第一章 热处理原理

图的平衡组织的相变。
同素异构转变 平衡脱溶沉淀 常见 平衡相变 共析转变 调幅分解 有序化转变
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同素异构转变
纯金属在温度和压力改变时， 由一种晶体结构转变为另一种晶体结 构的过程称为同素异构转变。
若在固溶体中发生这种结构的转 变，则称为多形性转变。如钢在冷却 时由奥氏体中析出先共析铁素体的过 程。
加热（冷却）时铁碳相图上各临界点的位置
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第二节 固态金属中原子的扩散
扩散---是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁 移的过程,是固体中唯一的物质迁移方式。
研究扩散一般有两种方法： ① 表象理论：根据所测量的参数描述物质传输的速率和数 量等； ② 原子理论：扩散过程中原子是如何迁移的。
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二. 原子理论
1．置换机制
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2．间隙机制
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三. 影响扩散的因素
1．温度 温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁 移，扩散系数越大。
2．固溶体类型 不同类型的固溶体，原子的扩散机制不同，间 隙扩散激活能比置换扩散激活能小得多。
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3．晶体结构 在温度及成分一定的条件下任一原子在密堆 点阵中的扩散要比在非密堆点阵中的扩散慢。如 同一种元素在α-Fe中的扩散系数比在γ-Fe中的大。 4．浓度 理论上讲是浓度越大越利于扩散，但实际上浓度
可导出： ∂C/∂t=∂(D∂C/∂x)/∂x
为菲克第二定律。
如果假定D与浓度无关，则上式可写为： ∂C/∂t=D∂2C/∂x2 考虑三维扩散情况，并假定D是各向同性的， 则菲克第二定律普遍式为： ∂C/∂t=D（∂2C/∂x2＋∂2C/∂y2＋∂2C/∂z2）
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例：在渗碳中的应用
把低碳钢制的零件放入渗碳介质中渗碳。零件被看作是半 无限长的情况。 渗碳一开始，表面立刻达到渗碳气氛的碳浓度Cs并始终不 变。这种情况的边界条件为： ； C（x＝0；t）＝ Cs；C（x＝∞；t）＝C0， 初始条件为：C（x；t＝0）＝C0。 根据菲克第二定律，得通解为
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非扩散型相变
相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调 一致的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。
特点： 相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。 迁移时，相邻原子相对位置保持不变。
存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表面上出现浮
CS Cx x erf ( ) CS CO 2 Dt
C0为原始浓度；Cs为渗碳气氛浓度；Cx为距表面x处得浓度；
erf (
x ) erf ( z ) 2 Dt
为误差函数
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表1.1 误差函数表
Z
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.1 0.2 0.25
erfZ
合金在冷却时，由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析相变（或珠光 体型转变），如：γ→α+β； 反之，如果合金加热时所发生的相反转变称为逆共析相变，如：α+β →γ 。
特点： 两个生成相的结构和成分都与母 相不同。 类似于合金结晶时的共晶反应。
具有共析相变的二元合金平衡状态图
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突现象。 相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
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有核相变
有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成，新相与 母相之间有相界面隔开。大多数固态相变属于此类。
无核相变
无形核阶段，以成分起伏作为开端，依靠上坡扩散使浓度差逐 渐增大，最后由一个单相固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同 的以共格界面相联系的两个相。如调幅分解即为无核相变。
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贝氏体相变
珠光体转变和马氏体转变温度范围之间，铁原子不能扩散，碳原子尚具有一 定的扩散能力，这种非平衡相变称为贝氏体相变（或称为中温转变）。 转变产物是α相与碳化物的混合组成的非层片状组织，称其为贝氏体。
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非平衡脱溶沉淀
在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的过程； 析出相为非平衡亚稳相；
Z
0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.2
erfZ
0.6778 0.7112 0.7421 0.7707 0.7969 0.8209 0.8427 0.9103
Z
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2
erfZ
0.934 0.9523 0.9661 0.9763 0.9838 0.9891 0.9928 0.9953
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热处理发展现状
1、总体水平落后于西方发达国家； 2、大力发展，奋起直追。
歼15
中国航母
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第一章 钢的热处理原理
1 2
3 4
概 述
固态金属中原子的扩散 钢在加热时组织的转变
钢在冷却时组织的转变
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第一节 概 述
一．热处理的概念
金属材料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，
或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态 的转变，这种转变称为固态相变。
相变前的相状态称为旧相或母相，相变后的相状态称为新相。
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（二）相变分类
平衡相变 按平衡状态分类 非平衡相变
扩散相变
相变分类
按原子迁移分类 非扩散型相变
有核相变 按相变方式分类
无核相变
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平衡相变
平衡相变是指在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡状态
1.普通热处理：退火、正火、淬火和回火； 2.表面热处理：表面淬火和化学热处理；
表面淬火：感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火； 化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫以及其 它金属等。
3.特殊热处理：
如：真空热处理、变形热处理和控制气氛热处理等。
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工艺曲线
热处理的工艺参数有： 加热温度 保温时间 冷却方式
纯铁的同素异构转变
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平衡脱溶沉淀
在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相（或第二相）的 过程称为平衡脱溶沉淀。 特点： (a) 新相的成分和结构始终与 母相的不同；
(b) 母相不会消失。
例如：钢在冷却时，由奥氏 体析出二次渗碳体的过程。
具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图
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共析转变
在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等许多合金系中都可发 生这种有序化转变。
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非平衡相变
若加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生 某些平衡状态图上不能反映的转变，并获得被称为不平衡或亚稳态 的组织，这种转变称为非平衡相变。
伪共析相变
有代表性 的几种非 平衡相变
引起的扩散系数的变化不超过2～6倍。
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5．第三组元的影响 具体情况有三种：
1）强碳化物形成元素如W、MO、Cr等，由于它们与碳的 亲和力较大，能强烈阻 止碳的扩散，降低碳的扩散系数。
2）不能形成稳定碳化物，但易溶解于碳化物中的元素，如Mn 等，他们对碳的扩散影响不大。 3）不形成碳化物而溶于固溶体中的元素对碳的扩散的影响各 不相同。如加入4％CO能使碳在γ铁中的扩散速率增加一 倍，而Si则降低碳的扩散系数。
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扩散型相变
相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称 为扩散型相变，也称为“非协同型”转变。
特点：
只有当温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。
温度愈高，原子活动能力愈强，扩散距离也就愈远。 新相和母相的成分往往不同。 只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。 如：同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、共析型相变、调幅分解和有序化转 变等等。
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我国最早在秦汉时期出现热处理，早欧洲2000多年。
明末清初 东汉 —— 宋应星《天工开物》 班固《汉书 ·王褒传》 ——预冷淬火 西汉 —— 司马迁《史记 · 天官书》
“水与火合为淬”。 以已健划成纵斜文理，划时斜向入，则方 “巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”。 成焰。划后烧红，退微冷，入水健。
然后以预定的方式冷却下来的一种加工工艺。
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二. 热处理的原理
严格规律的组织转变过程。
实质：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结构发生了
变化，从而改变了其性能。
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三. 热处理的分类及工艺曲线
根据加热和冷却方法的不同，可以分为：
辽宁科技大学
应用技术学院
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主讲教师：王疆
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改善钢材性能的主要办法
• 1.合金化 • 2.热处理
热处理工艺
大多数金属制品使用前，均需进行热处理。
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热处理的作用
• 1. 强化金属材料、挖掘材料性能潜力，提高产品质量、大 幅度延长机器零件的使用寿命； • 2. 可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细 化晶粒，消除偏析，降低应力，使钢的组织和性能更加均 匀； • 3. 使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。
0 0.0113 0.0226 0.0338 0.0451 0.0564 0.1125 0.2227 0.2763
Z
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
erfZ
0.3285 0.3794 0.4284 0.4755 0.5205 0.5633 0.6039 0.642
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• 【例题】 将纯铁放于渗碳炉内渗碳，假定渗碳温