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1、热处理原理及工艺热处理原理及工艺教学安排教学安排 （5-185-18周）周）u授课授课 50 50 学时学时u实验实验 6 6学时学时 1.1.钢的组织观察钢的组织观察 2.2.钢的普通热处理钢的普通热处理 3.3.钢的顶端淬火钢的顶端淬火 王迎春王迎春 010-68913937-801；13520220189； 办公室：办公室：5号楼号楼 222考核方式考核方式l平时成绩：平时成绩：2020作业、课堂表现、考勤作业、课堂表现、考勤实验实验l 考试成绩：考试成绩：8080l 考试方式：闭卷考试方式：闭卷推荐参考书推荐参考书l陆兴，机械工业出版社，陆兴，机械工业出版社，2007,2007,热处理
2、工程热处理工程基础基础l胡光立，西北工业大学出版社，胡光立，西北工业大学出版社，20082008，钢的，钢的热处理热处理l夏立芳，哈工大出版社，夏立芳，哈工大出版社，20072007，金属热处理，金属热处理工艺学工艺学l吉择升，哈工大出版社吉择升，哈工大出版社19991999年，热处理炉年，热处理炉什么是热处理什么是热处理？热热处处理理是是将将钢钢在在固固态态下下加加热热到到预预定定的的温温度度，保保温温一一定定的的时时间间，然然后后以以预预定的方式冷却到室温的一种工艺。定的方式冷却到室温的一种工艺。可热处理性可热处理性 三个过程：加热、保温、冷却。三个过程：加热、保温、冷却。3.3.热处理设
3、备热处理设备2.2.热处理工艺热处理工艺1 1 热处理原理热处理原理主要内容主要内容讨讨论论金金属属及及合合金金在在固固态态下下的的相相变变规规律律、影影响响因因素素、研研究究热热处处理理组组织织和和性能之间的关系性能之间的关系等。等。通过通过加热加热-保温保温-冷却冷却的方的方法使金属内部法使金属内部组织结构组织结构发发生变化，以获得工件要求生变化，以获得工件要求的的使用性使用性能能 的的技术技术实现热处理工艺的各实现热处理工艺的各种设备种设备一、热处理在一、热处理在机械制造机械制造过程中的作用、地位过程中的作用、地位 零件机械制造零件机械制造过程重要工序过程重要工序 零零件件的的制制造造路
4、路线线：坯坯料料铸铸、锻锻、焊焊等等热热加加工工预预备备热热处处理理粗粗加加工工最最终终热热处处理理精精加加工工（热处理热处理）成品成品绪论绪论机床零件中机床零件中的的 60 70，汽车零件中的汽车零件中的 7080，模具产品中几乎模具产品中几乎 100的零件需要进行热处理的零件需要进行热处理齿轮齿轮刀具刀具l不同零件通过选材和正确的热处理不同零件通过选材和正确的热处理获得要求的性能获得要求的性能热卷大弹簧热卷大弹簧滚珠轴承滚珠轴承（1）获得最终）获得最终使用性能使用性能热处理主要作用热处理主要作用齿面磨损齿面磨损 l提高零件提高零件使用寿命使用寿命绪论绪论（2）改善毛坯）改善毛坯工艺性能工艺
5、性能，以利于冷、热加工，以利于冷、热加工 如如 切削，塑性加工切削，塑性加工疲劳断裂疲劳断裂 二、热处理发展概况二、热处理发展概况 人人们们在在开开始始使使用用金金属属材材料料起起，就就开开始始使使用用热热处处理理，其其发发展展过程大体上经历了三个阶段。过程大体上经历了三个阶段。1、民间技艺阶段、民间技艺阶段l铁器时代，铁器时代，铸铁的柔化处理铸铁的柔化处理l石墨化退火和脱石墨化退火和脱C C退火退火 根据现有文物考证根据现有文物考证,出土的春秋出土的春秋战国的铁器，经分析，有表面脱战国的铁器，经分析，有表面脱C C和石墨化组织。和石墨化组织。l战国中、晚期，发明了战国中、晚期，发明了淬火淬火
6、技术。技术。据秦始皇陵考古发现，据秦始皇陵考古发现，兵马俑中的武士佩剑制作精良；古书中有兵马俑中的武士佩剑制作精良；古书中有“炼钢赤刀，用之炼钢赤刀，用之切玉如泥也切玉如泥也”l 西汉，化学热处理西汉，化学热处理 渗渗C C和和CNCN共渗共渗。l 汉代开始汉代开始,我国热处理技术就有文字记载我国热处理技术就有文字记载 l 虽然我们的祖先掌握了很多热处理技术，但是发展缓慢虽然我们的祖先掌握了很多热处理技术，但是发展缓慢 绪论绪论2、技术科学阶段（实验科学）、技术科学阶段（实验科学）金相学金相学 大约从大约从1665年年1895年年,主要表现为实验技术的发展阶段。主要表现为实验技术的发展阶段。1
7、665年：显示了年：显示了AgPt组织、钢刀片的组织；组织、钢刀片的组织；1772年：首次用年：首次用显微镜显微镜检查了钢的断口；检查了钢的断口；1808年：首次显示了陨铁的组织，后称年：首次显示了陨铁的组织，后称魏氏组织魏氏组织；1831年：应用年：应用显微镜显微镜研究了钢的组织和大马士革剑；研究了钢的组织和大马士革剑；1864年：发现了年：发现了索氏体索氏体；1868年年：发现了：发现了钢的临界点钢的临界点，建立了，建立了Fe-CFe-C相图相图；1871年年：英英国国学学者者T.A.Blytb 著著“金金相相学学作作为为独独立立的的科科学学”在伦敦出版；在伦敦出版；1895年：发现了年：
8、发现了马氏体马氏体；绪论绪论3 3、建立了一定的、建立了一定的理论体系理论体系热处理科学热处理科学 “C”曲曲线线的的研研究究，马马氏氏体体结结构构的的确确定定及及研研究究，KS关关系系的的发发现现，对对马马氏氏体体的的结结构构有有了了新新的的认认识识等等，建立了完整的热处理理论体系。建立了完整的热处理理论体系。绪论绪论 二二十十世世纪纪以以来来，金金属属物物理理的的发发展展和和其其它它新新技技术术的的移移植植应应用，金属热处理得到更大发展。用，金属热处理得到更大发展。1901190119251925年，工业生产中应用年，工业生产中应用转筒炉转筒炉进行进行气体渗碳气体渗碳 ；3030年年代代出
9、出现现露露点点电电位位差差计计,使使炉炉内内气气氛氛的的碳碳势势达达到到可可控控，以以后后又又研研究究出出用用二二氧氧化化碳碳红红外外仪仪、氧氧探探头头等等进进一一步步控控制制炉炉内内气气氛碳势的方法；氛碳势的方法；6060年年代代，热热处处理理技技术术运运用用了了等等离离子子场场的的作作用用，发发展展了了离离子子渗渗氮、渗碳氮、渗碳工艺工艺 ；激激光光、电电子子束束技技术术的的应应用用，又又使使金金属属获获得得了了新新的的表表面面热热处处理理和化学热处理方法。和化学热处理方法。绪论绪论第一部分第一部分 热处理原理热处理原理加热冷却过程中加热冷却过程中相相的转变的转变 热处理前提热处理前提 一
10、、金属一、金属固态相变固态相变的分类的分类（一）按（一）按原子迁移原子迁移情况情况 （动力学）（动力学）1.扩散型相变扩散型相变：依靠原子或离子的扩散进行；：依靠原子或离子的扩散进行；如同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶转变、共析转变如同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶转变、共析转变 2.非扩散型相变非扩散型相变：原子或离子不发生扩散；：原子或离子不发生扩散；3.半扩散型相变半扩散型相变：半径小的原子或离子发生扩散，半径大：半径小的原子或离子发生扩散，半径大的原子或离子不发生扩散。的原子或离子不发生扩散。第一章第一章 金属金属固态相变固态相变 基础基础 （二）按（二）按平衡状态平衡状态 （热力
11、学）（热力学）1.平衡相变平衡相变 缓慢缓慢加热或冷却加热或冷却 转变符合转变符合平衡相图平衡相图的的规律规律 2.非平衡相变非平衡相变 加热或冷却快加热或冷却快 平衡相图不能反应转变规律平衡相图不能反应转变规律二、二、金属固态相变的一般特征金属固态相变的一般特征 以新相和母相之间的以新相和母相之间的自由能差作为相变的驱动力自由能差作为相变的驱动力。大多。大多数通过数通过形核和长大形核和长大两个过程来完成。两个过程来完成。不同于液相凝固不同于液相凝固的特点：的特点：（一）新相和母相间的一）新相和母相间的界面和界面能界面和界面能 界面能界面能：形成新相界面时，因同类键、异类键的结合强度和数形成新
12、相界面时，因同类键、异类键的结合强度和数量变化引起的量变化引起的化学能化学能，由界面原子的不匹配产生的由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能点阵畸变能l固态相变时，固态相变时，新相与母相的相界面新相与母相的相界面是是两种晶体的界面两种晶体的界面，按，按其相界面上其相界面上原子间匹配程度原子间匹配程度可分为三种可分为三种:共格界面共格界面；半共格界面；半共格界面；非共格界面非共格界面 1.1.共格界面共格界面 原子匹配得好原子匹配得好 界面上能量低界面上能量低 但但 弹性应变能高弹性应变能高 理想的共格界面理想的共格界面-对称孪晶界对称孪晶界实际实际两相两相点阵总有差别点阵总有差别-点阵结构不同（点
13、阵错配）点阵结构不同（点阵错配）或或点阵参数不同点阵参数不同（体积错配）（体积错配）界面附近产生界面附近产生弹性应变弹性应变2.2.半共格界面半共格界面 相界面上产生相界面上产生刃位错刃位错，以降低界面的弹性应变能，以降低界面的弹性应变能界面上两相原子界面上两相原子部分地保持匹配部分地保持匹配相邻晶体在相界面处的相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大晶面间距相差较大错配度错配度大，则弹性应变能大大，则弹性应变能大3.非共格界面非共格界面 两相在相界面处的两相在相界面处的原子排列相差很大原子排列相差很大时，相界面处时，相界面处完完全失配全失配，只能形成非共格界面。，只能形成非共格界面。l固态相变时
14、固态相变时界面能的大小界面能的大小与形成的相界面结构有关与形成的相界面结构有关 非共格界面能非共格界面能 半共格界面能半共格界面能 共格界面能共格界面能 界面结构不同，对新相的形核、长大过程及相变后组织形态界面结构不同，对新相的形核、长大过程及相变后组织形态有很大影响有很大影响(二二)新相晶核与母相间的新相晶核与母相间的晶体学关系晶体学关系 1 1、存在惯习面、存在惯习面 固态相变时，为了固态相变时，为了降低界面能降低界面能和和维持共格关系维持共格关系，新相新相一般一般会在会在母相的一定晶面母相的一定晶面上开始上开始形成形成。与与所生成所生成新相的主平面新相的主平面或主轴或主轴平行平行的的母相
15、晶面母相晶面称为称为惯习面惯习面。例如例如 从从 亚共析钢的粗大亚共析钢的粗大A 中析出中析出F 时，除沿时，除沿A 晶界析出晶界析出外，还沿外，还沿A 的的111面析出，呈魏氏组织，此面析出，呈魏氏组织，此111面面即为即为F的惯习面。的惯习面。M相变时形成的惯习面相变时形成的惯习面1111112 2、有一定的位向关系、有一定的位向关系 l位向关系位向关系：在固态相变：在固态相变时时新相新相的某些低指数晶面、的某些低指数晶面、晶向与晶向与母相母相的某些低指数的某些低指数晶面、晶向平行的关系晶面、晶向平行的关系，即即 hklhkl，lK-SK-S关系关系为为 111/011；l西山关系西山关系
16、为为 111/011；l惯习面的存在惯习面的存在表明新相与母相存在一定的表明新相与母相存在一定的晶体学关系晶体学关系。两相的晶体各自两相的晶体各自相对于惯习面的位向关系相对于惯习面的位向关系是确定的，则是确定的，则它们它们彼此间彼此间的的位向关系位向关系也是确定的也是确定的。l新相和母相常以原子密度大而新相和母相常以原子密度大而彼此匹配较好彼此匹配较好的的低指数低指数晶面晶面和和晶向晶向相互平行相互平行来保持这种位向关系。如来保持这种位向关系。如 AM相变相变 111/011；l 如果界面结构为如果界面结构为非共格非共格时，新、旧相之间时，新、旧相之间无确定无确定的晶体学的晶体学关系。关系。（
17、三）（三）相变阻力大相变阻力大界面能界面能和和应变能应变能均是相变的阻力均是相变的阻力l弹性应变能弹性应变能 相界面原子排列差异引起点阵错配相界面原子排列差异引起点阵错配（共格应变能共格应变能）新相形成时的体积变化体积错配新相形成时的体积变化体积错配 （比容差应变能比容差应变能）l固态相变时固态相变时界面能界面能的大小的大小与形成的与形成的相界面结构相界面结构有关。有关。非共格界面的界面能非共格界面的界面能半共格界面能半共格界面能共格界面能共格界面能 点阵错配对应变能的影响点阵错配对应变能的影响 共格界面共格界面应变能应变能 半共格半共格应变能应变能非共格界面非共格界面应变能应变能(为零为零)
18、过冷度大过冷度大，新相，新相临界晶核临界晶核小小、多，新相、多，新相表面积大表面积大，则界面能增大占主要，则界面能增大占主要地位。这时地位。这时两相两相倾向于形成倾向于形成共格或半共格界面共格或半共格界面，以降低界面能。但要，以降低界面能。但要使使界面能的降低界面能的降低足以超过足以超过由于形成共格或半共格界面所引起的由于形成共格或半共格界面所引起的应变能的增应变能的增加加，则必须降低应变能则必须降低应变能，故，故新相倾向于形成新相倾向于形成薄片状薄片状（或盘状）（或盘状）。过冷度很小时过冷度很小时，新相，新相临界晶核临界晶核大大，新相，新相表面积小表面积小，则减小界面能占次要，则减小界面能占
19、次要地位，这时地位，这时两相倾向于形成非共格界面，两相倾向于形成非共格界面，以减小应变能。此时，若两相以减小应变能。此时，若两相比容差小，新相倾向于比容差小，新相倾向于球状球状以降低界面能；形成若两相比容差大，新相以降低界面能；形成若两相比容差大，新相倾向于形成倾向于形成针状针状以兼顾降低界面能和比容差应变能以兼顾降低界面能和比容差应变能l非共格界面的界面能非共格界面的界面能半共格界面能半共格界面能共格界面能共格界面能l共格界面共格界面应变能应变能 半共格界面半共格界面应变能应变能非共格界面非共格界面应变能应变能(为零为零)u相变阻力中，应变能与界面能何者为主视具体条件而定，也相变阻力中，应变
20、能与界面能何者为主视具体条件而定，也由此影响新相的形状由此影响新相的形状（四）（四）晶体缺陷晶体缺陷 l晶态固体中的晶态固体中的空位、位错、晶界等空位、位错、晶界等缺陷周围，缺陷周围，新相新相极易极易在这些位置在这些位置非均匀形核非均匀形核。因缺陷区域能量起伏、结构起伏、成分起伏大；因缺陷区域能量起伏、结构起伏、成分起伏大；在区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，形在区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，形变应力也容易松弛变应力也容易松弛l对晶核的长大过程也有一定的影响。对晶核的长大过程也有一定的影响。金属固态相变的一般特征金属固态相变的一般特征（一）新相和母相间的（一）新相和母相间的
21、界面和界面能界面和界面能（二）新相晶核与母相间存在一定的（二）新相晶核与母相间存在一定的晶体学关系晶体学关系（三）（三）相变阻力大相变阻力大（四）（四）晶体缺陷晶体缺陷处新相优先形成处新相优先形成三、三、固态相变时的形核固态相变时的形核 1.1.均匀形核均匀形核 晶核在晶核在母相中无择优地均匀分布母相中无择优地均匀分布l驱动力驱动力为：新旧相自由能差为：新旧相自由能差系统自由能总变化为：系统自由能总变化为：自由能差（负）自由能差（负）界面能界面能弹性应变能弹性应变能l阻力阻力为为界面能界面能和和弹性应变能弹性应变能1）、Gs的的减小减小，均使形核功降低，从而有利于形核。，均使形核功降低，从而有
22、利于形核。2）若新相）若新相/母相的界面为母相的界面为共格或半共格界面共格或半共格界面，由于界面能较，由于界面能较低，低，影响形核功的影响形核功的主要因素为新相的应变能主要因素为新相的应变能。为降低应变。为降低应变能，能，新相趋向于呈片状或针状。新相趋向于呈片状或针状。3）若新相）若新相/母相的界面为母相的界面为非共格界面非共格界面，由于界面能较高，由于界面能较高，影影响形核功的响形核功的主要因素为新相主要因素为新相/母相界面面积母相界面面积。为减小界面面。为减小界面面积，积，新相趋向于呈球状。新相趋向于呈球状。4）由于固态相变时，）由于固态相变时，相变阻力较大相变阻力较大，为减小形核功，为减
23、小形核功，需使新需使新相和母相间的自由能差增大相和母相间的自由能差增大，这就需要增加相变的过冷度，这就需要增加相变的过冷度，所以所以固态相变时的过冷度均较大固态相变时的过冷度均较大，如：无扩散相变时过冷，如：无扩散相变时过冷度甚至达到了几百度。度甚至达到了几百度。2.2.非均匀形核非均匀形核 （1 1）晶界形核）晶界形核 （2 2）位错形核位错形核 （3 3）空位空位对形核的促进作用对形核的促进作用 v位错线消失释放能量，降低成核功位错线消失释放能量，降低成核功v成为半共格界面中的位错成为半共格界面中的位错v溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分v短路
24、扩散作用短路扩散作用v释放能量提供释放能量提供成核驱动力成核驱动力v聚集成位错促进形核聚集成位错促进形核四、新相的长大四、新相的长大新相晶核一旦形成后，将按照其自身相变的需要，采取一新相晶核一旦形成后，将按照其自身相变的需要，采取一定的方式长大。定的方式长大。若若新相的成分不同于母相新相的成分不同于母相，则其长大的过程必然伴随原子，则其长大的过程必然伴随原子的迁移。扩散型相变的迁移。扩散型相变-珠光体相变、脱溶分解、贝氏体相珠光体相变、脱溶分解、贝氏体相变等均在变等均在结构改变结构改变的同时伴有这种的同时伴有这种传质过程。传质过程。若若新相成分与母相的相同新相成分与母相的相同，例如马氏体相变，
25、则只需，例如马氏体相变，则只需结构结构改变改变，而无需原子的迁移。，而无需原子的迁移。从从FeFeFeFe3 3C C状状态态图图可可知知，珠珠光光体体被被加加热热到到A A1 1（727727）以以上上时时将将转转变变为为奥奥氏体。氏体。第二章第二章 钢钢在加热时的转变在加热时的转变 2-1 奥氏体的结构、组织和性能奥氏体的结构、组织和性能1、奥氏体的结构、奥氏体的结构 奥奥氏氏体体是是碳碳溶溶于于-Fe所所形形成成的的固固溶溶体体。在在合合金金钢钢中中，除了碳原子外，溶于除了碳原子外，溶于-Fe中的还有合金元素原子。中的还有合金元素原子。（1）碳原子在点阵中的位置与分布）碳原子在点阵中的位
26、置与分布X-rayX-ray结结构构分分析析证证明明，碳碳原原子子位位于于-Fe八八面面体体间间隙隙（r r0.52）位位置置中中心心，即即面面心心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点。立方点阵晶胞的中心或棱边的中点。碳碳原原子子的的半半径径0.77，溶溶入入将将使使八八面面体体发发生生膨膨胀胀，使使周周围围的的八八面面体体中中心心的的间间隙隙减减小小，故故不是所有八面体都能容纳不是所有八面体都能容纳C C原子原子碳碳原原子子在在奥奥氏氏体体的的分分布布是是不不均均匀匀的的，存存在在着着浓浓度度起起伏伏。奥奥氏体中碳的分布是呈统计均匀氏体中碳的分布是呈统计均匀.在在含含碳碳0.85%0.85%的的奥
27、奥氏氏体体中中可可能能存存在在大大量量比比平平均均碳碳浓浓度度高高八倍的微区八倍的微区（2 2）碳含量与点阵常数的关系）碳含量与点阵常数的关系l 碳原子的溶入使的碳原子的溶入使的-Fe点阵发生畸变，点点阵发生畸变，点阵阵常数增大。常数增大。l 溶入的碳愈多，点阵常数愈大。溶入的碳愈多，点阵常数愈大。奥氏体点阵常数与碳含量的奥氏体点阵常数与碳含量的关系关系 2 2、奥氏体的组织、奥氏体的组织 在在一一般般的的情情况况下下奥奥氏氏体体的的组组织织是是由由多多边边形形的的等等轴轴晶晶粒粒所所组成，在晶粒内部有时可以看到组成，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶相变孪晶。奥氏体显微组织奥氏体显微组织（晶内有
28、孪晶）（晶内有孪晶）3 3、奥氏体的性能、奥氏体的性能 Fe-C合合金金中中的的奥奥氏氏体体在在室室温温下下是是不不稳稳定定相相。但但Fe-C合合金金中中加加入入足足够够数数量量的的能能扩扩大大相相区区的的元元素素（Ni，Mn），可可使使奥奥氏氏体体在在室室温温，甚甚至至在在低低温成为稳定相。温成为稳定相。l 以奥氏体状态使用的钢称为以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。奥氏体钢。（1 1）磁性）磁性 奥氏体具有顺磁性，故奥氏体钢又可作为奥氏体具有顺磁性，故奥氏体钢又可作为无磁钢无磁钢。（2）比容）比容 在在钢钢的的各各种种组组织织中中，奥奥氏氏体体的的比比容容最最小小。可可利利用用这这一一点点调
29、调整整残残余余奥奥氏体的量，以达到减少淬火工件体积变化的目的。氏体的量，以达到减少淬火工件体积变化的目的。（3 3）膨胀）膨胀 奥奥氏氏体体的的线线膨膨胀胀系系数数比比铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体的的平平均均线线膨膨胀胀系系数数高高出出约约一一倍。故倍。故奥氏体钢也可被用来制作要求奥氏体钢也可被用来制作要求热膨胀灵敏热膨胀灵敏的仪表元件的仪表元件。（4 4）导热性）导热性 除除渗渗碳碳体体外外，奥奥氏氏体体的的导导热热性性最最差差。因因此此，为为避避免免热热应应力力引引起起的的工工件变形，件变形，奥氏体钢奥氏体钢不可不可采用采用过大的加热速度过大的加热速度加热加热。（5 5）力学性能）力学性能 具有具有高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成形高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成形。面面心心立立方方点点阵阵是是一一种种最最密密排排的的点点阵阵结结构构，致致密密度度高高，其其中中铁铁原原子子的的自自扩扩散散激激活活能能大大，扩扩散散系系数数小小，从从而而使使其其热热强强性性好好。故故奥奥氏氏体体钢钢可可作作为为高高温用钢温用钢演讲完毕，谢谢观看！