金属材料热处理PPT课件
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金属材料及热处理基础知识.ppt
硬质合金 HBW 450- 600 用于测量淬火钢
2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
金属材料及其热处理ppt课件
1. 体心立方晶格（BCC）：
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体的中心。
具有体心立方晶格结构的金属有α-Fe、W、Mo、V、β-Ti等。 晶胞所包含原子数为： 8×1/8+. 1=2 个。
金属的晶格类型
2. 面心立方晶格（FCC） ：
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体六个面的 中心。
表面热处理 (表面淬火和化学热处 理等)；
特殊热处理 (形变热处理、磁场热 处理等)。
根据热处理在零件生产工艺流程 中的位置和作用，热处理又可分 为预备热处理和最终热处理。
A1、A3、Acm为钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理会产生不同程度的滞 后。实际转变温度与平衡临界温度之差称为过热度(加热时)或过冷度(冷却时)。 通常把加热时的临界温度加注下标“c. ” 。
4. 在热处理工艺上的应用。
了解加热、冷却时相变的规律，确 定合适的热处理制度。
.
相图的应用
综上所述，相图是材料状态与成分、温度之间关系的图解， 是研究合金的重要工具：
1. 作为选材的依据。
2. 在铸造生产中的应用。
不同成分合金的熔点，确定合适的 冶炼和浇注温度。
3. 在锻造工艺上的应用。
.
合金及其组织结构
2. 相
合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。相与相之间有明显的 界面－相界。
3. 组织
所谓合金的组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。数量、 大小和分布方式不同的相构成了合金不. 同的组织。单相组织、多相组织。
合金的晶体结构
根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分 为固溶体、金属化合物和混合物三类。
单晶体与多晶体
金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的 小晶体组成，小晶体称为晶粒，晶粒之间交界的地方称为 晶界。
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体的中心。
具有体心立方晶格结构的金属有α-Fe、W、Mo、V、β-Ti等。 晶胞所包含原子数为： 8×1/8+. 1=2 个。
金属的晶格类型
2. 面心立方晶格（FCC） ：
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体六个面的 中心。
表面热处理 (表面淬火和化学热处 理等)；
特殊热处理 (形变热处理、磁场热 处理等)。
根据热处理在零件生产工艺流程 中的位置和作用，热处理又可分 为预备热处理和最终热处理。
A1、A3、Acm为钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理会产生不同程度的滞 后。实际转变温度与平衡临界温度之差称为过热度(加热时)或过冷度(冷却时)。 通常把加热时的临界温度加注下标“c. ” 。
4. 在热处理工艺上的应用。
了解加热、冷却时相变的规律，确 定合适的热处理制度。
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相图的应用
综上所述，相图是材料状态与成分、温度之间关系的图解， 是研究合金的重要工具：
1. 作为选材的依据。
2. 在铸造生产中的应用。
不同成分合金的熔点，确定合适的 冶炼和浇注温度。
3. 在锻造工艺上的应用。
.
合金及其组织结构
2. 相
合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。相与相之间有明显的 界面－相界。
3. 组织
所谓合金的组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。数量、 大小和分布方式不同的相构成了合金不. 同的组织。单相组织、多相组织。
合金的晶体结构
根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分 为固溶体、金属化合物和混合物三类。
单晶体与多晶体
金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的 小晶体组成，小晶体称为晶粒，晶粒之间交界的地方称为 晶界。
金属材料及热处理培训课件
随炉缓慢冷却到室温的热处理工艺。▪ （也叫均匀化退火。）
▪ 目的 ▪ 均匀钢内部的化学成分，消除偏析。
▪ 适用情况 ▪ 主要于铸造后的高合金钢。
5.去应力退火
▪ 概念
▪
为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的
残余内应力而进行的退火称为去应力退火。
▪ 退火温度 ▪ 不超过Ac1，一般500～650℃。
▪
让其中的碳化物球化（粒化）和消除网状的二
次渗碳体。（因此叫做球化退火。）
▪ 适用钢种 ▪ 主要适用于共析或过共析的工模具钢
T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500
4.扩散退火（均匀化退火）
▪ 概念
▪
将工件加热到略低于固相线的温度（亚共析钢通常
为1050℃～1150℃），长时间（一般10～20h）保温，然后
40min，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。
未淬透钢 淬透钢
a) 全淬透
b) 未淬透
四、钢的回火
▪ 什么是回火？ 后再淬冷火却后到再室将温工的件一加种热热到处A理c1工温艺度。以下某一温度，保温
一般是紧接淬火以后的热处理工艺。
▪ 淬火后回火目的 ◆降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形； ◆ 减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸； ◆调整工件的内部组织和性能，以满足工件的
➢ 由于感应加热速度快，奥氏体晶粒不易长大，淬火后获得非 常细小的隐晶马氏体组织，使工件表层硬度比普通淬火高2HRC ～3HRC，耐磨性也有较大提高。
➢ 表面淬火后，淬硬层中马氏体的比体积较原始组织大，因此 表层存在很大的残余压应力，能显著提高零件的弯曲、抗扭疲 劳强度。小尺寸零件可提高2～3 倍，大尺寸零件可提高20%～ 30%。
▪ 适用钢材 中碳钢（消除魏氏组织、晶粒粗大、带状组织等）
金属材料与热处理(最全)PPT课件
铁碳合金和铁碳相图
3.1 铁碳合金中的组元和基本相 3.2 Fe-Fe3C相图 3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 3.4 铁碳合金的成分－组织－性能关系 3.5 铁碳相图在工业中的应用
• 工业纯铁：塑性较好 ，强度较低，具有铁 磁性，在一般的机器 制造中很少应用，常 用的是铁碳合金
• 铁素体（F）：碳溶 于 -Fe中的一种间 隙固溶体，体心立方 晶体结构，组织和性 能与工业纯铁相同
珠光体（P）：铁 素体和渗碳体 的机械混合物 ，是两者呈层 片相间的组织 ，即层片状组 织特征，可以 通过热处理得 到另一种珠光 体的组织形态
五个单相区： ABCD 以上-液相区（L） ；AHNA- 固溶体 区（ ）； NJESGN- 奥 氏 体 区 （ A）；GPQ 以 上-铁素体区（F） ；DFKL-渗碳体区 （Fe-Fe3C）
• 奥氏体（A）：碳溶 于 -Fe中的一种间隙 固溶体，具有面心立 方晶体结构，塑性好 ，变形抗力小，易于 锻造成型
铁碳合金中的组元和基本相
渗碳体：铁和碳 的金属化合物 （ 即 Fe3C） 属 于复杂结构的 间隙化合物， 硬而脆，强度 很低，耐磨性 好，是一个亚 稳定的化合物 ，在一定温度 下可分解为铁 和石墨
七个两相区（两相邻 的单相区之间） ：
L+,L+A,L+Fe3C, +A,F+A,A+Fe3C,F +Fe3C
Fe-Fe3C相图
包晶反应： HJB水平线
LB＋H（1495°） AJ
包晶反应仅可能在含碳 量0.09～0.53％的铁 碳合金中，其结果 生成生成奥氏体
恒温转变线
共晶反应： ECF水平线
Ae＋Fe3C （1148°） Lc
金属热处理(共9张PPT)
§2 退火和正火
一、退火 退火是将金属和合金加热到适当温度，保温一定
时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
按金属成分和性能要求的不同，退火可分为:
将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平 衡状态组织的退火工艺。完全退火的目的是通过完全重结晶 细化晶粒，降低硬度，改善切削性能。完全退火主要用于亚 共析钢的铸、锻件。
右图为 热处理的基本工艺过程的温度-时间关系曲线。 为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。
表面淬火加热的方法很多，如感应加热、火焰加热、电接触 钢加热和冷却时的温度变化曲线见图3-2。
主要有表面淬火、渗碳和渗氮等工艺。 提高钢件的硬度和耐磨性，淬火＋不同回火，获得各种需要的性能，是强化钢的主要方法。
间后，在静止空气中冷却的热处理工艺。
把钢件加热到
以上100～150℃的正火则称为高温正火。
与退火类似，但冷却速度比退火快。钢件在正火后的强度和 硬度比退火稍高，但消除残余应力不彻底。又因操作简便、生 产率高，所以，正火常优先采用。低碳钢件可代替退火。
§3 淬火和正火 钢件在正火后的强度和硬度比退火稍高，但消除残余应力不彻底。
化学热处理是将金属和合金工件置于一定温度的活性介 质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学 成分、组织和性能的热处理工艺。
常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属元素等。
使钢件中碳化物球状化而进行的退火工艺。球化退火主要 用于过共析钢，目的是使网状渗碳体球状化，降低硬度、提 高韧性，改善切削性能，为淬火作组织准备。
为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的以及铸件
内存在的残余应力而进行的退火。主要用于消除铸件、锻件、 焊接件和切削件的残余应力。
一、退火 退火是将金属和合金加热到适当温度，保温一定
时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
按金属成分和性能要求的不同，退火可分为:
将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平 衡状态组织的退火工艺。完全退火的目的是通过完全重结晶 细化晶粒，降低硬度，改善切削性能。完全退火主要用于亚 共析钢的铸、锻件。
右图为 热处理的基本工艺过程的温度-时间关系曲线。 为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。
表面淬火加热的方法很多，如感应加热、火焰加热、电接触 钢加热和冷却时的温度变化曲线见图3-2。
主要有表面淬火、渗碳和渗氮等工艺。 提高钢件的硬度和耐磨性，淬火＋不同回火，获得各种需要的性能，是强化钢的主要方法。
间后，在静止空气中冷却的热处理工艺。
把钢件加热到
以上100～150℃的正火则称为高温正火。
与退火类似，但冷却速度比退火快。钢件在正火后的强度和 硬度比退火稍高，但消除残余应力不彻底。又因操作简便、生 产率高，所以，正火常优先采用。低碳钢件可代替退火。
§3 淬火和正火 钢件在正火后的强度和硬度比退火稍高，但消除残余应力不彻底。
化学热处理是将金属和合金工件置于一定温度的活性介 质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学 成分、组织和性能的热处理工艺。
常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属元素等。
使钢件中碳化物球状化而进行的退火工艺。球化退火主要 用于过共析钢，目的是使网状渗碳体球状化，降低硬度、提 高韧性，改善切削性能，为淬火作组织准备。
为了去除由于塑性变形加工、焊接等造成的以及铸件
内存在的残余应力而进行的退火。主要用于消除铸件、锻件、 焊接件和切削件的残余应力。
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➢ 细晶强化：
合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越 多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能 量高这一特点，对材料进行强化。
双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。
双晶粒拉伸示意图
低碳钢的σs 与晶粒大小的关系
.
在右图中，低碳钢的σs 与晶粒直径平方根的倒数呈线 性关系，可用下式表示：
.
1850～1880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤 气、 一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889～ 18901901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体 年渗英碳国；人30莱年克代获出得现多露种点金电属位光差亮计热,使处炉理内的气专氛利的。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；
.
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。
塑性材料的强度 通常以σb表示
大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位
错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都
可以成为提高金属材料强度的途径。
.
➢ 固溶强化：
当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增 加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升， 塑性和韧性值下降。
σb
δ
δ
Cu－Ni固溶体的机械 性能与成分的关系
第四章 金属材料热处理
第一节 热处理的发展史 第二节 热处理的理论基础 第三节 钢的热处理 第四节 固溶与时效处理
.
第一节 热处理的发展史
早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就 已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。 白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢 的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕 下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体 存在，说明是经过淬火的。
.
弥散型两相合金强化的主要影响因素： 1）颗粒直径 2）第二相含量（体积分数） 3）第二相的分布状态
20世纪60年代以来，热处理技术运用等离子场，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。
.
第二节 热处理的理论基础
热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度 并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综 合工艺方法。
在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地 存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其 综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的 “成分－组织－性能”的原则。
Al－Mg固溶体的应力ຫໍສະໝຸດ 应变曲线.固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、 电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。
不同溶质原子在位错周围的分布状态
Cotrell气团模型：溶质原子与位错弹性交互作用的结果， 使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变， 降低体系的能量。（它对位错有“钉扎”作用）
晶体结构对加工硬化曲线的影响
.
➢ 时效强化：
时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下 保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。
.
➢ 第二相强化（弥散强化）：
通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻 碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。
第二相一般指各种化合物质点。 获得第二相的途径： 1）生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布
的第二相； 2）也可通过共晶化合物进行热压力加工获得； 3）还可通过共析反应获得； 4）另外还可通过粉末冶金方法获得。
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第二相在基体中的形态及分布： 以钢中Fe3C的形态与分布为例： a：过共析钢中， Fe3C呈连续网状分布在α晶界上。 塑性、强度下降。 b：珠光体中， Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。 塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小） c： 共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒 状分布在α晶界上。 强度下降，塑性上升，便于加工。
σs＝ σ0+Kd－1/2 …… Hall－Petch公式
细晶强化理论的提出： （1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。 （2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。 可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性
和韧性，获得最佳的强韧性配合。
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➢ 加工硬化：
加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强 度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变 形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。
加工硬化曲线：
曲线分为三阶段 1）易滑移阶段（位错少干扰） 2）线性硬化阶段（位错塞积） 3）抛物线硬化阶段（螺旋位错
启动，位错密度下降）
.
加工硬化的实质： 是金属塑性变形时内部产生滑移，使 晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重 畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。
晶粒度对加工硬. 化曲线的影响
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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，钢中高温时的相在急冷时转 变为一种较硬的相。
法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英 国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初 步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热 处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程 中金属的氧化和脱碳等。
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金属材料的强化机制
结构材料 金属材料 高分子材料 陶瓷材料
强度
屈服强度 断裂强度 抗拉强度 疲劳强度
材料强度的唯一性判据 导致材料失效 的最大应力
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通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服
强度和断裂强度。 屈服强度
断裂强度
σb≥σk
σb≤σk
脆性材料
塑性材料
脆性材料的强度 通常以σk表示
➢ 细晶强化：
合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越 多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能 量高这一特点，对材料进行强化。
双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。
双晶粒拉伸示意图
低碳钢的σs 与晶粒大小的关系
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在右图中，低碳钢的σs 与晶粒直径平方根的倒数呈线 性关系，可用下式表示：
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1850～1880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤 气、 一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889～ 18901901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体 年渗英碳国；人30莱年克代获出得现多露种点金电属位光差亮计热,使处炉理内的气专氛利的。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；
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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。
塑性材料的强度 通常以σb表示
大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位
错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都
可以成为提高金属材料强度的途径。
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➢ 固溶强化：
当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增 加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升， 塑性和韧性值下降。
σb
δ
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Cu－Ni固溶体的机械 性能与成分的关系
第四章 金属材料热处理
第一节 热处理的发展史 第二节 热处理的理论基础 第三节 钢的热处理 第四节 固溶与时效处理
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第一节 热处理的发展史
早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就 已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。 白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢 的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕 下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体 存在，说明是经过淬火的。
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弥散型两相合金强化的主要影响因素： 1）颗粒直径 2）第二相含量（体积分数） 3）第二相的分布状态
20世纪60年代以来，热处理技术运用等离子场，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。
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第二节 热处理的理论基础
热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度 并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综 合工艺方法。
在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地 存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其 综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的 “成分－组织－性能”的原则。
Al－Mg固溶体的应力ຫໍສະໝຸດ 应变曲线.固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、 电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。
不同溶质原子在位错周围的分布状态
Cotrell气团模型：溶质原子与位错弹性交互作用的结果， 使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变， 降低体系的能量。（它对位错有“钉扎”作用）
晶体结构对加工硬化曲线的影响
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➢ 时效强化：
时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下 保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。
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➢ 第二相强化（弥散强化）：
通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻 碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。
第二相一般指各种化合物质点。 获得第二相的途径： 1）生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布
的第二相； 2）也可通过共晶化合物进行热压力加工获得； 3）还可通过共析反应获得； 4）另外还可通过粉末冶金方法获得。
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第二相在基体中的形态及分布： 以钢中Fe3C的形态与分布为例： a：过共析钢中， Fe3C呈连续网状分布在α晶界上。 塑性、强度下降。 b：珠光体中， Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。 塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小） c： 共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒 状分布在α晶界上。 强度下降，塑性上升，便于加工。
σs＝ σ0+Kd－1/2 …… Hall－Petch公式
细晶强化理论的提出： （1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。 （2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。 可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性
和韧性，获得最佳的强韧性配合。
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➢ 加工硬化：
加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强 度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变 形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。
加工硬化曲线：
曲线分为三阶段 1）易滑移阶段（位错少干扰） 2）线性硬化阶段（位错塞积） 3）抛物线硬化阶段（螺旋位错
启动，位错密度下降）
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加工硬化的实质： 是金属塑性变形时内部产生滑移，使 晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重 畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。
晶粒度对加工硬. 化曲线的影响
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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，钢中高温时的相在急冷时转 变为一种较硬的相。
法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英 国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初 步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热 处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程 中金属的氧化和脱碳等。
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金属材料的强化机制
结构材料 金属材料 高分子材料 陶瓷材料
强度
屈服强度 断裂强度 抗拉强度 疲劳强度
材料强度的唯一性判据 导致材料失效 的最大应力
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通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服
强度和断裂强度。 屈服强度
断裂强度
σb≥σk
σb≤σk
脆性材料
塑性材料
脆性材料的强度 通常以σk表示