熱處理原理及工藝

1、熱處理原理(yunl)及工藝共四十二頁(yè)教學(xué)(jio xu)安排 （5-18周）授課 50 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn) 6學(xué)時(shí) 1.鋼的組織觀察 2.鋼的普通(ptng)熱處理 3.鋼的頂端淬火 王迎春801； 辦公室：5號(hào)樓 222共四十二頁(yè)考核(koh)方式平時(shí)成績(jī)：20作業(yè)、課堂表現(xiàn)(bioxin)、考勤實(shí)驗(yàn) 考試成績(jī)：80 考試方式：閉卷共四十二頁(yè)推薦(tujin)參考書(shū)陸興，機(jī)械工業(yè)(gngy)出版社，2007 ,熱處理工程基礎(chǔ)胡光立，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008，鋼的熱處理夏立芳，哈工大出版社，2007，金屬熱處理工藝學(xué)吉擇升，哈工大出版社1999

2、年，熱處理爐共四十二頁(yè)什么(shn me)是熱處理 ？ 熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定(ydng)的溫度，保溫一定的時(shí)間，然后以預(yù)定(ydng)的方式冷卻到室溫的一種工藝。 可熱處理性 三個(gè)過(guò)程：加熱、保溫、冷卻。共四十二頁(yè)3.熱處理設(shè)備(shbi)2.熱處理工藝(gngy)1 熱處理原理主要內(nèi)容討論金屬及合金在固態(tài)下的相變規(guī)律、影響因素、研究熱處理組織和性能之間的關(guān)系等。通過(guò)加熱-保溫-冷卻的方法使金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得工件要求的使用性能 的技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱處理工藝的各種設(shè)備共四十二頁(yè)一、熱處理在機(jī)械制造過(guò)程中的作用、地位(dwi) 零件機(jī)械制造過(guò)程重要工序 零件的制造路線：坯料鑄、鍛、

3、焊等熱加工預(yù)備熱處理粗加工最終熱處理精加工（熱處理） 成品緒論(xln)機(jī)床零件中的 60 70，汽車零件中的 7080，模具產(chǎn)品中幾乎 100的零件需要進(jìn)行熱處理共四十二頁(yè)齒輪(chln)刀具(doj)不同零件通過(guò)選材和正確的熱處理獲得要求的性能熱卷大彈簧滾珠軸承（1）獲得最終使用性能熱處理主要作用共四十二頁(yè)齒面磨損 提高(t go)零件使用壽命緒論(xln)（2）改善毛坯工藝性能，以利于冷、熱加工 如 切削，塑性加工疲勞斷裂 共四十二頁(yè) 二、熱處理發(fā)展概況 人們?cè)陂_(kāi)始使用金屬材料起，就開(kāi)始使用熱處理，其發(fā)展過(guò)程大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段。1、民間技藝階段鐵器時(shí)代， 鑄鐵的柔化處理石墨化退火和脫C

4、退火 根據(jù)現(xiàn)有文物考證,出土的春秋戰(zhàn)國(guó)的鐵器，經(jīng)分析，有表面脫C和石墨化組織。戰(zhàn)國(guó)中、晚期，發(fā)明了淬火技術(shù)。據(jù)秦始皇陵(qn sh hun ln)考古發(fā)現(xiàn)，兵馬俑中的武士佩劍制作精良；古書(shū)中有“煉鋼赤刀，用之切玉如泥也” 西漢，化學(xué)熱處理 滲C和CN共滲。 漢代開(kāi)始,我國(guó)熱處理技術(shù)就有文字記載 雖然我們的祖先掌握了很多熱處理技術(shù)，但是發(fā)展緩慢 緒論(xln)共四十二頁(yè)2、技術(shù)科學(xué)階段（實(shí)驗(yàn)科學(xué)） 金相學(xué) 大約(dyu)從1665年1895年,主要表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展階段。 1665年：顯示了AgPt組織、鋼刀片的組織； 1772年：首次用顯微鏡檢查了鋼的斷口； 1808年：首次顯示了隕鐵的組織

5、，后稱魏氏組織； 1831年：應(yīng)用顯微鏡研究了鋼的組織和大馬士革劍； 1864年：發(fā)現(xiàn)了索氏體； 1868年：發(fā)現(xiàn)了鋼的臨界點(diǎn)，建立了Fe-C相圖； 1871年：英國(guó)學(xué)者T. A. Blytb 著“金相學(xué)作為獨(dú)立的科學(xué)”在倫敦出版； 1895年：發(fā)現(xiàn)了馬氏體；緒論(xln)共四十二頁(yè)3、建立了一定的理論體系熱處理科學(xué)(kxu) “C” 曲線的研究，馬氏體結(jié)構(gòu)的確定及研究，KS關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，對(duì)馬氏體的結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)等，建立了完整的熱處理理論體系。緒論(xln)共四十二頁(yè) 二十世紀(jì)以來(lái)，金屬物理的發(fā)展和其它新技術(shù)的移植應(yīng)用，金屬熱處理得到更大發(fā)展。19011925年，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲

6、碳 ；30年代出現(xiàn)露點(diǎn)電位差計(jì),使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢(shì)達(dá)到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進(jìn)一步控制(kngzh)爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)的方法；60年代，熱處理技術(shù)運(yùn)用了等離子場(chǎng)的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝 ；激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。 緒論(xln)共四十二頁(yè)第一部分(b fen) 熱處理原理共四十二頁(yè)加熱冷卻過(guò)程中相的轉(zhuǎn)變 熱處理前提 一、金屬固態(tài)相變的分類 （一）按原子(yunz)遷移情況 （動(dòng)力學(xué)） 1.擴(kuò)散型相變：依靠原子或離子的擴(kuò)散進(jìn)行； 如同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、多形性轉(zhuǎn)變、平衡脫溶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變 2.非擴(kuò)散型相變：原子或離子不發(fā)生擴(kuò)散； 3.半

7、擴(kuò)散型相變：半徑小的原子或離子發(fā)生擴(kuò)散，半徑大的原子或離子不發(fā)生擴(kuò)散。第一章 金屬固態(tài)(gti)相變 基礎(chǔ) 共四十二頁(yè)（二）按平衡狀態(tài) （熱力學(xué)）1.平衡相變 緩慢(hunmn)加熱或冷卻 轉(zhuǎn)變符合平衡相圖的規(guī)律 2.非平衡相變 加熱或冷卻快 平衡相圖不能反應(yīng)(fnyng)轉(zhuǎn)變規(guī)律共四十二頁(yè)共四十二頁(yè)二、 金屬固態(tài)相變的一般特征 以新相和母相之間的自由能差作為相變的驅(qū)動(dòng)力。大多數(shù)通過(guò)形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程來(lái)完成。 不同于液相凝固的特點(diǎn)： （一）新相和母相間的界面和界面能 界面能：形成(xngchng)新相界面時(shí)，因同類鍵、異類鍵的結(jié)合強(qiáng)度和數(shù)量變化引起的化學(xué)能，由界面原子的不匹配產(chǎn)生的點(diǎn)陣畸變能共

8、四十二頁(yè)固態(tài)(gti)相變時(shí)，新相與母相的相界面是兩種晶體的界面，按其相界面上原子間匹配程度可分為三種: 共格界面 ； 半共格界面； 非共格界面 共四十二頁(yè)1. 共格界面 原子(yunz)匹配得好 界面上能量低 但 彈性應(yīng)變能高 理想的共格界面-對(duì)稱孿晶界實(shí)際兩相點(diǎn)陣總有差別-點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不同（點(diǎn)陣錯(cuò)配）或點(diǎn)陣參數(shù)(cnsh)不同（體積錯(cuò)配）界面附近產(chǎn)生彈性應(yīng)變共四十二頁(yè)2.半共格界面(jimin) 相界面上產(chǎn)生刃位錯(cuò)，以降低界面的彈性(tnxng)應(yīng)變能界面上兩相原子部分地保持匹配相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大錯(cuò)配度大，則彈性應(yīng)變能大共四十二頁(yè)3. 非共格界面 兩相在相界面處的原子排列相差

9、很大時(shí)，相界面處完全失配(sh pi)，只能形成非共格界面。固態(tài)相變時(shí)界面能的大小與形成(xngchng)的相界面結(jié)構(gòu)有關(guān) 非共格界面能 半共格界面能 共格界面能 界面結(jié)構(gòu)不同，對(duì)新相的形核、長(zhǎng)大過(guò)程及相變后組織形態(tài)有很大影響共四十二頁(yè)(二) 新相晶核與母相間的晶體學(xué)關(guān)系(gun x) 1、存在慣習(xí)面 固態(tài)相變時(shí)，為了降低界面能和維持共格關(guān)系，新相一般會(huì)在母相的一定晶面上開(kāi)始形成。 與所生成新相的主平面或主軸平行的母相晶面稱為慣習(xí)面。 例如 從 亞共析鋼的粗大A 中析出F 時(shí)，除沿A 晶界析出外，還沿A 的111面析出，呈魏氏組織，此111面即為F的慣習(xí)面。 M相變時(shí)形成(xngchng)的慣

10、習(xí)面111111共四十二頁(yè)2、有一定的位向關(guān)系 位向關(guān)系：在固態(tài)(gti)相變時(shí)新相的某些低指數(shù)晶面、晶向與母相的某些低指數(shù)晶面、晶向平行的關(guān)系，即 hklhkl， K-S關(guān)系為 111/011； 西山關(guān)系為 111/011； 共四十二頁(yè)慣習(xí)面的存在表明新相與母相存在一定的晶體學(xué)關(guān)系(gun x)。 兩相的晶體各自相對(duì)于慣習(xí)面的位向關(guān)系是確定的，則它們彼此間的位向關(guān)系也是確定的。新相和母相常以原子密度大而彼此匹配較好的低指數(shù)晶面和晶向相互平行來(lái)保持這種位向關(guān)系。如 AM相變 111/011； 如果界面結(jié)構(gòu)為非共格時(shí)，新、舊相之間無(wú)確定的晶體學(xué)關(guān)系。 共四十二頁(yè)（三） 相變阻力(zl)大界面能和

11、應(yīng)變能均是相變的阻力彈性(tnxng)應(yīng)變能 相界面原子排列差異引起點(diǎn)陣錯(cuò)配（共格應(yīng)變能）新相形成時(shí)的體積變化體積錯(cuò)配 （比容差應(yīng)變能）固態(tài)相變時(shí)界面能的大小與形成的相界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。 非共格界面的界面能半共格界面能共格界面能 點(diǎn)陣錯(cuò)配對(duì)應(yīng)變能的影響 共格界面應(yīng)變能 半共格應(yīng)變能非共格界面應(yīng)變能(為零)共四十二頁(yè)過(guò)冷度大，新相臨界晶核小、多，新相表面積大，則界面能增大占主要地位。這時(shí)兩相傾向于形成共格或半共格界面，以降低界面能。但要使界面能的降低足以超過(guò)由于形成共格或半共格界面所引起的應(yīng)變能的增加，則必須(bx)降低應(yīng)變能，故新相傾向于形成薄片狀（或盤狀）。過(guò)冷度很小時(shí)，新相臨界晶核大，新相表面

12、積小，則減小界面能占次要地位，這時(shí)兩相傾向于形成非共格界面，以減小應(yīng)變能。此時(shí)，若兩相比容差小，新相傾向于球狀以降低界面能；形成若兩相比容差大，新相傾向于形成針狀以兼顧降低界面能和比容差應(yīng)變能非共格界面(jimin)的界面(jimin)能半共格界面(jimin)能共格界面能共格界面應(yīng)變能 半共格界面應(yīng)變能非共格界面應(yīng)變能(為零) 相變阻力中，應(yīng)變能與界面能何者為主視具體條件而定，也由此影響新相的形狀共四十二頁(yè)（四） 晶體缺陷 晶態(tài)固體中的空位、位錯(cuò)、晶界等缺陷周圍，新相極易在這些位置非均勻形核。因缺陷區(qū)域能量(nngling)起伏、結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏大；在區(qū)域形核時(shí)，原子擴(kuò)散激活能低，擴(kuò)散速度

13、快，形變應(yīng)力也容易松弛對(duì)晶核的長(zhǎng)大過(guò)程也有一定的影響。 共四十二頁(yè)金屬固態(tài)相變的一般特征（一）新相和母相間的界面和界面能（二）新相晶核與母相間存在(cnzi)一定的晶體學(xué)關(guān)系（三） 相變阻力大（四） 晶體缺陷處新相優(yōu)先形成共四十二頁(yè)三、 固態(tài)(gti)相變時(shí)的形核 均勻(jnyn)形核 晶核在母相中無(wú)擇優(yōu)地均勻分布驅(qū)動(dòng)力為：新舊相自由能差系統(tǒng)自由能總變化為：自由能差（負(fù)）界面能彈性應(yīng)變能阻力為界面能和彈性應(yīng)變能共四十二頁(yè)1）、Gs的減小，均使形核功降低，從而有利于形核。2）若新相/母相的界面為共格或半共格界面，由于(yuy)界面能較低，影響形核功的主要因素為新相的應(yīng)變能。為降低應(yīng)變能，新相趨向

14、于呈片狀或針狀。3）若新相/母相的界面為非共格界面，由于界面能較高，影響形核功的主要因素為新相/母相界面面積。為減小界面面積，新相趨向于呈球狀。 4）由于固態(tài)相變時(shí)，相變阻力較大，為減小形核功，需使新相和母相間的自由能差增大，這就需要增加相變的過(guò)冷度，所以固態(tài)相變時(shí)的過(guò)冷度均較大，如：無(wú)擴(kuò)散相變時(shí)過(guò)冷度甚至達(dá)到了幾百度。共四十二頁(yè)2. 非均勻(jnyn)形核 （1）晶界形核 共四十二頁(yè)（2） 位錯(cuò)形核 （3） 空位(kn wi)對(duì)形核的促進(jìn)作用 位錯(cuò)線消失釋放能量，降低(jingd)成核功成為半共格界面中的位錯(cuò)溶質(zhì)原子在位錯(cuò)上偏聚，滿足新相形核的成分短路擴(kuò)散作用釋放能量提供成核驅(qū)動(dòng)力聚集成位錯(cuò)

15、促進(jìn)形核共四十二頁(yè)四、新相的長(zhǎng)大新相晶核一旦(ydn)形成后，將按照其自身相變的需要，采取一定的方式長(zhǎng)大。若新相的成分不同于母相，則其長(zhǎng)大的過(guò)程必然伴隨原子的遷移。擴(kuò)散型相變-珠光體相變、脫溶分解、貝氏體相變等均在結(jié)構(gòu)改變的同時(shí)伴有這種傳質(zhì)過(guò)程。若新相成分與母相的相同，例如馬氏體相變，則只需結(jié)構(gòu)改變，而無(wú)需原子的遷移。共四十二頁(yè) 從FeFe3C狀態(tài)圖可知，珠光體被加熱到A1（727）以上(yshng)時(shí)將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。第二章 鋼在加熱(ji r)時(shí)的轉(zhuǎn)變共四十二頁(yè) 2-1 奧氏體的結(jié)構(gòu)(jigu)、組織和性能1、奧氏體的結(jié)構(gòu) 奧氏體是碳溶于-Fe所形成的固溶體。在合金鋼中，除了碳原子外，溶于-

16、Fe中的還有合金元素原子。共四十二頁(yè)（1）碳原子在點(diǎn)陣(din zhn)中的位置與分布X-ray結(jié)構(gòu)分析證明，碳原子位于-Fe八面體間隙（r0.52）位置中心，即面心立方點(diǎn)陣晶胞的中心或棱邊的中點(diǎn)。碳原子的半徑0.77，溶入將使八面體發(fā)生膨脹，使周圍(zhuwi)的八面體中心的間隙減小，故不是所有八面體都能容納C原子碳原子在奧氏體的分布是不均勻的，存在著濃度起伏。奧氏體中碳的分布是呈統(tǒng)計(jì)均勻. 在含碳0.85%的奧氏體中可能存在大量比平均碳濃度高八倍的微區(qū)共四十二頁(yè)（2）碳含量與點(diǎn)陣常數(shù)的關(guān)系 碳原子的溶入使的-Fe點(diǎn)陣發(fā)生畸變(jbin)，點(diǎn)陣常數(shù)增大。 溶入的碳愈多，點(diǎn)陣常數(shù)愈大。 奧氏體

17、點(diǎn)陣常數(shù)與碳含量的關(guān)系共四十二頁(yè) 2、奧氏體的組織 在一般的情況下奧氏體的組織是由多邊形的等軸晶粒所組成(z chn)，在晶粒內(nèi)部有時(shí)可以看到相變孿晶。奧氏體顯微組織（晶內(nèi)有孿晶）共四十二頁(yè)3、奧氏體的性能 Fe-C合金中的奧氏體在室溫下是不穩(wěn)定相。但Fe-C合金中加入足夠數(shù)量的能擴(kuò)大相區(qū)的元素（Ni， Mn），可使奧氏體在室溫，甚至在低溫成為穩(wěn)定相。 以?shī)W氏體狀態(tài)使用的鋼稱為奧氏體鋼。（1）磁性 奧氏體具有順磁性，故奧氏體鋼又可作為無(wú)磁鋼。（2）比容 在鋼的各種組織中，奧氏體的比容最小?？衫?lyng)這一點(diǎn)調(diào)整殘余奧氏體的量，以達(dá)到減少淬火工件體積變化的目的。共四十二頁(yè)（3）膨脹 奧氏體的線膨脹系數(shù)比鐵素體和滲碳體的平均線膨脹系數(shù)高出約一倍。故奧氏體鋼也可被用來(lái)制作要求熱膨脹靈敏的儀表元件。（4）導(dǎo)熱性 除滲碳體外，奧氏體的導(dǎo)熱性最差。因此，為避免熱應(yīng)力引起的工件變形，奧氏體鋼不可采用(ciyng)過(guò)大的加熱速度加熱。（5）力學(xué)性能 具有高的塑性、低的屈服強(qiáng)度，容易塑性變形加工成形。 面心立方點(diǎn)陣是一種最密排的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，致密度高，其中鐵原子的自擴(kuò)散激活能大，擴(kuò)散系數(shù)小，從而使其熱強(qiáng)性好。故奧氏體鋼可作為高溫用鋼共四十二頁(yè)內(nèi)容摘要熱處理原理(yunl)及工藝。2、技術(shù)科學(xué)階段（實(shí)驗(yàn)科學(xué)） 金相學(xué)。大