金属材料和热处理总结.docx
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金属材料和热处理总结
转变方式
度变温眈变紙转川
光转珠体变
O55引
27
氏转
贝体变
50
5
氏转
马体变
Ms
珠光体.贝氏体以及马氏体之比较
转变机理
基体成分
基体结构
相组成
珠光体
碳、铁原子扩散
平衡含量，小于
0.00218%
体心立方
铁素体+渗碳体
贝氏体
碳扩散，铁原子切变
大于平衡含量
体心立方
铁素体+少虽碳
化物
马氏体
铁原子切变，无碳原子扩散
过饱和碳量
体心正方
铁素体（+少虽残余奥氏体）
珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物，根据在铁素体基体上分布的渗碳体形状，分为片状珠光体、粒状珠光体。
随转变温度降低，过冷度增大，片层间距愈小，珠光体愈细。
片状珠光体
平均片层间距
温度
性能特点
珠光体
>3um
Ai（723）
650
2、珠光体、索氏体、屈氏体三种组织只有粗细之分，并无本质区别。
2、随转变温度降低，片层间距减小，强度、硬度升高，
塑性也变好。
3、原因是铁素体和渗碳体片变薄时，相界而增多，在外力作用下，抗塑性变形能力增髙。
而且由于渗碳体片很薄，容易变形，不易脆裂，使钢的塑性变形
能力增大。
索氏体
0.1—
0.3um
650—
600
屈氏体
<0.1um
600—
550
粒状珠光体
球化体
渗碳体成颗粒
状
Al以F某温度
在退火状态下，对于相同含碳戢的钢，粒状珠光体比片状珠光体有较少的相界而，其硬度、强度较低，范性较髙。
关于马氏体若干问题
马氏体的晶体结构
马氏体晶体结构为含过饱和碳的体心正方，这个正方度与含碳量有关。
大于0・2%C的马氏体具有正方度，小于0・2%C失去正方度。
2、马氏体相变时，由于快冷条件下，奥氏体中的铁、碳原子失去扩散能力，奥氏体中的含碳量可全部保留在马氏体晶格点阵中。
组织形态
存在形式
精细组织
相变时切变方法
两种马氏体的形成条件
片状马氏体
（高碳马氏体、挛晶马氏体）
在高碳钢（0.6%C）、高碳Fe-Ni-C合金及一些有色金属和合金中
李晶亚结构
挛生
切变方式决左于Ms点，而Ms点与含碳量有关。
含碳量＜0.2%的低碳钢，Ms点较髙，引起滑移所需要的临界切应力较低，故进行滑移形成含有髙密度位错的板条状马氏体：
含碳量＞1.0%的高碳钢，Ms点较低，引起挛生所需要的临界切应力比较低，故进行李生形成含有大量李晶的片状马氏体。
板条状马氏体
（低碳马氏体、位错马氏体）
在低、中碳钢（0.6%C以下）、
Fe-Ni（6-25%）合金、Fe-Mn（2%）合金中可形成
存在大量位错
滑移
马氏体性能
1、髙强度和高硬度
2、马氏体的硬度主要决左于含碳量，随含礦量增加，硬度明显增加。
当到达0.6%C时，硬度趋于平缓。
3、马氏体高强度、髙硬度的原因：
固溶强化（C原子）：
髙密度位错、挛晶亚结构强化；自回火现彖，时效强化。
4、塑性和韧性取决于马氏体亚结构的情况，位错马氏体具有较好的塑性
转变过程的特点
1、无扩散性，依靠切变进行（militarychange）
2、无成分变化，只是点阵重构
3、一般在Ms点以下一个温度区间内完成（Mf）,转变过程靠产生一批批新马氏体片来完成，不是靠原马氏体片长大。
4、转变速度极快。
5、奥氏体不能完全淬成马氏体，残余奥氏体总或多或少存在。
淬火时，奥氏体迅速过冷至Ms以下，马氏体开始形成，降温过程中，马氏体转变量不断增加，冷却中断，转变也停止，及时冷却到Mf,也不能得到100%的马氏体，总有少疑残余奥氏体存在。
马氏体高强度、髙硬度的原因（细致）
1、固溶强化：
过饱和碳引起强烈的正方畸变，形成以碳原子为中心的应力场，这种应力场与位错的交互作用使马氏体显著强化。
2、亚结构强化：
板条状马氏体内高密度位错，片状马氏体内的精细李晶，产生亚结构强化：
3、时效强化：
马氏体形成过程中的自回火现象，使碳原子沿晶体缺陷偏聚或碳化物弥散析岀从而产生时效强化。
马氏体的范性、韧性解析
马氏体的范性和韧性主要决左与它的亚结构，板条状马氏体内存在着位错胞，为位错提供活动的余地，使其具有较髙的强度、良好的范性、韧性。
而片状马氏体内微细李晶存在，大大减少了有效滑移系，使脆性增大。
贝氏体转变机理及与珠光体转变、马氏体转变的比较
贝氏体转变机理
特点：
具有珠光体转变和马氏体转变某些共同的特点，又有某些区别它们的独特之处。
（贝氏体以切变方式长大.但其长大的速度受到碳原子扩散或碳化物沉淀所控制，所以长大速度远小于马氏体）
与珠光体转变的相似点
贝氏体也是铁素体和碳化物组成的机械混合物，在转变过程中，发生碳的扩散。
与珠光体转变的区别
1）碳的扩散不充分：
2）铁原子没有扩散：
3）转变特征与组织形态和珠光体不一样。
与马氏体转变的相似点
1）奥氏体向铁素体的晶格改组是通过切变方式进行的：
2）新相铁素体与母相奥氏体有一肚的位向关系。
与马氏体转变的区别
贝氏体是两相组织，通过碳原子扩散，可以发生碳化物沉淀。
贝氏体组织
组织名称
转变温度
组织形态
形成过程
性能
上贝氏体
含碳量>0.6%的碳钢，在Bs—350之间等温，形成上贝氏体：
在350—Ms之间等温形成下贝氏体。
含碳量<0.6%的碳钢，两者的分界温度高于350.
自奥氏体晶界开始，向晶内伸展成束的、大致平行的铁素体板条，条间的渗碳体不易辨认，呈羽毛状
首先，在奥氏体晶界贫碳区形成铁素体晶核，与基体保持共格关系，沿惯习而以切变方式向晶内长成密集的铁素体板条，碳原子通过相界而扩散至板条间奥氏体中，当富集至相当高的碳浓度，就脱溶而析出渗碳体小条，不连续地分布在铁素体片之间，形成了羽毛状的上贝氏体。
上贝氏体形成温度较髙，铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行分布在铁素体板条之间，铁素体与碳化物分布有明显的方向性。
这种组织状态使铁素体条间易开裂、脆断，因此强度低，其塑性和韧性低于屈氏体。
下贝氏体
光学显微镜下呈黑针状，各针之间有一泄交角。
在电镜下，在针状铁素体内成行地分布着细片状或颗粒状的£碳化物，沿着与铁素体长轴成55-60°角整齐排列着
由于形成温度较低，碳原子的扩散系数更小。
首先在奥氏体晶界或晶内贫碳区形成铁素体晶核，以切变方式长大，同时断续析岀£碳化物，以55—60与铁素体长轴相交。
与上贝氏体相比，下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，而且在铁素体内又沉淀析岀细小、多量而弥散的£一碳化物，因此，强度髙，而且韧性好。
粒状贝氏体
形成温度最高，稍低于Bs，在低碳钢或中碳合金钢中形成。
由块状铁素体和岛状的富碳奥氏体所组成。
铁素体板条进一步长大并侧向靠拢，最终将髙碳奥氏体包用起来成为孤立“小岛"。
首先进行碳原子扩散重新分布，接着在奥氏体贫碳区开始形成大体平行的铁素体板条，碳几乎都富集到奥氏体中去.
铁素体板条进一步长大并侧向靠拢，最终将高碳奥氏体包用起来成为孤立"小岛"。
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八元
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热处理方式
目的
回火
淬火钢件加热到低于A1的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。
1、淬火后工件有复杂的内应力，回火可消除或降低内应力
2、淬火组织马氏体强度、硬度高，塑性韧性差，通过回火，向铁素体和碳化物稳定态转变，使强度和韧性得到较好的配合。
退火
将钢加热到临界点Ac】以上或以下的一泄温度，保温一泄时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。
1）消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。
异分合金系的非平衡凝固，即存在成分偏析；
2）组织均匀化：
消除铸、锻件存在的魏氏组织或带状组织：
3）降低硬度，改善组织，以便于切削加工：
4）消除内应力和加工硬化；
5）改善髙碳钢中碳化物形态和分布（球化退火），为淬火作好组织准备。
正火
正火是将钢加热到Ac3.Accm以上约30-5CTC,或更高温度，保温足够时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。
（根据钢的CCT曲线和工件的截面大小（冷却速度），正火后可获得不同组织，如粗细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。
）
1、对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织如消除魏氏组织或带状组织。
这相当于退火的效果；
2、低碳钢退火后硬度太低（切削粘刀），改用正火，可提髙硬度，改善切削加工性。
3、作为某些钢（如中碳非调质钢）的最终热处理，以代替调质处理（淬火+回火）。
4、用于过共析钢，可消除网状碳化物，便于球化退火。
淬火
将钢加热到临界点Ac】或Acs以上的一定温度，保温一立时间，然后在水或汕等冷却介质中快速冷却。
1、把奥氏体化工件淬成马氏体，以便在适当温度回火后，获得所需要的力学性能。
23O-3SOe
乏409
Ao
回火时的各种变化
名称
组织变化
随温度变化
回火转变的组织
马氏体中碳原子的偏聚（碳原子做短距离迁移，在微观缺陷处偏聚）
100度以下
1、弹性偏聚：
含碳疑小于0.2%,碳原子偏聚到高密度位错线上，形成柯氏气团。
2、化学偏聚：
含碳量大于0.2%,碳原子偏聚在垂直于c轴的而上，使正方度c/a增力口，强度、硬度提髙。
马氏体的分解
200度以上
iooac以上回火时，马氏体要发生分解。
随着回火温度升高，过饱和u固溶体中碳浓度逐渐降低，即正方度c/a减小。
高碳马氏体在100-150r回火为马氏体分解的第一阶段，有£碳化物析出
回火马氏体：
高碳钢在150-250°C低温回火，形态：
片状u相内分布着薄片状£碳化物，两者保持共格关系。
150r以上为马氏体分解的第二阶段，发生连续式分解。
C<0.2%的板条马氏体，淬火时已自回火
（Ms点较髙），碳原子在位错附近偏聚，在100-200°C回火，不会析出E碳化物。
残余奥氏体的转变
1.含碳虽:
超过0.5%的碳钢或低合金钢，淬火后总有少疑残余奥氏体存在：
2、在200--300C范围内回火时，残余奥氏体分解为过饱和u固溶体和薄片状£碳化物的复相组织，两者保持共格；
回火马氏体或下贝氏体
碳化物的转变
在250-400°C回火时，族钢马氏体中过饱和族原子几乎全部脱溶；
随温度升高（或随时间延长）析岀顺序£碳化物--X碳化物…0碳化物（渗碳体）
回火屈氏体：
在350-500°C中温回火，«相上分布着微细粒状渗碳体。
碳化物的聚集长大和a相回复、再结晶
当回火温度高于400°C时，渗破体明显聚集长大并球化：
回火温度超过400C,回复过程使位错密度逐渐减少。
超过600°C,发生再结晶。
回火索氏体：
500-6509髙温回火，细粒状渗碳体和等轴铁素体所构成的复相组织
淬火钢回火时力学性能变化
1、处于淬火状态的钢，不仅范性很差，由于内应力存在，强度也不高。
2、200-300°C范围内回火，由于内应力消除，强度提高
3、300°C以上，随回火温度升髙，钢的强度降低，延伸率和断面收缩率升高
4、这些性能（硬度、强度以及塑性等）在加热过程中会发生变化的原因?
-
1）碳的偏聚和碳化物析岀；2）内应力的消除；
3）残余奥氏体的分解：
4）碳化物的转变：
5）铁素体的再结晶和碳化物的长大。
回火脆性
回火脆性：
淬火钢回火后的冲击韧性并不总是随回火温度的升髙单调地增大，有些钢在一左的温度范围内回火时，英冲击韧性（冲击功）显箸下降
分类
应用范围
产生脆性原因
解决方法
低温回火脆性（不可逆回火脆性）：
淬火钢在250-400°C范围内回火时出现的脆性：
几乎所有淬成马氏体的钢，在300r左右回火后都存在这类脆性；
此脆性区正是碳化物转变（£碳化物-…x碳化物---0碳化物（渗碳体））的区间，以及它们在马氏体板条或片间析出，引起韧性明显下降：
在更髙温度回火后脆性消除；防止方法只有不在此区间回火。
高温回火脆性（可逆回火脆性）：
淬火的合金钢在450-650°C范围内回火后，进行慢冷所岀现的脆性
合金钢，慢冷
不是所有钢都有高温回火脆性。
碳钢一般不出现这种脆性。
由于铢、磷、锡、呻等残余元素在原奥氏体晶界偏聚所引起的。
合金钢中的合金元素如Cr、Mn、Ni等元素促进这些微量元素的偏聚。
已产生脆性的工件，重新加热到600°C以上保温，然后快冷，则可消除它
备注
1＞钢中含有Cr、Mn.P、As、Sb等元素时，会使髙温回火脆性倾向增大：
如果钢中除Cr外，还含有Ni或相当的MnM时，则高温回火脆性更为显著：
2、W、Mo等元素能减弱髙温回火脆性的倾向
回火种类
温度范用
组织
目的
使用范围
低温回火
150-250°C
回火马氏体
降低淬火内应力，使英具有一沱韧性，并保持高的硬度；
要求髙硬度和高耐磨性工件，如刀具、量具、轴承、渗破件和表而淬火工件等。
中温回火
350-500°C
回火屈氏体
中温回火后的钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，并有良好的塑性和韧性。
主要用来处理各种弹簧零件和热锻模具。
高温回火
500-650°C
回火索氏体
淬火+高温回火称为调质处理；
调质处理后的工件具有高的塑性、韧性和强度的配合；
用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆、连杆螺栓、机床主轴等。
髙强度、承受冲击和交变负荷
两种有害组织
魏氏组织
带状组织
描述
在实际生产中，含碳><0.6%的亚共析钢和含碳>>1.2%的过共析钢在铸造、热轧、锻造后的空冷，焊缝或热影响区空冷，或者当加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界沿奥氏体一左晶面往晶内生长并呈针片状。
图片
这种从晶界形核生长的魏氏组织一般对韧性很有害！
合金元素的原始带状偏析引起枝干和枝间的Ars温度不同所致；在Ao温度较高的地方先形成铁素体，并促使碳原子向Au温度较低因而仍保留为奥氏体的相邻区域扩散，在这些富集碳的地方，最后形成珠光体。
退火工艺
（annealing）
将钢加热到临界点As以上或以下的一定温度，保温一泄时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。
定义
内涵
应用
范围
高温退火（加热至Ac】或AC3以上）完全退火、不完全退火、等温退火的目的都是一样的，区別在于退火温度的控制和应用范围上。
完全退火
（Ac3以上
20-30°C）
将亚共析钢加热到Ac3以上20--30C,保温足够时间奥氏体化后，随炉缓冷，从而获得接近平衡组织。
指的是退火时钢的内部组织全部进行了重结晶。
细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，便于切削加工。
锻轧终止温度过高的热锻轧件，晶粒粗大，易得到魏氏组织，并存在内应力，可以应用完全退火.
但它只适用亚共析钢，不适用于过共析钢（渗碳体网的形成）
不完全退火
Aci—Ac3或
Aci—Ac3
亚共析钢在Aci—Ac3之间或过共析钢在Aci-ACcm之间两相区加热，保温足够时间，进行缓慢冷却的热处理工艺。
“不完全"：
指两相区加热，只有部分组织发生了重新结晶。
应用较广，如果亚共析钢的锻轧终轧温度适当，并未引起晶粒粗化，铁素体和珠光体分布正常；可采用不完全退火，来细化晶粒，降低硬度和消除内应力。
优点：
加热温度低，操作条件好，节省燃料和时间。
等温退火临界温度
（Ac】或Acs）
以上
将钢件加热到临界温度（Ac,或Ac3）以上奥氏体化，然后将钢件移入另一温度稍低于Ar】的炉中等温停留；当转变完成后，岀炉空冷至室温。
等温温度确定：
根拯所要求的组织和性能，从该钢的C曲线来确定
适用于过冷奥氏体稳左性高的合金钢：
球化退火
Aci以上20—
30C
球化退火是使钢获得粒状珠光体的热处理工艺。
优点：
1、降低硬度，改善切削加工性能2、淬火的工艺性能好，3、能获得最佳的淬火组织。
主要用于过共析钢，如碳素工具钢、低合金工具钢等
扩散退火（均匀化退火）1100-1200°C
它是将钢锭、铸件或锻坯加热到略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。
异分结晶，必然导致偏析。
通过高温长时间加热，消除或减小钢锭、铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分与组织均匀化。
常用的扩散退火温度是1100-1200°C,保温时间为10-15小时。
应用于合金钢钢锭或铸件。
低温退火（加热至A®以
下）
低温退火
把钢件加热到低于Ac】温度退火，它包括软化
退火和再结晶退火。
软化退火：
又称去应力退火：
加热温度为650-720°C,保温后岀炉空冷：
虽不能细化晶粒、均匀组织，但能够消除内应力和降低硬度
合金钢
再结晶退火：
将冷加工硬化的钢材，加热至Trt-AciZ间进行，通常为650-700°Co
通过再结晶使变形晶粒恢复成等轴状晶粒，从而消除加工硬化。
经过冷加工硬化的钢材
去氢退火轧后空冷至低于Ad温度，约640-660°C
奥氏体变成珠光体，由于氢在铁素体中扩散速度大于奥氏体中，使氢较快逸岀，防止白点产生。
氢脆的左义：
冷却时，氢的溶解度减小，来不及扩散溢出，氢原子在钢的显微空隙和晶界处结合成氢分子，造成很大的压力，加上钢中其他内应力，超过该处的断裂强度，就产生细小裂纹。
白点：
该裂纹表现在纵向断口上呈椭圆形银白色斑点，所以称为白点。
关于淬火温度等的说明
淬火的定义
将钢加热到临界点Ac】或As以上的一左温度，保温一泄时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却。
淬火的目的
把奥氏体化工件淬成马氏体，以便在适当温度回火后，获得所需要的力学性能。
淬火温度的确定
亚共析钢
1＞淬火加热温度为Ac3+30-50°C,可得到细而均匀的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体：
2、如果温度在Aci-Ac3之间两相区加热，马氏体中有铁素体，造成硬度不足，降低力学性能：
3、如果在Acs以上过髙温度加热，奥氏体晶粒粗化，马氏体粗大，脆性增大，工件在淬火过程中容易变形。
过共析钢
1、淬火加热温度Aci+30_50C。
如原始组织为粒状珠光体，加热淬火后获得马氏体、颗粒状渗碳体及少量残余奥氏体，因而硬度高，耐磨性好，还有点韧性。
2、如果加热到ACcm以上，先共析渗碳体全部溶入奥氏体，使奥氏体含碳量增加，马氏体转变点Ms和W降低，淬火后保留大量奥氏体，而且获得粗片状马氏体，使钢的硬度和耐磨性降低，脆性增加，并增加淬火开裂倾向。
3、因此，过共析钢不能在Ac„n以上加热淬火。
备注：
钢中含有强碳化物形成元素锐、钛、規等，加热温度可适当提髙
原因：
荘奥氏体晶粒粗化温度髙，淬火温度可以偏高些，力口速合金碳化物的溶解，增加过冷奥氏体的稳泄性，提髙钢的淬透性。
淬火速度的矛盾
快冷将产生巨大的组织应力和淬火冷却时为了得到马氏体，必须热应力，使工件变形：
使冷却速度大于Vc
钢的理想淬火过程
根据CCT曲线，理想冷却曲线是：
650°C以上缓冷以减小热应力；650-4009区间快冷，以避免过冷奥氏体分解：
400C缓冷，通过马氏体转变区域，以降低马氏体转变所产生的组织应力。
种类
常用淬火介质的冷却特性
水
1、水的冷却特性很不理想，在需要快冷的650〜400C区间，不超过200°C/s：
而在需要慢冷的马氏体转变温度区，苴冷却速度太快：
2、适合于尺寸不大、形状简单的碳钢工件。
浓度10%NaCl水溶液
浓度为10%NaCI水溶液高温区、低温区的冷却速度都很强：
油
油比较适合过冷奥氏体稳定的合金钢淬火：
实际生产中根据钢种的特点，碳钢的临界冷却速度大，用水淬火；而合金钢的冷却速度小，可用油来淬火。
名称
最大冷却速度时
平均冷却速度/匕就
所在温度/*€
冷却速度/*CS』
650〜550°C
300〜200C
1、静止自来水，20*C
340
775
135
450
2、静止自来水，409
285
545
110
410
3、10%NaCl水溶液,209
580
2000
1900
1000
4、10号机油，20-C
430
230
60
65
淬火方法
各种淬火方法冷去P曲线示意图
1——单——淬火法
双液;卒火:
去
3—
时间
—分级淬火法
淬火方法
定义
应用
单一淬火法
它是将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。
形状简单的碳钢、合金钢工件
双液淬火法
它是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变。
（快冷介质）水+（慢冷介质）油
（快冷介质）水+（慢冷介质）空气
分级淬火法
它是将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变。
小尺寸工件;（由于等温温度较高，时间有限制）
优点：
减小热应力、组织应力：
等温淬火法
它是将奥氏体化后的工件淬入Ms点以上某温度盐浴中等温保持足够长时间，使之转变为下贝氏体组织，然后在空气中冷却的淬火方法；
等温淬火所获得的组织为下贝氏体组织。
下贝氏体组织的强度、硬度较高，韧性较好；等温温度与时间由c曲线来确定。
4——等温淬火:
去
淬透性的定义
指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。
英大小用钢在一左条件下淬火时获得淬透层深度来表示。
淬透性（淬透层深度）的影响因素
主要决泄于临界冷却速度的大小（内因）与钢种的化学成分有关
工件的截而尺寸和
升级会员 