金属热处理原理及工艺

金属热处理原理及工艺

绪 论

这门课对咱们专业是很重要的。

本课程的重要性从本专业研究《金属材料及热处理》的名称上可想而知，虽然现在改了专业名称，但热处理仍是一门主要专业课。本课程既研究理论问题，又解决实际问题，学好本课对于以后的科研及生产都有益无穷。这里，讲讲什么是金属热处理，其地位和作用，本课内容及要求等等。

一、什么是金属的热处理

简单地说，金属热处理，就是把金属加热到预定温度，并在此温度保持一定时间，然后以适当的速度冷却下来，从而改变其内部组织结构，得到预期性能（工艺性能，机械性能，物理和化学性能）的一种工艺方法。

如果以温度为纵坐标，以时间为横坐标，则右图中三条曲线即为热处理工艺曲线，可分为三个阶段；加热——保温——冷却。加热曲线的斜率表示加热速度，冷却也如此。

根据加热介质、方法、速度等的不同及冷却的不同，热处理又可分为若干类型。

例如，退火、正火、淬火、回火，是四种不同的热处理工艺，即传统工艺的四把火，以后都要讲到。

这些方法看起来简单，但其中有很深奥的道理。

处理工艺有很大发展，仅了解这四种传统工艺是远不够的。根据加热方式不同，还可分为感应加热表面淬火，火焰加热表面淬火，离子轰击热处理，真空、激光热处理。

有些热处理是要改变表面化学成分的，如表面增加C的含量为渗C，还有渗N，渗硼等。

总之，金属热处理工艺方法非常多，且还在不断地发展。

二、热处理在机械制造中的地位和作用

各行各业的发展，如工业、农业、现代国防和现代科学技术的发展与金属材料所占的比重越来越大。现代工业，现代科学技术三大支柱：信息，能源，材料。而金属仍然是基本材料，尤以钢铁为主。金属材料制成的零件，在其加工过程中，要经过铸造、锻造、焊接、切削加工、热处理等一系列工序，热处理在其中担负着改进工件性能、充分发挥材料潜力，以提高使用寿命的重要任务。就目前机械工业生产状况而言，机床中要经过热处理的工件占总重量的60~70%，汽车、拖拉机中占70~80%，而轴承和各种工、模具则百分之百全部需热处理。近年来，随着工业和科学技术的发展，对于金属材料及其制件在强韧性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等性能方面的要求更加严格，采用热处理零件的比重还将进一步增大，工艺方法将不断改进和增多。以后会在工艺部分加以介绍。

热处理之所以在机械制造中占有重要地位，是由于热处理是强化金属的重要手段。

强化金属的三个重要手段：形变，合金化，热处理。

形变强化是通过变形提高位错密度（在金属的晶体点阵中引入大量缺陷）。

合金化，改变化学成分，加入Me，形成固溶体，化合物，是通过固溶强化和第二相的弥散析出来强化的。

固溶强化对于钢铁材料来说只能在体心结构产生强化。在体心结构中，C原子间隙在扁八面体间隙中，造成不均匀畸变（剪切分量不相等），有一较大的切变分量，可以和位错产生较大的交互作用，从而造成强化。而面心结构中溶入C，C处于八面体中，只产生膨胀，而不产生及变，或说造成对称畸变，无上述效果。从Fe-C相图中可知，Fe-C合金在室温下有铁素体，F虽也可固溶强化（体心立方），但C的溶解量太少，效果不大，所以F是一软相。此时可借助热处理方法来强化。

如前所述，热处理通过加热和冷却，发生固态相变或组织状态变化，以达到强化，如共析成分的Fe-C合金（T8钢），室温平衡组织为P，HB 170~230，若采用淬火热处理工艺手段（加热——冷却），得到M组织，则使硬度提高至HB 650~720，M是体心结构，不过饱和地固溶了相当多的C院子，甚至对共析钢来说，全部C原子 ，这就产生了极显著的强化效果。所以，热处理相变强化是一种很有效的强化手段，而其中又以马氏体相变强化效果最好，所以金属中相变理论研究以马氏体相变研究发展最为迅速。当然实际上金属强化往往是几种手段综合起来，互相渗透，互相促进，如在Fe-C合金中，加入Me，成为合金钢。合金钢不经过热处理，其强化成都是有限的，通过热处理可以达到最好的强烈配合，即合金化与热处理的相变强化结合起来，形变与热处理也可结合，互相促进，如现在发展了形变热处理，可有效地改善性能。

根据热处理在工艺路线中的位置，又可分为预先热处理和最终热处理。

预先热处理：为后续工艺（冷、热加工）作准备。

最终热处理：赋予零件最后使用性能。

如锉刀，一般用T12，含C 1.2%工艺流程为：坯料热轧（后空冷，相当于正火态，为片状P+Fe3C，硬度较高）球化退火（预先热处理）机加工（剁齿）淬火+回火（最终热处理）。对性能要求较多的零件都要经过这两道热处理工序。

热处理工艺的判选是否合理，工艺操作是否正确，直接影响到零件寿命。“搞好热处理，零件一顶几”，“向热处理要钢”。

如日本高速钢的产量 W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2与外国差不多，而我国每年高速钢不够用，要进口，而日本要出口。

热处理的重要作用由此可见一斑。

三、本课程内容

本课程分为原理及工艺两部分。工艺后面讲。

a 原立课的内容：

1、固态相变的基本规律及特征

2、成分——组织结构——性能之间的关系

3、工艺因素的改进对上述规律的影响

工艺课是原理的具体应用，讲一般规律、共性的东西。 原理部分基本按教科书的顺序讲，但第一章“金属固态相变概论”不讲，两个原因：一是一开始就讲许多抽象的相变理论不易被接受，不如在以后各章学到哪部分讲哪部分，二是学时很紧张。

四、本课程的基本要求 原理部分

1、 掌握金属固态相变的基本规律，其中包括组织转变规律，转变动力学以及影响转变的因素；

2、 了解各种组织与常规力学性能的基本关系；

3、 熟悉常用钢经不同热处理后的组织特征，掌握用光学显微镜识别金属材料不平衡组织的基本方法。

学习方法：每个同学都由自己的学习方法，有些同学学习方法还是很不错的，针对本门课的特点，提出两点让大家注意：

○1注意理论结合实际，这门课是理论性实践性都很强的课，没有实际经验，较难，主要要重视实验课，实验课将接触到许多实际问题。对实验课要重视，实验课是很重要的环节，上实验课前，要看实验指导书，之后认真写好实验报告。按规定，三次实验报告布鞋，不能参加考试，相信本班没有三次不交的，不会出现这种情况。

○2要及时复习

此门课根据前几届的情况看来，有些同学不适应，这门课跟以前学过的课不太一样，不是严密的逻辑推理，实验性的东西较多，有些问题尚未搞清，假设的推论，提法很多，再加上各种影响因素，一条条的，显得繁杂散乱，不好学，解决的方法，就是要及时复习，学完一部分就掌握一部分，不能等到考试前才进行复习，为了督促学生学习，可能进行提问。

设想：讲课时，基本的原理，概念可反复讲。

第一章 （奥氏体的形成）钢的加热转变

——A的形成

在实际生产中，钢的热处理工艺方法繁多，如正火、淬火、回火及时效表面淬火，化学热处理，形变热处理等。但不管哪一种热处理，都是将工件加热到一定温度，保温一定时间，然后以某种速度冷却下来，可见，加热是钢进行热处理的第一步工序。在绝大多数情况下，钢热处理时总要加热到临界点以上的温度，形成奥氏体组织，然后以预定的速度冷却，得到所要求的组织和性能，钢的热处理质量与加热时的A晶粒度、成分与均匀度等有着密切的关系。因此，研究A的形成规律，便具有重要的理论和实践意义。

1、A的形成概述

实际热处理加热时所发生的相变，常常是非平衡的，难于用Fe-Fe3C相图完全说明问题。为了掌握A形成的规律性，必须研究A形成的热力学条件，形成机理，动力学几影响因素等。

一、A形成的热力学条件

根据Fe-Fe3C相图，温度在A以下时，碳钢的平衡组织为P（共析钢）或P+F（亚共析钢），或P+Fe3C（过共析钢）。因为珠光体组织是F与Fe3C的混合物，所以从相的组成来说，A温度以下的平衡相为F和Fe3C。当温度超过A后，由两相组成的P，将转变为单相A。随着温度持续升高，亚共析钢的过剩相F将不能转变为A，过共析钢的过剩相Fe3C，也将不断溶入A中，而使A量逐渐增多，其化学成分分别沿GS和ES曲线变化。当加热到GSE线以上时，平衡相均为单相A。

钢加热时的相变动力是新相A与母相之间的体积自由能之差V* vg 。按固态相变成核理论，A成核时，系统的自由能变化为：

系统自由能总变化：*vGVgSV

Sб为形成A时所增加的界面能，εV为形成A时所增加的应变能。应变能是固态相变特有的。金属发生固态相变时，新、旧相的比容一般不会相同，故转变时必将发生体积变化。由于受到周围旧相约束，新相不能自由膨胀，因此新相与其周围的旧相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额外地添加一项弹性应变能。因为A在高温下形成，其相变的应变能较小，（因应变能可通过一定的塑性变形来释放掉），相变的阻力主要是界面能。

图2-4（P15）示出共析钢A和P的体积自由能随温度的变化曲线。它们交于A1点（727℃）。当温度等于727℃时，P与A自由能相等，相变尚不会发生。当温度高于A1时，GA

为负值，即（1-1）式中第一项为负值，这是才有可能发生相变。V*vg为A形成的驱动力，它随加热温度升高而增大。只有在A1点以上，当P向A转变的驱动力V*vg能够克服A形成所增加的界面能和弹性能时，A才会自发地形成，即A形成必须要有一定的过热度（T）。实际相变温度与临界点A1之温度差被称为过热度。

实际上，当加热和冷却时，相变并不按相图中所示的温度进行，而往往是在一定的过热或过冷的情况下进行的。过热度或过冷度随加热温度或冷却速度升高而加大，这样，就使加热和冷却时的临界点不在同一温度上。通常把加热时的临界点标以脚标C如Ac1，Ac3，Accm等，而把冷却是的临界点标以脚标r，如Ar1，Ar3，Arcm等。右图示出加热速度和冷却速度均为0.125℃/min时临界点的移动。

这些临界点很重要，实用，要搞清。

二、A的组织、结构和性能

A组织通常是由登轴状的多边形晶粒所组成，常可在晶内观察到变晶，如图2-1所示（P13）。

A为C在γ-Fe中的间隙固容体。C原子在γ-Fe点阵中处于由Fe原子组成 晶胞的中心或接边的中点。

由于体积因素的限制

2、A的形成机理

以供析钢成分的碳钢为例，当加热到Ac1以上具备了相变热力学条件后，珠光体将转变为奥氏体。转变前珠光体是F和Fe3C的机械混合物，F的含碳量不大于0.0218%，具有体心立方点阵；Fe3C为复杂的斜方点阵，含碳量为6.69%。转变后的新相A具有面心立方点阵，含碳量为0.77%，约为F含C量的32倍，而为Fe3C含C量的1/8。可见由P转变为A时，必然产生C原子的重新分配和铁原子的点阵重建。这一过程只有通过Fe原子的自扩散和碳原子的异扩散才能完成。故P向A的转变属于扩散型相变。

F + Fe3C  A

体心（0.0218%C） 复杂斜方（6.67%） 面心（0.77%C）

当然以上讨论的是由平衡态组织转变为A的过程，在特定条件下，A也可由非平衡态组织（M，B）形成，或非扩散方式形成，此问题后面将作介绍。