热处理培训

热处理培训马钢重机公司李爽主要内容：1.金属的晶体结构2.二元合金相图与合金凝固3.铁碳合金相图4.钢的热处理原理5.钢在冷却时的转变6.钢的热处理工艺7.锻造加热锻后热处理概述第一讲金属的晶体结构金属材料的化学成分不同，其性能也不同。对于相同成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料的内部组织，也可使其性能发生极大变化。由此可以看出，除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。即：化学成分和工艺决定显微组织，显微组织决定材料性能。不同化学成分的金属性能对比35钢，860~880℃水淬，48~55HRC；480~500℃回火，28~32HRC。45钢，830~850℃水淬，55~60HRC；500~540℃回火；28~32HRC。45钢（200mm以下厚度）正火后冲击韧性小于25J/cm2，调质后可达40J/cm2。1.金属的晶体结构1.1晶体：原子三维空间内呈规则的周期性重复排列的固态物质称为晶体。（非规则排列，称为非晶体）我们目前接触的钢、铁等都是晶体。1.2晶格与晶胞为了研究原子排列规律，假定理想晶体中原子都是固定不动的钢球，那么原子有这些钢球堆垛而成。晶格:为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，将构成晶体的实际质点忽略，而将他们抽象为纯粹的几何点，称为阵点，为了观察方便，用平行直线将这些阵点连接起来，构成一个三维空间格架。这种用以描述晶体中原子（离子或分子）排列规律的空间格架称为空间点阵，简称点阵或晶格。由于晶格中原子排列具有周期性的特点，为了方便起见，可以从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小几何单元称为晶胞。晶胞的晶格常数与轴间夹角的表示方法晶胞的三个棱边a，b，c，称为晶胞常数或点阵常数；若三棱边设置坐标轴，则设置轴间角α，β，γ。晶格常数（点阵参数），包括晶格常数，轴间角。由此可确定晶胞形状和尺寸。根据晶格常数a、b、c和轴间角α，β，γ可将数万种的晶体物质分为七个晶系，而在1848年布拉菲用数学方法严格证明仅存在14种晶格，称为布拉菲格子。表征晶胞的六个参数1.3两种典型晶体结构体心立方（bcc）晶胞三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体，除了晶胞的八个角上各有一个原子外，在立方体的中心还有一个原子。1原子半径在体心立方晶胞中，原子沿立方体对角线紧密接触着，设晶胞的晶格常数为a，则立方体对角线长度为，等于4个原子半径，所以体心立方晶胞中原子半径a3ar432原子数21881ccb3配位数与致密度晶胞中任取一原子找出与其最近距离而且相等的原子数，称之为配位数。体心立方（bcc）：8个晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比，称为致密度。Vnvk68.04343233aak面心立方面心立方（fcc）晶胞三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体，除了晶胞的八个角上各有一个原子外，在立方体的六个面心还有一个原子。原子半径在体心立方晶胞中，原子沿立方体对角线紧密接触着，设晶胞的晶格常数为a，则立方体对角线长度为，等于4个原子半径，所以体心立方晶胞中原子半径a2ar42原子数4621881ccf配位数12个致密度74.04234433aak不同的原子排列方式原子间隙不同，溶解碳的能力也不同以纯铁为例，Fe在912℃以下为体心立方晶格，称为α-Fe；在912~1394℃具有面心立方晶格，称为γ-Fe；在1390℃至熔点又具有体心立方晶格，称为α-Fe。大部分金属只有一种晶体结构。金属由一种晶体结构向另一种晶体结构转变成为多晶型转变或同素异构转变。1．多晶型性（同素异构性）元素具有两种或两种以上的晶体结构的性质，称之多晶型性。2．多晶型转变（同素异构转变）具有多晶型性的金属在温度或压力变化时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程的称之为多晶型转变。正是由于Fe的多晶型转变，加上碳在不同晶体结构的Fe中溶解能力有差别，才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织与性能。1.4实际金属的晶体结构实际应用的金属材料中，总是不可避免的存在一些原子偏离规律排列的不完整区域，这就是晶体缺陷。金属中偏离其规定位置的原子数目很少，不超过千分之一，其结构是完整的。1.4.1点缺陷特点：在三维尺度上都较小，一般不超过几个原子间距。包括空位，间隙原子、置换原子。空位、间隙原子、置换原子。1.4.2线缺陷晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。刃型位错和螺旋形位错位错在金属晶体中的存在和运动，对金属的塑变、强度和断裂起着决定性的作用。此外，位错对金属的扩散、相变等过程也有较大的影响。位错对晶体的影响1.4.3面缺陷面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。面缺陷包括外表面与内界面两类。外表面：（表面或自由界面）内界面：晶界、亚晶界、孪晶界、相界和层错等晶界特性①常温下，晶界对位错的运动起阻碍作用，使金属具有较高的塑性变形抗力。因此，晶粒越细，金属的强度、硬度越高。（即：界面阻碍位错运动，引起界面强化，提高材料强度。界面阻碍变形，使变形分布均匀，提高材料塑性，强度。塑性增强使得材料韧性增强。）晶粒越细，强度、硬度越高，对于低温使用的材料，希望获得较细小的晶粒。②晶界上原子具有较高的动能，而且存在较多的空位、位错等缺陷，因而原子的扩散速度比在晶粒内部快得多。（界面高能量，在化学介质中不稳定，产生晶界腐蚀。同样，界面减少，可导磁率上升，矫顽力上升）③晶界具有较高的能量，易于满足相变所需的能量起伏条件，所以在发生相变时，新相往往首先在母相的晶界上形核。（影响形变及随后的再结晶）④当金属中加入某些微量元素时，那些能降低晶界能的元素，将优先富集于晶界，这种现象叫内吸附，以区别于外表面的吸附。（界面结构和特性影响凝固和相变过程）⑤晶界容易被优先腐蚀和氧化1.5金属铸锭的组织与缺陷铸态组织包括晶粒的大小，形状与取向，合金元素和杂志的分布，以及铸锭中的缺陷（缩孔、气孔等）铸态组织不仅影响到压力加工性能，还影响到压力加工后金属制品的组织及性能。1.5.1铸锭三晶区的形成表层细晶区当高温的金属液体，倒入铸模后，结晶首先从模壁开始，这是由于温度较低的模壁有强烈的吸热与散热作用，使靠近模壁的一薄层液体有强烈的吸热与散热作用，有极大的过冷度，模壁作为非均匀形核的基底，所以这一薄层液体生成大量的晶核，并向各个方向生长，形成细的等轴晶区。柱状晶区柱状晶区由垂直于模壁的粗大柱状晶构成。柱状晶区结晶前沿有适当的过冷度，这一过冷度很小，不能形成新的晶核。垂直于模壁方向散热最快，因而晶体沿其相反方向择优生长成柱状晶。中心等轴晶区钢锭心部散热已经失去了方向性，晶核在液体中可自由生长，在各个方向上的长大速度差不多相等，因此长成了等轴晶。1.5.2铸锭组织控制细晶区晶粒十分细小，组织致密，机械性能好柱状晶区晶粒彼此间界面平直，气泡缩孔小，组织比较致密。但柱状晶界结合较弱，压力加工时，沿着这些弱面容易开裂。等轴晶区晶粒没有方向性，不存在弱面，缩松较多，组织不致密。1.5.3铸锭组织控制铸锭模的冷却能力浇注温度与浇注速度浇注温度或浇注速度提高，易于形成柱状晶区，但表面细晶区变薄。熔化温度熔化温度提过利于形成柱状晶，但表面细晶区变薄。1.5.4铸锭缺陷缩孔绝大多数金属液态密度小于固态密度，因此结晶时要发生收缩。金属收缩的结果是原来填满铸型的液态金属，凝固后就不能再填满，此时如果没有液态金属继续补缩的话，就会出现收缩孔洞，简称缩孔。缩孔分为集中缩孔和分散缩孔（缩松）两类。集中缩孔当液态金属浇入铸型后，与型壁先接触的液体先结晶，先结晶部分体积收缩由后部分尚未结晶的液体来补缩，最后结晶的体积收缩得不到补充。因此，铸锭结晶时体积收缩都集中到最后结晶的部位，就形成集中缩孔。二次缩孔铸锭上部先已基本凝固，而下部处于液体状态，当期凝固收缩时，就得不到液体的及时补充，就在下部行程缩孔。分散缩孔（缩松、疏松）柱状晶、粗大的中心等轴晶形成过程中，由于树枝晶的充分发展以及各枝晶间相互穿插，相互封锁作用，使一部分液体被孤立分隔于各枝晶间，凝固收缩时得不到液体补充，这些区域形成显微缩孔，称为缩松。由于没有夹杂物、未被氧化，锻造时可以焊合。第二讲二元合金相图与合金凝固虽然纯金属在工业生产上获得了一定的应用，但由于其强度一般都很低，零件远不能满足各种使用性能的要求，因此工业上广泛采用合金。合金：金属与金属或非金属采用熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特性的物质。最广泛的碳钢和铸铁是由铁和碳组成的合金。要了解合金具有哪些优良性能，首先要了解各合金组元彼此相互作用形成哪能些合金相，它们的化学成份及晶体结构如何，再研究合金结晶后各组成相的形态、大小、数量和分布情况，即其组织状态，并进一步探讨合金的化学成分、晶体结构、组织状态和性能之间的变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的性能，并根据要求研制新的合金，在生产实践中，合金相图可作为制订合金熔炼、铸造及热处理工艺的重要依据。2.1几个基本概念组元：组成合金最基本、独立的物质叫做组元，简称元。例如碳钢的组元是铁和碳，或者说是Fe和Fe3C。相：相是指合金中结构相同，成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。固溶体合金的组元之间以不同比例相互混合形成固相，其晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相就成为固溶体。间隙固溶体、置换固溶体。化合物当超过固溶体溶解度极限时，还可形成金属化合物，金属化合物的晶体结构不同于任一组元，用分子式来大致表示其组成，如Fe3C。间隙固溶体与置换固溶体2.2二元合金相图的建立合金的存在状态通常由合金的成分、温度、压力三个因素确定，由于合金的熔炼、加工处理都是在常压下进行，所以合金的状态由成分和温度两个因素确定。对于二元系合金来说，相图用横坐标表示成分，纵坐标表示温度。2.3相律及杠杠定律平衡系统的自由度是指平衡系统的独立可变因素（如温度、压力、成分等）的数目。F=C-P+2F为平衡系统的自由度，C为平衡系统的组元，P为平衡系统的相数当压力为常数时F=C-P+1杠杆定律杠杆定理是分析相图时重要工具，可用来确定二相平衡时的两平衡相成份和相的相对量。杠杆定理只适用于二相区。即：两相的重量比与两线段的长度成反比。rbarabrbabarWWabrbWabarWll%100%100杠杆定理证明如下：设合金成份为X，液相成份X1，固相成份X2，合金的重量为W，液相重量为WL，固相重量Wa，则下列关系成立：联立方程组，代①入②可得Wa（X-X2)=(X1-X)WL21XWXWWXrbarWWabrbWabarWll%100%1002.4共晶相图及其合金的结晶两组元在液相时无限互溶，固相时有限互溶，发生共晶转变，行成共晶组织的相图称为二元共晶相图。2.共晶转变分析PbSnT,CL+L+L+共晶反应线表示从M点到N点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。MN共晶点表示E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。ELEM+N无论从何处开始,体系点达到共晶线液相组成达到E点共晶反应要点•共晶转变在恒温下进行。•转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。•存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。•成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。PbSnT,CL+L+L+MNE3合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（1）Wsn2％的合金凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademar