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

金屬熱處理的特點金屬熱處理是機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成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。所以，它是機械制造中的特殊工藝過程，也是質量管理的重要環節。為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，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。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，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部組織結構，以改善鋼的性能。

通過適當的熱處理可以顯著提髙鋼的機械性能，延長機器零件的使用壽命。

熱處理工藝不但可以強化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結構重量、節省材料和能源，而且能夠提高機械產品質量、大幅度延長機器零件的使用壽命，做到一個頂幾個甚至十幾個。

恰當的熱處理工藝可以消除鑄、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細化晶粒、消除偏析、降低內應力，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性能。應用實例例如: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（達到HB207-255，相當于HRC17-25)，這樣才能進行切削加工，達到工藝性能要求。其中淬火+回火，它可提高鉆頭的硬度（達到HRC60-65）、耐磨性和紅硬性，可以切削加工其它金屬，達到工程所要求的使用性能。應用實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，在使用時刃口也會很快發生卷刃；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。在使用過程中，即使用鄉頭經常敲打，鏨子也不易發生卷刃和崩裂現象。鋼經熱處理后性能之所以發生如此重大的變化：

經過不同的加熱冷卻過程，鋼的組織結構發生了變化，因此要制定正確的熱處理工藝規范保證熱處理質量；必須了解不同加熱和冷卻條件下的組織變化規律鋼中組織轉變的規律就是熱處理的原理。

在機床制造中約60-70%的零件要經過熱處理。在汽車、拖拉機制造業中需熱處理的零件達70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業被廣泛應用.

模具、滾動軸承100%需經過熱處理。總之，重要零件都需適當熱處理后才能使用。

熱處理區別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。

鑄造軋制3、熱處理適用范圍:只適用于固態下發生相變的材料，不發生固態相變的材料不能用熱處理強化。

熱處理分類

熱處理原理：描述熱處理時鋼中組織轉變的規律稱熱處理原理。熱處理工藝：根據熱處理原理制定的溫度、時間、介質等參數稱熱處理工藝。(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備熱處理與最終熱處理預備熱處理—為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進一步熱處理作準備的熱處理。最終熱處理—賦予工件所要求的使用性能的熱處理.預備熱處理最終熱處理W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線時間溫度/℃熱處理與相圖鋼為什么可進行熱處理？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行熱處理呢？這些問題與合金相圖有關。原則上只有在加熱或冷卻時有固態相變發生的合金或溶解度發生顯著變化的合金才能進行熱處理。在固態下不發生相變的純金屬、某些單相合金等不能用熱處理手段強化，只能采用加工硬化的方法。①位于F點以左的合金：例如：某二元合金系相圖如右圖

在固態加熱或冷卻過程中均無相變發生。-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，β相又開始析出，繼續冷卻B在α相中的溶解度又會發生顯著變化，這一過程為固態相變的平衡脫溶沉淀。如果合金從α相狀態快速冷卻，會得到過飽和到α′固溶體，這一過程為固態相變的不平衡脫溶沉淀（固溶處理）。-可熱處理

③成分位于M點以右的合金：

α固溶體在溫度變化時溶解度發生顯著變化。-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，所有合金在固態下均無相變發生。-所有成分的合金不可熱處理

因為鋼在加熱或冷卻過程中越過臨界溫度就要發生固態相變，所以能進行熱處理。如能根據其變化規律，采取特定的加熱和冷卻方法，控制相變過程，便可獲得所需的組織、結構和性能。Fe-Fe3C相圖實際加熱或冷卻時存在著過冷或過熱現象，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”，臨界溫度與實際轉變溫度鐵碳相圖中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變溫度，因此一般手冊中的數據是以30-50℃/h

的速度加熱或冷卻時測得的.Ac1

–加熱時由P→A的開始溫度線。Ac3–加熱時由F→A的終了溫度線。Accm-加熱時Fe3CⅡ溶入A的終了溫度線。Ar1–冷卻時由A→P的開始溫度線。Ar3–冷卻時由A→F的開始溫度線。Arcm-冷卻時由A→Fe3CⅡ的開始溫度線。鋼在加熱時的轉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，不發生相變；另一種是在臨界點以上加熱，目的是獲得均勻的奧氏體組織，稱奧氏體化。鋼坯加熱從Fe-C狀態圖可知，任何成分的碳鋼加熱到臨界點Ac1線以上都會發生P→A轉變，而亞共析鋼、過亞析鋼加熱到Ac3、Accm線以上時便全部轉變為A。奧氏體的形成過程

現以共析鋼為例，來分析A的形成過程，共析鋼的室溫組織是P。P是F和Fe3C兩相機械混合物。當加熱到Ac1時，P開始向A轉變。

從上式可知，P→A轉變，是由成分相差懸殊，晶格不同的兩相轉變成另一種晶格的均勻單相奧氏體。在轉變過程中，必須進行晶格重組，和鐵、碳原子的充分擴散，即相變，才能使P→A。P→A的轉變過程是通過生核與長大過程來實現的。P→A轉變過程可分為四個階段，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P加熱到Ac1以上時，經過一段孕育期，P處于不穩定狀態。首先在F與Fe3C的界面上形成A晶核，這是因為界面處的原子排列不規則，空位和位錯密度較高，處于能量較高狀態，A的碳質量分數介于F與Fe3C之間，則使一部分F轉變為面心立方晶體的A(γ-Fe),側面的滲碳體溶入A晶格中，使其具有共析奧氏體所需的碳質量分數，這樣就形成了A晶核。第二步奧氏體晶核長大：

晶核通過碳原子的擴散向

和Fe3C方向長大。A晶核形成后，便開始長大。由于A與兩側F和Fe3C存在碳原子與鐵原子的濃度差，促使F晶格不斷的轉變為面心立方的A，而滲碳體則連續溶入奧氏體中，并通過鐵、碳原子的擴散，使A晶核長大，直至鐵素體晶格轉變完畢，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轉變的速度要比Fe3C溶入A的速度快。而且，Fe3C溶解所提供的碳原子遠多于F轉變為A所需的碳原子，故F全部轉變成A后，尚有少量Fe3C存在于A晶粒中，隨著時間的延長未溶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，通過長時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、過共析鋼加熱到Ac1～Accm之間，分別得到A＋F、A＋Fe3C、A＋Fe3C組織。稱為非完全奧氏體化。

鋼種加熱溫度組織

亞共析鋼Ac1～Ac3A＋F

共析鋼Ac1

稍上A＋Fe3C

過共析鋼Ac1～Accm

A＋Fe3C

強調：共析鋼和過共析鋼是非完全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。亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過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定鋼加熱質量的重要指標之一。奧氏體的晶粒大小對鋼的冷卻轉變及轉變產物的組織性能都有重要的影響。奧氏體晶粒越細小，鋼熱處理后的強度越高，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、降低裂紋擴展功和提高脆性轉折溫度。此外，晶粒粗大的鋼件，淬火變形和開裂傾向增大。奧氏體晶粒度晶粒度

是表示晶粒大小的一種尺度。是以單位面積內晶粒的個數或每個晶粒的平均面積與平均直徑。類別起始晶粒度實際晶粒度本質晶粒度

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。對鋼來說，如果不特別指明，一般是指奧氏體化后的實際晶粒大小。默認

代表在某一條件下，奧氏體的長大傾向，通常采用標準實驗的方法，即將鋼加熱到（930±10）攝氏度，保溫3-5小時后，測定其奧氏體晶粒大小。晶粒度在5~8級者稱為本質細晶粒鋼，在1~4級者稱為本質粗晶粒鋼。晶粒度評定標準

一般生產中把奧氏體晶粒大小分為1-8個級別，其中1級最粗，8級最細，超過8級以上的稱為超細晶粒。關系式晶粒度的級別G與晶粒大小之間的關系為：

N=2G-1G：晶粒度級別；N：100X時，平均晶粒數目/inch2（6.45cm2）

通常將鋼加熱到94010℃奧氏體化后，設法把奧氏體晶粒保留到室溫來判斷。

晶粒度為1-4級的是本質粗晶粒鋼,5-8級的是本質細晶粒鋼。前者晶粒長大傾向大，后者晶粒長大傾向小。

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