《机械工程材料与热加工工艺》钢的热处理
钢的热处理工艺
正火温度： Ac3、 Accm＋ ３０－５０℃
2)组织特点 根据钢的CCT曲 线和工件的截面大 小（冷却速度）， 正火后可获得不同 组织，如粗细不同 的珠光体、贝氏体 、马氏体或它们的 混合组织。
3）正火的目的
对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火来细化 晶粒，均匀组织如消除魏氏组织或带状组织。这相当 于退火的效果； 低碳钢退火后硬度太低（切削粘刀），改用正火，可 提高硬度，改善切削加工性。 作为某些钢（如中碳非调质钢）的最终热处理，以代 替调质处理（淬火+回火）。 用于过共析钢，可消除网状碳化物，便于球化退火。 （为什么？）
温 工件内部 度
______
等温冷却
不同深度 ，冷却速 度是不一 样的，因 此，组织 也是不一 样！
___连续冷却
C’ ’ C C’
C
M
M+P
P
时间
连续冷却转变图---临界淬火速度
马氏体组织 ---淬透区
贝氏体、铁素体+珠 光体----未淬透区
钢工件
但是快冷将产生巨大的组织应力和热应力， 使工件变形；
2)对于过共析钢：
淬火加热温度Ac1+30--50℃。如原始组织为粒 状珠光体，加热淬火后获得马氏体、颗粒状渗 碳体及少量残余奥氏体，因而硬度高，耐磨性 好，还有点韧性。 如果加热到Accm以上，先共析渗碳体全部溶入 奥氏体，使奥氏体含碳量增加，马氏体转变点 Ms和Mf降低，淬火后保留大量奥氏体，而且获 得粗片状马氏体，使钢的硬度和耐磨性降低， 脆性增加，并增加淬火开裂倾向。 因此，过共析钢不能在Accm以上加热淬火。
6) 低温退火 定义：把钢件加热到低于Ac1温度退火，它包括软化退 火和再结晶退火。 软化退火：又称去应力退火。 钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部 冷却速度不同造成内外温差会产生残余应力，这种 应力与后面的工艺应力叠加，易使材料开裂； 铸件也有残余应力。 具体工艺：加热温度为650--720℃，保温后出炉空 冷；主要是消除内应力和降低硬度（不会改变内部 组织，见前图）。
第六章 热处理简答题
第六章钢的热处理1、什么是钢的热处理？钢的热处理的特点和目的是什么？答：钢的热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却,以获得所需的组织结构和性能的工艺。
钢的热处理的特点是在固态下，通过加热、保温和冷却，来改变零件或毛坯的内部组织,而不改变其形状和尺寸的热加工工艺.钢的热处理的目的是改善零件或毛坯的使用性能及工艺性能.2、从相图上看，怎样的合金才能通过热处理强化?答：通过热处理能强化的材料必须是加热和冷却过程中组织结构能够发生变化的材料，通常是指:（1)有固态相变的材料;(2）经受冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态的材料；(3）表面能被活性介质的原子渗入.从而改变表面化学成分的材料.3、什么是退火？其目的是什么？答：退火是将金属或合金加热到适当温度,保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
其目的可概括为“四化”,即软化(降低硬度适应切削加工和冷冲压要求）；均匀化(消除偏析使成分和组织均匀化)；稳定化（消除内应力、稳定组织保证零件的形状和尺寸）；细化（细化晶粒、提高力学性能）。
4、亚共析钢热处理时,快速加热可显著提高屈服强度和冲击韧性，为什么？答:快速加热可获得较大的过热度，使奥氏体形核率增加,得到细小的奥氏体晶粒，冷却后的组织晶粒也细小。
细晶粒组织可显著提高钢的屈服强度和韧性。
5、热轧空冷的45钢在正常加热超过临界点A c3后再冷却下来,组织为什么能细化？答:热轧空冷的45钢室温组织为F+P，碳化物弥散度较大,重新加热超过临界点A c3后,奥氏体形核率大,起始晶粒细小，冷却后的组织可获得细化。
7、确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的及退火后的组织。
（1）经冷轧后的15钢钢板,要求降低硬度；(2）ZG35的铸造齿轮；（3)改善T12钢的切削加工性能; (4）锻造过热的60钢坯.答:（1)再结晶退火,消除加工硬化及内应力，退火组织为P+F.（2)去应力退火，消除铸造内应力，组织为P+F。
机械工程材料-3章 钢的热处理
珠光体型转变，在A1～550℃等温； 贝氏体型转变，在550℃～Ms等温； 马氏体型转变，冷却至MS以下。
共析钢等温冷却转变曲线
随着过冷度的增大，奥氏体转 变温度降低，生成的珠光体片层间 距变小。依据片层间距的大小，将 其分别称为珠光体、索氏体、屈氏 体。珠光体片越细，HB↑，Rm↑。
珠光体 符 号：P 等温温度： A1 ~ 650℃ 层片间距：>0.4μm
①钢加热温度由冷却前希望得到的组 织决定。如果希望得到单相奥氏体组织， 需要在Ac3和Accm以上温度加热，过共析钢 如果不希望二次渗碳体全部溶解到奥氏体 中，需要在Ac1和Accm之间温度加热。 ②加热温度越高，保温时间越长，奥 氏体成分均匀，但晶粒越粗大。 ③加热速度越快，相变的过热度增大， 奥氏体实际形成温度越高，生成的奥氏体 晶粒度愈小。 ④生成的奥氏体晶粒大小也与钢的化 学成分和原始组织有关，有的钢晶粒长大 倾向小。
表 面 热处理 化学热处理
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
3.1 钢的热处理原理
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1 钢的组织转变温度
对不同成分和组织的钢，在 进行加热或冷却时，如果加热或 冷却速度非常缓慢，钢的组织变 化规律和铁碳相图一致。
经过PSK线（A1）时，发生 A P 转变 经过GS线（A3）时，发生 A F 转变 经过ES线（Acm）时，发生 A A+Fe3CⅡ
则A1、A3、Acm被称为碳钢固 态平衡组织转变临界温度。
铁碳相图
由于实际加热或冷却不可能非常 缓慢，加热时相变需要具有一定的过 热度，冷却时相变需要具有一定的过 冷度，组织转变才能进行。 习惯上，将碳钢加热时的相变温 度分别标记为Ac1、Ac3、Accm，其冷却 时的相变温度分别标记为Ar1、Ar3、 Arcm。 例如：对亚共析钢，当加热到 Ac1时发生P→A，加热到Ac3时才全部 转变为A；对共析钢当加热到Ac1时发 生P→A；对过共析钢加热到Ac1时发 生P→A，加热到Accm以上时渗碳体才 全部转变为A。
10钢的热处理工艺
形变热处理
高温形变热处理是把钢加热至奥氏体化，保温一段时间，在该温度下进行塑性变形，随后淬火处理，获得马氏体组织。
高温形变热处理的应用？？碳钢、低合金结构钢及机械加工量不大的锻件或轧材。
根据性能要求，高温形变热处理在淬火后，还需要进行回火。高温形变热处理的塑性变形是在奥氏体再结晶温度以上的范围内进行的，因而强化程度（一般在10％～30％之间）不如低温形变热处理大。
1.过热
2.过烧
3.氧化
4.脱碳
由于加热温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷
淬火加热温度太高造成奥氏体晶界出现局部熔化或发生氧化的现象
淬火加热时工件与周围的氧等发生的化学反应
淬火加热时，钢中的碳与空气中的氧等发生反应生成含碳气体逸出
第三节 其他类型热处理
钢的表面热处理
化学热处理
形变热处理
（2）渗碳后的组织 常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体+碳化物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体+铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织。
（3）渗碳后的热处理 渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。
从经济性原则考虑，正火的生产周期短，操作简单，工艺成本低，在满足使用和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。
第二节 钢的淬火与回火
一、淬火 将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时间，然后快速（大于临界冷却速度）冷却以获得马氏体（下贝氏体）组织的热处理工艺称为淬火。
1.淬火应力
与渗碳相比，渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，所以工件变形小。 为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工件进行调质处理。
工程材料及热加工—钢的热处理原理
一、概述 二、钢的热处理原理
一、概述
1、定义： 将钢在固态下通过不同的加热、保温、冷却来改变金属 整体或表层的组织，从而改善和提高其性能的一种热加工 工艺。 工艺曲线：
2、目的： • 充分发挥材料的性能潜力。 • 调整材料的工艺性能和使用性能。
3、分类： • 普通热处理：整体穿透加热 • 表面热处理：表层的成分、组织、性能 • 特殊热处理：形变热处理、真空热处理
⑶ 马氏体型转变 • 定义：是指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相变， 转变产物称为马氏体，马氏体是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体， 记为M。 • 转变特点：⑴无扩散性： ⑵降温转变: 过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度用Ms 表示。而马氏体转变的终了温度用Mf表示。马氏体转变量是在Ms~Mf 温度范围内，通过不断降温来增加的。由于多数钢的Mf在室温以下， 因此钢快冷到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏 体，记为Ar。 • 组织形态：钢中马氏体的形态很多，其中板条马氏体和片状马氏体最 为常见。 ⑴板条马氏体: 低碳钢＜0.2﹪中的马氏体组织是由许多成群的、相互平 行排列的板条所组成，故称为板条马氏体。板条马氏体的亚结构主要 为高密度的位错，故又称为位错马氏体。
二、钢的热处理原理
1、钢的临界温度 铁碳合金相图中组织转变的临界温度A1、A3、Acm 是在极其缓慢的加热和冷却条件下测定的。而在热处理中， 加热和冷却并不是极其缓慢的，和相图的临界温度相比发 生一定的滞后现象，也就是通常所说的需要有一定的过热 和过冷，组织转变才能充分进行。与相图上A1、A3、Acm 相对应，通常把实际加热时的临界温度用Ac1、Ac3、 Accm 表示，把实际冷却时的临界温度用Ar1、Ar3、Arcm 表示。
钢铁热处理工艺流程
保温
在达到加热温度后，保持钢铁材料在一定温度范围内一段时间，使材料内部的原子和晶体发生再分布。
5
冷却
保温后，对钢铁材料进行冷却处理，冷却方式包括自然冷却、油冷却、水冷却等。
6
检验
对热处理后的钢铁材料进行质量检验，包括硬度测试、金相组织观察等。
7
包装与入库
合格产品经过包装后入库，等待进一步加工或使用。
钢铁热处理工艺流程
序号
工艺流程
描述1Leabharlann 预处理清洗钢铁材料，去除表面污垢或氧化层，包括化学清洗（酸洗、碱洗）和机械清洗（喷砂、抛光）。
2
切割与机加工
对预处理后的钢铁材料进行切割和机加工，获得所需的形状和尺寸。
3
加热
将钢铁材料加热至预定温度，根据材料种类和性能要求选择适当的加热方式（高频感应加热、盐浴炉加热、电阻加热等）。
钢铁材料的一般热处理,一张表全懂了
热处理是指金属材料在固态下，通过加热、保温、冷却的手段，改变金属材料内部的组织状态，从而获得所需性能的一种热加工工艺。
常见的热处理的方法请参考下表。
名称热处理过程热处理目的1．退火将钢件加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却到室温①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工②细化晶粒，均匀钢的组织，改善钢的性能及为以后的热处理作准备③消除钢中的内应力。
防止零件加工后变形及开裂退火类别(1)完全退火将钢件加热到临界温度(不同钢材临界温度也不同，一般是710-750℃，个别合金钢的临界温度可达800—900ºC)以上30—50ºC，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却(或埋在沙中冷却)细化晶粒，均匀组织，降低硬度，充分消除内应力完全退火适用于含碳量(质量分数)在O．8％以下的锻件或铸钢件(2)球化退火将钢件加热到临界温度以上20～30ºC，经过保温以后，缓慢冷却至500℃以下再出炉空冷降低钢的硬度，改善切削性能，并为以后淬火作好准备，以减少淬火后变形和开裂,球化退火适用于含碳量(质量分数)大于O．8％的碳素钢和合金工具钢(3)去应力退火将钢件加热到500～650ºC，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般采用随炉冷却)消除钢件焊接和冷校直时产生的内应力，消除精密零件切削加工时产生的内应力，以防止以后加工和用过程中发生变形去应力退火适用于各种铸件、锻件、焊接件和冷挤压件等2．正火将钢件加热到临界温度以上40～60ºC，保温一定时间，然后在空气中冷却①改善组织结构和切削加工性能②对机械性能要求不高的零件，常用正火作为最终热处理③消除内应力3．淬火将钢件加热到淬火温度，保温一段时间，然后在水、盐水或油(个别材料在空气中)中急速冷却①使钢件获得较高的硬度和耐磨性②使钢件在回火以后得到某种特殊性能，如较高的强度、弹性和韧性等淬火类别(1)单液淬火将钢件加热到淬火温度，经过保温以后，在一种淬火剂中冷却单液淬火只适用于形状比较简单，技术要求不太高的碳素钢及合金钢件。
机械工程材料与热加工工艺
机械工程材料与热加工工艺摘要：本文主要阐述了机械工程材料的主要性能及其应用，同时说明机械工程材料热加工工艺，其中包括钢铁生产与质量、钢的热处理、低合金钢和合金钢、铸铁以及有色金属及其合金等。
关键词：机械工程；工程材料；热加工工艺引言：机械工程材料种类繁多，其中最为常见就是有色金属材料，要根据有色金属材料特点，采用正确的制造技术和加热工艺，有效增强有色金属强度和耐腐蚀性等，确保所制作出的零部件，其质量和性能都有显著增强。
1机械工程材料的主要性能及其应用机械工程各类产品多数都是由种类繁多、性能各异的金属材料和非金属，通过正确加工所制作出的零部件共同构成的。
金属材料的机械性能主要是指金属材料在各种形式的外力作用下，抵抗变形和断裂的能力，判断金属机械性指标包括金属材料强度、塑性和硬度等。
金属材料在受力时抵抗产生弹性的能力则称为刚度。
金属材料的硬度主要是指材料抵抗外物压力的能力，硬度越高，金属材料抵抗局部塑性变形的能力就越大。
通常材料的硬度越高，其耐磨性就越强，强度和硬度间存在着内部联系。
金属冲击韧性是材料在冲击荷载作用下，抵抗断裂的能力，现阶段机械工程技术常用一次摆锤冲击弯曲试验，测定材料受冲击荷载能力。
机械工程所用零件种类较多，如发动机设备中的曲轴、连轴等，该类零件常在交变荷载下工作。
此外，转动轴等零件虽然受到的荷载无法随时间交替变化，但零件本身是能够旋转的。
以该两种情况为背景，零部件中都会产生随时间变化的应力，该种应力即称为“交变应力”。
此外，以此种情况为背景工作的零部件，其最大应力要低于材料在静荷载小的极限，但经过长期工作的磨损，难免会出现断裂等情况，引发断裂事故。
所以，要采取有效措施避免断裂事故发生。
制造零部件和选用工艺时，要充分考虑所选材料的工艺性能，如低碳钢有着较强的塑性成形性能和可焊性，所以常被用作制造量器和刀具等[1]。
2机械工程材料表面处理方法机械工程材料表面处理方法主要包括强化处理法、表面防护处理法、涂料涂装法和氧化处理法，其中，强化处理法即可分为表面覆盖层强化法、表面表型强化法两种，表面覆盖层强化法指的是在材料表面，获得特殊性能的覆盖膜，以此增强材料表面的刚度、硬度和耐疲劳性，增强材料质量。
钢的热处理原理（冷却1）
钢的热处理原理（冷却1）上⼀篇⽂章⾥谈了⼀下对于热处理原理加热保温部分的学习，我们都知道绝⼤部分的零件都是在室温下进⾏⼯作的，所以这⼀篇⽂章我想说说对于冷却部分的学习。
通过对加热保温部分的学习，我们知道了主要是为了得到组织均匀、晶粒细化的奥⽒体，那么在冷却过程中，奥⽒体会发⽣哪些转变呢。
当奥⽒体在转变临界温度以下时，从热⼒学⾓度看，是不稳定的，会发⽣分解，这时的奥⽒体叫做过冷奥⽒体，我们可以通过不同的过冷度使奥⽒体冷却，从⽽得到不同的组织结构。
当过冷奥⽒体在转变临界温度以下较⾼温度缓慢冷却时，由于过冷度⼩，温度较⾼，原⼦扩散充分，可以得到组织均匀的珠光体；当冷却速度较快，奥⽒体在较⼤的过冷度下冷却时，碳原⼦可以扩散，但铁原⼦不能扩散，这时得到的是贝⽒体（相当于炉冷或空冷）；当以很快的冷却速度对奥⽒体进⾏冷却，奥⽒体迅速的过冷到不能进⾏扩散的温度以下，得到的是马⽒体（相当于淬⽕）。
我们以共析钢为例，说明⼀下钢在等温条件下的冷却。
钢在冷却时的转变与加热时的转变有相似处，就是转变不是温度低于转变临界温度就马上开始转变，⽽是在经过⼀定时间的孕育后才开始，这段时间称为孕育期。
介绍奥⽒体冷却转变我们引⼊c-曲线图加以说明c-曲线图的横坐标为时间，纵坐标为温度，坐标系中有两条c形曲线，左边的⼀条为转变开始温度时间曲线，是由奥⽒体在转变临界温度下不同温度时的开始转变时间连线⽽成，右边⼀条是由奥⽒体在转变临界温度下不同温度时的转变结束时间连线⽽成，两条曲线间的任意⽔平连线表⽰奥⽒体在该温度时的等温转变时间。
对，我们⾸先要说的就是等温转变。
先继续把这个图的各个区域介绍完，A1⽔平线为转变临界温度727℃，Ms⽔平线为奥⽒体向马⽒体转变开始温度Mf⽔平线为奥⽒体向马⽒体转变结束温度。
处于A1以下，Ms以上，转变开始温度以左的区域为过冷奥⽒体区，这时的合⾦组织为过冷奥⽒体，两条曲线之间为转变区，转变结束曲线以右为转变终了区。
钢的热处理
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀 人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬 火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油 和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝 剑，心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用 了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零 件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影 响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中 加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温 度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料 和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获 得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到 要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致， 使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热 和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热 处理的保温时间往往较长 。
二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处 理工艺得到更大发展。一个显著的进展是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，使炉内气氛的碳势达 到可控，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；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、 渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和 化学热处理方法。
机械工程材料与热加工工艺试题与答案
一、名词解释：１、固溶强化：固溶体溶入溶质后强度、硬度提高，塑性韧性下降现象。
２、加工硬化：金属塑性变形后，强度硬度提高的现象。
２、合金强化：在钢液中有选择地加入合金元素，提高材料强度和硬度４、热处理：钢在固态下通过加热、保温、冷却改变钢的组织结构从而获得所需性能的一种工艺。
５、细晶强化：晶粒尺寸通过细化处理，使得金属强度提高的方法。
二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法三、（20分）车床主轴要求轴颈部位硬度为HRC54—58，其余地方为HRC20—25，其加工路线为：下料锻造正火机加工调质机加工（精）轴颈表面淬火低温回火磨加工指出：1、主轴应用的材料：45钢2、正火的目的和大致热处理工艺细化晶粒，消除应力；加热到Ac3＋50℃保温一段时间空冷3、调质目的和大致热处理工艺强度硬度塑性韧性达到良好配合淬火＋高温回火4、表面淬火目的提高轴颈表面硬度5．低温回火目的和轴颈表面和心部组织。
去除表面淬火热应力，表面M＋A’心部S回四、选择填空（20分）１．合金元素对奥氏体晶粒长大的影响是（d）（a）均强烈阻止奥氏体晶粒长大（b）均强烈促进奥氏体晶粒长大（c）无影响（d）上述说法都不全面２．适合制造渗碳零件的钢有（c）。
（a）16Mn、15、20Cr、1Cr13、12Cr2Ni4A （b）45、40Cr、65Mn、T12（c）15、20Cr、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi３．要制造直径16mm的螺栓，要求整个截面上具有良好的综合机械性能，应选用（c ）（a）45钢经正火处理（b）60Si2Mn经淬火和中温回火（c）40Cr钢经调质处理4．制造手用锯条应当选用（a ）（a）T12钢经淬火和低温回火（b）Cr12Mo钢经淬火和低温回火（c）65钢淬火后中温回火5．高速钢的红硬性取决于（b ）（a）马氏体的多少（b）淬火加热时溶入奥氏体中的合金元素的量（c）钢中的碳含量6．汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性，中心有良好的强韧性，应选用（c ）（a）60钢渗碳淬火后低温回火（b）40Cr淬火后高温回火（c）20CrMnTi渗碳淬火后低温回火7．65、65Mn、50CrV等属于哪类钢，其热处理特点是（c ）（a）工具钢，淬火+低温回火（b）轴承钢，渗碳+淬火+低温回火（c）弹簧钢，淬火+中温回火8. 二次硬化属于（d）（a）固溶强化（b）细晶强化（c）位错强化（d）第二相强化9. 1Cr18Ni9Ti奥氏体型不锈钢，进行固溶处理的目的是（b）（a）获得单一的马氏体组织，提高硬度和耐磨性（b）获得单一的奥氏体组织，提高抗腐蚀性，防止晶间腐蚀（c）降低硬度，便于切削加工１０.推土机铲和坦克履带板受到严重的磨损及强烈冲击，应选择用（b ）（a）20Cr渗碳淬火后低温回火（b）ZGMn13—3经水韧处理（c）W18Cr4V淬火后低温回火五、填空题(20分)1、马氏体是碳在a-相中的过饱和固溶体，其形态主要有板条马氏体、片状马氏体。
钢的热处理原理
F
A
(2) 奥氏体晶核长大
Fe3C
奥氏体晶核形成后即开始长大， A晶核
奥氏体和铁素体中碳的扩散是 奥氏体吞噬渗碳体和铁素体而 长大的驱动力……
10
奥氏体长大机制
由于在铁素体内， 铁素体与渗碳体和 铁素体与奥氏体接 触的两个界面之间 也存在着碳浓度差 Cα-C—Cα-γ ，因此碳 在在铁素体中也进 行着扩散， 扩散破坏了该温度下相界面的平衡浓度，为了恢复平衡， 渗碳体势必 由于 Cγ-C > Cγ-α，在奥氏 体中出现碳的浓度梯度，并引 C ，与此同时，另一个界 溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到 γ-C 起碳在奥氏体中不断地由高浓 面上，发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使 铁素体转变为奥氏体， 度向低浓度的扩散。 使它们之间界面的碳浓度恢复到Cγ-α。这样，奥氏体的两个界面就向铁素体 和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。 始 形成，这段时 间称为孕育 期。温度 ↑ 孕育期 →
亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图
当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转 变，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移 来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时 间要长得多。
氏体的自由能相等。只有当温度高
当温度等于A1时，珠光体与奥
于A1时，珠光体向奥氏体转变的驱
珠光体和奥氏体的自由能 随温度变化的曲线
动力才能克服界面能和应变能的相变 阻力，使奥氏体的自由能低于珠光体 的自由能，奥氏体才能自发形核。
8
1. 奥氏体的形成过程
共析钢为例
Fe3C 6.69％C 复杂晶格
热处理习题及答案
1.何谓钢的热处理？钢的热处理操作有哪些基本类型？试说明热处理同其它工艺过程的关系及其在机械制造中的地位和作用。
答：（1）为了改变钢材内部的组织结构，以满足对零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一种综合的热加工工艺过程。
（2）热处理包括普通热处理和表面热处理；普通热处理里面包括退火、正火、淬火和回火，表面热处理包括表面淬火和化学热处理，表面淬火包括火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火，化学热处理包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。
（3）热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。
一个毛坯件经过预备热处理，然后进行切削加工，再经过最终热处理，经过精加工，最后装配成为零件。
热处理在机械制造中具有重要的地位和作用，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、充分挖掘材料潜力、降低结构重量、节省材料和能源，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，做到一个顶几个、顶十几个。
此外，通过热处理还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。
2.解释下列名词：1）奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；答：（1）起始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。
（2）实际晶粒度：是指在某一具体的热处理加热条件下所得到的晶粒尺寸。
（3）本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10℃保温足够时间（3-8小时）后测定的钢中晶粒的大小。
2）珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体；答：珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。
索氏体：在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。
屈氏体：在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。
贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。
马氏体：碳在α-fe中的过饱和固溶体。
3）奥氏体、过冷奥氏体、残余奥氏体；答：奥氏体: 碳在中形成的间隙固溶体.过冷奥氏体: 处于临界点以下的不稳定的将要发生分解的奥氏体称为过冷奥氏体。
机械工程材料与热加工工艺试卷
机械工程材料与热加工工艺试卷一、选择题（每题2分，共10分）1. 钢的含碳量一般介于_______。
A. 0.2%～0.5%B. 0.5%～1.7%C. 1.7%～2%D. 2%～3%2. 钢的淬火是为了提高材料的_______。
A. 弹性B. 韧性C. 硬度D. 强度3. 下列不属于金属材料的力学性能的是_______。
A. 弹性B. 塑性C. 硬度D. 导电性4. 关于金属的疲劳断裂，以下说法错误的是_______。
A. 疲劳断裂是由循环应力引起的B. 疲劳断裂的过程是裂纹形成、扩展和断裂三个阶段C. 高强度材料不易发生疲劳断裂D. 疲劳断裂具有突然性5. 关于焊接，下列说法错误的是_______。
A. 焊接是一种永久性连接方法B. 焊接过程通常包括熔化、结晶和冷却三个阶段C. 电弧焊是最常见的焊接方法之一D. 焊接不会改变母材的化学成分二、填空题（每空1分，共10分）1. 在金属材料的力学性能中，硬度表示材料抵抗_______或_______的能力。
2. 钢的热处理工艺一般包括加热、______、______和冷却四个阶段。
3. 在工业中常用的合金钢有不锈钢、______钢和______钢等。
4. 焊接时产生的焊接缺陷通常有焊接裂纹、______和______等。
5. 在选择机械工程材料时，我们通常需要考虑材料的物理性能、化学性能和工艺性能，其中工艺性能主要指材料的切削加工性能和______。
三、简答题（每题10分，共30分）1. 请简述钢的热处理工艺对材料硬度的影响。
2. 请解释金属的疲劳断裂的主要原因和影响因素。
3. 在机械工程中，为什么需要重视材料的工艺性能？其重要性体现在哪些方面？。
钢在加热和冷却时的转变
第七章钢在加热和冷却时的转变§7.1 钢的热处理概述一、钢的热处理1.热处理的定义钢的热处理是指在固态下，将钢加热到一定的温度、保温一定的时间，然后按照一定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。
具体的热处理工艺过程可用热处理工艺曲线表示（图7.1）。
从该曲线可以看出：热处理过程由加热、保温、冷却三阶段组成，影响热处理的因素是温度和时间。
2.热处理的原理钢能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变。
通过固态相变，可以改变钢的组织结构，从而改变钢的性能。
钢中固态相变的规律称为热处理原理，它是制定热处理的加热温度、保温时间和冷却方式等工艺参数的理论基础。
热处理原理包括钢的加热转变、冷却转变和回火转变，在冷却转变中又可分为：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。
3.热处理的作用1)热处理通过改变钢的组织结构，不仅可以改善钢的工艺性能，而且可以提高其使用性能，从而充分发挥钢材的潜力。
2)热处理还可以部分消除钢中的某些缺陷，细化晶粒，降低内应力，使组织和性能更加均匀。
4.热处理的分类1)根据加热、冷却方式的不同，热处理可分为：普通热处理，表面热处理和特殊热处理。
普通热处理又包括退火、正火、淬火和回火，俗称四把火。
表面热处理又包括：表面淬火和化学热处理。
特殊热处理又包括形变热处理和真空热处理。
2)根据生产流程，热处理可分为：预备热处理和最终热处理。
前者是指为满足工件在加工过程中的工艺性能要求进行的热处理，主要有退火和正火。
而后者是指工件加工成型后，为满足其使用性能要求进行的热处理，主要有淬火和回火。
5. 热处理的重要性热处理在冶金行业和机械制造行业中占有重要的地位。
常用的冷、热加工工艺只能在一定程度上改变工件的性能，而要大幅度提高工件的工艺性能和使用性能，必须进行热处理。
例如，热轧后的合金钢钢材要进行热处理，汽车中70%——80%的零件也要进行热处理。
如果把预备热处理也包括进去，几乎所有的工件和零件都要进行热处理。
热处理的4种方法
钢铁热处理的四种基本工艺什么是退火钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
退火是将金属或合金加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
退火的目的：退火所能达到的目的主在是：消除锻件及焊接结构的应力，消除冷加工后的加工应力，避免零件在加热和使用过程中产生变形及开裂；消除铸件和锻件的不均匀组织和粗大晶粒，消除合金钢硬而脆的特性，改善其切削加工的性能，胀管时的管头，胀接前也要进行退火。
(1) 降低硬度，改善切削加工性；(2)消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；(3)细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。
在生产中，退火工艺应用很广泛。
根据工件要求退火的目的不同，退火的工艺规范有多种，常用的有完全退火、球化退火、和去应力退火等。
正火与退火的区别，处理温度正火的冷却速度比退火快，得到的组织较细，工件的强度和硬度比退火高。
对于高碳钢的工件，正火后硬度偏高，切削加工性能变差，故宜采用退火工艺。
从经济方面考虑，正火比退火的生产周期短，设备利用率高，生产效率高，节约能源、降低成本以及操作简便，所以在满足工作性能及加工要求的条件下，应尽量以正火代替退火。
退火和正火可在电阻炉或煤、油、煤气炉中进行，最常用的是电阻炉。
电阻炉是利用电流通过电阻丝产生的热量来加热工件，同时用热电偶等电热仪表控制温度，操作简单、温度准确。
在加热过程中，由于工件与外界介质在高温下发生化学反应，当加热温度和加热速度控制不当或装炉不合适时，会造成工件氧化、脱碳、过热、过烧及变形等缺陷。
因此要严格控制加热温度和加热速度等。
图2-2为退火和正火的加热温度范围。
什么样叫金属冷加工硬化现象？在工程中，有时需用对钢件进行冷加工，如锻打、压延、弯曲、冲压等。
当冷加工产生塑性变形时，不但其外形发生了变化，其内部的晶粒形状也会发生变化，晶粒沿受力方向被拉长。
冷加工塑性变形较大时，还会产生较大内应力。
这种现象称为冷加工硬化。
利用冷加工硬化对钢材使用强度的提高是有限的，而冷加工硬化引起的塑性降低及残存的内应力则是有害的。
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A 均匀化
亚共析钢和过共析钢的A形 成过程与共析钢基本相似， 不同之处在于亚共析钢和过 共析钢需加热到Ac3或Accm以 上，才能获得单一的奥氏体 组织，这个过程称为完全奥 氏体化。
三、奥氏体晶粒的长大及其影响因素
1．奥氏体晶粒的长大
由于奥氏体在铁素体与渗碳体相界面上形核，形成的晶核多，因 而刚完成珠光体向奥氏体的转变时奥氏体的晶粒是比较细小的。 但是如果在形成奥氏体后继续升高温度，或者是在高温长时间保 温，就会引起奥氏体晶粒长大。 由于晶粒粗大，往往使钢的强韧性恶化，特别是冲击韧性将明 显下降，韧脆转变温度相应升高，脆性倾向加大。 Ø因此，钢在加热时应严格控制加热规范，以获得细小而均匀 的奥氏体晶粒。
• 转变温度 • 奥氏体的形成 • 奥氏体晶粒的长大及其影响因素
一、转变温度
实际加热和冷却时的相 变点： 平衡时—— A1 A3
Acm 加热时—— Ac1 Ac3
Accm 冷却时—— Ar1 Ar3
Arcm
图4-2加热和冷却时Fe-Fe3C相图上各相变点的位置
二、奥氏体的形成过程(以共析钢为例)
却
时间
2.热处理的主要目的:改善材料的使用、工艺性能 。
3.热处理的特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形 状和尺寸 。
4.按目的、加热条件和特点不同热处理分为
整体 热处理
退火;正火;
淬火;回火;
热处理
表面 热处理 (表面淬火)
感应加热淬火 火焰加热淬火
化学 热处理
渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;
第一节 钢在加热时的组织转变
800
700
600
500
400 300 Ms
200
100 0 Mf
-100 0
过共析钢的C曲线
Fe3CⅡ A
ACM
A1 P + Fe3CⅡ S + Fe3CⅡ
T
B
M + A残
1
10
102
103
104 时间(s)
与共析钢C曲线比较： 1)亚共析钢的等温转变图随着含碳量的增加C曲线位置 往右移，过共析钢的等温转变图随着含碳量的增加C曲 线位置往左移，故在碳钢中以共析钢等温转变图的鼻 尖离温度坐标最远，其孕育期最长，过冷奥氏体也最 稳定
根据组织形态和转变温度不同，贝氏体一般可分 为上贝氏体和下贝氏体两种
550 ~ 350 ℃ 羽毛状上贝氏体（B上）
强度低，塑性、韧性差 ；硬度 40 ~50HRC
条状F
Fe3C
它是通过奥氏体晶格改组为过饱和的铁素体,并在 铁素体条间析出渗碳体而形成.
上贝氏体组织金相图
350 ~ Ms 黑色针叶状下贝氏体（B下）
2. 奥氏体晶粒度:
• 晶粒度——晶粒大小的量度。 • 晶粒的大小通常用晶粒度级别指数来表示;奥氏体的晶粒度一 般分为8级，l－4级为粗晶粒，5－8级为细晶粒。
•奥氏体实际晶粒度：是指钢在具体热处理或热加工条件下获 得的奥氏体晶粒度; 它的大小决定了钢件热处理或热加工后室温组织的晶粒大小， 直接影响到钢件的力学性能。因此，在钢材验收、零件技术要 求、热加工工艺评定、产品质量分析中所规定的“晶粒度检验 ”一般都是指依据 GB／T 63941986检验钢的奥氏体实际晶粒 度
2、马氏体的组织形态（板条状和片状）
1）板条状马氏体组织 --- 低碳马氏体 (＜0.2%C ) 30～50HRC δ = 9～17%
低碳板条状马氏体组织金相图
2）片状马氏体组织 --- 高碳马氏体 (＞1%C) 60～65HRC δ ≈ 1%
高碳片状马氏体组织金相图
3、马氏体的性能
——主要取决于马氏体中的碳浓度。
马氏体转变在低温（Ms点以下）进行，由于过 冷度很大，奥氏体向马氏体转变时难以进行铁、碳 原子的扩展，只发生了γ-Fe向α-Fe的晶格转变。 固溶在奥氏体中的碳全部保留在α-Fe晶格中，形成 碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称其为马氏体（M）
1、 马氏体转变特点
1）无扩散型转变 铁、碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体
强度、塑性、韧性均高于上贝氏体，硬度 50 ~60HRC
针叶状铁素体 Fe3C
与B上比较， B下具有良好的综合力学性能， 在生产中常用等温淬火来获得B下组织
下贝氏体组织金相图
3、马氏体型 ( M ) 转变 (Ms ～ Mf) ( 230～ -50℃ )
当奥氏体快速过冷至马氏体点（Ms）以下时则发生 马氏体转变。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定 温度范围内（Ms ～ Mf之间）连续冷却时完成的。
CCT曲线
500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
C曲线
-100 0
1 10 102 103 104 时间(s)
1)同一成分的钢的CCT曲线位于C曲线右下方。要获得同样的组织，连续冷却 转变比等温转变的温度要低些，孕育期要长些。
2)连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变。
3）加入一定量的合金元素 若碳以未溶的碳化物形式存在，则它有阻碍晶粒长大的
作用。锰和磷是促进奥氏体晶粒长大倾向的元素。
第二节 钢在冷却时的转变
• 过冷奥氏体的等温冷却转变 • 过冷奥氏体的连续冷却转变
在热处理生产中，常用的冷却方式：等温冷却和连续冷却。
温 度
热 加
保温
临界温度A1
连续冷却
等温冷却 时间
2)亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体，在转变为珠光 体类型组织之前，分别先有铁素体和渗碳体析出。这 样，在亚共析钢等温转变图上多一条先共析铁素体析 出线，在过共析钢等温转变图上多一条先共析渗碳体 析出线。
3) 随着含碳量的增加，Ms、Mf线下降 ,因而残余奥氏
体量随着奥氏体含碳量的增加而增多
2、合金元素的影响
3. 奥氏体晶粒大小的控制
1）合理选择并严格控制加热温度和保温时间 随着温度升高晶粒度将随之长大。温度愈高，晶粒长大
愈明显。在一定温度下，保温时间愈长，奥氏体晶粒也越粗 大。
2）合理选择原始组织 随着钢中奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向
也增大。但当wc>1.2%时，奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体 能阻碍晶粒的长大，故奥氏体实际晶粒度较小。
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 200 100
0
-100 0
共析钢 C曲线建立过程示意图
A1
1
10
102
103
104 时间(s)
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 200 100
0
（二）共析碳钢 C曲线的分析
稳定的终止线
除Co、Al (＞2.5% ) 外，所有合金元素溶入奥氏 体中，会引起：
A1
向右移
Ms 向 下 移
A1
Ms 含Cr合金钢
3、加热温度和保温时间的影响
加热温度越高，保温时间越长，碳化物溶 解充分, 奥氏体成分均匀；同时晶粒也越大， 晶界面积则减少。这样，会降低过冷奥氏体转 变的形核率，提高了过冷奥氏体的稳定性, 从 而使 C曲线向右移。
一、过冷奥氏体的等温冷却转变
过冷奥氏体:在相变温度A1以下，未发生转变而处于不稳定状态的 奥氏体。 过冷奥氏体的等温转变：指钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的 某温度区间内等温时。过冷奥氏体所发生的转变。
(一) 过冷奥氏体等温转变图( C曲线）的建立
现以金相硬度法测定共析钢过冷奥氏体等温转变为例，来说明 等温转变图的建立过程。
（三）转变产物的组织和性能 1、珠光体型转变—高温转变（A1~ 550 ℃） A1 ~ 650 ℃ 层片状珠光体 < 25HRC
650℃~ 600℃ 细片状珠光体（索氏体 S） 25HRC~35HRC
600℃~ 550 ℃ 极细片状珠光体（托氏体 T） 35HRC~42HRC
珠光体性能 ： 珠光体片越细→ HB↑，σb↑且δ↑，αk↑
高碳片状M的强度很高，但塑形和韧性很差。
（四） 影响 C曲线的因素
1、奥氏体中含碳量的影响:
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
-100 0
亚共析钢的C曲线
F A
A3
A1 P+F
S+F T
B
M + A残
1
10
102
103
104 时间(s)
温度 (℃)
奥氏体的晶核易于在F和Fe3C渗碳体相界面上形成。这是因为在两 相的相界上原子排列不规则，空位和位错密度高；为形核提供了 良好的条件。
F
Fe3C
A
A形核
2. 奥氏体晶核的长大
奥氏体形核后逐渐长大，晶核的长大是依靠与其相邻的F向A的 转变和Fe3C的不断溶解来完成的。A向F和Fe3C两个方向长大。
未溶Fe3C A
一定晶面，集体地作一定距离的移动,使面心立方晶 格改组为体心立方晶格，碳原子原地不动，过饱和 地留在新组成的晶胞中，过饱和碳使α-Fe 的晶格发 生很大畸变，产生很强的固溶强化。
2）转变时体积发生膨胀 马氏体的比容比奥氏体的比容大，转变时体积
要膨胀，引起淬火工件产生相变内应力， 严重时 导致工件变形和开裂。
3）M形成速度很快，瞬间完成形核、长大
奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时 转变为马氏体。每个马氏体片形成的时间极短，大 约只需10-7s。
4）转变是在一定温度范围内（Ms～Mf）连续冷却 过程中进行的
随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体， 如果冷却在中途中停止，则奥氏体向马氏体转变也停 止。
• 加热工序的目的：得到奥氏体
P 结构
( F + Fe3C ) → A 体心 复杂 面心