金属的热处理--内有精选动图.

4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈠固态相变的热力学、动力学条件
液体和晶体自由能随温度变化
ΔT
T1 T0
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈠固态相变的热力学、动力学条件 I、固态形变中基本均为非均匀形核：在界面处形 核——可借用界面能降低成核界面能 II、自由表面，晶界处，相间边界在存在弹性能畸变 能处成核——使畸变能松弛，降低成核功 III、空位，位错，堆垛层错等缺陷处溶质原子富集， 存在浓度起伏——有利于形核
㈡细晶强化 霍尔-佩齐(Hall-Petch)公式:
1
s 0 Kd 2
0: 位错在晶内滑
移所受的阻力，即 点阵阻力(派-纳力)；
d: 晶粒度(平均晶 粒尺寸)，它反映 了晶界的数量。
低碳钢的σs与晶粒直径的关系
4.1 热处理的理论基础
㈡细晶强化
提高材料的强度
晶界数量的增加
(晶粒尺寸减小)
提高材料的塑性 1. 晶界越多，使
脆性相在空间上分割塑性相，从而使塑性相的变 形能力无从发挥，经少量变形后，即沿连续的脆 性相开裂，使合金的塑性和韧性急剧下降。
脆性相越多，网越连续，合金塑性就越差。 过共析钢的二次渗碳体在晶界上呈网状分布时，
钢的脆性增加、强度和塑性下降。可通过热加工 和热处理的相互配合来破坏和消除其网状分布。
. 典型合金：Al 4%Cu合金
母相
如果新相与母 相的成分、结 构差异比较大
新相与母相之间 只能形成高能量 的非共格界面
新相
析出序列： 母相 a0
晶体结构或成分与母相 比较接近的、自由能比 母相稍低的、亚稳定的
a1 GP区
过渡相
可能
a2 a 2
a4
4.2 钢的热处理
钢铁热处理的发展概况
发现金属的性能会因温度 公元前770～前222年 和加压变形的影响而变化
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点 ②弹性应变能
新相形状与弹性应变能之间关系
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点 ②弹性应变能
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点
③惯习面
固态相变时，为了降低界面能和维持共格 关系，新相往往以特定晶向在母相的一定 晶面上形成。与生成新相的主平面或主轴 平行的母相晶面称为惯习面。 通常用母相 的晶面指数来表示。
界面能中的几何项：由界面原子不匹配、原子间距发生 变化导致的界面弹性应变能，称为 界面能中的几何项
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点 ①界面能
界面弹性应变能：共格界面>半共格界面>非共格界面 界面化学能： 共格界面<半共格界面<非共格界面
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点 ②弹性应变能
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变
为什么夏天下冰雹？
鹅毛大雪
冻雨（天寒地冻）
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变
用纯净水玩魔术！
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变
气态金属结构
液体金属结构
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变
液体金属结构
固体金属
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈠固态相变的热力学、动力学条件
㈢加其工作硬用化范围与晶粒尺寸相当。
残余内应4.力1 热处理的理论基础
㈢加工硬化
3) 点阵畸变(第三类内应力)： 是由于塑性变形中形成的
大量晶体缺陷所导致。 作用范围为几十至几百纳
米。
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈣时效强化 ㈤第二相强化
时效强化和第二相强化，起到强化作用的都是第二相颗粒。 按照本书的定义： 时效强化：第二相颗粒是通过热处理过程从固溶体中析出 第二相强化：第二相是通过任意过程引入。
I 、溶质原子造成球对 称的点阵畸变，其强 化约为G/10 II、溶质原子造成非 球对称的点阵畸变， 其强化约为G的几倍。 注：G为剪切模量。
对称
非对称
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈡细晶强化
• 对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室 温下拉伸变形后，呈现竹节状。
• 说明室温变形时晶界具有明显强化作用。
晶界的影响 晶界上原子排列不规则、
点阵畸变、两侧滑移方向和滑 移面不一致，因此，室温下晶 界对滑移具有阻碍效应。 ●位错在晶界处的位错塞积效应
抑制了位错源的开动。
增加了多晶体金属的宏观塑性变形抗力
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈡细晶强化
不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像
4.1 热处理的理论基础
公元前六世纪
开始出现淬火技术
钢铁兵器显微组织中 发现都有马氏体存在
三国时代 西汉时代 现代
发现淬冷剂对淬火质量的影响
蒲元曾派人到成都取水在今陕西斜谷 为诸葛亮打制3000把刀
开始应用渗碳工艺
中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为 0.15～0.4%，表面含碳量达0.6%以上
初步奠定现代热处理的理论基础
法国人奥斯蒙德确立铁的同素异构理论; 英国人奥斯汀制定的铁碳相图
位错绕过粒子前进时，运动的阻力增加，且随着位错环的增多，继续变 形时必须增大外加应力，使得金属的变形抗力迅速提高。
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈣时效强化 ㈤第二相强化 位错切过
4.1 热处理的理论基础
㈣时效强化 ㈤第二相强化
第二相分布形态的影响
AA.. 第第二二相相在在塑塑性性相相晶晶界界连连续续网网状状分分布布
4.1 热处理的理论基础
㈣时效强化 ㈤第二相强化
第二相分布形态的影响 ＢＢ.. 第第二二相相在在塑塑性性相相中中呈呈片片状状或或层层状状分分布布
钢中珠光体即为此例
位错的移动被限制在渗碳体片之间的很短距离内，此时位 错运动至障碍物渗碳体片之前时，形成位错平面塞积群，
当其应力集中足以诱发临近铁素体中位错源开动时，相邻 的铁素体才开始变形。其屈服也可用Hall-Petch公式描述：
结构起伏与能量起伏是对应的。
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈠固态相变的热力学、动力学条件
晶体凝固的热力学条件
实验证明，纯金属液体被冷却到熔点T0（理论 结晶温度）ideal melting point时保温，无论保温 多长时间都不会进行结晶，只有当温度明显低于 T0时，结晶才开始。
金属要在过冷的条件下才能结晶。
1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在 显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加 热和冷却时，内部会发生组织改变。
与此同时，人们还研究了金属的加热保护方法。 1850～1880年，对于应用各种气体进行保护加热 曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得 多种金属光亮热处理的专利。
4.1 热处理的理论基础
㈣时效强化 ㈤第二相强化
切过 VS 绕过
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈣时效强化 ㈤第二相强化
第二相软硬程度影响 I、几何上的“软和硬” II、原子键级别的“软和硬”
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈣时效强化 ㈤第二相强化 绕过第二相粒子
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点
④过渡相
母相
如果新相与母 相的成分、结 构差异比较大
新相与母相之间 只能形成高能量 的非共格界面
新相
晶体结构或成分与母相 比较接近的、自由能比 母相稍低的、亚稳定的
过渡相
可能
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点
④过渡相
细化晶粒。
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈢加工硬化
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈢加工硬化
残余内应4力.1 热处理的理论基础
㈢加工硬化
1) 宏观残余应力(第一类内应力)： 材料(或工件)各个部分的宏观形变不均匀引起。 作用范围整个工件。
残2) 余微观内残应4余.力应1力热(第处二类理内应的力理)： 论基础 晶粒或亚晶粒之间变形不均匀所导致。
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈠固态相变的热力学、动力学条件
晶核形成(nucleus formation )
晶核长大(nucleus growth)
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈠固态相变的热力学、动力学条件
• 母相中存在三种起伏： 成分起伏 能量起伏 结构起伏
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈠固态相变的热力学、动力学条件
• 体积自由能的减少 • 表面自由能的增加 • 两相的体积差别所产生的应变能变化
ΔG=-VΔGV +A+VΔGS
假设所形成新相为球形， 则求极值
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈠固态相变的热力学、动力学条件 形核受扩散控制！过冷度影响扩散，故影响成核率等 1）过冷度小，临界晶核尺 寸变大，母相中不易形成如 此大的晶核 2）过冷度较大的时候， 临界晶核尺寸变小，临界 形核功变小，均匀成核率 升高
材料塑性变形
时，晶粒之间
的协调变形越
所以通常材料加工，希望使材料获
容易；
得较细的晶粒，这称为细晶强化。
2. 曲折的晶界使
裂纹扩展变得
困难。
4.1 热处理的理论基础
㈡细晶强化 • 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形 时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑 性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形 便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种 相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式
㈡细晶强化
I. 对铸态使用的合金：合理控制冶铸工
细 化
艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行 搅拌和振动等。
晶
II. 对热轧或冷变形后退火态使用的合金：
粒 控制变形度、再结晶退火温度和时间。
方
法
III. 对热处理强化态使用的合金：控制
加热和冷却工艺参数, 利用相变重结晶来
y
F
Kd
1 2
F为铁素体的屈服强度，d为珠光体片间距，Ｋ为常数。
可见珠光体片间距越薄，则强度越高，且其变形越均匀， 且变形能力增加。对于细珠光体，渗碳体片甚至也能滑移 弯曲变形。因此细珠光体不仅强度高，塑性也好。
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式
事实上：除了极少数情况，很少有使用单晶的， 也没有绝对纯净的材料，所以通常是细晶强化、 固溶强化、第二相强化，多种强化共存。⑥ 复合强化
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点
①界面能 ②弹性应变能 ③惯习面和位相关系 ④过渡相
பைடு நூலகம்
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点
①界面能
界面能包括两部分
界面能中的化学项：相界面处同类键、异类键的强度和数 量变化引起的化学能，称为界面能中 的化学项或是界面化学能
结构起伏（Structural undulation）：液态金属中存在着原子 排列规则（有序）的小区域（原子集团），但是不稳定，存在原 子重新聚集clustering，此起彼伏。
能量起伏（Energy undulation）： 造成结构起伏的原因是液态金属中 存在着能量起伏，能量低的地方形 成cluster，遇到能量高峰又散开 成无序状态。
晶向则称为惯习方向，这种现象叫做惯习现象。
4.1 热处理的理论基础
二、固态相变 ㈡固态相变的主要特点 ③惯习面
原因： 固态相变时存在界面能与应变能，在界面能随接 触界面或晶体取向的不同而变化的条件下，应该 使界面能最低的相界面得到充分发展，因为这样 有利于减小相变阻力；在应变能随新相成长方向 而发生变化的条件下，应该沿着应变能最小的方 向成长。因此，降低界面能和应变能以减小相变 阻力是惯习现象出现的基本原因。
金属的热处理
目录
4.1 热处理的理论基础 4.2 钢的热处理 4.3 固溶与时效处理
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈠固溶强化
溶质原子溶入金属 基体而形成固溶体， 使金属的强度、硬 度升高，塑性、韧 性有所下降，这一 现象称为固溶强化。
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈠固溶强化—浓度
1901～1925年，在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，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。
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈠固溶强化—尺寸
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式 ㈠固溶强化—固溶体类型
4.1 热处理的理论基础
一、金属材料的主要强化方式
㈠固溶强化—固溶体类型—畸变是否对称
非球对称的点阵畸变，将导致面心立方和体心立方的晶格 失去“立方”的特性。使得各滑移系的开启阻力不一致， 相当于减少了滑移系。