第7章 钢的热处理与相变强化11
钢的热处理(原理及四把火)
钢的热处理钢的热处理：是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。
热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。
其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。
第一节钢的热处理原理热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺分类：（根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下）1、整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；2、表面热处理：包括表面淬火、物理和化学气相沉积等；3、化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
热处理的三阶段：加热、保温、冷却一、钢在加热时的转变加热的目的：使钢奥氏体化（一）奥氏体（ A）的形成奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则W c ＝0.0218％（体心立方晶格F）W c ＝6.69％（复杂斜方渗碳体）当T 上升到A c1 后W c ＝0.77％（面心立方的A）由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A的形成过程。
在铁素体和渗碳体的相界面上形成。
有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则，空位和位错密度高。
1、奥氏体长大由于铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，A晶核一方面不断向铁素体和渗碳体方向长大，同时自身也不断形成长大。
2、残余 Fe 3 C的溶解 A长大同时由于有部分渗碳体没有完全溶解，还需一段时间才能全溶。
（F比Fe 3 C先消失）3、奥氏体成分的均匀化残余Fe 3 C全溶后，经一段时间保温，通过碳原子的扩散，使A成分逐步均匀化。
（二）奥氏体晶粒的长大奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。
分为 00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的1~10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。
金属学与热处理原理崔忠圻第三版课后题全部答案
10.
11. 多晶型转变：大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如 Fe、Mn、Ti、Co 等具有两种或几种的晶体结 构，当外界条件（如温度、压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变。
-8.1% 12. 晶带：平行于或相交于同一直线的一组晶面叫做一个晶带。
晶带轴：晶带中平行于或相交于的那条直线叫做晶带轴。 13.（1-211）（-3211）（-1-122） 14.组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，一般来说，组元是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物；
随着晶胚 r 增大，系统的自由能下降，这样的晶胚可以自发地长成稳定的晶核，当 r= rk =时，这种晶胚既可能消失，
也可能长大称为稳定的晶核，因此把 rk 称为临界形核半径；
⑾活性质点：在非均匀形核中，固态杂质和晶核（晶体）界面满足点阵匹配原理(结构相似、尺寸相当)，就可能
能量起伏；
⑦均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率是相同的，这种形核方式称为均匀形核；
⑧形核功：形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的 2/3，还有 1/3 的表面能没有得到补偿，需要
对形核作功，故称
△Gk=1/3Skσ为形核功；
⑨临界形核半径：当 r＜rk 时，随着晶胚 r 增大，系统自由能增加，这种晶胚不能成为稳定的晶核，当 r＞rk 时，
电子浓度决定的，故电子浓度影响着固溶度：公式
上式 Va、Vb 分别为溶剂和溶质的原子价，X 为溶剂 B 的摩尔分数。一定的金属晶体结构的单位体积中能容纳的 价电子数有一定限度，超过这个限度会引起结构不稳定甚至变化，故此固溶体的电子浓度有一极限值。（fcc 为 1.36，bcc 为 1.48）元素的原子价越高，则其固溶度越小。 4 晶体结构因素：溶剂与溶质的晶体结构类型是否相同，是其能否形成无限固溶体的必要条件。如果组元的 晶体结构不同，只能形成有限固溶体。即使组元晶体结构相同但是不能形成无限固溶体，其溶解度也将大于晶 格类型不同的组元间的溶解度。 以上 4 个要素都有利时所形成的固溶体固溶度可能较大，甚至无限固溶体。但上述四个要素只是形成固溶体的必要 条件。此外，温度越高，固溶度越大。 15. 固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑韧性有所下降的现象称为固溶 强化。 由于间隙原子造成的晶格畸变比置换固溶体要大得多，所以间隙固溶体的强化效果要好。 16. 间隙相：过渡族金属能与原子甚小的非金属形成化合物，当非金属原子半径与金属原子半径比值小于 0.59 时， 形成的化合物具有比较简单的晶体结构，称为间隙相； 间隙相与间隙固溶体之间有着本质的区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体结构，而间隙 固溶体则保持溶剂组元的晶格类型； 间隙相的非金属原子半径与金属半径比小于 0.59 且具有较简单的结构，而间隙化合物的非金属原子与金属原子 半径比大于 0.59 且结构比较复杂。此外，间隙相一般比间隙化合物硬度更高，更稳定。 17. Ag、Al 都具有面心立方晶体结构，如果 Ag、Al 在固态下形成无限固溶体，则必须是置换固溶体，影响置换 固溶体的四个因素：原子半径、电负性、电子浓度、晶体结构。Ag、Al 的原子半径相差不大、电负性相差不大，晶 体结构都为面心立方晶体，这三个因素都比较有利，但是面心立方结构单位体积能容纳的价电子数有一定限度，超 过这个限度就会引起结构的不稳定甚至改变，故而有电子浓度有一定的限度。AL 的化合价位+3（很大），只需溶入 相对较少的 AL 就能达到极限电子浓度，即溶解度有一定限度，不能形成无限固溶体。 18. P107 19. 晶体结构：固溶体保持着溶剂组元的晶格类型，此外固溶体结构还会发生如下变（①晶格畸变；②偏聚与有序； ③有序固溶体）； 金属化合物晶结构不同于任一组元，是合金组元间发生相互作用形成的新相； 机械性能：固溶体相对来说塑韧性较好，硬度低；金属化合物硬而脆。 20. 点缺陷都会造成晶格畸变，对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等等；此外，点 缺陷的存在将加速扩散，因而凡是与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂等等，都与空位和间 隙原子的存在和运动有关系。 21. 刃形位错：设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃形位错， 犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列称为刃形位错 线。 螺形位错：一个晶体的某一部分相对于其它部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原 子面上升（下降）一个晶面间距。在中央轴线（即位错线）附近的原子是按螺旋型排列的，这种位错称为螺形位错。 各种间隙原子核尺寸较大的置换原子，它们的应力场是压应力，因此在正刃形位错的上半部分的应力相同，二者
钢的热处理
3．处理温度低，变形极小，比渗碳及表面淬火的变形小得多，一般渗氮是加工路线中最后一道工序，氮化后最多需要精磨或研磨抛光
4．具有很高的抗腐蚀性
缺点：1.渗碳时间太长，2强化渗氮必须采用特殊的合金钢
另外，由于氮的渗入，工件会略有“长大”现象。在设计尺寸要求极为严格的工件时应考虑补救
这种方法易行，设备简单，但火焰加热温度不易控制，淬火质量不够稳定
适用于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件，如大型轴类、大模数齿轮、凹槽小孔等
常用钢材为中碳钢，如35、45及中谈合金钢，如40Cr、65Mn等，还可用于灰铸铁件、合金铸铁件。碳含量过低，淬火后硬度低，而碳和合金过高，则易脆裂，因此，以含碳量在0.35%~0.5%之间的碳素钢最适宜
低温碳氮共渗主要是为了提高合金工具钢、高速钢制工具、刀具的热硬性和耐磨性，这种碳氮共渗的结果和渗氮相似，共渗层深度可达0.02~0.06mm
中温碳氮共渗主要适用于承受压力不是很大而只受磨损的中碳结构钢零件。共渗层深度一般为0.3~0.8mm
高温碳氮共渗主要用于承受压力很大的中碳钢及合金钢的小型结构零件，也可用于低碳钢件代替渗碳，层获得1~2mm的共渗层；中温或高温碳氮共渗用于提高表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能
3．稳定工件尺寸
钢的表面热处理
是通过改变零件表层组织，以获得硬度很高的马氏体，而保留心部韧性和塑性，或同时改变表层的化学成分，以获得耐蚀、耐酸、耐碱性及表面硬度比化学热处理更高的处理方法
名称
操作
特点
目的和应用
感应加热表面淬火
是利用感应电流通过工件表面所产生的热效应，使表面加热并经行快速冷却的淬火工艺。
3.适用于汽车、机车、柴油机、纺织机械、农业机械、机床、齿轮、枪炮、工具、模具等各种要求耐磨、耐蚀、耐疲劳的零件
钢的强化方法
钢的强化方法及应用摘要：随着社会的进步，人类对钢的要求越来越高，随之便促进了钢的各种性能的发展，钢的强化便是其中重要的一项发展，提高了钢的强度，使其为人类的生活服务。
钢的强化方法包括：(1)形变强化；(2)细化晶粒强化；(3)马氏体强化；(4)形变一相变综合强化(形变热处理强化)。
把钢的强化应用在日常生活中，给人类的生活带来了很多方便，比如建筑行业，汽车制造业，还有各种生活制品。
关键词：钢强化应用正文：1钢的强化：钢的强化方法包括：(1)形变强化；(2)细化晶粒强化；(3)马氏体强化；(4)形变一相变综合强化(形变热处理强化)；1.1形变强化利用形变使钢强化的方法。
也称应变强化或加工硬化。
强度是材料在宏观上(或者说是整体上)抵抗形变的能力(或称流变应力)。
硬度是材料局部抵抗塑性形变的能力(不论是显微硬度、维氏硬度、洛氏硬度，还是布氏硬度)。
材料的强度越高，塑性形变抗力越大，硬度值也越高。
反之，材料的硬度越高，可能因材料脆性增大，其强度未充分反映出来，使得强度指标数值并不高。
对于不再经受热处理，并且使用温度远低于材料再结晶温度的金属材料(譬如低碳低合金钢)，经常利用冷加工(冷形变)手段使之通过形变强化来提高强度。
因而，形变强化的实质就是在材料的再结晶温度以下进行冷形变，随着形变程度(应变量)的增大，在晶体内产生高密度的位错(晶体缺陷)，位错密度越高，强化的程度越大，即流变应力值越高。
利用形变强化达到高强度的钢铁制品，典型的就是高碳钢冷拉钢丝和低碳低合金双相钢冷拉钢丝。
1.2细化晶粒强化常温下，钢的强度受基体组织的晶粒尺寸影响。
通常用晶粒号(也称为晶粒度或晶粒级别)来表示晶粒的平均大小。
表中给出了晶粒号(N)与晶粒平均直径d的对应关系这一对应关系是由Z=2(N+3)变换而来，式中Z为lmm2中的平均晶粒数目，N为晶粒号。
由此可得每一晶粒平均所占的面积(截面)及每一晶粒的平均直径。
一般工业用钢中，晶粒号通常表示的是奥氏体的晶粒大小，也可特指铁素体的晶粒大小。
钢的热处理基本知识
2.正火
正火是将钢材或钢件加热到临界温度以上，保 温后空冷的热处理工艺。亚共析钢的正火加热 温度为Ac3＋30℃～50℃；而过共析钢的正火 加热温度则为Accm＋30℃～50℃。 正火的目的与退火相似，由于在空气中冷却， 冷却速度稍大，正火冷却速度较大，得到的珠 光体组织很细，因而强度和硬度也较高。 与退火相比，正火生产周期短、生产率高，所 以应尽量用正火替代退火。在生产中，低碳钢 常采用正火来提高切削性能，对一些不重要的 中碳钢零件可将正火作为最终热处理。
钢的热处理基本知识
新材料研究所 谷国华 2013年7月24日
定义
钢的热处理是将固态金属或合金在一定介质中 加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得 所需性能的工艺方法。 为使工件满足使用条件下的性能要求的热处理 称为最终热处理，如淬火＋回火等工序； 为了消除前道工序造成的某些缺陷，或为随后 的切削加工和最终热处理作好组织准备的热处 理，称为预先热处理，如退火、正火工序。
3.1淬火温度的确定
淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要 工艺参数之一。选择淬火温度的原则是获得均 匀细小的奥氏体组织。 亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上30℃～50℃， 淬火后获得均匀细小的马氏体组织。 如果温度过高，会因为奥氏体晶粒粗大而得 到粗大的马氏体组织，使钢的机械性能恶化， 特别是使塑性和韧性降低； 如果淬火温度低于Ac3，淬火组织中会保留 未溶铁素体，使钢的强度硬度下降。
3.淬火
淬火是将工件加热到一定温度，保温后，在水 或油中快速冷却。 将亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢与过共析 钢加热到Ac1以上（低于Accm）的温度，保温 后以大于Vk的速度快速冷却，使奥氏体转变为 马氏体的热处理工艺叫淬火。 马氏体强化是钢的主要强化手段，因此淬火的 目的就是为了获得马氏体，提高钢的机械性能。 淬火是钢的最重要的热处理工艺，也是热处理 中应用最广的工艺之一。 淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。
钢的热处理要点
１．３钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。
热处理的目的是提高工件的使用性能和寿命。
还可以作为消除毛坯〔如铸件、锻件等〕中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。
钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：钢在加热时的组织转变在Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中，共析钢加热超过ＰＳＫ线〔Ａ１〕时，其组织完全转变为奥氏体。
亚共析钢和过共析钢必须加热到ＧＳ线〔Ａ３〕和ＥＳ线〔Ａｃｍ〕以上才能全部转变为奥氏体。
相图中的平衡临界点Ａ１、Ａ３、Ａｃｍ是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。
但在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的。
加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。
加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。
为了区别于平衡临界点，通常将实际加热时各临界点标为Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ；实际冷却时各临界点标为Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ，任何成分的碳钢加热到相变点Ａｃ１以上都会发生珠光体向奥氏体转变，通常把这种转变过程称为奥氏体化。
１．奥氏体的形成共析钢加热到Ａｃ１以上由珠光体全部转变为奥氏体第一阶段是奥氏体的形核与长大，第二阶段是剩余渗碳体的溶解，第三阶段是奥氏体成分均匀化。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢根本相同，不同处在于亚共析钢、过共析钢在Ａｃ１稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。
所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为Ａｃ３、Ａｃｃｍ以上。
２．奥氏体晶粒的长大及影响因素钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。
加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织那么粗大。
钢材晶粒细化，既能有效地提高强度，又能明显提高塑性和韧性，这是其它强化方法所不及的。
〔１〕奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。
（2〕、影响奥氏体晶粒度的因素1〕加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，A晶粒粗大。
金属学与热处理课后习题第十一章-参考答案
第十一章参考答案11-1试述影响材料强度的因素及提高强度的方法答：（1）影响材料强度的因素：化学成分、组织织构、加工工艺、形变温度、应变速率等。
以钢为例，合金元素的加入可能产生固溶强化、沉淀强化、细晶强化，对提高钢材的强度有利。
对于同一化学成分的合金而言，组织结构不同，其力学性能也不相同。
为了提高其强度，可通过改变热处理工艺或加工工艺来实现。
一般情况下，降低形变温度或提高应变速率，合金的强度会增大。
（2）提高材料强度的途径：加工硬化/形变强化、固溶强化、第二相强化（沉淀强化和弥散强化）、细晶强化/晶界强度（较低温度）。
11-2试述影响材料塑性的因素及提高塑性的方法答：（1）影响材料塑性的因素：化学成分、组织织构、加工工艺、形变温度、应变速率等。
杂质元素通常对塑性不利，合金元素的加入一般对提高材料的强度有贡献，在等强温度下，只有晶界强化可以提高强度的同时，提高其韧性，使材料获得细晶组织结构可提高其塑性。
一般而言，形变温度的降低或应变速率的提高对强度有利，而对提高塑性不利。
（2）提高材料塑性的途径：降低材料中杂质的含量、细化晶粒、加入韧化元素、加入细化晶粒元素、提高变形温度、降低应变速率。
11-4试就合金元素与碳的相互作用进行分类，指出1）哪些元素不形成碳化物2）哪些元素为弱碳化物形成元素，性能特点如何3）哪些元素为强碳化物形成元素，性能特点如何4）何谓合金渗碳体，与渗碳体相比，其性能如何答：1）非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等。
2）Mn为弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶于铁素体和奥氏体中。
3）Zr、Nb、V、Ti为强碳化物形成元素，与碳具有极强的亲和力，只要有足够的碳，就形成碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态融入固溶体中。
4）合金元素溶入渗碳体中即为合金渗碳体，它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物，合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高，可以提高耐磨性。
钢的相变-PPT精品
过共析钢 0.77﹤C%﹤2.1
1
伪共析钢
加热时临界点加注c ： Ac1 Ac3 Accm
冷却时临界点加注r ： Ar1 Ar3 Arcm
以0.125℃/min加热和冷却时， Fe-C相图中临界点的移动
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钢中典型的相变可归类为：
➢ 1、加热过程中的奥氏体转变； ➢ 2、冷却过程中的珠光体、贝氏体及马氏体转变； ➢ 3、发生马氏体转变后的再加热(回火)转变。
P
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共析钢
C%=0.77
先共析相的析出温度和成分范围 ：
亚共析钢 0.0218﹤C%﹤0.77
在 A3 、 Acm 线 以 下 先 形成铁素体或渗碳体。
到 达 A1 线 发 生 珠 光 体 相变。
伪共析转变
随冷速加快，将出现伪 共析组织，且珠光体量增 多，而先共析量减少。
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（1）转变温度与保温时间 （2）加热速度 （3）钢的原始组织状态 （4）钢的化学成分
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（1）转变温度与保温时间
转变温度高，过热度大，促进奥 氏体转变。
形成温度升高，N的增长速率高 于G的增长速率，N/G增大，可获 得细小的起始晶粒度（加热温度 升高时，保温时间应相应缩短）。
形成温度升高，Gγ→α/Gγ→C 增 大，铁素体消失时，剩余渗碳体 量增大，形成奥氏体的平均碳含 量降低。
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2、奥氏体的长大
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相界面上的碳浓度及扩散
∵Gγ→α﹥Gγ→C ∴铁素体先消失，而渗碳体有剩余
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奥氏体形成的四个阶段
珠光体向奥氏体转变动力学曲线
1、奥氏体转变开始线 (以0.5%奥氏体转变量表示) 2、奥氏体转变完成线 (以99.5%奥氏体转变量表示) 3、碳化物完全溶解线 4、奥氏体中碳浓度梯度消失线
钢的热处理
这一章主要给大家介绍一下有关钢的热处理的一些知识。
通过加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而改变钢机械性能的工艺，称为热处理。
热处理是强化金属材料，充分发挥金属材料力学性能的工艺，是改善材料加工性能的重要手段。
利用不同的加热温度和冷却方式，可以改变钢的组织。
钢的组织不同，其力学性能就有差异。
按照加热温度和冷却方法的不同，热处理可分为：退火，正火，淬火及回火。
此外，还有通过改变钢表面的化学成分，从而改变其组织和性能的化学热处理。
●热处理的这三个阶段，可以用工艺过程曲线来表示。
第一节钢在加热时的转变一、加热温度的确定●热处理的第一道工序就是加热。
●铁碳合金相图是确定加热温度的理论基础。
●钢的加热程度就是奥氏体的形成过程，这种组织转变可以称为奥氏体化。
●在奥氏体化中，原来的铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体、渗碳体等转化为奥氏体组织。
●注意：加热时，钢的组织实际转变温度往往是高于相图中的理论相变温度；冷却时，也往往低于相图中的理论相变温度。
●在热处理工艺中，不加热时的临界点分别用AC1、AC3、ACCm表示；而冷却是的临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
二、奥氏体化过程以共析钢为例珠光体转变为奥氏体是一个从新结晶的过程。
由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，铁素体与渗碳体的晶包类型不同，含碳量差别很大，转变为奥氏体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。
奥氏体化大致可分为四个过程，如图所示。
1．奥氏体形核奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。
2．奥氏体长大奥氏体一旦形成，便通过原子扩散不断长大。
3. 残余渗碳体溶解由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大，因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。
当珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，仍有少量的渗碳体尚未溶解。
随着保温时间的延长，这部分渗碳体不断溶入奥氏体，直至完全消失。
4．奥氏体均匀化刚形成的奥氏体晶粒中，碳浓度是不均匀的。
原先渗碳体的位置，碳浓度较高；原先属于铁素体的位置，碳浓度较低。
钢的热处理原理和工艺
钢的热处理原理和工艺1. 引言热处理是指通过加热和冷却等一系列控制过程，对金属材料进行组织和性能的变化，达到改善材料性能的目的。
钢的热处理是一种常见的金属热处理方法，具有广泛的应用领域。
本文将介绍钢的热处理原理和常用的热处理工艺。
2. 钢的热处理原理钢的热处理是指通过加热和冷却等工艺手段，改变钢的组织结构和性能。
钢的热处理原理基于钢的相变规律和材料的热力学性质。
2.1 钢的相变规律钢在加热过程中会发生相变，包括固相组织的相变和奥氏体的相变。
固相组织的相变主要包括铁素体相变和铁碳体相变。
奥氏体的相变主要包括奥氏体的析出和奥氏体的变质。
•铁素体相变：在约720℃以下，将奥氏体加热到过共饱和温度800℃以上，冷却后会发生铁素体相变，即奥氏体转变为铁素体。
•铁碳体相变：在约720℃以下，将铁素体加热到过共饱和温度800℃以上，冷却后会发生铁碳体相变，即铁素体转变为奥氏体。
•奥氏体析出：在约720℃以上，奥氏体中的碳溶解度增加，冷却过程中会发生奥氏体析出。
•奥氏体变质：在较低温度下，奥氏体中的碳溶解度减小，会发生奥氏体的变质。
2.2 热力学性质钢材的热力学性质主要包括材料的固相平衡线和相似线。
固相平衡线是指材料在一定条件下的相变温度和温度范围，影响钢材在热处理过程中的相组织变化。
相似线是指材料在加热和冷却过程中的相变特征线，对控制材料的相变过程具有重要意义。
3. 常用的热处理工艺钢的热处理包括多种工艺，常用的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火等。
3.1 退火退火是指将钢材加热到一定温度，保温一段时间后缓慢冷却的过程。
退火的目的是消除应力，改善钢材的塑性和韧性。
退火方式包括全退火、球化退火、等温退火等。
3.2 正火正火是指将钢材加热到显微组织转变温度区间的一个温度段，保温一段时间后冷却到室温。
正火的目的是调整钢材的组织和硬度，提高钢材的抗拉强度和硬度。
3.3 淬火淬火是指将钢材加热到显微组织转变温度区间的一个温度段，保温一段时间后迅速冷却，使钢材的组织转变为奥氏体。
《金属学与热处理》课程教学大纲
《金属学与热处理》课程教学大纲课程代号：ABJD0702课程中文名称：金属学与热处理课程英文名称：Meta11ographyandHeatTreatment课程类型：必修课程学分数：4学分课程学时数：64学时授课对象：材料成型与控制工程专业本课程的前导课程：高等数学，大学物理，画法几何及工程制图、材料力学、金工实习等课程一、课程简介《金属学与热处理》是材料成型与控制工程专业的专业基础课，着重阐述金属及合金的化学成分、组织结构与性能的内在联系以及在各种条件下的变化规律，比较全面系统地介绍金属与合金的晶体结构、金属及合金的相图与结晶、塑性变形与再结晶以及固态金属相变的基本理论。
并结合实例，从组织结构的角度出发来阐明问题，重点放在与金属材料学科有关的基本现象、基本概念、基本规律和基本方法上，以便为合理使用金属材料和制定热加工工艺规程，为从事金属与合金研究提供理论依据和线索。
通过对本课程的学习，使学生系统掌握《金属学与热处理》基本理论和基础知识，运用所学知识分析问题、解决问题，提高学生综合能力与素质，并为后继有关专业课程的学习打好基础；使学生在金属学基础理论方面具备阅读专业文献及进一步提高自学的能力；使学生具备运用金相光学显微分析方法分析金属及合金的组织、性能的能力。
通过课堂讲授，习题课和课堂讨论，课外作业，实验等教学环节的教学，重点培养学生的自学能力，动手能力，分析问题，解决问题的能力。
二、教学基本内容和要求第1章金属与合金的晶体结构课程教学内容：金属、金属的晶体结构、实际金属的的晶体缺陷。
课程的重点、难点：本章的重点是三种常见的金属晶体结构及其基本性能，实际金属晶体缺陷及其对性能的影响。
本章的难点是晶体结构缺陷。
课程教学要求：熟练掌握几何晶体学的基本知识和纯金属的三种典型的晶体结构；掌握晶面、晶向的表示方法；掌握合金相结构；掌握点缺陷、线缺陷与位错的基本概念，了解位错的运动以及面缺陷。
第2章纯金属的结晶课程教学内容：纯金属结晶的现象、金属的热力学条件、金属结晶的结构条件、形核、长大以及晶粒大小的控制。
shenlong 第七章钢在加热 和冷却时的转变 上海理工大学材料学院 - 本
本质粗晶粒钢：随加热温 度升高，奥氏体晶粒迅 速长大； 本质细晶粒钢：在930℃ 以下随温度升高，奥氏 本质粗晶粒钢 体晶粒长大速度很缓 慢，当超过某一温度 （950~1000℃ ）以后， 本质细晶粒钢也可能迅 本质细晶粒钢 速长大，晶粒尺寸甚至 超过本质粗晶粒钢。
图 奥氏体晶粒长大的倾向与 温度的关系
α
→ C%
图 铁碳相图
Fe3C
§ 2 钢在加热时的转变
一 奥氏体形成的机理 1 奥氏体组织结构和性能
① 定义：C 及合金元素固溶于面心立方结构的 γFe 中形成的固溶体。 C溶于γ相八面体间隙中， R间隙 = 0.535 A ﹤ R c=0.77A →γ晶格畸变，并 非所有晶胞均可溶碳， 1148℃ → 2.5个晶胞溶一个C原子。 ② 性能：顺磁性；比容最小； 塑性好；线膨胀系数较大
W18Cr4V钢热处理工艺曲线
温度/℃
预备热处理
最终热处理
时间
6、临界温度与实际转变 温度
铁碳相图中PSK、GS、ES线分 别用A1、A3、Acm表示. 实际加热或冷却时存在着过冷 或过热现象，因此将钢加热时 的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变 温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数 据是以30-50℃/h 的速度加热或冷却时测得的.
奥氏体有三种不同概念的晶粒度 (1) 初始晶粒度： 奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。 ——通常极细小 (2) 实际晶粒度：
具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小 ①与具体热处理工艺有关： 热处理温度↑，时间↑ ，晶粒长大。 ②与晶粒是否容易长大有关
——— 引入本质晶粒度概念
（3）本质晶粒度 指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长 大的倾向性，分为本质粗晶粒度和本质细晶 粒度。 测定方法：根据标准试验方法（YB27-64)，在 （930±10）℃保温3~8h后测定的奥氏体晶 粒大小，称为本质晶粒度。 若晶粒度为1-4 级：本质粗晶粒度钢， 5-8 级：本质细晶粒度钢。
相变强化的名词解释
相变强化的名词解释相变强化是一个涉及物理学和工程领域的名词，用于描述一种通过相变现象来增强材料性能的技术。
相变是物质从一种状态转变为另一种状态的过程，在这个过程中，物质的性质和结构会发生显著变化。
相变强化的理念是通过利用相变过程中的热力学效应和微观结构演变来改善材料的性能。
相变可以分为凝固相变和熔化相变两种类型。
凝固相变是物质由液态转变为固态的过程，而熔化相变则是物质由固态转变为液态的过程。
在这两种相变过程中，物质的结构发生了变化，原子或分子重新排列，从而导致了材料性能的变化。
相变强化的关键是在相变过程中控制和优化微观结构的演变，从而获得所需的材料性能。
通过改变相变过程中的温度、压力、物质成分等条件，可以调控相变的速率和结果。
这种调控可以通过选择合适的合金元素、控制合金的制备工艺、调整材料的热处理过程等手段来实现。
相变强化可以在许多材料中应用，包括金属、陶瓷、聚合物等。
以金属为例，通过合金化可以改变其相变点和相变行为，从而改善材料的力学性能、导电性能等。
相变强化还可以用于改善材料的热传导、磁性、润滑性等特性。
相变强化的一个重要应用是在材料加工中提高材料的韧性和强度。
通过控制相变过程中的晶粒尺寸和析出相形态，可以增加材料的位错密度和界面面积，从而提高材料的强化效果。
相变强化还可以通过形成细小的析出相颗粒来抑制晶粒长大，从而改善材料的断裂韧性。
这些技术在航空航天、汽车制造、电子器件等领域中得到了广泛应用。
除了在材料加工中的应用，相变强化还可以用于能源存储和转换等领域。
例如，利用相变材料的热储能性质可以实现有效的热能存储和利用。
相变强化还能通过调控相变过程中的界面活性来提高电池、超级电容器等电子器件的性能。
这些应用有助于提高能源利用效率和推动可持续发展。
总之，相变强化是一种通过控制相变过程来改善材料性能的技术。
从材料加工到能源领域，相变强化都发挥着重要作用。
通过理解和应用相变强化的原理和方法，我们可以为材料科学和工程技术提供新的思路和发展方向。
相变强化
（3）应变和冷却是两个重要的驱动条件，在外力的作用下，如热加工或冷变形；在冷却或在加热的情况下， 状态失去了平衡，由高能量状态向低能量状态转变。
在400MPa级热轧钢筋中，有大角晶界的多边形铁素体与小角晶界的非多边形铁素体的区分，此外含有微合金 化元素溶质的奥氏体转变产物中具有非常高的位错密度。所以高强度钢筋的生产，除了析出强化和晶粒细化外， 相变强化也是钢筋强韧化机制的不容忽视的因素。
谢谢观看
（1）合金相图中必须存在这样一条固溶度线，其固溶度将随着温度的降低而减小。这样，在将合金加热到固 溶度线以上时。可以得到单相组织。而冷却到固溶．具有塑性。而析出物则应该比较硬，且具有脆性。在大多数的时效强化合金中，析出 物是又硬又脆的金属间化合物。
（3）合金应该能够进行淬火。有些合金即使通过快速冷却也不能抑制析出物的产生。这样的合金自然不能进 行时效强化。淬火有时还会在材料中引入残余应力，造成部件的弯曲。为了减少残余应力，铝合金常常是淬入 80℃左右的热水中。
（4）合金中应该有共格析出物生成 。
影响因素
（1）钢的化学成分决定要有结构变化的原相（母相），这是前提。
相变强化
通过控制相变来强化材料的金属热处理方法
01 简介
03 影响因素
目录
02 条件 04 激光
钢的性能取决于钢的组织结构（或称为钢的组织及微观精细结构），而组织结构的主导是由相变决定的。相 变强化是指通过控制相变来强化材料的金属热处理方法。通过控制凝固过程实现材料强化的方法，只能在材料冶 炼制备过程中采用一次。材料一旦冶炼完毕后，一般不会再次熔化重新凝固，因为这样做成本太高。但是，通过 控制固态相变来实现材料强化的方法．则可以多次采用。
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马氏体的透射电镜形貌
板条马氏体 片状马氏体
过冷奥氏体转变产物（共析钢）
转变 类型 珠 光 体 转变 产物 P 形成温 度， ℃ A1~650 转变 机制 扩 散 型 显微组织特征 粗片状，α、Fe3C相间分布 HRC 5-20 获得 工艺 退火
S
T
650~600
600~550
细片状，α、Fe3C相间分布
（2）贝氏体类型组织形态及性能
过冷奥氏体在550℃~ Ms (共析钢的Ms为230 ℃ )间将转变为贝氏体 类型组织，贝氏体用符 号B表示。 根据其组织形态不同， 贝氏体又分为上贝氏体 (B上)和下贝氏体(B下).
上贝氏体
下贝氏体
上贝氏体
形成温度为550-350℃。
在光镜下呈羽毛状.
第7章 钢的热处理与相变强化
§7.1 概述
1. 热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改 变钢的内部或表面组织，获得所需要性能的一种工艺. 为简明表示热处理 的基本工艺过程， 通常用温度—时间 坐标绘出热处理工 艺曲线。
热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用.
在机床制造中约60-70%的零 件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需 热处理的零件达70-80%。
0
1. C 曲线的分析
转变开始点的连线称 转变开始线。转变终 了点的连线称转变终 了线。
A1-Ms 间及转变开始 线以左的区域为过冷 奥氏体区。
温 A 度 1 过 冷
奥 氏 体
A
A→P
转变终了线
P B
转变开始线
A→B
MS
A→M M 时间
Mf 转变终了线以右及 Mf以下为转变产物 区。 两线之间及Ms与Mf之间为转变区。
两种冷却方式 示意图 1——等温冷却 2——连续冷却
一、过冷奥氏体的等温转变曲线
过冷奥氏体的等温转 变图是表示奥氏体急 速冷却到临界点A1 以 下,在各不同温度下的 保温过程中转变量与 转变时间的关系曲线. 又称C 曲线或TTT曲 线。
(Time-Temperature-Transformation diagram)
c.高速长大
马氏体形成速度极快，瞬间形 核，瞬间长大,无孕育期。
d. 转变不彻底
即使冷却到Mf 点，也不可能获得100%的马氏体，总有 部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A’ 或’ 表示。
’
A’ 的量与Ms、Mf 的高低有关。Ms、Mf 与冷速无关，主 要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。含 碳量越高， Ms、Mf 就越低， A’ 量就越多 即马氏体转变后，A’ 量随含碳量的增加而增加。当含碳 量达0.6%后，A’量才显著。
电镜下
SEM
每束内条与条之间尺 寸大致相同并呈平行 排列，一个奥氏体晶 粒内可形成几个取向 不同的马氏体束。 在电镜下，板条内的 亚结构主要是高密度 的位错，=1012/cm2, 又称位错马氏体。
TEM
片状马氏体
立体形态为双凸透镜形的片状。 在电镜下，亚结构主要是孪晶， 又称孪晶马氏体。
根据热处理目的的不同 可分为：
预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步 热处理作准备的热处理。 最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理.
W18Cr4V钢热处理工艺曲线
预备热处理
最终热处理
时间
铁碳合金相图
6. 临界温度与实际转变温度
铁碳相图中PSK、GS、ES线分 别用A1、A3、Acm表示.
模具、滚动轴承100%需经过 热处理。 理后才能使用。
总之，重要零件都需适当热处
2、热处理特点:
热处理区别于其他加工工艺 如铸造、压力加工等的特点 是只通过改变工件的组织来 改变性能，而不改变其形状。
铸造
3、热处理适用范围:
只适用于固态下发生 相变的材料，不发生 固态相变的材料不能 用热处理强化。
含碳量增加，其硬度 增加。 当含碳量大于0.6%时 其硬度趋于平缓。
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
C%
合金元素对马氏体硬度的影响不大。
马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马 氏体转变产生的组织细化也有强化作用。 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。片状马氏体 脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.
促进奥氏体晶粒长大的元素： Mn、P、C、N。
析出颗粒 对黄铜晶 界的钉扎
奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力 学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶 粒是热处理的关键问题之一。
真空热处理炉
箱式可控气氛多用炉
§7.3 钢在冷却时的转变
过冷奥氏体的转变方式有等温冷却和连续冷却转变两种。
马氏体组织
① 马氏体的晶体结构
碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏 体，用M表示。
马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.
马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c） 轴比c/a 称马氏体的正方度。 C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。 当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.
钢中碳质量分数增加时，有利于奥氏体的形成
⑷ 原始组织
原始组织越细，奥氏体形成速度越快。
(5)合金元素
三、奥氏体晶粒大小及其影响因素
1、奥氏体的晶粒度
珠光体刚刚全部转变成为奥氏体时奥氏体的晶粒度称起 始晶粒度,此时晶粒细小均匀。
在具体的热处理或加热条 件下实际获得的奥氏体晶 粒度称实际晶粒度。 加热时奥氏体晶粒的长大 倾向称本质晶粒度。
电镜下形貌
索氏体
电镜形貌
形成温度为650-600℃, 片层较薄，800-1000
倍光镜下可辨，用符
光镜形貌
号S 表示。
屈氏体
形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨， 用符号T 表示。
电镜形貌
光镜形貌
珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只 是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。 片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性 略有改善。
轧制
4. 根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理 工艺分类如下： 退火 整体热处理
正火 淬火 回火 固溶处理 表面淬火 物理气相沉积 化学气相沉积 离子注入 渗碳 渗氮 碳氮共渗 其它：渗其它金属或非金属、多元共渗 可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等
表面热处理
化学热处理
其他热处理
奥氏体化也是形核和长大 的过程，分为四步。现以 共析钢为例说明：
奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长 大。 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先 消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续 溶解直至消失。 奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很 高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
实际加热或冷却时存在着过热 或过冷现象，因此将钢加热时 的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转 变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
§7.2 钢在加热时的组织转变
加热是热处理的第一道工序。
在临界点A1以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏 体化。
一、奥氏体的形成
产 物 区 区
A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变;P 转变区。
A向产物转变开始线
550～230℃;中温转变 区;半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;
0 Mf
230～ - 50℃;低温转 变区;非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。 1 10 102 103 104 时间(s)
-100
含 碳 量 对 马 氏体 转 变 温 度 的 影响 含碳 量对残余奥 氏体 量的影响
③马氏体的形态
马氏体的形态分板条和片 状两类。 板条马氏体
立体形态为细长的扁棒 状 在光镜下板条马氏体为 一束束的细条组织。
光镜下
在电镜下，板条内的亚 结构主要是高密度的位 错，=1012/cm2,又称位 错马氏体
2. 影响奥氏体晶粒大小的因素
⑴加热温度和保温时间: 加热温度高、 保温时间长, 晶粒粗大.
奥氏体晶粒尺寸/μm
⑵加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细.
⑶合金元素：
Nb/%
Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响
阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、 V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、 Al等碳化物和氮化物形成元素。
在电镜下为不连续棒状 的渗碳体分布于自奥氏 体晶界向晶内平行生长 的铁素体条之间。
光镜下
电镜下
下贝氏体
形成温度为350℃-Ms。 在光镜下呈竹叶状。
光镜下
在电镜下为细片状碳 化物分布于铁素体针 内。
ห้องสมุดไป่ตู้
电镜下
上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。
下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较 好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的 强化组织之一。
上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 下贝氏体
贝氏体转变过程
贝氏体转变也是形 核和长大的过程。 贝氏体转变属半扩 散型转变，即只有 碳原子扩散而铁原 子不扩散，晶格类 型改变是通过切变 实现的。
(3) 马氏体类型组织形态与性能