥氏体晶粒的大小。晶粒度一般分为8个标准等级，1-4级为粗晶粒；5-8级为细晶粒；8级以上为超细晶粒。3 影响奥氏体晶粒大小的因素1） 加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间是诸多影响奥氏体晶粒大小的因素中最重要的，其中加热温度更为关键。加热温度越高，保温时间越长，原子扩散的条件就越充分，奥氏体的晶粒越大。因此，在热处理工艺中必须要求一个严格的加热规范，以求获得理想均匀的奥氏体晶粒。2） 加热速度的影响加热速度越大，过热度就越大，可以获得细小的起始晶粒度。在保证奥氏体成分均匀的前提下，快速加热和短时间保温可以获得细小的奥氏体晶粒度。3）化学成分的影响钢中的主要成分是碳及合金元素。随着钢中含碳量的增加，晶粒长大的倾向变大。而当碳以未溶碳化物存在于钢中时，可以阻止晶粒的长大。钢中大多数合金元素（除Mn， P外），均能使奥氏体晶粒细化。第二节 钢在冷却时的转变钢在加热时所形成的奥氏体，在冷却时要重新发生转变或分解。冷却条件不同，所得到的组织也不同，因而性能也会产生明显的差别。显然，冷却过程是热处理工艺中的关键工序，他决定着热处理后的组织和性能，生产中，常用的冷却方法有等温冷却和连续冷却两种。图42所示为不同冷却方式示意图。图42 不同冷却方式示意图 将已奥氏体化的钢迅速冷却到临界点Ar1以下某一预定的温度等温一段时间，使奥氏体在该温度下完成转变，然后再以一定的方式冷却到室温，这种冷却成为等温冷却。我们把A1线以下，由于过冷现象暂时存在的处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。将奥氏体化的钢以一定的速度连续冷却到室温，使其在临界点以下的不同温度进行转变的冷却方式称之为连续冷却。一 过冷奥氏体转变曲线1 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线共析钢过冷奥氏体等温转变曲线又称C曲线，是用来分析过冷奥氏体的转变温度，转变时间和转变组织之间关系的图形。它是以实验的方法获得的曲线图43共析钢过冷奥氏体等温转变曲线1） 曲线分析在图43中A1为奥氏体向珠光体转变的临界温度，因此A1以上是奥氏体稳定区。aa为过冷奥氏体转变开始线。其左方区域为过冷奥氏体区。b b为过冷奥氏体转变终止线，其右方区域为转变产物区。在a a线与b b线之间是过冷奥氏体与转变产物共存的过渡区。水平线Ms线和Mf线分别表示过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度和终了温度线，对于共析钢Ms约为230，Mf约为-50，Ms与Mf之间是马氏体转变区。从C曲线的形状我们可以看出，在不同的过冷度下，过冷奥氏体转变前停留的时间是不同的。把过冷奥氏体转变前所停留的时间称为孕育期。孕育期的长短表示过冷奥氏体的稳定性。在C曲线拐弯的“鼻尖”（约550）其孕育期最短，此时过冷奥氏体最不稳定，极易发生分解。2 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能1） 高温转变（珠光体转变） 在A1-550温度范围内，奥氏体等温转变为铁素体和渗碳体相间的机械混合物，即珠光体。等温温度越低，形成珠光体片层越细，片层间距越小。按片层间距的不同，珠光体可分为粗片状珠光体，细片珠光体（又称索氏体）和极细珠光体（又称托氏体或区氏体），分别用P,S,T表示。他们没有本质上的区别，转变温度也没有严格的界限，只有片层粗细之别和由此而引起的性能上的差异。片层越细，塑性变形抗力越大，强度和硬度越高，共析钢过冷奥氏体高温转变产物的形成温度和性能见表4-12） 中温转变（贝氏体转变） 在550Ms温度范围内,因为转变温度较低，碳原子的扩散能力下降，过冷奥氏体仍能分解成渗碳体和铁素体的机械混合物，但铁素体中溶解的碳超过了正常的溶解度而处于过饱和状态，渗碳体也不在是片层状。转变后得到的是过饱和的铁素体和非片层状渗碳体所组成的机械混合物，称为贝氏体。用B表示。贝氏体的组织形态比较复杂，常见的两种典型组织形态实在550-350范围内形成的羽毛状的上贝氏体和在350-Ms线温度范围内形成的黑色针状的下贝氏体，他们分别用符号B和B表示。上贝氏体的硬度约为40-45HRC，强度较低，塑性和韧性较差，在热处理生产上应尽可能避免在钢的组织中出现上贝氏体组织，下贝氏体的硬度约为45-55HRC，具有较好的综合力学性能。3 低温转变（马氏体转变） 发生在Ms-Mf温度范围，当把奥氏体快速冷却到低于Ms点温度时，由于温度太低，使钢中的碳原子完全丧失了扩散能力，而面心立方晶格的- Fe向体心立方晶格的 -Fe的同素异构转变，在低于Ms的温度下仍可进行，这样 -Fe中的碳就被迫停留在-Fe晶格中，造成-Fe中碳大大超过了其正常溶解度。这种碳在-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号M表示。在马氏体中，由于溶入了过多的碳而是-Fe晶格发生畸变，增强了马氏体塑性变形的抗力，而是马氏体的硬度变高。因此，马氏体中的含碳量是影响马氏体硬度的主要因素，含碳量与马氏体硬度关系如图44所示。马氏体的硬度随着含碳量的增加而增高，但当钢中的碳的质量分数 大于0.6%以后，由于有逐渐增多的奥氏体不发生转变而残存于钢中，使钢的硬度增加趋于平缓。表41 共析钢过冷奥氏体高温转变产物的形成温度和性能图44 含碳量于马氏体硬度的关系马氏体的转变是在一定温度范围内（Ms-Mf）连续冷却（即变温）过程中进行的。因此，马氏体的数量只决定于转变温度，由于马氏体的转变是非扩散型转变，所以，与等温时间无关，马氏体的转变温度越低，其数量越多。马氏体转变时由于体积膨胀的不均匀性会产生很大的内应力，这是造成钢淬火时变形，甚至开裂的主要原因。马氏体的转变不能进行到底，即使过冷到Mf线以下的温度，仍有少量奥氏体存在，这部分未发生转变的奥氏体称为残余奥氏体，用A表示。要使残余奥氏体继续向马氏体转变，只有采用特殊的方法，将淬火钢继续冷却至室温以下（一般为-50-80），这种处理方法叫做深冷处理。马氏体的显微组织常见的有针状马氏体和板条马氏体两种。含碳量较高的马氏体显微组织一般呈针状，又称高碳马氏体，其性能是硬度高、脆性大。含碳量较低的马氏体，其显微组织一般呈板条状，又称低碳马氏体，具有良好的塑性和韧性。 3 亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体等温转变曲线在正常加热（完全奥氏体化）条件下，亚共析钢的C曲线，随着含碳量的增加逐渐向右移动，这说明其过冷奥氏体的稳定性逐渐增强。过共析钢的C曲线则随着含碳量的增加而左移，这说明其过冷奥氏体将越来越不稳定，碳钢中以共析钢的C曲线最稳定。4 过冷奥氏体连续冷却转变曲线在实际生产中，只有少数几种热处理工艺采用等温冷却，大多数采用的是连续冷却方式。要准确地反映出过冷奥氏体在连续冷却过程中的转变情况，就必须借助于过冷奥氏体连续冷却转变曲线，又叫做CCT曲线或过冷奥氏体热动力曲线。由于CCT曲线比较复杂，测试困难，因此生产中往往用C曲线来近似的分析钢在连续冷却时的转变过程及产物，并以此制定热处理工艺及选择有关工艺参数的依据。5临界冷却速度过冷奥氏体不发生分解，全部过冷到Ms点以下进行马氏体转变的最小冷却速度，称为临界冷却速度，用V来表示。临界冷却速度是表示钢材接受淬火能力大小的标志，是选择钢材淬火有关工艺参数的重要依据。第三节 马氏体组织在A1以下加热时的组织转变一 马氏体在A1以下加热时的组织转变钢在室温下的平衡组织只有铁素体和渗碳体相，因此，马氏体和残余奥氏体都是非平衡状态组织，马氏体处于含碳过饱和状态，残余奥氏体处于过冷状态，他们都是不稳定的组织，有着自发转变为平衡组织的倾向。由于室温下原子的扩散能力很弱，使室温下的转变十分缓慢，如果将马氏体重新加热到A1以下温度，原子的扩散能力将增强，组织的转变就可以在较快的速度下进行。按加热温度的不同，马氏体的转变可分为4个阶段。1 马氏体的分解 将马氏体由室温200之间加热时，由于原子的扩散能力逐渐加强，马氏体中的过饱和碳开始逐步以碳化物的形式析出，马氏体中碳的过饱和程度不断降低，此时的碳化物与渗碳体有所不同，他不但非常细小，而且高度分散的分布在马氏体的基体上。这种由过饱和程度较低的马氏体和极细的碳化物所组成的组织称为回火马氏体。2 残余奥氏体的分解 当加热温度超过200时，在马氏体继续分解的同时，残余奥氏体也开始分解，到300时转变基本完成，此时，马氏体中碳的过饱和程度进一步降低。残余奥氏体转变的产物与过冷奥氏体在相同温度下的转变产物基本一致。在较高温度范围内可以转变为下贝氏体。在较低温度下可转变为马氏体，随后分解成回火马氏体。3渗碳体的形成和铁素体的恢复 在300400之间，固溶体中过饱和的碳逐渐完全析出，当温度达到400时，固溶体的含碳量以达到平衡成分。同时晶格畸变消失，内应力减小，固溶体恢复为铁素体。从过饱和固溶体中析出的碳化物也转变为细粒状的渗碳体（Fe-Fe3C）。这样，马氏体变完全分解成铁素体和细粒状的渗碳体组成的机械混合物，称为回火托氏体或回火区氏体。4 渗碳体的聚集长大 随着加热温度的升高，渗碳体不断聚集长大约400时，以聚集球化，600时则因迅速长大而粗化。这时的组织是在铁素体基体均匀分布着粒状渗碳体，称为回火索氏体。得到回火马氏体的低于250范围的回火叫低温回火得到回火托氏体的300500的回火叫中温回火。得到回火索氏体500650的回火叫高温回火，图45 马氏体加热温度对钢力学性能影响二 马氏体在A1以下加热式钢的性能变化将马氏体组织在A1以下加热，其组织的转变必然引起力学性能的变化。虽然力学性能的变化情况是错综复杂的，但总的变化趋势是随着回火温度的升高，硬度和强度下降，而韧性和塑性提高图45所示为马氏体的加热温度对钢力学性能影响。从图45a看出，将马氏体重新加热时，不同含碳量的钢其硬度变化趋势基本相同。在200以下加热时，虽然马氏体含碳量降低会引起硬度下降，但因析出分散度很大的碳化物分布在马氏体基体上，将增加塑性变形抗力，造成硬度升高，两者综合后，使钢的硬度变化趋于平稳。当加热温度超过300时，由于马氏体完全分解和渗碳体的不断聚集，使钢的硬度呈直线下降。从图45b可看出，当加热温度低于250时，随着加热温度的升高，钢的强度随着内应力和脆性的降低而有所提高，但当加热温度高于250以后，仍然随着温度的升高而降低。与强度硬度的变化情况相反，塑性大约自300以后迅速升高，至650左右达到最大值。在200以下加热时，钢的冲击韧性有所升高，但在接近300时反而降低，即出现脆性。马氏体在250400之间重新加热时出现的脆性，称为低温回火脆性或第一回火脆性。几乎所有的钢将马氏体加热到300左右时都会产生不同程度的脆性。将马氏体在450650之间重新加热时出现的脆性，称为高温回火脆性或第二类回火脆性。这种回火脆性主要出现在含有Cr，Ni，Mn。Si等合金元素的合金钢中。回火脆性对钢的性能将会产生有害的影响，因此生产中应防止或减少回火脆性。复习思考题1 临界点Ac1，Ac3，Accm以及Ar1，Ar3，Arcm个点的含义是什么？2 什么是过冷奥氏体？共析钢C曲线的高温，中文和低温等温转变产物各有哪些？3 珠光体类型组织有哪几种？他们的组织形态和性能有什么区别？4 上下贝氏体的组织形态和性能有什么不同？5 马氏体转变有什么特点？其组织形态和性能如如何？6 什么是残余奥氏体？他对钢的性能有什么影响？7 马氏体在A1以下加热时其组织和性能是如何变化的？8 什么是低温回火脆性和高温回火脆性？如何防止和减少回火脆性？第四章 钢的普通热处理培训要求 掌握退火，正火，淬火，回火的操作过程。了解退火，正火，淬火，回火的工艺参数。第一节 钢的退火和正火工艺一 钢的退火退火是将金属或合金加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。1 退火的目的和分类退火的主要目的：降低硬度，改善力学性能；消除组织缺陷，均匀化学成分；消除或减少内应力，稳定尺寸；为最终热处理做组织准备；2 常用的退火工艺1） 完全退火工艺 完全退货是将铁碳合金加热到完全奥实体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。完全退火主要用于中低碳钢的铸件锻件，热轧钢材和焊件。 完全退火的只要目的是：减低硬度，改善加工性；细化组织，为下一步淬火做准备；增加塑性和韧性；消除内应力。完全退火的工艺参数油加热温度，加热速度，保温时间和冷却速度等组成，其工艺要点如下：A 加热温度：一般情况下碳钢的完全退火温度选用Ac3+（3050）,合金钢选用Ac3+（5090）.B 加热速度： 形状简单的碳钢或低合金钢可以随炉升温，不控制加热速度。但形状复杂或中高合金钢则应控制加热速度，一般控制在80-100/h。C 保温时间： 一般按有效截面厚度计算，实际生产中按1.5-2.5min/mm估算。D 冷却速度： 一般碳钢为100-150/h，低合金钢为50-100/h,高合金钢为20-70/h,工件随炉冷到500左右可以出炉空冷。2）等温退火工艺 将钢件或毛胚加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保温适当时间后，较快的冷却到珠光体温度区间的某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后在空气中冷却的退火工艺，称为等温退火。等温退火主要用于过冷奥氏体比较稳定的合金结构钢，可以减少合金钢的退火时间。A退火温度 ： 一般亚共析钢的退火温度为Ac3+（30-50），共析钢或过共析钢的退火温度为Ac1+（20-40）。B等温温度和等温时间： 在满足性能要求的前提下，尽量选用珠光体转变最快的速度。在实际生产中常用Ar1-（20-30）的温度进行等温。一般合金钢常用3-4h。C 冷却方法： 以较快的速度冷却到Ar1以下温度等温，等温后在空气中冷却或进行缓冷。3）球化退火工艺 球化退火是使钢中碳化物球化而进行的一种退火工艺。主要用于共析钢和过共析钢。共析钢和过共析钢中存在大量的片状或细片状珠光体，硬度较高，切削加工困难，通过球化退火，硬度降低，易于加工。球化退火的主要目的是：A得到球状珠光体，消除轻微网状渗碳体，为最终热处理做好组织准备。B 降低硬度，改善切削加工性。C消除内应力，增减塑性和韧性。常用的球化退火工艺有两种：A普通球化退火： 将钢加热到稍高于Ac1温度（一般为Ac1以上1020），保温一段时间随后缓慢冷却的500以下空冷。B 等温球化退火： 实质上是共析钢和过共析钢的等温退火，将钢加热到Ac1+（2030），再快冷到Ar1-（2030），等温后冷到500空冷。在选择工艺参数时应注意的问题：A 加热温度： 加热温度过高，易遭成片状珠光体增多，硬度偏高；加热温度偏低，造成碳化物溶解不充分，退火后得到片状和细粒状的碳化物，同样也使硬度偏高。B 保温时间： 保温时间太长，造成碳化物过度溶解和奥氏体较为均匀化，会出现粗大的球状碳化物;保温时间过短，造成碳化物溶解不够，会有片状碳化物出现。C 冷却速度： 冷却速度过快会使碳化物颗粒太细，降低硬度，冷却速度过慢，会出现粗大的球状碳化物，硬度过高。表 51 常用钢的退火温度二 正火1 正火工艺 正火是将钢加热到Ac3或Accm点以上30-50C，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的是： 细化晶粒，使组织均匀化;提高低碳钢工件的硬度和切削加工性能：消除切削加工后的加工硬化现象和去除内应力：消除过共析钢中的网状碳化物，为下一步热处理做好组织准备。2 正火的应用 正火与退火相比周期短，节约能源，操作简便，并可获得较好的力学性能，所以在满足工件性能要求的条件下，一般采用正火 。第二节 钢的淬火和回火工艺一 钢的淬火将钢加热到Ac3或Ac1以上的某一温度，保温一段时间后，以适当的速度冷却，获得马氏体或贝氏体的组织的热处理工艺。淬火的目的：为了提高钢的强度，硬度，耐磨性等力学性能，从而满足各种零件或工具的不同使用要求。亦可满足一些特殊的物理化学性能，1淬火加热： 由于淬火后的工件留加工余量少，因此淬火加热时要求变形小，表面无氧化，脱碳，严格控制淬火加热介质，减少氧化脱碳，保证工件淬火质量。2 淬火加热温度的确定： 钢的化学成分是确定淬火加热温度的主要因素，碳钢的加热温度可用Fe-Fe3C相图来选择。1）亚共析钢淬火温度的选择 亚共析钢的淬