热处理原理及工艺1

热处理原理及工艺教学安排（5-18周）授课50学时实验6学时1.钢的组织观察2.钢的普通热处理3.钢的顶端淬火王迎春010-68913937-801；13520220189；[e-mail]办公室：5号楼222考核方式平时成绩：20％•作业、课堂表现、考勤•实验考试成绩：80％考试方式：闭卷推荐参考书陆兴，机械工业出版社，2007,《热处理工程基础》胡光立，西北工业大学出版社，2008，《钢的热处理》夏立芳，哈工大出版社，2007，《金属热处理工艺学》吉择升，哈工大出版社1999年，《热处理炉》什么是热处理？•热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种工艺。•可热处理性•三个过程：加热、保温、冷却。3.热处理设备2.热处理工艺1热处理原理主要内容讨论金属及合金在固态下的相变规律、影响因素、研究热处理组织和性能之间的关系等。通过加热-保温-冷却的方法使金属内部组织结构发生变化，以获得工件要求的使用性能的技术实现热处理工艺的各种设备一、热处理在机械制造过程中的作用、地位零件机械制造过程重要工序零件的制造路线：坯料——铸、锻、焊等热加工——预备热处理——粗加工——最终热处理——精加工——（热处理）——成品绪论机床零件中的60％～70％，汽车零件中的70％～80％，模具产品中几乎100％的零件需要进行热处理齿轮刀具不同零件通过选材和正确的热处理获得要求的性能热卷大弹簧滚珠轴承（1）获得最终使用性能热处理主要作用齿面磨损提高零件使用寿命绪论（2）改善毛坯工艺性能，以利于冷、热加工如切削，塑性加工疲劳断裂二、热处理发展概况人们在开始使用金属材料起，就开始使用热处理，其发展过程大体上经历了三个阶段。1、民间技艺阶段铁器时代，铸铁的柔化处理石墨化退火和脱C退火根据现有文物考证,出土的春秋战国的铁器，经分析，有表面脱C和石墨化组织。战国中、晚期，发明了淬火技术。据秦始皇陵考古发现，兵马俑中的武士佩剑制作精良；古书中有“炼钢赤刀，用之切玉如泥也”西汉，化学热处理渗C和CN共渗。汉代开始,我国热处理技术就有文字记载虽然我们的祖先掌握了很多热处理技术，但是发展缓慢绪论2、技术科学阶段（实验科学）—金相学大约从1665年1895年,主要表现为实验技术的发展阶段。1665年：显示了Ag—Pt组织、钢刀片的组织；1772年：首次用显微镜检查了钢的断口；1808年：首次显示了陨铁的组织，后称魏氏组织；1831年：应用显微镜研究了钢的组织和大马士革剑；1864年：发现了索氏体；1868年：发现了钢的临界点，建立了Fe-C相图；1871年：英国学者T.A.Blytb著“金相学作为独立的科学”在伦敦出版；1895年：发现了马氏体；绪论3、建立了一定的理论体系—热处理科学“C”曲线的研究，马氏体结构的确定及研究，K—S关系的发现，对马氏体的结构有了新的认识等，建立了完整的热处理理论体系。绪论二十世纪以来，金属物理的发展和其它新技术的移植应用，金属热处理得到更大发展。•1901～1925年，工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；•30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；•60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；•激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。绪论第一部分热处理原理•加热冷却过程中相的转变热处理前提一、金属固态相变的分类（一）按原子迁移情况（动力学）1.扩散型相变：依靠原子或离子的扩散进行；如同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶转变、共析转变2.非扩散型相变：原子或离子不发生扩散；3.半扩散型相变：半径小的原子或离子发生扩散，半径大的原子或离子不发生扩散。第一章金属固态相变基础（二）按平衡状态（热力学）1.平衡相变缓慢加热或冷却转变符合平衡相图的规律2.非平衡相变加热或冷却快平衡相图不能反应转变规律二、金属固态相变的一般特征以新相和母相之间的自由能差作为相变的驱动力。大多数通过形核和长大两个过程来完成。不同于液相凝固的特点：（一）新相和母相间的界面和界面能界面能：–形成新相界面时，因同类键、异类键的结合强度和数量变化引起的化学能，–由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能固态相变时，新相与母相的相界面是两种晶体的界面，按其相界面上原子间匹配程度可分为三种:共格界面；半共格界面；非共格界面1.共格界面•原子匹配得好•界面上能量低•但弹性应变能高理想的共格界面-对称孪晶界实际两相点阵总有差别---点阵结构不同（点阵错配）或点阵参数不同（体积错配）—界面附近产生弹性应变2.半共格界面相界面上产生刃位错，以降低界面的弹性应变能界面上两相原子部分地保持匹配相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大错配度-δ大，则弹性应变能大3.非共格界面两相在相界面处的原子排列相差很大时，相界面处完全失配，只能形成非共格界面。固态相变时界面能的大小与形成的相界面结构有关非共格界面能半共格界面能共格界面能界面结构不同，对新相的形核、长大过程及相变后组织形态有很大影响(二)新相晶核与母相间的晶体学关系1、存在惯习面•固态相变时，为了降低界面能和维持共格关系，新相一般会在母相的一定晶面上开始形成。•与所生成新相的主平面或主轴平行的母相晶面称为惯习面。例如从亚共析钢的粗大A中析出F时，除沿A晶界析出外，还沿A的｛111｝面析出，呈魏氏组织，此｛111｝面即为F的惯习面。M相变时形成的惯习面｛111｝γ｛111｝2、有一定的位向关系位向关系：在固态相变时新相的某些低指数晶面、晶向与母相的某些低指数晶面、晶向平行的关系，即｛hkl｝∥｛h’k’l’｝，uvw∥u’v’w’K-S关系为{111}γ//{011}α’；110γ∥111α’西山关系为{111}γ//{011}α’；112γ∥110α’惯习面的存在表明新相与母相存在一定的晶体学关系。两相的晶体各自相对于惯习面的位向关系是确定的，则它们彼此间的位向关系也是确定的。新相和母相常以原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面和晶向相互平行来保持这种位向关系。如A→M相变{111}γ//{011}α’；110γ∥111α’如果界面结构为非共格时，新、旧相之间无确定的晶体学关系。（三）相变阻力大界面能和应变能均是相变的阻力弹性应变能相界面原子排列差异引起－点阵错配（共格应变能）新相形成时的体积变化－体积错配（比容差应变能）固态相变时界面能的大小与形成的相界面结构有关。非共格界面的界面能半共格界面能共格界面能•点阵错配对应变能的影响共格界面应变能半共格应变能非共格界面应变能(为零)•过冷度大，新相临界晶核小、多，新相表面积大，则界面能增大占主要地位。这时两相倾向于形成共格或半共格界面，以降低界面能。但要使界面能的降低足以超过由于形成共格或半共格界面所引起的应变能的增加，则必须降低应变能，故新相倾向于形成薄片状（或盘状）。•过冷度很小时，新相临界晶核大，新相表面积小，则减小界面能占次要地位，这时两相倾向于形成非共格界面，以减小应变能。此时，若两相比容差小，新相倾向于球状以降低界面能；形成若两相比容差大，新相倾向于形成针状以兼顾降低界面能和比容差应变能非共格界面的界面能半共格界面能共格界面能共格界面应变能半共格界面应变能非共格界面应变能(为零)相变阻力中，应变能与界面能何者为主视具体条件而定，也由此影响新相的形状（四）晶体缺陷晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围，新相极易在这些位置非均匀形核。•因缺陷区域能量起伏、结构起伏、成分起伏大；•在区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，形变应力也容易松弛对晶核的长大过程也有一定的影响。金属固态相变的一般特征（一）新相和母相间的界面和界面能（二）新相晶核与母相间存在一定的晶体学关系（三）相变阻力大（四）晶体缺陷处新相优先形成三、固态相变时的形核1.均匀形核－－晶核在母相中无择优地均匀分布驱动力为：新旧相自由能差系统自由能总变化为：自由能差（负）界面能弹性应变能阻力为界面能和弹性应变能svGVSGVG1）γαβ、ΔGs的减小，均使形核功降低，从而有利于形核。2）若新相/母相的界面为共格或半共格界面，由于界面能较低，影响形核功的主要因素为新相的应变能。为降低应变能，新相趋向于呈片状或针状。3）若新相/母相的界面为非共格界面，由于界面能较高，影响形核功的主要因素为新相/母相界面面积。为减小界面面积，新相趋向于呈球状。4）由于固态相变时，相变阻力较大，为减小形核功，需使新相和母相间的自由能差增大，这就需要增加相变的过冷度，所以固态相变时的过冷度均较大，如：无扩散相变时过冷度甚至达到了几百度。svGVSGVG2.非均匀形核（1）晶界形核（2）位错形核（3）空位对形核的促进作用位错线消失释放能量，降低成核功成为半共格界面中的位错溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分短路扩散作用释放能量提供成核驱动力聚集成位错促进形核四、新相的长大新相晶核一旦形成后，将按照其自身相变的需要，采取一定的方式长大。若新相的成分不同于母相，则其长大的过程必然伴随原子的迁移。扩散型相变-珠光体相变、脱溶分解、贝氏体相变等均在结构改变的同时伴有这种传质过程。若新相成分与母相的相同，例如马氏体相变，则只需结构改变，而无需原子的迁移。从Fe—Fe3C状态图可知，珠光体被加热到A1（727℃）以上时将转变为奥氏体。第二章钢在加热时的转变§2-1奥氏体的结构、组织和性能1、奥氏体的结构奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体。在合金钢中，除了碳原子外，溶于γ-Fe中的还有合金元素原子。（1）碳原子在点阵中的位置与分布•X-ray结构分析证明，碳原子位于γ-Fe八面体间隙（r＝0.52Å）位置中心，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点。•碳原子的半径0.77Å，溶入将使八面体发生膨胀，使周围的八面体中心的间隙减小，故不是所有八面体都能容纳C原子•碳原子在奥氏体的分布是不均匀的，存在着浓度起伏。奥氏体中碳的分布是呈统计均匀.在含碳0.85%的奥氏体中可能存在大量比平均碳浓度高八倍的微区（2）碳含量与点阵常数的关系碳原子的溶入使的γ-Fe点阵发生畸变，点阵常数增大。溶入的碳愈多，点阵常数愈大。奥氏体点阵常数与碳含量的关系2、奥氏体的组织在一般的情况下奥氏体的组织是由多边形的等轴晶粒所组成，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶。奥氏体显微组织（晶内有孪晶）3、奥氏体的性能Fe-C合金中的奥氏体在室温下是不稳定相。但Fe-C合金中加入足够数量的能扩大γ相区的元素（Ni，Mn），可使奥氏体在室温，甚至在低温成为稳定相。以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。（1）磁性奥氏体具有顺磁性，故奥氏体钢又可作为无磁钢。（2）比容在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。可利用这一点调整残余奥氏体的量，以达到减少淬火工件体积变化的目的。（3）膨胀奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故奥氏体钢也可被用来制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。（4）导热性除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。因此，为避免热应力引起的工件变形，奥氏体钢不可采用过大的加热速度加热。（5）力学性能具有高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成形。面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故奥氏体钢可作为高温用钢