1、1金属材料与热处理一、金属材料及热处理（一）硬度：是指金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力。HB 钢球印痕面积法=2P D(D- )（单位面积上的力） ；dD2HB450 时不能用布氏方法；不能测太薄的金属 10h (压坑深度)；HRC 测量淬火回火后的工件 （120 o 金钢锥） ；HRB 测量较软的退火件 铜、铝 （1.588mm 钢球） ；HRA 测量硬度很高或硬而薄的金属，如硬质合金表面处理工件等（120 o 金钢锥） ；B 60230HB 1.588mm P:10+90Kg 25100 HRBC 230700 HB 10+140Kg 2067 HRCA 700 HB120o 金钢锥10
2、+50Kg 70 HRAHR=k-h/0.002；H 压痕深度（mm） ；K 常数，用钢球时为 130，用金钢石时为 100；0.002 为压痕深，每 0.002 为洛氏硬度一度；高硬度时 HRC 1/10HB；HV 用顶角为 136o 金刚石四方角锥体，根据被测工件越薄，选用越小载荷;5、10、20、30、50、100、和 120Kg；HV=1.8544P/d2(1 公斤/mm2)；HV 可测量很薄的工件和渗碳层、氮化层、氰化层硬度。（二）强度：指材料抵抗外力作用而不被破坏的一种能力。 b =Pb/F0; s=PS/F0; 0.2 产生 0.2%永久变型量时的强度。（三）塑性：指材料发生永久
3、变形而不被破坏的一种能力。 伸长率：断裂的长度增加量与原长度之比。（L 1-L0）/L 0100 断面收缩率：拉断的横截面积减小量与试样原来横截面积之比，百分数。 硬度与强度的近似关系：轧制或锻钢件 b（0.34-0.36）HB铸钢件 b（0.30.4）HB灰口铸铁件 b（HB-40）/62（四）韧性：指材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的一种能力。冲击韧性 ak=Ak/F(1 公斤米/厘米 2);脆性与韧性相反，脆性材料的破坏是突然发生，没有显著变形，断口处很明亮并有金属光泽。而韧性材料的破坏都有预兆，并且断口呈灰色纤维状。如 M24 螺栓断裂表面呈灰色纤维状，说明有一定韧性。材料晶粒越细，a
4、k 值越高。二、热处理基础知识 原子顺续排列的状态叫晶体，晶体颗粒组合在一起组织金属材料。晶粒之间的结合面叫晶界。 晶粒有体心立方晶格和面心立方晶格，晶格是组成晶粒的最小单元。 体心立方体晶格的 8 个顶点各有一个原子，中心一个原子。 面心立方体 晶格的 8 个顶点和 6 个平面各有一个原子。 体心立方晶格组织材料较硬，抗力较大，不易锻造。如 Cr、W 、Mo、Mn、V、Fe（常温铁） 。 面心立方晶格较软，易变形如 Al、Cu、Ni、Pb、Fe （奥氏体）3 晶粒大小（或称粗细）会直接影响到钢材的质量，晶粒愈细小，钢材的性能越好，晶粒愈粗大，钢材的性能就愈差，特别是 ak 就愈低。正火、淬火
5、温度控制就是为细化晶粒。此外，细晶粒的钢材在热处理淬火加热与冷却时，引起变形与开裂的倾向也小的多，所以细化晶粒的预先热处理是最终热处理的必备工序。 具有体心立方晶格的纯铁叫 Fe; 面心立方晶格的纯铁叫 Fe; Fe 和 Fe 在 910oC 时发生较变； 纯铁在 770oC 以下具有磁性，770 oC 以上没有磁性。 三、名词：1、固溶体：固态下溶解有其它元素的组织叫做“固溶体” （Fe 和 Fe 对 C 的溶解能力是大小不一样的）2、铁素体：就是碳在 Fe 中的固溶体。室温下可溶解 0.006的碳，723 oC 时可溶解达到最大值 0.025。3、奥氏体：就是碳在 Fe 中间隙式的固溶体。
6、由于 Fe 的原子间的空隙较大， 723oC 时可溶解碳量为 0.8（共析钢） ，1130 oC 溶解量达到最大值2。4、渗碳体：即 Fe3C（碳化铁） ，Fe:C=3:1(原子数比 )，具有复杂的晶格结构的化合物称为渗碳体，渗碳体中含碳量为 6.67，其溶解度不随温度的变化（化合物） 。熔点 1600oC 左右，硬度很高;HB800 ，很耐磨，但很脆，渗碳体和铁素体混合在一起就是常用的钢材，随含碳量的增高，硬度强度增高，a k 下降。加入合金元素形成合金碳化物，其硬度还会更高，如碳化钨（WC）碳化钛（TiC）等。5、珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体两者所组成的机械混合物，他存在于 723oC
7、以下，是铁素体与渗碳体一层一层交替分布着，显微镜下白亮呈片状为渗碳体中间较宽的白色间隔层为铁素体。这种组织显出珍珠表面相似的纹路和光泽，所以称珠光体。纯珠光体含碳量为 0.8%（共析钢） 。粗片状铁素体加粗片状渗碳体叫珠光体，等温转变 670723度 HB170250（HRC 0-24）通过热处理方法（加热到 Ac1 线略高保温时间长）可以获得一种渗碳体呈颗粒状分布在铁素体基体上的组织，这种组织叫做粒状（或球状）珠光体，以改善加工性能和热处理变形开裂性能。46、网状渗碳体：过共析钢在 Acm 线以下奥氏体中析出的渗碳体分布在奥氏体晶界上或降到 A1 线以下渗碳体固化在珠光体晶界上即呈网状分布。
8、7、索氏体：在等温转变 C 形线鼻尖所得到的较细片状铁素体+较细片状渗碳体叫之索氏体。等温转变温度 600670 oC（珠光体的一种）HB250320，HRC24 32。8、屈氏体：同上是珠光体的一种，更细片状铁素体+更细片状渗碳体叫之为屈氏体，形成温度 600550 oC。HB330400（HRC32 38 ） 。珠光体、索氏体、屈氏体、都属珠光体只是粗细不同，性能上有差异。9、上贝氏体：铁素体形成密集面相互平行的扁片渗碳体呈短片状断断续续地分布在铁素体片层之间，上贝氏体在显微镜下呈羽毛形态，HRC45 左右，形成温度 500400oC。10、下贝氏体：铁素体形成针状，极为细小的渗碳体质点呈
9、弥散状分布在针状铁素体内，呈黑色针状显微形态。HRC55 左右，形成温度 230400oC。11、马氏体：奥氏体快速冷却不触及 C 形线鼻尖直接降到 230oC 以下（共析钢） ，即低于 Ms，Fe 转变为 Fe，碳原子全部被保留在 Fe 中，形成一种过饱和的固溶体组织，这就是马氏体。这种转变也称非扩散形转变。马氏体金相显微组织呈针状，黑色针状物为马氏体，白色基体称为残余奥氏体。性能十分脆硬。HB 可达 600700（HRC60 65） 。淬火即可获得这种组织。硬度取决于 C 含量，低 C 钢淬不硬，含 C 量高于 0.8，硬度几乎不再增加了。马氏体的转变随 C 含量增高而降低含碳量 0.5时
10、 Mz 约 0oC，Ms290 oC 随着含 C 增 Ms 下降，C 量小于 0.8时 Mz 也随 C 而下降，0.9 以上时 Mz 在-100 oC 附近下降不大。奥氏体向马氏体的转变有一个很大的特点：奥氏体不能百分之百转化为马氏体总有较少的奥氏保留下来，称保留下来的为残氏奥氏体。因奥氏体为 Fe 面心产方晶格，比容（单位重量的体积）较小，约只有 0.1220.125，而马氏体为 Fe 过饱和固溶体，比容较大，约有 0.1270.130，可见，在转变过程中，在马氏体形成的同时还伴随着体积的膨胀，从而会对尚未转变的奥氏体造成一内压力，合使其不易发生向马氏体的转变而被保留下来。Ms Mz 点越低
11、剩余奥氏体量也就越多。12、过冷奥氏体：低于 A1 线温度状态下存在的奥氏体， C 形曲线鼻尖温度处的过冷奥氏体最不稳定，最容易发生分解。13、晶粒度：晶粒度就是用来表示晶粒大小的尺度，共分为 8 级;冶金部规定标准测定方法将制成的试样在放大 100 倍的显微镜下观察与标准晶粒度作比较以确定实际晶粒的大小。凡在 14 级者为粗晶粒钢，58 级者为细晶粒钢。粗晶粒钢温度、韧性等变坏，所以热处理时加热温度不能过高，时间不能过长，防止晶粒过大。5第二讲14 退火：就是将钢加热到 Ac3 线（过共析钢为 A1 线）以上，保温一定时间为工件厚度（ ）小时 ，合金钢（ ）小时，随炉冷却，得到铁素体加珠m2
12、5 m20光体（亚共析） ，珠光体（共析钢） ，渗碳体加珠光体（过共析钢）的方法，降低硬度，提高塑性，改善压力和切削性能。15、正火：就是将钢加热到 Ac3 线和 Acm 以上 3050 oC，保温后出炉空冷，分别得到铁素体加索氏体、索氏体，有细化晶粒、调整组织、削除前道铸造、锻造冷加工产生的缺陷，作为预先热处理作用。提高钢材加工性能（最好 HB200250 时）提高加工面光洁度，不粘刀，加工表面光滑。比如管路密封胶圈结合面，O 型圈沟槽，缸、泵接口平面。16、等温退火：钢加热到 Ac3 以上 30-50oC,保温后较快冷却到略低于 Ar1 的温度（或转入略低于 Ar1 的炉中）在此温度下奥氏
13、体金部转变完成，主要用于合金钢退火。17、球化退火：目的在于过共析钢得到球状珠光体，便于加工，也是热处理的前处理。球化退火的工艺是加热到温度略高于 Ac1 以上 1020 oC，保温后缓慢冷却到略低于Ar1 的温度并停留一段时间，使组织转变全部完成，然后冷至 500oC 以下再空冷。加热温度超过 Ac1 越高，则冷却以后得到的片状珠光体会愈多。若超过 Acm 时，则冷却下来所得到的全部为片状珠光体。球化退火所以能形成球状珠光体，是因为钢在加热到略高于 Ac1 时呈现一不均匀的组织。即除了奥氏体的浓度不均匀外，还有大量未溶解的渗碳体存在。其中片状渗碳体在较长时间的保温过程中会自发地趋于球状（因后
14、者最为稳定） 。当钢随后冷却下来时，由奥氏体分解而形成的 Fe3C 也逐渐球状化因而最终便获得在铁素体基体上分布着许多颗粒状渗碳体，这就是球状珠光体。18、低温退火：为消除铸、锻、焊接、切削冷冲压过程的内应力，缓慢速度加热到6500650 oC，经适当保温，再缓冷下来的过程，又叫去应力退火。钢的显微组织不发生改变。19、淬火：将钢加热到 Ac3 线或 Ac1 线上 3050 oC，保温一段时间（均匀化）快速冷却下来，以得到高硬度马氏体组织的方法。细晶粒奥氏体得到细晶粒马氏体组织。过共析钢有网状 Fe3C 时，应先正火细化晶粒再淬火。合金钢加热温度相对较高。20、显微裂纹：工件淬火后得到马氏体组
15、织，此时的组织中存在着极大的内应力，如果不及时回火，则会由于淬火应力的作用容易在工件内部产生显微裂纹，严重时会导致工件的脆性增大而开裂。21、回火：工件淬火后一般都要进行回火，淬火后得到马氏体性能很脆，并存在很大应力，不及时予以回火，时间久了可能会引起工件发生开裂，回火就是将淬火后的工件重新加热到A1 以下某温度保温一段时间，然后取出工件以一定的方式冷却下来。22、回火马氏体（低温回火）：马氏体是一种过饱和 Fe 固溶体，从室温加热到300oC 左右，随着升温原子活力增加，C 原子开始以某种碳化物的形式从马氏体中析出，因温度不高，析出的碳化物未全部脱离原马氏体组织，仍处在一定的过饱和状态，这种
16、组织称为回火马氏体。对硬度影响不大，但内应力清除了一部分。23、第一类回火脆性：马氏体中 C 的过饱和度大时，淬火后内存较多的残余奥氏体，大约在 250350 oC 时，残余奥氏体也发生向较为稳定的回火马氏体转变，转变的结果可使硬度有增加（12HRC） ，这种现象在高碳钢中尤为明显，与此同时冲击韧性却略有下7降，称为第一类回火脆性。24、第二类回火脆性：主要发生在合金钢 450650 oC 含 Cr、Ni、Mn、Si 等; 在此温度回火后进行缓冷时，有极其细小的片状硬脆物。如：碳化物、氮化物、或磷化物沿铁素体晶界析出所致。快速冷却会使溶于铁素体中的硬脆物来不及析出。随温度升高， k 提高是因所
17、析出的化合物球化的结果。我们常用的 40Cr 有二类回火脆性的倾向，一般谈到回火脆性主要指第二类回火脆性。生产中防止回火脆性的方法主要有： 回火后进行快速冷却（油或水冷）为消除重新产生的热应力，则在回火后可再进行一次温度低于发生回火脆性温度的补充回火。 加入少量防止回火脆性的合金元素 Mo 和 W 等。25、中温回火屈氏体：将马氏体回热到 300400oC 左右，过饱和的 C 原子析出与铁原子结合生成颗粒状碳化物，马氏体组织中碳浓度减少，晶格改组转变成铁素体组织，形成由极细小的颗粒状渗碳体分布在铁素体基体上这种机械混合物称之为回火屈氏体。26、高温回火索氏体：马氏体加热到 400650 oC
18、左右细小 Fe3C 颗粒聚集成较大颗粒（自发合并长大）得到较大渗碳体与铁素体所组成的机械化合物。这种组织叫回火索氏体，强度、硬度降低，塑性、韧性增加。与正火索氏体相比，渗碳体呈球状而不是呈片状。27、魏氏体组织：铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内，使钢材的塑性和韧性大大下降（Fe 从 P 中析出时未形成清晰的晶界，冷却凝固成的组织）28、莱氏体：Y A+Fe3C L(P+Fe3C + Fe3C )29、一次渗碳体Fe3C ：过共析钢从液体转变为 A+Fe3C 时的 Fe3C 叫一次渗碳体。30、二次渗碳体Fe3C ：随温度降低，从 A 中析出的 Fe3C 叫8二次渗碳体 Fe3C 。31、三
19、次渗碳体 Fe3C ：含碳量小于 0.02的铁素体，温度降到 PQ 线以下时，析出的渗碳体叫三次渗碳体 Fe3C32、淬透性：材料淬火能够得到淬透层深度的能力称为“淬透性” ，与化学成分和尺寸有关。33、淬透深度：是指由钢的表面测量到马氏体占 50，珠光体占 50的组织深度。34、淬硬性：钢经过淬火后得到的最大硬度值，含 C 越高淬硬性越大，反之越小。一、 钢的加热与冷却 基本组织（一）加热温度与奥氏体的晶粒度当共析钢加热到 Ac1 亚共析钢加热到 Ac3，过共析钢加热到 Acm 线以上不多时，便产生了室温时的珠光体，全部转变成为奥氏体组织，此时钢形成的奥氏体的起始晶粒是很细小的，它与转变前原
20、来珠光体组织晶粒的大小无关，如果此时的细晶粒的奥氏体再冷却下来，则所得到的转变产物珠光体，索氏体、屈氏体或马氏体的晶粒也必须是细小的，这就是说，高温奥氏体（高于转变线温度的 A）晶粒的大小，决定了转变的产物的晶粒的大小，而与以后工件的水冷、油冷、空冷的等方式无关；对得到什么金相组织与冷却速度，冷却相变温度有关。亚共析钢和过共析钢在加热到Ac1 以上不多时，室温时的珠光体全部转化为细小晶粒的奥氏体 A。与共析钢不同的是在 Ac1 以上继续加热时，亚共析钢铁素体和过共析钢中的渗碳体 Fe3C 逐步溶解到奥氏体组织去，不过溶解过程并不影响奥氏体 A 晶粒的大小，直到 Ac3 以上不多时，Fe 和 F
21、e3C 全部溶入 A 中，A 仍能保持细小的晶粒，所以热处理加热温度均为 Ac1 或 Ac3 以上3050。当加热温度继续升了，经过Ac3 或 Acm 以上很多时，及保温时的不恰当延长，均会促使奥氏体 A 晶粒的长大，这种“ 长大 ”经过是靠大晶粒吞并（或聚集）小晶粒来实现的，粗大的 A 晶粒在以后冷却下来时会得到是粗大晶粒的转变产物，从而使钢的性能，特别是 k 值显著下降，引起淬9火过程中变型与开裂倾向也增大，这种由于加热温度过高，引起 A 晶粒粗大的现象称为“过热”，一旦产生这种情况，可采用重新退火或正火，控制最高加热温度加 m 消除；若加热温度更高（接近于固相线 AE 线）这时不只是晶粒
22、的粗大，而且还会造成 A 体晶粒边界严重氧化和低熔点组成物的溶化。 （如 FeS 熔点 985） ，破坏了晶粒间的相互联系，以致使工件报废，这种现象称作“过烧” 或叫“烧毁”。钢材的晶粒度分为 18 级 YB2764。规定，加热到 930奥氏体的晶粒度分线，测定方法是将制成试样在放大 100 倍的显微镜下观察，并与标准晶粒度做比较，以确定 A 氏体实际晶粒大小，因 A 晶粒度决定了室温组织的晶粒度，所以以室温样块作对照；有两种分发一可认为 13 级为粗晶粒，46 级为中等晶粒，78 级为细晶粒，在评定钢材时一般加热到 930时，具有 14 级晶粒的称为“本质粗晶粒钢” 而 58 级晶粒度的称为
23、本质细晶粒钢，增加合金元素可以调整同种加热温度的钢材晶粒度。（二）碳及合金元素对加热转变的影响在加热亚共析或过共析钢时，其奥氏体的形成过程是在珠光体 P 转变成 A 的还有铁素体 Fe 或二次渗碳体继续向 A 转变或溶解的过程。合金元素对奥氏体形成的影响，大致归纳为如下两点：（1）除个别合金元素如 Mn、Ni 造成临界点降低处， TiMo、W、SiCr 由强至弱，均在不同程度上提高了钢的临界点 Ac1、Ac3 、Acm。（2）除 CO 等外，大多数合金元素都会减慢碳在 A 中的扩散速度也较小，所以温度较高外必须进行较长的保温时间，或采取二次加热。（3）碳及合金元素对 A 晶粒的影响a、共析钢加
24、热时 A 晶粒最易长大。b、过共析钢加热到 Ac1 以上不太高时由于大量二次 Fe3CII 的存在，可以得到比较细的晶粒。c、各种合金钢中，除了个别合金元素如：Mn、P 等外，大多数合金元素使钢不同程度的细化，尤其是强烈形成碳化物的元素 Ti、V、Al、Nb、W、Mo 、Cr 由强到弱，均能阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，原因是合金元素在钢中形成难于溶解于 A 的碳化物及氮化物分布在 A 的晶界上，会阻止 A 晶粒长大，影响较弱的元素 Si 和 Ni，只有 Mn 元素起到促进奥氏体晶粒长大，Ti、V、Al 常作为细化晶粒元素加入钢中，减少加热时的过热倾向。因此，合金钢淬火加热温度稍高，仍可获得细晶粒奥氏体，只有锰钢热敏感性较大，应选择较低的淬火加热温度。（三）钢在高温 A 状态冷却转变（1）铁碳图、C 形线、自热冷却转变的几个图表。10铁碳合金平衡图
