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1、 主要内容主要内容：第一节：材料加热的物理过程第一节：材料加热的物理过程 第二节：金属加热的一般原则及影响因素第二节：金属加热的一般原则及影响因素 (加热温度、加热时间、加热速度选择加热温度、加热时间、加热速度选择)第三节：金属及合金在不同介质中加热时第三节：金属及合金在不同介质中加热时 常见的物理化学现象常见的物理化学现象第一章：金属的加热第一章：金属的加热第一节：材料加热的物理过程第一节：材料加热的物理过程一、加热方式一、加热方式 金属制品在热处理加热时，其热量的来源热量的来源:(1)热交换热交换。如一般加热炉加热。(主要讲解内容)传热的进行，主要依靠工件四周气体或液体质点的相对移动将受热
2、质点传到给较冷的金属表面进行加热。(2)工件自身作为发热体工件自身作为发热体，把别种形式的能量转变为热能而使工件加热。如：直接通电加热、感应加热、离子轰击加热等。传导传热传导传热对流传热对流传热辐射传热辐射传热常见的传热方式常见的传热方式二、传导传热二、传导传热1 1、传导传热的基本定律：、传导传热的基本定律：定义定义:热量直接由工件的一部分传递至另一部分，或由加热介质把热量传递到与其相邻的工件而无需媒介质点移动的传热过程。热流量密度热流量密度q:q:用来表示热传导过程的强弱 以单位时间内通过单位等温面的热量即热流量密度q表示 热传导系数，单位为J/(m*h*)dt/dx温度梯度。负号表示热流
3、量方向和温度梯度方向相反2、影响热传导系数的因素：、影响热传导系数的因素：（1）钢的化学成分钢的化学成分：合金元素及碳含量一般降低传热系数。（2）组织状态组织状态：随钢中组织组成物，按A M淬 M回 P的顺序增大。（3）加热温度加热温度：热传导系数与温度的关系近似地呈线性关系:3 3、单层平壁稳定导热、单层平壁稳定导热 设一均质材料构成的单层平壁(如图),壁厚为，材料的热导率为且不随温度变化，壁的两侧温度为t1和t2，且t1t2。在平壁内取一单元薄层，其厚度为dx,温度变化dt，则根据傅立叶定律通过此单元薄层的热量为：将上式分离变量积分得：即 （式1）式中为平壁材料在t1-t2范围内的平均热导
4、率；A为平均导热面积，对于箱式炉的炉壁，A常取内、外壁面积的几何平均值，即：4、多层平壁稳定导热 如图是由三层值不同的材料构成的无限大平壁，设各层间接触紧密，各层的平均导热面积分别为A1，A2，A3，则由式1可知通过各层的导热量分别为 第一层:同理可得第二和第三层的导热量 在稳定导热时，Q为定值，即 Q1Q2Q3Q，由以上各式可得：由上式可知，多层壁的导热量决定于 总温差和总热阻，而总热阻等于各层热阻 之和.当各层壁间接触不紧密时，其间充有静止气体，将产生接触热阻。这时上式应加入接触热阻值。5、圆筒壁稳定加热 如图为一单层筒壁，设t1和t2为内外壁面温度，r1和r2为内外壁半径，L为其高度。假
5、设L远大于r，可以忽略端面导热的影响，即可视为沿半径方向的一维导热。在任一半径r处取一dr薄层，其间温度变化为dt，则通过该微元圆筒壁的导热量为：分离变量积分得：如果上式分子分母同乘（r2-r1)后可得：上式可缩写为：式中为圆筒壁厚度，；为圆 筒壁平均面积，；R为圆筒壁的导热热阻，。根据多层平壁总的热阻等于各层热阻之和的原则，多层圆筒壁稳定导热公式为：三、对流传热三、对流传热1 1、定义、定义：依靠工件四周气体或液体质点的相对移动，将受热质点传导给较冷的金属表面进行加热，此种传热方式称之。一般发生在600600700700以下温度以下温度。工件和发热体之间热量传递要靠介质，介质的特性对对流传热
6、有很大影响。定量描述：Q-单位时间内加热介质传递给工件表面的能量-对流给热系数 F-热交换面积2 2、影响对流换热系数的因素、影响对流换热系数的因素 影响对流换热的因素很多，主要有以下几个方面：流体流动的动力：静止，强迫静止，强迫流体的流动形态：层流，层流，紊流紊流 流体的状态变化：液体，气体等 流体的物理性质：导热系数、比热、密度，其值越大，给热系 数越大；粘度系数越大，给热系数越小。换热面的几何因素：工件形状、工件在炉内放置等3 3、强化炉内对流换热的途径、强化炉内对流换热的途径 强化炉内对流换热的主要途径就是适当加强和控制影响对流换热的诸因素，常采用的具体措施有：加大换热温差；提高流体速
7、度；控制流体与受热面的相对运动方向；增大换热面积。四、辐射换热四、辐射换热1 1、基本概念、基本概念 它是一种由电磁波传递能量过程。物体受热后向各个方向放射辐射能，被另一物体吸收后又转化为热能从而实现加热。各种物体由于原子结构和表面状态的差异，其辐射和吸收射线的能力有明显的差别。通常当能量为Q的一束热射线投射到物体上时，一部分能量Q将被吸收吸收，一部分能量Q被反射反射，还有Q一部分能量将被透射透射出物体。因此：式中Q/Q为物体的吸收率吸收率，用表示；Q/Q为物体的反射率反射率，用表示；Q/Q为物体的透射率透射率，用表示。那么：=1 如果1，即辐射全部被物体吸收，这种物体叫“绝对黑体绝对黑体”，
8、简称“黑体”。这是一切物体中吸收能力最强的一种理想物体。如果1，即辐射能全部被反射，且呈漫反射状态（即向各方向反射），则该物体称“绝对白体绝对白体”，简称“白体”。如果1，即辐射能全部透过物体，这种物体称为“绝对透过绝对透过体体”，如：同元素的双原子气体（氧、氮以及纯净空气等），对热射线近似1的透过体。自然界并不存在绝对黑体，像黑丝绒和煤烟，其吸收率也只能达到0.960.97。但可以用人工方法制作绝对黑体模型。在温度均匀、不透过热射线的空心体的边上开一小孔，此小孔即具有绝对黑体的性质。绝对黑体不但是一种理想的吸收热射线的物体，而且也是辐射能力最强的理想辐射体，任何物体对热射线的辐射和吸收能力都
9、小于绝对黑体。2 2、黑体辐射基本定律、黑体辐射基本定律（1）、黑体的单色辐射能力Eo 黑体的单色辐射能力Eo 是指在单位时间内单位面积的黑体表面向半球空间所有方向发射的某一特定波长的辐射能。其中Eo中的角标o表示黑体。1900年普朗克揭示了真空中黑体在不同温度下的Eo随波长的分布规律，称为普朗克定律普朗克定律，其数学表达式为：式中为波长，单位为（m）；T为辐射物体的热力学温度；常数C1为普朗克第一常数，常数C2为普朗克第二常数。(靠电磁波传递热量)Stiefen-Bolzman定律（1）大多数工件并非绝对黑体，他们吸收一部分热量又反射出一部分热量同时其本身也要辐射出去一部分热量。因此加热工件
10、的热量应由发热体、炉壁等辐射来的热量减去反射的热量及自身辐射的热量。辐射传热时工件表面所吸收的热量辐射传热时工件表面所吸收的热量用下式表示：需要指出的是：工件在加热过程中，三种加热方式并存，需要指出的是：工件在加热过程中，三种加热方式并存，不同的场合看以哪种传热方式为主。不同的场合看以哪种传热方式为主。（2）对气体介质而言，它们对辐射能的吸收是有选择性的，如单原子的H2、N2不吸收，而CO2和H2O吸收较多。多原子气体吸收射线的波长具有选择性。所有气体对射线的反射率都等于零。气体本身也辐射能量，其辐射能力也与绝对温度四次方成正比。（3）辐射传热一般发生在辐射传热一般发生在700以上以上，只有波
11、长为0.440m辐射能被金属吸收转化为热能。第二节：金属加热的一般原则第二节：金属加热的一般原则 及影响因素及影响因素 主要内容一、加热温度的确定二、加热时间的确定三、加热速度的确定一、加热温度的确定一、加热温度的确定1、确定工件加热加热温度的依据确定工件加热加热温度的依据 确定加热温度时一个复杂过程，它是以金属或合金相变临界点及再结晶温度相变临界点及再结晶温度等为基本理论依据，同时考虑工件的热处理目的，工件的热处理目的，工件的原材料及形状以及以前的加工状态原材料及形状以及以前的加工状态等因素。具体的工艺参数在以后各章中具体介绍。1-对普通碳钢而言；依据FeC相图确定临界点2-对合金钢而言，依
12、以下公式确定临界点T再=0.4 T熔2 2、确定优化加热温度方框图、确定优化加热温度方框图化学成份化学成份临界点临界点热处理目的热处理目的加热温度确定加热温度确定小批量试验小批量试验性能鉴定性能鉴定奥氏体转变产物形态及组织奥氏体转变产物形态及组织最优的加热温度最优的加热温度奥氏体晶粒度的控制奥氏体晶粒度的控制对奥氏体成份及结构要求对奥氏体成份及结构要求的控制的控制原材料成份、组织和加工状态原材料成份、组织和加工状态热处理应力和变形、开裂的控制热处理应力和变形、开裂的控制3 3、加热温度选择不当导致的热处理缺陷、加热温度选择不当导致的热处理缺陷（1）过烧（过烧（burningburning）基本
13、特征基本特征：在粗大晶粒的晶界上出现局部的熔化或氧化现象。如：高速钢在晶界处出现莱氏体组织。（2）过热（过热（overheating)overheating)加热温度过高或保温时间过长将导致奥氏体晶粒剧烈长大，并在以后退火或正火过程中形成粗大的铁素体或魏氏体组织或淬火后形成粗大的马氏体。1Cr13 过烧过烧 沿晶的过沿晶的过烧列缝烧列缝,晶粒十分粗大晶粒十分粗大 25Cr2Mo1V 930炉冷炉冷 组织为片状珠光体和铁素组织为片状珠光体和铁素体。铁素提沿原奥氏体晶体。铁素提沿原奥氏体晶界呈网状分布。由于界呈网状分布。由于锻造锻造过热过热，晶粒粗大，晶粒粗大 2Cr13 1350空冷空冷 由由于
14、加热温度过高于加热温度过高,严重过严重过热热,组织为低碳马氏体的组织为低碳马氏体的大块状、条状大块状、条状铁素体铁素体 2Cr13 过热过热（1300）,水冷水冷 组织为低碳马氏体和组织为低碳马氏体和大量大量铁素体。有淬火裂缝。铁素体。有淬火裂缝。小方块状为氮化碳夹杂小方块状为氮化碳夹杂 1Cr13 1240空冷空冷 组织为条组织为条块状块状铁素体和马氏体，铁素体和马氏体，1Cr13钢的正常淬火工艺为钢的正常淬火工艺为1050空空冷。温度高于冷。温度高于1150出现出现铁铁素体，并形成过热组织，晶粒素体，并形成过热组织，晶粒粗大，对强度和塑性不利并使粗大，对强度和塑性不利并使冲击韧性大为下降冲
15、击韧性大为下降 20号钢号钢 气焊气焊 热影热影响区过热段。响区过热段。粗大的魏氏组织粗大的魏氏组织 热影响区过热段热影响区过热段 组织为粗大的魏氏组织。在焊接热循环中，该区组织为粗大的魏氏组织。在焊接热循环中，该区域处于域处于14901100的高温范围，晶粒粗大，形成过热组织的高温范围，晶粒粗大，形成过热组织（3）欠热欠热 当加热温度不足时，未充分奥氏体化，钢中第二相未能完全溶解，在熔炼及热加工过程中存在的组织缺陷，如偏析、粗大自由铁素体、网状碳化物，就不能充分消除；欠热不能消除因结构遗传带来的某些缺陷，易造成淬火软点。二、加热时间的确定1 1、概念：、概念：加热时间（加）包括工件升温时间（
16、升）、透热时间（透）与保温时间（保）。即：（1 1）升温时间）升温时间（heating up time):heating up time):指工件入炉后表面达到炉温指示温度时间。（2 2）透热时间）透热时间（through heating time):through heating time):取决于零件截面尺寸，材料的导热性及炉温高低等。（3 3）保温时间）保温时间（holding time)holding time)：指为达到工艺要求而恒温保持的一段时间。加热时间示意图升温时间升温时间透热时间透热时间保温时间保温时间工件心部工件表面炉温炉温T /t02 2、计算、计算 传热学的计算与试验表
17、明：零件尺寸较薄时，加热传热学的计算与试验表明：零件尺寸较薄时，加热时间与厚度之间呈线性关系：时间与厚度之间呈线性关系：当截面尺寸较厚时：当截面尺寸较厚时：（1）实践中，薄件的具体概念也是以材料、温度）实践中，薄件的具体概念也是以材料、温度的不同而异，就碳钢而言：的不同而异，就碳钢而言：T400 S薄件300mm T=500800 S薄件200mm T=8001000 S100mm（2）书中介绍三维空间中温度场与时间关系书中介绍三维空间中温度场与时间关系 T T为加热为加热时刻在（时刻在（x,y,zx,y,z)处温度，对圆柱体（其他形状也可以）用数处温度，对圆柱体（其他形状也可以）用数理方程知
18、识，得到热传导方程：理方程知识，得到热传导方程：其中其中/c/c 称为导温系数称为导温系数 T T：拉普拉斯算式：拉普拉斯算式 Q QE E：工件本身发生的热量或损失热量：工件本身发生的热量或损失热量 通过初始条件边界条件，解出具体条件下的温度表达式，建立起始通过初始条件边界条件，解出具体条件下的温度表达式，建立起始温度、时间、厚度间的关系。温度、时间、厚度间的关系。3、加热时间不当导致热处理缺陷、加热时间不当导致热处理缺陷 (一般对大型或高合金钢工件热处理质量会产生影响。)（1 1）、时间不足，组织转变不能充分进行，一些冶金及）、时间不足，组织转变不能充分进行，一些冶金及热加工过程中引起的缺
19、陷不能消除。热加工过程中引起的缺陷不能消除。（2 2）、加热时间不足，钢中难溶碳化物或氧化物不能充）、加热时间不足，钢中难溶碳化物或氧化物不能充分溶解，导致切削加工性能下降。分溶解，导致切削加工性能下降。（3 3）、在临界温度以下长时间加热，导致工件表面严重）、在临界温度以下长时间加热，导致工件表面严重氧化脱碳。氧化脱碳。三、金属加热速度的确定三、金属加热速度的确定 (rate of heating)工件的加热速度是由被加热工件在单位时间内，单位工件的加热速度是由被加热工件在单位时间内，单位面积上所接受的热量来确定面积上所接受的热量来确定。（实践上常根据材料成分、工件。（实践上常根据材料成分、
20、工件的尺寸以及热处理工艺要求不同对加热速度也有不同规定。为什么？）的尺寸以及热处理工艺要求不同对加热速度也有不同规定。为什么？）加热速度快带来的好处：加热速度快带来的好处：加热速度提高引起的问题：加热速度提高引起的问题：下面介绍两个概念1、允许加热速度、允许加热速度 由传热学知识可知等速加热时工件表面与中心的最大温差用下式表示：Tm：截面温差，；K：形状系数；R：板厚1/2或半径；：材料导温系数对钢而言 热热：热应力，对圆柱体 热热0.720.72t tETmETm t t：材料线膨胀系数 E E：材料弹性模量；X：板厚 由式可见：由式可见：工件允许加热速度与工件允许加热速度与钢的成分钢的成分
21、，工件的，工件的尺尺寸寸以及以及加热温度加热温度范围有关。范围有关。2 2、技术上可能的加热速度、技术上可能的加热速度 取决于加热设备在单位时间内所能提供给工件单位面积的热量取决于加热设备在单位时间内所能提供给工件单位面积的热量或比功率大小。或比功率大小。该值又与我们采用的加热方式、加热介质类型和加热方式、加热介质类型和加热制度加热制度等因素有关。（1 1）加热方式）加热方式特点适用范围随炉随炉升温升温加热缓慢、截面温差小大型锻件、高合金钢或复杂零件预热预热加热加热缩短高温加热时间，减小热应力大型高合金钢工件退火、正火、淬火等。如高合金模具、工具钢淬火到温到温入炉入炉加热速度快、截面温差较大多
22、用于碳钢锻件退火或正火；低合金钢、碳钢中小零件的淬火高温高温入炉入炉加热速度快、截面温差大中碳钢及低合金钢锻件正火、退火 四种加热方式依次以：四种加热方式依次以：随炉加热随炉加热预热加热预热加热到温入到温入炉炉高温入炉高温入炉 速度增大速度增大（2 2）加热介质和工件放置方式）加热介质和工件放置方式 （a a）气体介质）气体介质：空气、渗碳性气氛、惰性气氛等。特点：加热属综合性传热，高温区以辐射为主 在600下循环气氛中以对流为主，在中温区两者兼有。（b b）液体介质：）液体介质：熔盐和熔融金属浴，以传导传热为主；流 态床（以石墨或石英砂）以传导对流为主。（c c）固体：）固体：如固体渗C、N
23、、B等，热量传递以传导方式进行。（d）真空加热特点 （3 3）金属加热类型）金属加热类型（a a）直接加热：）直接加热：利用金属内部的电能-热能转换 （如电阻加热，电接触加热，电解液加热）电磁热能转换（如电磁感应加热、红外线加热）低能粒子轰击产生热量 （激光加热，等离子加热，电子束加热）。（b b）间接加热：）间接加热：利用固体、液体、气体等媒介以对流、辐射、传导方式向工件表面传递热量。第三节：金属及合金在不同介质中第三节：金属及合金在不同介质中 加热时常见物理化学现象加热时常见物理化学现象 主要内容主要内容 一、金属在氧化性气氛中加热时的腐蚀形式一、金属在氧化性气氛中加热时的腐蚀形式 二、金
24、属的氧化反应及氧化层组织结构二、金属的氧化反应及氧化层组织结构 三、金属脱碳及脱碳层组织三、金属脱碳及脱碳层组织一、金属在氧化性气氛中加热时的腐蚀形式一、金属在氧化性气氛中加热时的腐蚀形式最典型的是氧化和脱碳。最典型的是氧化和脱碳。1 1、氧化（、氧化（oxidationoxidation）（定义）危害：它不仅使工件表面变色，失去光泽，而且使机械性能变坏（疲劳性能）。2 2、内氧化、内氧化 特征：合金内部沿晶界形成的氧化物相或脱碳区，其厚度有几微米。（原因？）3 3、生铁肿胀、生铁肿胀(growth of cast iron)(growth of cast iron)铸铁工件在氧化介质中加热时
25、，沿表层下的晶界及石墨夹杂迅速发生氧化。因氧化物体积大，从而导致生铁肿胀的现象。4 4、脱碳、脱碳(decarborizationdecarborization)工件在加热过程中，表面碳原子与介质中的脱碳性气体（H2、O2、CO2）相互作用而烧损现象称之。常发生在温度超过700以上。危害：表面脱碳使表面机械性能变坏，直接影响使用性能。二、金属的氧化反应及氧化层组织结构二、金属的氧化反应及氧化层组织结构 氧化性气氛：氧化性气氛：O O2 2、H H2 2O O、COCO2 2 1 1、氧化反应、氧化反应（1）当T570，由于氧原子扩散加快，Fe3O4逐渐形成无磁性Fe2O3。（3）FeO：温度继
26、续升高，O、Fe原子相互扩散，形成疏松FeO,氧化速度加剧。随着温度的升高，氧化物的组成形式如下：三、加热时脱碳及脱碳层组织三、加热时脱碳及脱碳层组织1 1、钢在加热时脱碳、增碳平衡、钢在加热时脱碳、增碳平衡 钢在加热时不仅铁元素会发生氧化，而且钢中的碳也会与气体作用，使钢表面失去一部分碳，含碳量降低。氧化是钢中氧化是钢中FeFe与与O O的作用，脱碳是钢中碳与氧的作用的作用，脱碳是钢中碳与氧的作用。常见的脱碳反应：这几个反应都是可逆反应，向右进行时，发生脱碳，向左进行时发生增碳（1）根据热力学平衡常数判断进行方向。=KP 炉气处于平衡状态 KP 增碳 c 为该温度下碳在奥氏体中的活度。其大小
27、与奥氏体中的含碳量和加热温度有关。当温度一定时，含碳量较高者，碳的活度越大，当碳以石墨形式出现时，其活度值为1。（2）气氛：脱碳气氛：脱碳气氛：CO2CO2、H2OH2O、H2H2、O2O2 渗碳气氛：渗碳气氛：CH4CH4、COCO等（3）碳势（Carbon potential)：定义：纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时，达到既不增碳也不脱碳，并与炉气保持平衡时的表面含碳量。作用：定量表示炉气对钢表面增碳或脱碳能力。理论碳势曲线和实际碳势曲线控制碳势就是控制气氛中的控制碳势就是控制气氛中的CO/CO2CO/CO2、CH4/H2CH4/H2比例比例在吸热式气氛中，在吸热式气氛中，COCO、H2
28、H2含量恒定。又如下水煤气反应：含量恒定。又如下水煤气反应：常用的测量碳势方法：常用的测量碳势方法：1 1、CO2CO2红外仪（红外仪（Infrared analyzerInfrared analyzer）2 2、露点测定仪、露点测定仪(Dew point analyzer)(Dew point analyzer)3 3、氧探头法、氧探头法(Oxygen probe)(Oxygen probe)实际碳势曲线实际碳势曲线：直接测量不同温度时炉气成分及与之平衡的含碳量直接测量不同温度时炉气成分及与之平衡的含碳量。2 2、脱碳层组织、脱碳层组织 根据炉气的碳势。加热温度及钢中含量不同，碳钢脱碳层有两
29、种类型组织:一种半脱碳层，一种全脱碳层。半脱碳层：半脱碳层：脱碳层组织自表面至中心，由F+P组织逐渐过渡到P，直至相当于钢含量的退火组织。全脱碳层：全脱碳层：脱碳层表面为单一的F，次表面为F+P，逐渐过到相当于钢原始含碳量的缓冷组织。危害：对工具钢、结构钢，表面脱碳是一种有害缺陷优点：对某些硅钢片，铬镍奥氏体不锈钢等利用脱碳来改善材料某些性能。四、氧化和脱碳的控制1、真空加热（1个大气压）2、保护气氛炉中加热（protective atmosphere）吸热式气氛（endothermic atmosphere）放热式气氛（exothermic atmosphere）氨热分解气氛 氮基保护气氛3、在熔融浴中无氧化加热4、防氧化涂料