哈工大金属学与热处理课件

△GV---马氏体与奥氏体的体积化学自由能差 （动力△GV = Gα - Gγ）
△GS ---形成马氏体时所增加的界面能 （阻力，较小）
△Ge---形成奥氏体时所增加的应变能
马氏体转变
马氏体转变
2. 马氏体转变晶体学特点：
（1）无扩散性：
碳浓度完全相同; 过冷度大; 转变速度极快
(-20～-195℃之间,5×10-5～ 5×10-7 S)
马氏体转变
马氏体定义： 碳溶于α-Fe中的过饱和间隙固溶体，记为M。
(1895年法国人F.Osmond为纪念德国冶金学家A.Martens)
马氏体的晶体结构： 体心正方晶格
马氏体转变
马氏体正方度：
正方度: 轴比 c/a 称为马氏体的正方度.取决于含碳量. 表示马氏体中碳的过饱和程度.
板条马氏体
马氏体转变 马氏体的性能
C. 比容大;电阻高; 具有铁磁性和高矫顽力。
马氏体转变 马氏体的性能特点
a. 高硬度和高强度； b. 高的塑、韧性--板条马氏体；
脆性较大--片状马氏体； C. 比容大;电阻高; 具有铁磁性和高矫顽力。
马氏体转变
四、马氏体转变特点：
1、马氏体转变热力学特点
马氏体形成的热力学条件----△G ＜ 0 奥氏体形成时系统总的自由能变化为 △G = △GV + △GS + △Ge
<111>α’‖<110>γ N关系：
（Nishiyama）
{110}α’‖{111}γ;
<110>α’‖<211>γ
惯习面: 马氏体在奥氏体特定晶
面上形成,称为～. Wc≤0.5%----{111}γ 0.5 %≤ Wc≤1.4%-- {225}γ Wc ≥ 1.4%---- {259}γ

2
绪 论
（一）材料的定义及分类
• 按应用领域，材料可以分为：电子材料，航空航 天材料，核材料，建筑材料，能源材料，生物材 料等。 • 按使用用途，材料可以分为：结构材料和功能材 料。 • 按先进性，材料可以分为：传统材料和新材料 （先进材料）。
3
绪 论
（二）材料的发展与人类的进步
材料的发展是人类进步程度的重要标志， 是人类社会发展的里程碑。 • 一百万年以前，人类开始进入旧石器时代，可以 用石头作工具。 • 一万年以前，人类开始进入新石器时代，将石头 加工成器皿和工具，在8000年前，开始人工烧成 陶器，用于器皿和装饰品。
22
绪 论
（六）金属学及热处理的发展概况
近代的理论科学阶段 近几十年来，以马氏体相变为核心的固态相变 理论得到了迅速发展，固态相变理论日臻成熟。成 熟的热处理工艺已经广泛应用于工业领域，并且随 着金属物理的发展和其它新技术的移植应用，各种 先进的热处理技术不断出现并得到应用。
23
绪 论
（七）本课程的任务及在科研生产中的地位
绪 论
（四）材料科学与技术发展的重点
• 开发先进材料---材料制备新技术的开发；新材料 的设计与制备。 • 改进现有材料---传统材料的改性；先进复合材料 的研制。 • 材料的应用---材料的应用要考虑的主要因素有： 材料的使用性能；材料的使用寿命及可靠性；材 料制备、加工与使用期间与环境的适应性；价 格。
9
绪 论
（三）材料科学与工程的内涵
材料科学与工程就是研究有关材料的组成、结构、 制备与加工工艺、材料性能与使用效能以及他们之 间的关系.
性质 效能 成分 受环境影响 （气氛、温度、受力） 组织结构
合成/制备
性质

3.1 二元合金相图的建立
3.1.2 二元相图的测定方法
临界点
上临界点 液相线 固相线 下临界点 临界点
用热分析法制作Cu-Ni二元合金相图过程
3.1 二元合金相图的建立
3.1.2 二元相图的测定方法
上临界点连接线称为液相 线，表示合金结晶开始温 度或加热过程中熔化终了 温度。 下临界点连接线称为固相 线，表示合金结晶终了温 度或加热过程中开始熔化 温度。
因此，固溶体结晶时，始终进行着溶质和溶剂原子 的扩散，包括在液相和固相内部的扩散和通过界面 进行的原子互扩散。 需要有足够长的时间，保证平衡结晶过程充分进行。
3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
3.2.2 固溶体合金的平衡结晶过程
（2）固溶体合金的结晶需要一定的温度范围
固溶体合金的结晶需要原子之间的相互扩散。
400 300 200 100 A 20 40 60 w(B) / % 80 B T/℃
3.1 二元合金相图的建立
3.1.2 二元相图的测定方法
• 配制一系列成分不同的合金，测定合金相变点 温度，便可在温度-成分坐标图上得到一系列 坐标点。把各相同意义的点连接成线，这些线 把坐标图划分出一些区，称为相区，标明各区 存在的相名，相图建立完毕。 • 相变点的常用测量方法有：热分析法；膨胀 法；电阻法等。
第3章 二元合金相图及合金的凝固
• 本章的主要学习内容：
二元合金相图的建立； 匀晶相图及固溶体的结晶； 共晶相图及其合金的结晶； 包晶相图及其合金的结晶； 其它类型的二元合金相图； 二元相图的分析和使用； 铸锭的组织与缺陷。
3.1 二元合金相图的建立
3.1.1 二元相图的表示方法
• 合金存在的状态通常由合金的成分、温度和 压力三个因素确定。由于合金的加工处理常 在常压下进行，所以合金的状态可由合金的 成分和温度两个因素决定。 • 对于二元合金，通常用横坐标 表示成分，纵坐标表示温度， 700 600 建立二元合金相图。 •E 500 • 相图中任意一点的坐标值表示 一个合金的成分和温度，如图 中E点表示合金成分w(B)=40%, w(A)=60%，温度为500℃。

04 试验标准
GB/T228.1-2010、ASTM E8/E8M-13等。
压缩试验
定义
压缩试验是测定材料在静压力作 用下变形与破坏的力学性能试验 。它可以模拟材料在承受静载荷 时的变形和破坏行为，评估材料 的抗压强度和塑性。
目的
压缩试验可以用来评估材料的抗 压强度、屈服点和塑性等力学性 能，为工程结构的设计和使用提 供依据。
03
金属的塑性变形应用
塑性变形在工业中的应用
1 2 3
生产制造
通过塑性变形工艺，可以生产出各种形状的零 部件和产品，如锻件、冲压件、挤压件等。
设备安装
利用塑性变形的原理，可以通过冷装、热装等 方法，将大型设备安装到预定位置，提高设备 的稳定性和可靠性。
维修维护
在一些设备的维修和维护中，也常常需要应用 塑性变形的原理，如矫正、校直等。
孪晶
在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶向产生平移 ，并形成与主晶面平行的新晶面。这种变形机制主要受到晶体结构和相变的影响 。
晶界与界面
晶界
晶体之间的边界，是晶体结构中的缺陷之一。在塑性变形过 程中，晶界可以成为位错滑移的障碍，从而影响材料的塑性 变形行为。
界面
不同相之间的接触面，如金属与非金属之间的界面。界面可 以影响材料的强度、硬度等力学性能，并对塑性变形产生影 响。
01
在结构材料的加工过程中，常常需要应用塑性变形的原理，如
钢材的轧制、拉拔等。
结构材料的性能改善
02
通过塑性变形，可以改善结构材料的性能，如提高材料的强度
、硬度、韧性等。
结构材料的应用
03
在建筑、航空航天、汽车等领域中，也常常需要应用塑性变形

使指材料的 用可加工性 。
性
性能
铸造
能
工 塑性加工
艺
焊接
性 热处理
能 粉末冶金
机械加工
液→固；流动性
使
用
性
性 能
能 工
铸造 塑性加工
液→固；流动性
锻、拉、挤、轧、弯 ； 延展性 ；变形抗力、变 形开裂倾向
艺
焊接
性 热处理
能 粉末冶金
机械加工
使
用
性
性 能
能 工
铸造 塑性加工
液→固；流动性
锻、拉、挤、轧、弯 ； 延展性 ；变形抗力、变 形开裂倾向
艺
焊接
可焊性
性 热处理
能 粉末冶金
机械加工
使
用
性
性 能
能 工
铸造 塑性加工
液→固；流动性
锻、拉、挤、轧、弯 ； 延展性 ；变形抗力、变 形开裂倾向
艺
焊接
可焊性
性 热处理
热诱发组织转变；
能 粉末冶金
经压制、烧结成固体
机械加工
切削加工
结构
构成材料的基本质点(离子、原 子或分子等)是如何结合与排列 的，它表明材料的构成方式。
组织
指借助于显微镜所观察到的材 料微观组成与形貌---通常称为 显微组织。
使 用 性 性能
力学性能 物理性能 化学性能
强度、硬度、塑性、 韧性、蠕变和疲劳
熔点、密度以及电、 磁、光和热
耐腐蚀和抗老化
能
工 艺 指在服役条件下，能 性 保证安全可靠工作所 能 必备的性能。
《金属学与热处理》
空间材料与环境工程实验室
任课教师：耿洪滨 教授 覃耀春 副教授 赵慧杰 副教授

在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
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3）杂质与合金元素 4）变形温度 5）退火温度
变形温度越高，再结晶晶粒越粗 退火温度越高，再结晶晶粒越粗
T再（K）= (0.35~0.4) T熔（K）
§6.5冷变形金属的回复与再结晶
影响再结晶温度的因素
1）变形度
2）金属的纯度 变形度越大，再结晶温度越低 纯度越高，再结晶温度越低
3）加热速度和保温时间
3. 掌握冷变形金属在加热时组织和性能的变化
§6.2 单晶体的塑性变形
滑移 滑移系
k s cos cos
滑移的位错机制
刃位错的运动
螺位错的运动 混合位错 的运动
孪生
§6.3多晶体的塑性变形
不同时性 不均匀性 协调性
只有处在有利位向（取向 每个晶粒的变形量各不相 因子最大）的晶粒的滑移 多晶体的塑性变形是通过 同，而且由于晶界的强度 系才能首先开动 各晶粒的多系滑移来保证 高于晶内，使得每一个晶 相互协调性。根据理论推 粒内部的变形也是不均匀 算，每个晶粒至少需要有 的。 五个独立滑移系。
§6.3多晶体的塑性变形
不同时性 不均匀性 协调性
s o Kd
1 2
§6.4塑性变形对金属组织与性能的影响
形成纤维组织
§6.4塑性变形对金属组织与性能的影响
形成形变织构
§6.4塑性变形对金属组织与性能的影响
亚结构细化 点阵畸变严重
随着变形量的增加，位错 金属在塑性变形中产生大量点阵缺 交织缠结，在晶粒内形成 陷（空位、间隙原子、位错等）， 胞状亚结构，叫形变胞 使点阵中的一部分原子偏离其平衡 位置，而造成的晶格畸变。
4）消除偏析
§6.6金属的热加工
(2) 出现纤维组织， 材料各向异性

金属的塑性变形
xx年xx月xx日
目录
• 金属的晶体结构 • 金属的塑性变形机制 • 金属的屈服与断裂 • 金属的强化机制 • 金属的热处理 • 金属的加工硬化 • 金属的循环硬化与软化
01
金属的晶体结构
金属的晶体结构
金属键
自由电子的海洋，无方向性和饱和性
金属原子半径
影响金属键强弱的因素
金属晶体结构
金属材料在塑性变形过程中，结构发生变化，产生新相或产生孪晶结构，导致强度和硬度 提高。
加工硬化的利弊及控制方法
01
加工硬化的优点
可以提高金属材料的强度和硬度，改善材料的综合性能，如耐腐蚀性
、高温性能、表面硬度等。
02
加工硬化的缺点
可能会导致材料的延展性和韧性降低，增加材料脆性，降低材料成形
性和后续加工性能。
热处理对金属性能的影响
热处理可以显著提高金属材料的硬度、强度、耐磨性、疲劳强度等力学性能。同 时，也能改善金属材料的磁性、导电性和耐腐蚀性等物理和化学性能。
06
金属的加工硬化
加工硬化的概念
加工硬化是指金属材料在塑性变形过程中，随着变形量的增 加，材料的强度和硬度逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的 现象。
循环硬化主要源于位错增殖、加工硬化、动态应变时效等 机制。
循环软化的概念及原因
循环软化（Cyclic Softening）是指在循环 加载过程中，金属材料的塑性变形抗力降低 的现象。
循环软化主要源于动态恢复、动态再结晶、 裂纹扩展等机制。
高周疲劳与低周疲劳下的循环硬化与软化行为
高周疲劳（High-Cycle Fatigue）是指加载频率 较高、应力水平较低的疲劳行为，循环硬化和软 化现象不明显。

钢中的残余奥氏体发 生分解，转变为回火
3.残余奥氏体转变 马氏体或下贝氏体
200~300℃
一、淬火钢的回火转变过程
1.马氏体中碳的偏聚 2.马氏体分解 3.残余奥氏体转变
4.碳化物的转变 250~400℃
ε– FexC（X=2～3）：密排六方点阵,与马氏体保持共格关
系,{100}M,(0001) ε∥(011)M [1010] ε∥[211]M χ-碳化物（ Fe5C2）：单斜晶格, 1934年G.Hagg 发现，
4.碳化物的转变
(250-400℃)
5.基体α相的回复、再结晶和碳化物的聚集长大
400~650℃
一、淬火钢的回火转变过程
1.马氏体中碳的偏聚 20~100℃ 马氏体中过饱和的C、N原子向微 观缺陷处偏聚。 M板条：位错线附近--自回火 M片状：垂直于C轴的（100）M晶面上
脱溶: 随温度时间的变化,碳原子偏聚,形 成富碳区及析出碳化物过程
[1010] ε∥[211]M
一、淬火钢的回火转变过程
2.马氏体分解
80～350℃
80～150 ℃：二相式分解 150～350 ℃：连续式分解
一、淬火钢的回火转变过程
一、淬钢火的钢回的火回转火变转变过程
一、淬火钢的回火转变过程
一、淬火钢的回火转变过程
2.马氏体分解
80～350℃
高碳淬火钢在350℃以下回火 时，马氏体分解后形成的由 有一定过饱和度的固溶体 （ α 相）和与其有共格关系 的ε碳化物所组成的组织，称 为回火马氏体
一、淬钢火的钢回的火回转火变转变过程
一、淬钢火的钢回的火回转火变转变过程
一、淬火钢的回火转变过程
2.马氏体分解
80～350℃

§1.1 金属原子间的键合特点 金属原子的结构特点
其最外层的电子数很 少，一般为1～2个， 不超过3个。
价电子
§1.1 金属原子间的键合特点
结合力
当原子靠近到一定程 度时，原子间会产生 较强的作用力。
§1.1 金属原子间的键合特点
外 层 电 子 作 用 形 式
稳定的八电子排布结构 接受或释放额外电子 共有电子
Where Fc is the coulombic force of attraction between two oppositely charged ions, r is the separation distance between the centers of the ions, Z is the valence of the charged ion, q is the charge of a single electron(0.16x10-18C),and k0 is a proportionality constant(9x109V.m/C)
§1.1 金属原子间的键合特点 金属键 共有价电子→电子 云→键无方向性和 饱和性
性能特点： 性能特点： 1)良好的导电性及导热性； 良好的导电性及导热性； 良好的导电性及导热性 2)正的电阻温度系数； 正的电阻温度系数； 正的电阻温度系数 3)良好的强度及塑性； 良好的强度及塑性； 良好的强度及塑性 4)特有的金属光泽。 特有的金属光泽。 特有的金属光泽
第一章 金属和合金的晶体结构
原子结构 结 构 原子的空 间排列 显微组织
第一章 金属和合金的晶体结构
原子结构 结 构 原子的空 间排列 显微组织
原子核外电子的排布 方式显著影响材料的 电、磁、光和热性能， 还影响到原子彼此结 合的方式，从而决定 材料的类型

② 存在孕育期
——过冷奥氏体等温分解所需的准备时间
——代表 A过冷稳定性。 ③ 存在鼻点：
——孕育期最短， A过冷最不稳定； ④ T转↓，产物硬度↑。 ⑤ 马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种
转变组织，非等温转变产物。将其画入， 使过冷奥氏体等温转变曲线更完备、实用
亚共析钢、过共析钢C曲线 ：
亚共析钢、过共析钢C曲线 ： 以珠光体转变为例：
等温冷却 ——过冷奥氏体等温转变动力学曲 线
连续冷却——过冷奥氏体连续转变动力学曲线
一 过冷奥氏体等温转变动力学曲线
(Temperature-Time-Transformation)
A
700 A过冷
A→P
A1 HRC
P 15
500
T τ孕
A→B
B 40
45
Ms 200 A→M
55 Mf
M+AR
>60
长大的趋势，不代表真实、实际晶粒大小；
② 本质粗晶粒度钢实际晶粒度并非一定粗大， 本质细晶粒度钢实际晶粒度并非一定细小； 而与具体的热处理工艺有关。
③ 本质晶粒度主要与成分或冶炼条件有关 机理： 难溶粒子的机械阻碍作用 Al 脱氧镇静钢 含V、Ti、Nb、Zr 钢
本质粗晶粒钢
机理： 难溶粒子的 机械阻碍作用
3 奥氏体形成热力学条件 F 热力学条件: T﹥A1
原因：以珠光体与奥氏体的 体积自由能之差来提供驱 动力以克服新相晶核的表 面能及弹性能
——存在过热度⊿T : T实际- T理论
影响过热度主要因素: V加热 V加热↑，过热度⊿T↑；
⊿T
A1 T实
际
FP FA
T
同理，冷却过程的固态相变需过冷度

（二）塑性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。 (1) 伸长率（ δ）：试样拉断后标距的增 伸长率（ ）： ）：试样拉断后标距的增 长量与原始标距长度之比; 长量与原始标距长度之比 δ= (L断后-L原始)/ L原始×%=∆L / L0 ×% (2) 断面收缩率（ ψ ）：试样拉断处横截 断面收缩率（ ）：试样拉断处横截 面积的缩减量与原始横截面积之比. 面积的缩减量与原始横截面积之比 ψ= (A原始- A断后)/ A原始×%=∆A / A0 ×%
化学成分相同，处理方式不同 不同， ② 化学成分相同，处理方式不同，性能不同 0.8℅C 的钢锯条→800℃，冷却方式不同 ℅C 的钢锯条→ ℃ 一根出炉后水冷 水冷， 硬而脆，一弯就断； 一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断； 另一根随炉缓慢冷却 性软，弯曲90 ℃ 缓慢冷却， 另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲 不断。 不断。 又如： 又如： 石墨和金刚石均由碳原子构成， 石墨和金刚石均由碳原子构成， 但性能迥异。 但性能迥异。 原因： 原因：碳原子的空间排列方式不同 即内部组织结构不同
性能取决于什么因素呢？ 性能取决于什么因素呢？
化学成分不同， ① 化学成分不同，性能不同 举例： 举例： σb(MPa) 40 纯铝 400～600 铝合金 ～ 60 纯铜 600～700 铜合金 ～ 200 纯铁 40钢(退火态 退火态) 500 钢 退火态 40钢(调质态 调质态) 800 钢 调质态
应 力 σ
弹 性 变 形 塑 性 变 形 断 裂
变形三阶段： 变形三阶段： 弹性变形、 (1) 弹性变形、 (2) 塑性变形、 塑性变形、 (3) 断裂
变
变ε 变
(1) 弹性变形 弹性变形: 特点： 特点： 应力撤消后, 变形消失； 应力撤消后 变形消失； 应力与应变成正比关系； 应力与应变成正比关系； 总变形量很小：<1% 总变形量很小： 低碳钢应力应 变曲线 主要性能指标： 主要性能指标： 弹性极限σ 弹性极限 e ：保持弹性 变形的最大应力， 变形的最大应力，MPa 弹性模量E： 弹性模量 ： σ=E·ε

珠光体转变：
是过冷奥氏体在临界温度A1以下较高的温度范 围内进行的转变（共析钢在A1～550℃之间）， 又称高温转变。是典型的扩散型相变。
奥氏体γ
A1以下
珠光体P（ α+ Fe3C）
体心立方 （bcc） 0.0218%C
面心立方 （fcc） 0.77% C
复杂斜方 6.69%C
§7.4 珠光体转变
相互平行排列的板条
针状或竹叶状 凸透镜状 孪晶 高碳钢 硬而脆
扁条状 高密度的位错 低/中碳钢 强韧性
§7.5马氏体转变
热力学
转变特点
晶体学 动力学
§7.6贝氏体转变
§7.6贝氏体转变
贝氏体
贝氏体转变的主要特点：中温相变 上贝氏体 形成温度: 550 ~ 350℃ 下贝氏体 350℃ ~ Ms
性能: 取决于粒状渗碳体的大 小、形态和分布。具有较高的 强度，较好的切削加工性能（ 塑韧性好）及淬火工艺性能。 颗粒越细，强度越高；颗 粒越均匀，韧性越好。
在硬度相同的条件下， P 粒状 比 P片 拉伸性能好
获得：球化退火 、淬火+ 回火
§7.5马氏体转变
§7.5马氏体转变
§7.5马氏体转变
1）片状长大机制
领先相
片状珠光体刚形成时碳的浓度示意图
§7.4 珠光体转变
P粒状比P片拉伸性能比较
片状珠光体形成时成片形成机制示意图
§7.4 珠光体转变
珠光体转变的主要特点
(1)在A1温度以下的高温区进行的相变，对非合金钢 约在550~720℃； (2)是渗碳体和铁素体交替组成的片层状组织，为共 析转变； (3)在渗碳体和铁素体形核和长大的过程中，必须依 靠碳的扩散，是扩散型相变； (4)珠光体的形核率随转变温度的降低而增大，而原 子的扩散随温度的降低而困难，故珠光体转变的 温度—时间曲线呈C字形。