第4章 改善材料性能的热处理、合金化及改性

4.1 金属材料加热与冷却过程中的主要变化
4.1.1 钢材加热时奥氏体的形成（formation of austenite） 钢材加热时奥氏体的形成（ austenite） F+Fe3C（P）→ A（奥氏体） （奥氏体） （ ） •步骤： 步骤： 步骤 A形成：在F/Fe3C界面上形核（T＞A1）。 界面上形核（ ＞ 形成： 界面上形核 的溶解。 A长大：α-Fe → γ -Fe的晶格改组 长大： 的晶格改组+Fe3C的溶解。 的溶解 的晶格改组 残余Fe 溶解：滞后于A的形成 残余Fe3C溶解：滞后于 的形成。 的形成。 A 的均匀化：成分的扩散均匀。 的均匀化：成分的扩散均匀。 图4 - 1
T,t
•回火组织分类： 回火组织分类： 回火组织分类 回火马氏体（ 回火马氏体（250～300℃）、 ～ ℃ 回火屈氏体（ 回火屈氏体（300～500℃）、 ～ ℃ 回火索氏体（ 回火索氏体（500～650℃）。 ～ ℃ 图4-12 图4-13
•说明： 说明： 说明 一般回火温度＜＜ ＜＜A 碳钢727℃），一定程度上 ①一般回火温度＜＜ 1（碳钢 ℃），一定程度上 保留硬化组织的强韧性。 保留硬化组织的强韧性。 相同的硬度下， ② 相同的硬度下 ， 回火组织的强韧性明显优于冷却 转变组织。 转变组织。 合金钢的各个回火阶段向高温转移， ③ 合金钢的各个回火阶段向高温转移 ， 高合金钢尤 甚。
4.2 改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺
•机械零件常用加工工艺路线： 机械零件常用加工工艺路线： 下料→锻造→ 下料→锻造→预先热处理（退火、正火等）→粗加 退火、正火等） 工→最终热处理（淬火、回火等）→终加工→成品。 淬火、回火等） 终加工→成品。 •热处理（Heat treatment)： 热处理（ treatment)： 材料在固态下通过加热、保温和冷却， 材料在固态下通过加热、保温和冷却，使其内部 组织结构发生变化，以获得预期的性能的工艺。 组织结构发生变化，以获得预期的性能的工艺。 图4-15 图4-16
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
⑶过冷奥氏体连续转变曲线，可在C曲线上叠加冷却曲线 过冷奥氏体连续转变曲线，可在C 讨论。 讨论。 •共析碳钢： 共析碳钢： 共析碳钢 炉冷—珠光体 炉冷 珠光体 ； 空冷—索氏体 索氏体； 空冷 索氏体； 风冷—屈氏体 屈氏体； 风冷 屈氏体； 油冷—屈氏体 马氏体； 屈氏体+马氏体 油冷 屈氏体 马氏体； 水冷—马氏体 马氏体。 水冷 马氏体。 •冷速 ，越易得到极端不平衡组织（硬化组织）即马氏 冷速↑，越易得到极端不平衡组织（硬化组织） 冷速 贝氏体等。 体、贝氏体等。 •合金钢因合金元素作用，更易得到硬化组织。 合金钢因合金元素作用， 合金钢因合金元素作用 更易得到硬化组织。 图4-11
图4-18
(2)正火（normalization） 正火（normalization） •工艺：完全奥化（Ac3或Accm + 30～50℃） + 空冷。 工艺：完全奥化（ 空冷。 工艺 ～ ℃ •组织：索氏体为主。 组织：索氏体为主。 组织 •性能：强度、硬度高于退火，塑性略下降。 性能：强度、硬度高于退火，塑性略下降。 性能 (3)调质（quenching & tempering） 调质（ tempering） •工艺：淬火+高温回火（奥化—快冷 工艺：淬火 高温回火（奥化 快冷—500～650℃回 ～ ℃ 工艺 高温回火 快冷 火）。 •组织：回火索氏体，细小均匀，力性优于正火。 组织：回火索氏体，细小均匀，力性优于正火。 组织 •比较： 比较： 比较 表4 - 1
图4 - 2
•工程应用： 工程应用： 钢材锻造在奥氏体相区进行。 ① 钢材锻造在奥氏体相区进行。 钢材热处理的必要步骤。 ② 钢材热处理的必要步骤。 许多化学热处理在高温奥氏体相区进行。 ③ 许多化学热处理在高温奥氏体相区进行。
图4 - 3
4.1.2 钢材冷却时内部组织的变化 •冷却方式：等温冷却与连续冷却，以获得不同的组织与 冷却方式：等温冷却与连续冷却， 性能。 性能。 •关 奥氏体在什么温度下进行组织转变。 键：奥氏体在什么温度下进行组织转变。 ⑴共析碳钢的等温转变（isothermal transformation） 共析碳钢的等温转变（ transformation） 图4 - 4 •过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）图三区域： 过冷奥氏体等温转变曲线（ 曲线 图三区域： 曲线） 过冷奥氏体等温转变曲线 过冷A区 转变区、转变完成区。 过冷 区、转变区、转变完成区。 •高温转变区（A1～550℃）： 高温转变区（ 高温转变区 ℃ 珠光体（ 转变区（ 区 为片层状组织， 珠光体（pearlite ）转变区（P区）为片层状组织， 转变温度越低、片层越细， 转变温度越低、片层越细，A1～650℃珠光体、650～ ℃珠光体、 ～ 600℃索氏体、600～550℃ 屈氏体。 ℃索氏体、 ～ ℃ 屈氏体。
4.2.1 预先热处理目的与常用工艺 heat-treatment） （prior heat-treatment） •目的： 目的： 改善锻件、铸件的不良的组织等→ 改善锻件、铸件的不良的组织等→为零件的后续加工 服务；获得均匀理想的组织状态→为最终热处理服务。 服务；获得均匀理想的组织状态→为最终热处理服务。 •常用工艺： 常用工艺： 退火、正火、调质。 退火、正火、调质。 (1)退火 退火（ (1)退火（annealing ） •工艺：加热奥化后缓冷（A→P转变），获得平衡组织。 工艺： 转变），获得平衡组织。 工艺 加热奥化后缓冷（A→P转变），获得平衡组织 •可按加热温度高低、冷却方式及与临界点关系(Ac3、 可按加热温度高低、 可按加热温度高低 冷却方式及与临界点关系(Ac Accm、 分类。 Accm、Ac1)分类。 图4-17 •性能：软化状态。 性能： 性能 软化状态。
200MPa 过饱和α) 水中急冷(过饱和 过饱和 ~250 MPa
时效析出
~400 MPa
•时 时
效
方
式：人工时效（150～250℃数h）、自然 人工时效（150～250℃ 时效（高温放置数天或数星期） 时效（高温放置数天或数星期）。
•课堂讨论题： 课堂讨论题：
一批金属模铸造的铝合金件，铸后车削时粘刀， 1: 一批金属模铸造的铝合金件 ， 铸后车削时粘刀 ， 放置两周后切削性能很好的原因。 放置两周后切削性能很好的原因。 2:教材P44，用于飞机结构铆接的铝制铆钉，现已经 教材P44，用于飞机结构铆接的铝制铆钉， 固溶处理，但因故不能马上进行铆接，怎么办? 固溶处理，但因故不能马上进行铆接，怎么办?
•中温转变区（550～Ms）： 中温转变区（ 中温转变区 ～ ） 贝氏体（ 不能扩散， 贝氏体 （ bainite）转变区 （ B区） ， Fe不能扩散， C ） 转变区（ 区 不能扩散 的扩散能力↓ 形成α（过饱和铁素体） 的扩散能力 ，形成 （过饱和铁素体）和Fe3C的非片层 的非片层 状组织。 状组织。 B上（上贝氏体）550～350℃羽毛状。 上贝氏体） ～ ℃羽毛状。 B下（下贝氏体）350～240℃针状，性能好（强韧性高）。 下贝氏体） ～ ℃针状，性能好（强韧性高） •低温转变区（Ms～Mf）： 低温转变区（ ～ 低温转变区 马氏体（ 无扩散相变， 马氏体（martensite）转变区（M区），无扩散相变， ）转变区（ 区），无扩散相变 成分不变、形成极度过饱和的α固溶体 马氏体）。 固溶体（ ）。一般 成分不变、形成极度过饱和的 固溶体（马氏体）。一般 转变不完全，形成部分残余奥氏体。 转变不完全，形成部分残余奥氏体。 板条M： ＜ 强度高兼有一定韧性。 板条 ：Wc＜0.20% ，强度高兼有一定韧性。 针状M： ＞ 硬而脆。 针状 ：Wc＞1.0% ，硬而脆。
图4 - 5 图4 - 7
图4 - 6 图4 - 8
⑵C曲线的基本类型 图4 - 9 图4-10
•非共析钢，增加一条先共析相析出线A→F或A→Fe3C。 非共析钢，增加一条先共析相析出线 非共析钢 或 。 •添加合金元素： 添加合金元素： 添加合金元素 ①一般使C曲线右移，过冷奥氏体稳定性↑。 一般使 曲线右移，过冷奥氏体稳定性 。 曲线右移 区与B区分离 ②可使P区与 区分离，形成双鼻尖的曲线。 可使 区与 区分离，形成双鼻尖的曲线。
4.1.4 有色金属材料的固溶及时效处理 （solution & aging process of non-ferrous metal） ） •有色金属强化方式：固溶强化（很弱）、加工硬化和沉 有色金属强化方式：固溶强化（很弱）、加工硬化和沉 有色金属强化方式 ）、 淀强化（时效强化，很强）。 淀强化（时效强化，很强）。 •时效强化合金条件：较大溶解度，且溶解度随温度下降 时效强化合金条件： 时效强化合金条件 较大溶解度， 明显降低。 明显降低。 •有色合金时效强化三步曲 Al—4%Cu为例 •有色合金时效强化三步曲（Al—4%Cu为例）: 有色合金时效强化三步曲（ 为例） 图4-14 高温固溶(500~600 ℃ )
4.2.2 改善热加工后的组织与性能 预先热处理的应用之一） （预先热处理的应用之一） 大型铸、 (1)大型铸、锻件 •共性：成分不均匀（偏析）、组织不均匀、性能低 共性： 共性 成分不均匀（偏析） 组织不均匀、 且不均匀。 且不均匀。 •工艺：高温长时均匀化处理（扩散退火），1050℃ 工艺： 工艺 高温长时均匀化处理（扩散退火） 1050℃ 1150℃ 10～15h炉冷。 ～1150℃ ，10～15h炉冷。 •特点 ： 周期长 、 耗能 ， 烧损材料 ， 晶粒粗大 ； 用于合 特点： 特点 周期长、 耗能， 烧损材料， 晶粒粗大； 金钢锭、 金钢锭、坯。 (2)改善一般热加工件的不良组织 •共性：粗晶、带状组织、魏氏组织等。 共性： 共性 粗晶、带状组织、魏氏组织等。 •工艺：完全退火 Ac3 +20～50℃ ，亚共析钢得等轴 工艺： 20～50℃ 工艺 F + P 。
4.1.3 钢材硬化后的回火转变 transformation） （tempering transformation） •回火转变本质：不稳定的组织状态 回火转变本质： 回火转变本质 较为稳定的组织 状态（回火组织）。 状态（回火组织）。 •种种不稳定性： 种种不稳定性： 种种不稳定性 马氏体（ ）、贝氏体 马氏体（M）、贝氏体 要分解、 要分解、析出 （B）中有过饱和碳 要转变（ 残余奥氏体不应存在 要转变（M） 等轴晶F α相严重畸变 等轴晶F Fe3C等碳化物很细小 长大、聚集 长大、 内应力存在 消除 不同温度、不同时间，完成的程度不同， 不同温度、不同时间，完成的程度不同，得到不同回火 组织与性能。 组织与性能。
•说明： 说明： 非共析钢（ ①非共析钢（F + P 或 Fe3C + P），除 P→A 外，尚有 F ） 或 Fe3C 溶入 A 。 加热时需达到Ac ② 由于 转变滞后 （ △ T ） ， 加热时需达到 1 ， Ac3 ， Accm；冷却时 1，Ar3，Arcm。 ；冷却时Ar 。 加热速度ϖ ， 转变越快， ③加热速度ϖ↑，△T↑，P→A转变越快，孕育期 ，奥氏 ， 转变越快 孕育期↓， 体形成所需时间越短。 体形成所需时间越短。 刚完成时为细小等轴晶，随后逐渐晶粒长大。 ④P→A 刚完成时为细小等轴晶，随后逐渐晶粒长大。
第4章 改善材料性能的热处理、合金化及改性 改善材料性能的热处理、
4.1 金属材料加热与冷却过程中的主要变化 4.2 改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺 4.3 提高材料性能的热处理工艺：最终热处理 提高材料性能的热处理工艺： 4.4 工程材料的表面改性（surface modification） 工程材料的表面改性（ modification） 4.5 钢的合金化 4.6 聚合物改性
退出
主要途径： 主要途径： 主要提高强度， 加工硬化 （主要提高强度，第3章）。 章 合金化 （可全面提高性能，第5章）。 可全面提高性能， 章
整体热处理（全面提高性能）。 整体热处理（全面提高性能） 表面热处理、表面涂层等， 表面改性 （表面热处理、表面涂层等， 提高表面性能） 提高表面性能）。