1-金属热处理概述(第一章)
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T8钢表示钢中平均含碳量为wC=0.8%的工具钢 T10A表示钢中平均含碳量为wC=1.0%的高级优质工具钢
第34页，共50页。
合金结构钢 牌号：两位数字+合金元素符号+数字
表示平均含碳量的万分之几
表示合金元素含量的百分之几 当w<1.5%时，一般只标明符号 不写数字；当≥1.5%、2.5%、 3.5% …时，元素后面相应的 标明2、3、4 …
第41页，共50页。
3.低碳钢
含碳量<0.25%，塑性韧性好，硬度、强度低，耐磨 性差。通常将其渗碳—淬火—低温回火后使用。
钢号
毛
热处理
力学性能
坯 尺
淬火温度
冷却
回火
b
s
5 Ak
寸 1 2 介质 温度
不小于
15Mn2 15 900
空
600 350 17 40
20Cr
15 880 800 水、油 200 850 550 10 40 48
冷却过程中应注意加热或冷却速度应该慢 一点。
第8页，共50页。
金属的化学性能
金属的化学性能中最重要的是耐腐蚀性 和高温抗氧化性。通过热处理可以改变成 分分布、组织结构，从而提高材料的耐腐 蚀性和高温抗氧化性能。 例如：固溶处理可以改善不锈钢的抗晶间腐 蚀能力；表面渗铝可以提高钢铁材料的抗 高温氧化性能。
表面化学热处理
感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火
第27页，共50页。
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
根据热处理在工件加工工序中的位置不同， 可分为预先热处理和最终热处理两类。
根据加热范围可分为整体热处理和局部热 处理两类。
第28页，共50页。
1.4 典型钢种及用途
第29页，共50页。
两位数字表示平均含碳量的万分之几
例如：
45钢表示钢中平均含碳量为wC=0.45% 08钢表示钢中平均含碳量为wC=0.08%
50Mn表示平均含碳量为wC=0.08%，wMn=0.70-1% 20g表示平均含碳量为wC=0.20%的锅炉钢
第33页，共50页。
碳素工具钢 牌号：T+数字（表示含碳量千分之几） 例如：
20CrMnTi 15 880 870 油
200 1100 850 10 45 56
20CrMnMo 15 850
油
200 1200 900 10 45 56
18Cr2Ni4WA 15 950 850 空
200 1200 850 10 45 80
第42页，共50页。
4.中碳钢 含碳量=0.25%~0.60%。包括调质钢、弹簧 钢和热作模具钢，是生产上用量最大的一 类钢。
由于各晶粒间存在位向差，为了协调变形，要 求每个晶粒必须进行多滑移，而多滑移必然要 发生位错的相互交割。
第18页，共50页。
细晶强化效果符合Hall—Petch关系：
s i kyd 1/2
细晶强化的显著特点：
不仅能提高强度，还能提高塑性和韧性。
第19页，共50页。
位错强化
定义： 用增加位错密度提高金属强度的方法称为 位错强化。
第36页，共50页。
合金工具钢 编号原则与合金结构钢大体相同，只是含碳量 的表示方法不同： 如果平均含碳量wC≥1.0%，则不标出含碳量； 如果平均含碳量wC<1.0%，则在牌号前以千分 之几表示。
例如：CrMn、 9Mn2V 高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2
第37页，共50页。
铬滚动轴承钢 牌号：GCr+数字（表示Cr平均含量的千分 之几）
表1.2 碳钢中各种组织的线膨胀系数
组织
线膨胀系数/×106K-1
奥氏体
23.0
铁素体
14.5
马氏体
7.15
渗碳体
12.5
第6页，共50页。
热应力：工件加热或冷却时由于内外温差 导致热胀冷缩不一致而产生的内应力。 普通淬火后组织应力引起的残余应力如何变 化？
第7页，共50页。
3. 热容和热传导系数 对于热导率比较小的材料，在加热和
比容/(cm3·g-1)
0.1271 0.130±0.001 0.140±0.002 0.1212±0.003 3(C%) 0.1271±0.000 5(C%) 0.1271±0.001 5(C%) 0.1271±0.002 65(C%)
第4页，共50页。
组织应力：由于各种组织的比容不同，将会 在工件内部形成内应力。
第16页，共50页。
固溶强化的规律：
a) 合金元素的质量份数越大，强化作用越大。 b) 溶质与溶剂原子的尺寸相差越大，强化作
用越大。 c) 间隙固溶体的溶质原子的强化作用大于置
换固溶体。 d) 溶质与溶剂原子的价电子数相差越大，强
化作用越大。
第17页，共50页。
细晶强化
强化机理：
晶界的存在使变形晶粒中的位错在晶界处受阻， 每一晶粒中的滑移带也都终止在晶界附近
第14页，共50页。
金属的强化和韧化机理共四类 固溶强化 细晶强化 位错强化 第二相强化
第15页，共50页。
固溶强化
定义：当溶质原子溶入溶剂原子而形成固 溶体时，使强度、硬度提高，塑性、韧性 下降的现象。
强化机理：
溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变， 阻碍了位错在滑移面上的运动
在位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作 用。
钢的分类
按照钢中所含合金元素多少分成碳钢和合 金钢两大类。
按照用途分为结构钢、工具钢和特殊性能 钢。
按照钢中含碳量分为低碳钢、中碳钢、高 碳钢
第30页，共50页。
常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号
（ＧＢ／Ｔ２２１－２０００）
名称
碳素结构 钢
采用 汉字
屈
采用 符号
Q
名称 钢轨钢
采用 采用 汉字 符号
例如GCr15表示平均含铬量wCr=1-1.5%
第38页，共50页。
不锈钢与耐热钢 牌号：数字+合金元素符号+数字
表示平均含碳量的千分之几
当平均含碳量wC ≤0.08%时，以“0”表示； 当平均含碳量wC ≤0.03%时，以“00”表示； 例如9Cr18、0Cr18Ni9、00Cr19Ni10
第39页，共50页。
根据钢的牌号判断各合金元素的含量 合金元素在钢中的作用 二次硬化 第二类回火脆性 固态相变的一般特征
第49页，共50页。
组织应力形成示意图
表面淬火前
表面淬火后
马氏体组织
奥氏体组织
F
F
F
F
第50页，共50页。
基体一起产生变形，由此也能提高屈服强 度。
第21页，共50页。
位错绕过第二相粒子过程示意图
第22页，共50页。
第23页，共50页。
1.3 金属热处理分类
第24页，共50页。
热处理概念
定义：将工件放在一定介质中加热到预定的 温度，并在该温度下保持一段时间，然后以 一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。
第9页，共50页。
金属的力学性能
1. 强度
弹性模量E 比例极限p、弹性极限e 弹性比功ae 屈服极限s、屈服强度0.2
抗拉强度b 蠕变极限、持久强度 疲劳极限、过载持久值、疲劳裂纹扩展速率
第10页，共50页。
2. 塑性和韧性
伸长率、断面收缩率 冲击韧度Ak
断裂韧度KIC
3.硬度 4.耐磨性
热处理工艺的三个阶段：
加热
保温 冷却
第25页，共50页。
热处理工艺包含五个要素：
加热介质 加热速率 加热温度 保温时间 冷却速度
第26页，共50页。
热处理分类
根据加热和冷却方式不同及钢的组织、性 能变化特点，可分为
热处理
整体热处理
淬火 退火 回火 正火 固溶时效
表面热处理
表面淬火
例如：35SiMn表示wC=0.35%, wSi=1.1%~1.4%, wMn=1.1%~1.4%
第35页，共50页。
钢中的V、Ti、Al、B、RE等合金元素， 虽然含量很低，但在钢中能起相当重要的 作用，也应在牌号中标出。 例如：20MnVB表示wC=0.20%, wMn=1.0%~1.3%, wV=0.07%~0.12%， wB=0.001%~0.005%
例如：表面淬火钢件表面为马氏体组织，次表 面和心部没有转变成马氏体，仍为奥氏体或 过渡组织，因此表面形成出现压应力。（示 意图）
合理利用组织的比容变化使表面产生残余压 应力可以提高零件的使用寿命。
普通淬火后组织应力引起的残 余应力如何变化？
第5页，共50页。
2. 线膨胀系数
固体物质的温度每改变1℃时，其长度的变化 和它在0℃时长度之比，叫做“线膨胀系数”。
固态相变的类型
扩散型相变：珠光体转变、奥氏体转变 非扩散型相变：马氏体转变 过渡型相变：贝氏体转变
第47页，共50页。
固态相变的形核
均匀形核 晶界形核 位错形核 空位及空位集团
第48页，共50页。
本章小结
什么是组织应力和热应力？钢淬火后表面 残余应力状态是怎样的？
金属的强韧化机制有哪四种？各自的强化 机理是什么？
碳素结构钢和低合金高强度结构钢 牌号： Q+屈服点数值（Mpa）（+质量等级
+脱氧方法等符号）
例如：碳素结构钢Q235AF、Q235BZ、Q235bZ 低合金高强度结构钢Q345C、Q345D
质量等级 由A到E，钢的质量提高
第32页，共50页。
优质碳素结构钢 牌号：两位数字（+合金元素符号等）
1 金属热处理概述
第1页，共50页。
本章主要内容
金属的主要性能 金属强韧化机制 金属热处理分类 典型钢种及用途
第2页，共50页。
1.1 金属的主要性能
第3页，共50页。
金属的物理性能
1. 比容
单位质量的物质所占有的容积，是密度的倒
数。
表1.1 碳钢中各种组织的比容(20℃)
组织
铁素体 渗碳体 碳化物 奥氏体 铁素体+渗碳体 贝氏体 马氏体
名称
采用 采用符 汉字 号
轨 U 沸腾钢 沸
F
低合金高 强度钢
屈
Q
铆螺钢
铆螺
ML
半镇静 钢
半
b
易切削钢 易
碳素工具 钢
碳
流动轴承 钢
滚
焊接用钢 焊
Y汽车大梁 用钢源自梁T压力容器 用钢
容
G 桥梁用钢 桥
H 锅炉用钢 锅
L 镇静钢 镇
Z
R
特殊镇 静钢
特镇
TZ
Q
质量等 级
___
ABCDE
g
第31页，共50页。
强化机理： 金属中位错密度越高，则位错运动越容易 发生相互交割，形成割阶，造成位错缠结 等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成 困难，从而提高金属的强度。
第20页，共50页。
第二相强化
强化机理： 不可变形的第二相：位错线只能绕过第二
相质点，为此必须克服弯曲位错的线张力。 可变形的第二相：位错可以切过，使之同
第11页，共50页。
金属的工艺性能
金属通过铸造、焊接、塑性加工和切削加 工而成形，通过热处理改变组织和性能以 及内应力状态。
良好的工艺性能不仅能保证工艺的顺利进 行，而且能降低加工成本。
第12页，共50页。
金属的经济性
原材料费 加工费 热处理
第13页，共50页。
1.2 金属的韧化机制
第43页，共50页。
5. 高碳钢 含碳量>0.6%，包括碳素工具钢、滚动轴承
钢、高速钢和冷作模具钢。
第44页，共50页。
1.5 固态相变概述
第45页，共50页。
固态相变的一般特征
相变阻力大 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位
向关系 母相晶体缺陷对相变起促进作用 易于出现过渡相
第46页，共50页。
合金元素在钢中的作用
1.合金元素的分类 根据合金元素与C的亲和力大小，将合金元 素分成
非碳化物形成元素 弱碳化物形成元素 强碳化物形成元素
➢当rC/rM>0.59时，形成间隙化合物 ➢当rC/rM<0.59时，形成间隙相，或称为特殊碳化物
第40页，共50页。
2. 合金元素的作用 固溶强化和韧化 形成碳化物提高强度和耐磨性 细化晶粒 提高钢的淬透性 提高回火稳定性 产生二次硬化 抑制第二类回火脆性
第34页，共50页。
合金结构钢 牌号：两位数字+合金元素符号+数字
表示平均含碳量的万分之几
表示合金元素含量的百分之几 当w<1.5%时，一般只标明符号 不写数字；当≥1.5%、2.5%、 3.5% …时，元素后面相应的 标明2、3、4 …
第41页，共50页。
3.低碳钢
含碳量<0.25%，塑性韧性好，硬度、强度低，耐磨 性差。通常将其渗碳—淬火—低温回火后使用。
钢号
毛
热处理
力学性能
坯 尺
淬火温度
冷却
回火
b
s
5 Ak
寸 1 2 介质 温度
不小于
15Mn2 15 900
空
600 350 17 40
20Cr
15 880 800 水、油 200 850 550 10 40 48
冷却过程中应注意加热或冷却速度应该慢 一点。
第8页，共50页。
金属的化学性能
金属的化学性能中最重要的是耐腐蚀性 和高温抗氧化性。通过热处理可以改变成 分分布、组织结构，从而提高材料的耐腐 蚀性和高温抗氧化性能。 例如：固溶处理可以改善不锈钢的抗晶间腐 蚀能力；表面渗铝可以提高钢铁材料的抗 高温氧化性能。
表面化学热处理
感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火
第27页，共50页。
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
根据热处理在工件加工工序中的位置不同， 可分为预先热处理和最终热处理两类。
根据加热范围可分为整体热处理和局部热 处理两类。
第28页，共50页。
1.4 典型钢种及用途
第29页，共50页。
两位数字表示平均含碳量的万分之几
例如：
45钢表示钢中平均含碳量为wC=0.45% 08钢表示钢中平均含碳量为wC=0.08%
50Mn表示平均含碳量为wC=0.08%，wMn=0.70-1% 20g表示平均含碳量为wC=0.20%的锅炉钢
第33页，共50页。
碳素工具钢 牌号：T+数字（表示含碳量千分之几） 例如：
20CrMnTi 15 880 870 油
200 1100 850 10 45 56
20CrMnMo 15 850
油
200 1200 900 10 45 56
18Cr2Ni4WA 15 950 850 空
200 1200 850 10 45 80
第42页，共50页。
4.中碳钢 含碳量=0.25%~0.60%。包括调质钢、弹簧 钢和热作模具钢，是生产上用量最大的一 类钢。
由于各晶粒间存在位向差，为了协调变形，要 求每个晶粒必须进行多滑移，而多滑移必然要 发生位错的相互交割。
第18页，共50页。
细晶强化效果符合Hall—Petch关系：
s i kyd 1/2
细晶强化的显著特点：
不仅能提高强度，还能提高塑性和韧性。
第19页，共50页。
位错强化
定义： 用增加位错密度提高金属强度的方法称为 位错强化。
第36页，共50页。
合金工具钢 编号原则与合金结构钢大体相同，只是含碳量 的表示方法不同： 如果平均含碳量wC≥1.0%，则不标出含碳量； 如果平均含碳量wC<1.0%，则在牌号前以千分 之几表示。
例如：CrMn、 9Mn2V 高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2
第37页，共50页。
铬滚动轴承钢 牌号：GCr+数字（表示Cr平均含量的千分 之几）
表1.2 碳钢中各种组织的线膨胀系数
组织
线膨胀系数/×106K-1
奥氏体
23.0
铁素体
14.5
马氏体
7.15
渗碳体
12.5
第6页，共50页。
热应力：工件加热或冷却时由于内外温差 导致热胀冷缩不一致而产生的内应力。 普通淬火后组织应力引起的残余应力如何变 化？
第7页，共50页。
3. 热容和热传导系数 对于热导率比较小的材料，在加热和
比容/(cm3·g-1)
0.1271 0.130±0.001 0.140±0.002 0.1212±0.003 3(C%) 0.1271±0.000 5(C%) 0.1271±0.001 5(C%) 0.1271±0.002 65(C%)
第4页，共50页。
组织应力：由于各种组织的比容不同，将会 在工件内部形成内应力。
第16页，共50页。
固溶强化的规律：
a) 合金元素的质量份数越大，强化作用越大。 b) 溶质与溶剂原子的尺寸相差越大，强化作
用越大。 c) 间隙固溶体的溶质原子的强化作用大于置
换固溶体。 d) 溶质与溶剂原子的价电子数相差越大，强
化作用越大。
第17页，共50页。
细晶强化
强化机理：
晶界的存在使变形晶粒中的位错在晶界处受阻， 每一晶粒中的滑移带也都终止在晶界附近
第14页，共50页。
金属的强化和韧化机理共四类 固溶强化 细晶强化 位错强化 第二相强化
第15页，共50页。
固溶强化
定义：当溶质原子溶入溶剂原子而形成固 溶体时，使强度、硬度提高，塑性、韧性 下降的现象。
强化机理：
溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变， 阻碍了位错在滑移面上的运动
在位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作 用。
钢的分类
按照钢中所含合金元素多少分成碳钢和合 金钢两大类。
按照用途分为结构钢、工具钢和特殊性能 钢。
按照钢中含碳量分为低碳钢、中碳钢、高 碳钢
第30页，共50页。
常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号
（ＧＢ／Ｔ２２１－２０００）
名称
碳素结构 钢
采用 汉字
屈
采用 符号
Q
名称 钢轨钢
采用 采用 汉字 符号
例如GCr15表示平均含铬量wCr=1-1.5%
第38页，共50页。
不锈钢与耐热钢 牌号：数字+合金元素符号+数字
表示平均含碳量的千分之几
当平均含碳量wC ≤0.08%时，以“0”表示； 当平均含碳量wC ≤0.03%时，以“00”表示； 例如9Cr18、0Cr18Ni9、00Cr19Ni10
第39页，共50页。
根据钢的牌号判断各合金元素的含量 合金元素在钢中的作用 二次硬化 第二类回火脆性 固态相变的一般特征
第49页，共50页。
组织应力形成示意图
表面淬火前
表面淬火后
马氏体组织
奥氏体组织
F
F
F
F
第50页，共50页。
基体一起产生变形，由此也能提高屈服强 度。
第21页，共50页。
位错绕过第二相粒子过程示意图
第22页，共50页。
第23页，共50页。
1.3 金属热处理分类
第24页，共50页。
热处理概念
定义：将工件放在一定介质中加热到预定的 温度，并在该温度下保持一段时间，然后以 一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。
第9页，共50页。
金属的力学性能
1. 强度
弹性模量E 比例极限p、弹性极限e 弹性比功ae 屈服极限s、屈服强度0.2
抗拉强度b 蠕变极限、持久强度 疲劳极限、过载持久值、疲劳裂纹扩展速率
第10页，共50页。
2. 塑性和韧性
伸长率、断面收缩率 冲击韧度Ak
断裂韧度KIC
3.硬度 4.耐磨性
热处理工艺的三个阶段：
加热
保温 冷却
第25页，共50页。
热处理工艺包含五个要素：
加热介质 加热速率 加热温度 保温时间 冷却速度
第26页，共50页。
热处理分类
根据加热和冷却方式不同及钢的组织、性 能变化特点，可分为
热处理
整体热处理
淬火 退火 回火 正火 固溶时效
表面热处理
表面淬火
例如：35SiMn表示wC=0.35%, wSi=1.1%~1.4%, wMn=1.1%~1.4%
第35页，共50页。
钢中的V、Ti、Al、B、RE等合金元素， 虽然含量很低，但在钢中能起相当重要的 作用，也应在牌号中标出。 例如：20MnVB表示wC=0.20%, wMn=1.0%~1.3%, wV=0.07%~0.12%， wB=0.001%~0.005%
例如：表面淬火钢件表面为马氏体组织，次表 面和心部没有转变成马氏体，仍为奥氏体或 过渡组织，因此表面形成出现压应力。（示 意图）
合理利用组织的比容变化使表面产生残余压 应力可以提高零件的使用寿命。
普通淬火后组织应力引起的残 余应力如何变化？
第5页，共50页。
2. 线膨胀系数
固体物质的温度每改变1℃时，其长度的变化 和它在0℃时长度之比，叫做“线膨胀系数”。
固态相变的类型
扩散型相变：珠光体转变、奥氏体转变 非扩散型相变：马氏体转变 过渡型相变：贝氏体转变
第47页，共50页。
固态相变的形核
均匀形核 晶界形核 位错形核 空位及空位集团
第48页，共50页。
本章小结
什么是组织应力和热应力？钢淬火后表面 残余应力状态是怎样的？
金属的强韧化机制有哪四种？各自的强化 机理是什么？
碳素结构钢和低合金高强度结构钢 牌号： Q+屈服点数值（Mpa）（+质量等级
+脱氧方法等符号）
例如：碳素结构钢Q235AF、Q235BZ、Q235bZ 低合金高强度结构钢Q345C、Q345D
质量等级 由A到E，钢的质量提高
第32页，共50页。
优质碳素结构钢 牌号：两位数字（+合金元素符号等）
1 金属热处理概述
第1页，共50页。
本章主要内容
金属的主要性能 金属强韧化机制 金属热处理分类 典型钢种及用途
第2页，共50页。
1.1 金属的主要性能
第3页，共50页。
金属的物理性能
1. 比容
单位质量的物质所占有的容积，是密度的倒
数。
表1.1 碳钢中各种组织的比容(20℃)
组织
铁素体 渗碳体 碳化物 奥氏体 铁素体+渗碳体 贝氏体 马氏体
名称
采用 采用符 汉字 号
轨 U 沸腾钢 沸
F
低合金高 强度钢
屈
Q
铆螺钢
铆螺
ML
半镇静 钢
半
b
易切削钢 易
碳素工具 钢
碳
流动轴承 钢
滚
焊接用钢 焊
Y汽车大梁 用钢源自梁T压力容器 用钢
容
G 桥梁用钢 桥
H 锅炉用钢 锅
L 镇静钢 镇
Z
R
特殊镇 静钢
特镇
TZ
Q
质量等 级
___
ABCDE
g
第31页，共50页。
强化机理： 金属中位错密度越高，则位错运动越容易 发生相互交割，形成割阶，造成位错缠结 等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成 困难，从而提高金属的强度。
第20页，共50页。
第二相强化
强化机理： 不可变形的第二相：位错线只能绕过第二
相质点，为此必须克服弯曲位错的线张力。 可变形的第二相：位错可以切过，使之同
第11页，共50页。
金属的工艺性能
金属通过铸造、焊接、塑性加工和切削加 工而成形，通过热处理改变组织和性能以 及内应力状态。
良好的工艺性能不仅能保证工艺的顺利进 行，而且能降低加工成本。
第12页，共50页。
金属的经济性
原材料费 加工费 热处理
第13页，共50页。
1.2 金属的韧化机制
第43页，共50页。
5. 高碳钢 含碳量>0.6%，包括碳素工具钢、滚动轴承
钢、高速钢和冷作模具钢。
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1.5 固态相变概述
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固态相变的一般特征
相变阻力大 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位
向关系 母相晶体缺陷对相变起促进作用 易于出现过渡相
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合金元素在钢中的作用
1.合金元素的分类 根据合金元素与C的亲和力大小，将合金元 素分成
非碳化物形成元素 弱碳化物形成元素 强碳化物形成元素
➢当rC/rM>0.59时，形成间隙化合物 ➢当rC/rM<0.59时，形成间隙相，或称为特殊碳化物
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2. 合金元素的作用 固溶强化和韧化 形成碳化物提高强度和耐磨性 细化晶粒 提高钢的淬透性 提高回火稳定性 产生二次硬化 抑制第二类回火脆性