材料热处理原理及工艺.ppt

1、材料科学基础太原科技大学材料科学与工程学院材料科学基础课程教学团队第九章 钢的热处理原理及工艺第一节 热处理基本概念第二节 钢在加热时的转变第三节 钢的转变曲线、产物及性能第四节 过冷奥氏体转变曲线的应用第五节 钢的退火和正火第六节 钢的淬火与回火第七节 钢的表面热处理9.1 固态相变总论固态相变总论9.1.1 固态相变分类固态相变分类1.按热力学分类按热力学分类 根据相变点的吉布斯自由焓函数的导函数的连续情况可将根据相变点的吉布斯自由焓函数的导函数的连续情况可将固态相变分为一级相变和二级相变。固态相变分为一级相变和二级相变。一级相变：一级相变：相变过程中新旧两相自由焓相等，但自由焓的一阶相变

2、过程中新旧两相自由焓相等，但自由焓的一阶偏导数不等，这种相变称为一级相变。偏导数不等，这种相变称为一级相变。二级相变：二级相变：相变过程中新旧两相自由焓相等，自由焓的一阶偏相变过程中新旧两相自由焓相等，自由焓的一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数不等，这种相变称为二级导数也相等，但自由焓的二阶偏导数不等，这种相变称为二级相变。相变。一级相变时，有潜热的变化和体积的突变。大多数固态相一级相变时，有潜热的变化和体积的突变。大多数固态相变属于一级相变。变属于一级相变。二级相变时，无潜热和体积的变化，但热容、压缩系数和二级相变时，无潜热和体积的变化，但热容、压缩系数和膨胀系数要发生突变。磁性转变、超

3、导态转变及一部分有序膨胀系数要发生突变。磁性转变、超导态转变及一部分有序无序转变为二级相变。无序转变为二级相变。一级相变符合相区接触法则，相邻相区的相数差一。对于一级相变符合相区接触法则，相邻相区的相数差一。对于二元相图通常两个单相区之间含有这两个相组成的两相区。对二元相图通常两个单相区之间含有这两个相组成的两相区。对于二级相变，两个单相区仅以一条线分割。于二级相变，两个单相区仅以一条线分割。n级相变级相变：相变过程中新旧两相自由焓的第（：相变过程中新旧两相自由焓的第（n-1）偏导数相等，）偏导数相等，而其而其n阶偏导数不相等。阶偏导数不相等。2.按结构变化分类按结构变化分类按发生相变时新相与

4、母相在晶体结构上的差异，可以将相按发生相变时新相与母相在晶体结构上的差异，可以将相变分为变分为重构型相变重构型相变和和位移型相变位移型相变。重重构构型型相相变变伴伴随随化化学学键键的的破破坏坏，新新键键的的形形成成，原原子子重重新新排排列列，新新相相和和母母相相在在晶晶体体学学上上没没有有明明确确的的位位向向关关系系。所所需要克服较高的能垒，相变潜热很大，相变进行缓慢。需要克服较高的能垒，相变潜热很大，相变进行缓慢。高高温温型型石石英英高高温温磷磷石石英英，高高温温磷磷石石英英高高温温方方石石英英，脱脱溶分解，共析转变溶分解，共析转变 位位移移型型相相变变不不需需要要破破坏坏化化学学键键或或改

5、改变变其其基基本本结结构构，相相变变时时所所发发生生的的原原子子位位移移很很小小，新新相相和和母母相相之之间间存存在在一一定定的的晶晶体体学学位位向向关关系系。所所需需要要克克服服的的能能垒垒很很低低，相相变变潜潜热热也也很很小，转变速度非常迅速。小，转变速度非常迅速。低低温温型型石石英英高高温温型型石石英英，SrTiO4发发生生的的立立方方四四方方转转变，马氏体相变变，马氏体相变 3.按相变方式分类按相变方式分类 相变过程要经历涨落，根据涨落发生的范围与程度的相变过程要经历涨落，根据涨落发生的范围与程度的不同，不同，Gibbs将其分为两类。一类是形核将其分为两类。一类是形核长大型相变，另长大

6、型相变，另一类是连续型相变。一类是连续型相变。形核形核长大型相变：长大型相变：在很小的范围内，发生原子相当激烈的在很小的范围内，发生原子相当激烈的重排，生成了新相的核心，新相与母相之间产生了相界，靠重排，生成了新相的核心，新相与母相之间产生了相界，靠不断的生核和晶核的长大实现相转变叫形核不断的生核和晶核的长大实现相转变叫形核长大型相变。长大型相变。脱溶分解、共析转变等脱溶分解、共析转变等连续型相变：连续型相变：若在很大范围内原子发生轻微的重排，相变的若在很大范围内原子发生轻微的重排，相变的起始状态和最终状态之间存在一系列连续状态，不需形核，起始状态和最终状态之间存在一系列连续状态，不需形核，靠

7、连线涨落形成新相，这种相变为连续型相变。靠连线涨落形成新相，这种相变为连续型相变。调幅分解调幅分解 按相变时是否获得符合状态图的平衡组织可将固态相变分按相变时是否获得符合状态图的平衡组织可将固态相变分为平衡转变和非平衡转变；为平衡转变和非平衡转变；根据相变过程中有无原子的扩散可以将固态相变分为扩散根据相变过程中有无原子的扩散可以将固态相变分为扩散相变、半扩散相变和非扩散型相变。相变、半扩散相变和非扩散型相变。按形核方式可将固态相变分为扩散形核和无扩散形核相变。按形核方式可将固态相变分为扩散形核和无扩散形核相变。从相变的动力学机制出发，可以将相变分为均匀转变和非从相变的动力学机制出发，可以将相变

8、分为均匀转变和非均匀转变。均匀转变。第一节第一节 热处理基本概念热处理基本概念 一、热处理一、热处理 所谓钢的热处理是指将钢在固态下进所谓钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却三个基本过程，以改变行加热、保温和冷却三个基本过程，以改变钢的内部组织结构，从而获得秘需性能的一钢的内部组织结构，从而获得秘需性能的一种的加工工艺。种的加工工艺。二、热处理工艺分类三、钢的临界温度三、钢的临界温度 第二节第二节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变一、奥氏体的形成过程一、奥氏体的形成过程（一）（一）奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的形成（二）（二）奥氏体晶核的长大奥氏体晶核的长大 （三）（三）残余奥氏体的溶

9、解残余奥氏体的溶解（四）（四）奥氏体的均匀化奥氏体的均匀化二、影响奥氏体形成速度的因素二、影响奥氏体形成速度的因素（一）温度的影响（一）温度的影响（二）钢的成份的影响（二）钢的成份的影响（三）（三）原始组织的影响原始组织的影响 （二）奥氏体晶粒长大及其影响因素（二）奥氏体晶粒长大及其影响因素奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒的长大倾向钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒的长大倾向也增大。也增大。钢中加入合金元素，也影响奥氏体晶粒长大。一般钢中加入合金元素，也影响奥氏体晶粒长大。一般认为，凡是能形成稳定碳化合物的元素（如钛、认为，

10、凡是能形成稳定碳化合物的元素（如钛、钒、钽、铌、锆、钨、钼、铬），形成不溶于奥钒、钽、铌、锆、钨、钼、铬），形成不溶于奥氏体的氧化物及氮化物的元素（如铝），促进石氏体的氧化物及氮化物的元素（如铝），促进石墨化的元素（如硅、镍、钴），以及在结构上自墨化的元素（如硅、镍、钴），以及在结构上自由存在的元素（如铜），都会阻碍奥氏体晶粒长由存在的元素（如铜），都会阻碍奥氏体晶粒长大。而锰、磷则有加速奥氏体晶粒长大的倾向。大。而锰、磷则有加速奥氏体晶粒长大的倾向。第三节第三节 过冷奥氏体转变产物及性能过冷奥氏体转变产物及性能一、珠光体类型组织转变一、珠光体类型组织转变 （一）珠光体组织形态与性能（一）珠光

11、体组织形态与性能 片状珠光体组织中，一对铁素体与渗碳体片的总厚度，称为珠光片状珠光体组织中，一对铁素体与渗碳体片的总厚度，称为珠光体片间距。珠光体中层片状的渗碳体，经适当的退火处理后，可呈球体片间距。珠光体中层片状的渗碳体，经适当的退火处理后，可呈球状分布在铁素体基体上，称为球状（或粒状珠光体），见图所示。状分布在铁素体基体上，称为球状（或粒状珠光体），见图所示。根据片间距的大小不同，珠光体类型的组织又可细分为：根据片间距的大小不同，珠光体类型的组织又可细分为：1、珠光体、珠光体 形成温度为形成温度为A1650，片间距大约为，片间距大约为150400nm之间，一般在之间，一般在500倍以下的光

12、学显微镜下才可倍以下的光学显微镜下才可分辨，用符号分辨，用符号“P”表示。表示。v 2、索氏体、索氏体 形成温度为形成温度为650600，片间距大约为，片间距大约为80150nm之间，一般在之间，一般在8001000倍的光学显微镜下才倍的光学显微镜下才可分辨，用符号可分辨，用符号“S”表示。表示。v 3、托氏体、托氏体 形成温度为形成温度为600550，片间距大约为，片间距大约为3080nm之间，在光学显微镜下根本不能辨其层状特征，之间，在光学显微镜下根本不能辨其层状特征，只有在电子显微镜下才可以分辨，用符号只有在电子显微镜下才可以分辨，用符号“T”表示。表示。珠光体类型组织的力学性能与其片间

13、距的大小有直接的关珠光体类型组织的力学性能与其片间距的大小有直接的关系。图为共析钢珠光体的片间距与力学性能间的关系。系。图为共析钢珠光体的片间距与力学性能间的关系。（二）珠光体类型组织的转变过程（二）珠光体类型组织的转变过程 珠光体类型组织的转变是一种扩散型转变，即铁原子和碳原子均珠光体类型组织的转变是一种扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散；另外是晶格的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方进行扩散；另外是晶格的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方的铁素体和复杂的晶格的渗碳体。其转变也是一个形核和核长大的过的铁素体和复杂的晶格的渗碳体。其转变也是一个形核和核长大的过程。程。二、贝氏体类型

14、组织转变二、贝氏体类型组织转变 （一）贝氏体的组织形态和性能（一）贝氏体的组织形态和性能 过冷奥氏体在过冷奥氏体在550Ms（马氏体转（马氏体转变开始温度）温度范围内，将转变为贝氏变开始温度）温度范围内，将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号体类型组织，贝氏体用符号“B”表示，最表示，最常见的贝氏体组织形态为上贝氏体常见的贝氏体组织形态为上贝氏体B上上和下和下贝氏体贝氏体B下下。1、上贝氏体、上贝氏体 a)b)光学显微镜下的形态 800 电子显微镜下的形态 290000 2、下贝氏体、下贝氏体 a)b)光学显微镜下的形貌 800 电子显微镜下的形貌 290000（二）贝氏体类型转变过程（二）贝氏

15、体类型转变过程 发生贝氏体类型组织转变时，首先在发生贝氏体类型组织转变时，首先在过冷奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，过冷奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量低于奥氏体的平均含碳量，但仍其含碳量低于奥氏体的平均含碳量，但仍高于铁素体的平均含碳量，是过饱和铁素高于铁素体的平均含碳量，是过饱和铁素体。体。当温度较高（当温度较高（550350）时，条状或片状铁素体从）时，条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行生长。随着铁素体奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行生长。随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原子向条间的奥氏体中富集，最的伸长和变宽，其中的碳原子向条间的奥氏体中富集，最后在铁素体条

16、之间析出渗碳体短棒，奥氏体消失，形成上后在铁素体条之间析出渗碳体短棒，奥氏体消失，形成上贝氏体组织。贝氏体组织。当温度较低（当温度较低（350Ms）时，碳原子扩散能力低，铁）时，碳原子扩散能力低，铁素体在奥氏体的晶界或晶内的某些晶面上长成针状，尽管素体在奥氏体的晶界或晶内的某些晶面上长成针状，尽管最初形成最初形成 的铁素体固溶碳原子较多，但碳原子核的迁移不的铁素体固溶碳原子较多，但碳原子核的迁移不能逾越铁素体片的范围，只有在铁素体内一定的晶面上以能逾越铁素体片的范围，只有在铁素体内一定的晶面上以断续碳化物小片的形式析出，从而形成下贝氏体组织。断续碳化物小片的形式析出，从而形成下贝氏体组织。三、马氏体类型组织转变三、马氏体类型组织转变（一）马氏体的晶体结构（一）马氏体的晶体结构 马氏体是碳在马氏体是碳在-Fe-Fe中过饱和固溶体，用符号中过饱和固溶体，用符号“M M”表示表示,马氏体马氏体具有体心正方晶格（具有体心正方晶格（a=a=bcbc）。）。当发生马氏体组织转变时，奥氏体中当发生马氏体组织转变时，奥氏体中的碳全部保留在马氏体中，轴比的碳全部保留在马氏体中，轴比c/a称为马氏体的正方