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热处理原理

金属热处理

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。

公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。

随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。

1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。

1850～1880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。

二十世纪以来，金属物理的发展和其它新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显着的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。

金属热处理的工艺

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。

加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。

金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。

加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。

金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。

整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在

空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。

把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。

表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。

化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。

热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。

例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。

钢的分类

钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 。钢是经济建设中极为重要的金属材料。

钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。与碳钢比，合金钢的性能有显着的提高，故应用日益广泛。

由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类。按钢材的用途、化学成分、质量的不同，可将钢分为许多类：

一．按用途分类

按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。

结构钢：1.用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。

2．用作工程结构的钢。它包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。

工具钢：用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。

特殊性能钢：是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。

二．按化学成分分类

按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。

碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量≤0.25%）；中碳钢（0.25%＜含碳量＜0.6%）；高碳钢（含碳量≥0.6%）。

合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量≤5%）；中合金钢（合金元素总含量=5%--10%）；高合金钢（合金元素总含量＞10%）。此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。

三．按质量分类

按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0.050%）；优质钢（磷、硫含量均≤0.040%）；高级优质钢（含磷量≤0.035%、含硫量≤0.030%）。

此外，还有按冶炼炉的种类，将钢分为平炉钢（酸性平炉、碱性平炉），空气转炉钢（酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢）与电炉钢。按冶炼时脱氧程度，将钢分为沸腾钢（脱氧不完全），镇静钢（脱氧比较完全）及半镇静钢。

钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。

金属材料的机械性能

金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。

在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。

金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。

1．强度

强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标。

2．塑性

塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。

3．硬度

硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。

常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。

4．疲劳

前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指标。实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。

5．冲击韧性

以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。

退火--淬火--回火

退火---淬火---回火

一．退火的种类

1．完全退火和等温退火

完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。

2．球化退火

球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具，量具，模具所用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。

3．去应力退火

去应力退火又称低温退火（或高温回火），这种退火主要用来消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。

二．淬火时，最常用的冷却介质是盐水，水和油。盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，但却易使工件变形严重，甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。

三．钢回火的目的

1．降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。2．获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。

3．稳定工件尺寸

4．对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。

常用炉型的选择

炉型的选择

炉型应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定

1．对于不能成批定型生产的，工件大小不相等的，种类较多的，要求工艺上具有通用性、

多用性的，可选用箱式炉。

2．加热长轴类及长的丝杆，管子等工件时，可选用深井式电炉。

3．小批量的渗碳零件，可选用井式气体渗碳炉。

4．对于大批量的汽车、拖拉机齿轮等零件的生产可选连续式渗碳生产线或箱式多用炉。

5．对冲压件板材坯料的加热大批量生产时，最好选用滚动炉，辊底炉。

6．对成批的定型零件，生产上可选用推杆式或传送带式电阻炉（推杆炉或铸带炉）

7．小型机械零件如：螺钉，螺母等可选用振底式炉或网带式炉。

8．钢球及滚柱热处理可选用内螺旋的回转管炉。

9．有色金属锭坯在大批量生产时可用推杆式炉，而对有色金属小零件及材料可用空气循环加热炉。

加热缺陷及控制

一、过热现象

我们知道热处理过程中加热过热最易导致奥氏体晶粒的粗大，使零件的机械性能下降。

1.一般过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料（常为不懂工艺发生的）。过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏化使晶粒细化。

2.断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。产生断口遗传的理论争议较多，一般认为曾因加热温度过高而使MnS之类的杂物溶入奥氏体并富集于晶界面，而冷却时这些夹杂物又会沿晶界面析出，受冲击时易沿粗大奥氏体晶界断裂。

3.粗大组织的遗传：有粗大马氏体、贝氏体、魏氏体组织的钢件重新奥氏化时，以慢速加热到常规的淬火温度，甚至再低一些，其奥氏体晶粒仍然是粗大的，这种现象称为组织遗传性。要消除粗大组织的遗传性，可采用中间退火或多次高温回火处理。

二、过烧现象

加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧。钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，只能报废。因此在工作中要避免过烧的发生。

三、脱碳和氧化

钢在加热时，表层的碳与介质（或气氛）中的氧、氢、二氧化碳及水蒸气等发生反应，降低了表层碳浓度称为脱碳，脱碳钢淬火后表面硬度、疲劳强度及耐磨性降低，而且表面形成残余拉应力易形成表面网状裂纹。

加热时，钢表层的铁及合金与元素与介质（或气氛）中的氧、二氧化碳、水蒸气等发生反应生成氧化物膜的现象称为氧化。高温（一般570度以上）工件氧化后尺寸精度和表面光亮度恶化，具有氧化膜的淬透性差的钢件易出现淬火软点。

为了防止氧化和减少脱碳的措施有：工件表面涂料，用不锈钢箔包装密封加热、采用盐浴炉加热、采用保护气氛加热（如净化后的惰性气体、控制炉内碳势）、火焰燃烧炉（使炉气呈还原性）

四、氢脆现象

高强度钢在富氢气氛中加热时出现塑性和韧性降低的现象称为氢脆。出现氢脆的工件通过除氢处理（如回火、时效等）也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。

当然，实际工作中有人利用此现象来为人服务（如合金的粉碎处理等）

几种常见的热处理概念

几种常见热处理概念

1．正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

2．退火annealing：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺

3．固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺

4．时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。

5．固溶处理：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型

6．时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度

7．淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺

8．回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺

9．钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化，目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较为广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

10．调质处理quenching and tempering：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200—350之间。

11．钎焊：用钎料将两种工件粘合在一起的热处理工艺

回火的种类及应用

根据工件性能要求的不同，按其回火温度的不同，可将回火分为以下几种：

（一）低温回火（150－250度）

低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为HRC58－64。

（二）中温回火（350－500度）

中温回火所得组织为回火屈氏体。其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。因此，它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为HRC35－50。

（三）高温回火（500－650度）

高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200－330。

气氛与金属的化学反应

一．气氛与钢铁的化学反应

1. 氧化

2Fe＋O2→2FeO

Fe＋H2O→FeO＋H2

FeC＋CO2→Fe＋2CO

2. 还原

FeO＋H2→Fe＋H2O FeO＋CO→Fe＋O2

3. 渗碳

2CO→［C］＋CO2

Fe＋［C］→FeC

CH4→［C］＋2H2

4.渗氮

2NH3→2［N］＋3H2

Fe＋［N］→FeN

二．各种气氛对金属的作用

氮气：在≥1000度时会与Cr,CO,Al.Ti反应

氢气：可使铜，镍，铁，钨还原。当氢气中的水含量达到百分之0.2—0.3时，会使钢脱碳

水：≥800度时，使铁、钢氧化脱碳，与铜不反应

一氧化碳：其还原性与氢气相似，可使钢渗碳

三．各类气氛对电阻组件的影响

镍铬丝，铁铬铝：含硫气氛对电阻丝有害

黄铜的热处理

普通黄铜是铜-锌合金，按其组织可分简单黄铜（也称а黄铜），ω(Cu)为100%-62.4%，和两相黄铜（а+β

黄铜），ω(Cu)为56.5%-62.4%。Zn在Cu中的固溶度随湿度降低而增大，故无热处理强化效果。经常采用退火处理来改判黄铜的冷加工性能。黄铜关成品退火后的力学性能及冷变形性能主要取决于晶粒尺寸大小。黄铜冷加工

钢的氮化及碳氮共渗

钢的氮化（气体氮化）

概念：氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。

它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。

氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行。适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴），高速柴油机曲轴、阀门等。

氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。

由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。

钢在氮化后，不再需要进行淬火便具有很高的表面硬度大于HV850）及耐磨性。

氮化处理温度低，变形很小，它与渗碳、感应表面淬火相比，变形小得多

钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上碳氮共渗又称作氰化。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较是广。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度，低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

铍青铜的热处理

铍青铜是一种用途极广的沉淀硬化型合金。经固溶及时效处理后，强度可达1250-1500MPa(1250-1500公斤)。其热处理特点是：固溶处理后具有良好的塑性，可进行冷加工变形。但再进行时效处理后，却具有极好的弹性极限，同时硬度、强度也得到提高。

（1）铍青铜的固溶处理

一般固溶处理的加热温度在780-820℃之间，对用作弹性组件的材料，采用760-780℃，主要是防止晶粒粗大影响强度。固溶处理炉温均匀度应严格控制在±5℃。保温时间一般可按1小时/25mm计算，铍青铜在空气或氧化性气氛中进行固溶加热处理时，表面会形成氧化膜。虽然对时效强化后的力学性能影响不大，但会影响其冷加工时工模具的使用寿命。为避免氧化应在真空炉或氨分解、惰性气体、还原性气氛（如氢气、一氧化碳等）中加热，从而获得光亮的热处理效果。此外，还要注意尽量缩短转移时间（此淬水时），否则会影响时效后的机械性能。薄形材料不得超过3秒,一般零件不超过5秒。淬火介质一般采用水（无加热的要求），当然形状复杂的零件为了避免变形也可采用油。

（2）铍青铜的时效处理

铍青铜的时效温度与Be的含量有关，含Be小于2.1%的合金均宜进行时效处理。对于Be大于1.7%的合金，最佳时效温度为300-330℃，保温时间1-3小时（根据零件形状及厚度）。Be低于0.5%的高导电性电极合金，由于溶点升高，最佳时效温度为450-480℃，保温时间1-3小时。近年来还发展出了双级和多级时效，即先在高温短时时效，而后在低温下长时间保温时效，这样做的优点是性能提高但变形量减小。为了提高铍青铜时效后的尺寸精度，可采用夹具夹持进行时效，有时还可采用两段分开时效处理。

（3）铍青铜的去应力处理

铍青铜去应力退火温度为150-200℃，保温时间1-1.5小时，可用于消除因金属切削加工、校直处理、冷成形等产生的残余应力，稳定零件在长期使用时的形状及尺寸精度。

形变铝合金的淬火和时效温度

常用淬火介质一般技术要求

热处理应力及其影响

热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力,对工件的形状,&127;尺寸和性能都有极为重要的影响。当它超过材料的屈服强度时,&127;便引起工件的变形,超过材料的强度极限时就会使工件开裂,这是它有害的一面,应当减少和消除。但在一定条件下控制应力使之合理分布,就可以提高零件的机械性能和使用寿命,变有害为有利。分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律,使之合理分布对提高产品质量有着深远的实际意义。例如关于表层残余压应力的合理分布对零件使用寿命的影响问题已经引起了人们的广泛重视。

一、钢的热处理应力

工件在加热和冷却过程中,由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致,形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力,即热应力。在热应力的作用下,由于表层开始温度低于心部,收缩也大于心部而使心部受拉,当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。这种现象受到冷却速度,材料成分和热处理工艺等因素的影响。当冷却速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大,最后形成的残余应力就愈大。另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时,因比容的增大会伴随工件体积的膨胀,&127;工件各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力,心部受压应力,恰好与热应力相反。组织应力的大小与工件在马氏体相变区的冷却速度,形状，材料的化学成分等因素有关。

实践证明,任何工件在热处理过程中,&127;只要有相变,热应力和组织应力都会发生。&127;只不过热应力在组织转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的,在整个冷却过程中,热应力与组织应力综合作用的结果,&127;就是工件中实际存在的应力。这两种应力综合作用的结果是十分复杂的,受着许多因素的影响,如成分、形状、热处理工艺等。就其发展过程来说只有两种类型,即热应力和组织应力,作用方向相反时二者抵消,作用

方向相同时二者相互迭加。不管是相互抵消还是相互迭加,两个应力应有一个占主导因素,热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉,表面受压。&127;组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。

二、热处理应力对淬火裂纹的影响

存在于淬火件不同部位上能引起应力集中的因素(包括冶金缺陷在内),对淬火裂纹的产生都有促进作用,但只有在拉应力场内(&127;尤其是在最大拉应力下)才会表现出来,&127;若在压应力场内并无促裂作用。

淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素,也是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素。为了达到淬火的目的，通常必须加速零件在高温段内的冷却速度,并使之超过钢的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。就残余应力而论,这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值,故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。其效果将随高温冷却速度的加快而增大。而且,在能淬透的情况下,截面尺寸越大的工件,虽然实际冷却速度更缓,开裂的危险性却反而愈大。这一切都是由于这类钢的热应力随尺寸的增大实际冷却速度减慢,热应力减小,&127;组织应力随尺寸的增大而增加,最后形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面的作用特点造成的。并与冷却愈慢应力愈小的传统观念大相径庭。对这类钢件而言,在正常条件下淬火的高淬透性钢件中只能形成纵裂。避免淬裂的可靠原则是设法尽量减小截面内外马氏体转变的不等时性。仅仅实行马氏体转变区内的缓冷却不足以预防纵裂的形成。一般情况下只能产生在非淬透性件中的弧裂,虽以整体快速冷却为必要的形成条件，可是它的真正形成原因,却不在快速冷却(包括马氏体转变区内)本身,而是淬火件局部位置(由几何结构决定),在高温临界温度区内的冷却速度显着减缓,因而没有淬硬所致&127;。产生在大型非淬透性件中的横断和纵劈,是由以热应力为主要成份的残余拉应力作用在淬火件中心&127;,而在淬火件末淬硬的截面中心处,首先形成裂纹并由内往外扩展而造成的。为了避免这类裂纹产生，往往使用水--油双液淬火工艺。在此工艺中实施高温段内的快速冷却,目的仅仅在于确保外层金属得到马氏体组织,&127;而从内应力的角度来看,这时快冷有害无益。其次,冷却后期缓冷的目的,主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值,而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度,从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。

三、残余压应力对工件的影响

渗碳表面强化作为提高工件的疲劳强度的方法应用得很广泛的原因。一方面是由于它能有效的增加工件表面的强度和硬度，提高工件的耐磨性，另一方面是渗碳能有效的改善工件的应力分布,在工件表面层获得较大的残余压应力,&127;提高工件的疲劳强度。如果在渗碳后再进行等温淬火将会增加表层残余压应力,使疲劳强度得到进一步的提高。有人对35SiMn2MoV钢渗碳后进行等温淬火与渗碳后淬火低温回火的残余应力进行过测试其

表1.35SiMn2MoV钢渗碳等温淬火与渗碳低温回火后的残余应力值

从表1的测试结果可以看出等温淬火比通常的淬火低温回火工艺具有更高的表面残余压应力。等温淬火后即使进行低温回火,其表面残余压应力，也比淬火后低温回火高。因此可以得出这样一个结论,即渗碳后等温淬火比通常的渗碳淬火低温回火获得的表面残余压应力更高,从表面层残余压应力对疲劳抗力的有利影响的观点来看，渗碳等温淬火工艺是提高渗碳件疲劳强度的有效方法。渗碳淬火工艺为什么能获得表层残余压应力?渗碳等温淬火为什么能获得更大的表层残余压应力?其主要原因有两个：一个原因是表层高碳马氏体比容比心部低碳马氏体的比容大,淬火后表层体积膨胀大,而心部低碳马氏体体积膨胀小,制约了表层的自由膨胀,&127;造成表层受压心部受拉的应力状态。而另一个更重要的原因是高碳过冷奥氏体向马氏体转变的开始转变温度（Ms）,比心部含碳量低的过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度（Ms）低。这就是说在淬火过程中往往是心部首先产生马氏体转变引起心部体积膨胀,并获得强化,而表面还末冷却到其对应的马氏体开始转变点（Ms）,故仍处于过冷奥氏体状态,&127;具有良好的塑性,不会对心部马氏体转变的体积膨胀起严重的压制作用。随着淬火冷却温度的不断下降使表层温度降到该处的（Ms）点以下,表层产生马氏体转变,引起表层体积的膨胀。但心部此时早已转变为马氏体而强化,所以心部对表层的体积膨胀将会起很大的压制作用,使表层获得残余压应力。&127;而在渗碳后进行等温淬火时，当等温温度在渗碳层的马氏体开始转变温度（Ms）以上,心部的马氏体开始转变温度（&127;Ms）点以下的适当温度等温淬火,比连续冷却淬火更能保证这种转变的先后顺序的特点(&127;即保证表层马氏体转变仅仅产生于等温后的冷却过程中)。&127;当然渗碳后等温淬火的等温温度和等温时间对表层残余应力的大小有很大的影响。有人对35SiMn2MoV 钢试样渗碳后在260℃和320℃等温40&127;分钟后的表面残余应力进行过测试,其结果如表2。由表2可知在260℃行动等温比在320℃等温的表面残余应力要高出一倍多

表2。 35SiMn2MoV钢不同等温温度的表面残余应力

可见表面残余应力状态对渗碳等温淬火的等温温度是很敏感的。不仅等温温度对表面残余压应力状态有影响,而且

等温时间也有一定的影响。有人对35SiMn2V钢在310℃等温2分钟,10分钟,90分钟的残余应力进行过测试。2分钟后残余压应力为-20kg/mm,10分钟后为-60kg/mm,60分钟后为-80kg/mm,60分钟后再延长等温时间残余应力变化不大。

从上面的讨论表明,渗碳层与心部马氏体转变的先后顺序对表层残余应力的大小有重要影响。渗碳后的等温淬火对进一步提高零件的疲劳寿命具有普遍意义。此外能降低表层马氏体开始转变温度（Ms）点的表面化学热处理如渗碳、氮化、氰化等都为造成表层残余压应力提供了条件,如高碳钢的氮化--淬火工艺,由于表层,&127;氮含量的提高而降低了表层马氏体开始转变点（Ms）,淬火后获得了较高的表层残余压应力使疲劳寿命得到提高。又如氰化工艺往往比渗碳具有更高的疲劳强度和使用寿命,也是因氮含量的增加可获得比渗碳更高的表面残余压应力之故。此外,&127;从获得表层残余压应力的合理分布的观点来看,单一的表面强化工艺不容易获得理想的表层残余压应力分布,而复合的表面强化工艺则可以有效的改善表层残余应力的分布。如渗碳淬火的残余应力一般在表面压应力较低,最大压应力则出现在离表面一定深度处,而且残余压力层较厚。氮化后的表面残余压应力很高,但残余压应力层很溥,往里急剧下降。如果采用渗碳--&127;氮化复合强化工艺,则可获得更合理的应力分布状态。&127;因此表面复合强化工艺,如渗碳--氮化,渗碳--&127;高频淬火等,都是值得重视的方向。

根据上述讨论可得出以下结论;

1、热处理过程中产生的应力是不可避免的,而且往往是有害的&127;。但我们可以控制热处理工艺尽量使应力分布

合理,就可将其有害程度降低到最低限度,甚至变有害为有利。

2、当热应力占主导地位时应力分布为心部受拉表面受压,当组织应力占主导地时应力分布为心部受压表面受拉。

3、在高淬透性钢件中易形成纵裂,在非淬透性工件中往往形成弧裂,在大型非淬透工件中容易形成横断和纵劈。

4、渗碳使表层马氏体开始转变温度（Ms）点下降,可导至淬火时马氏体转变顺序颠倒,心部首先发生马氏体转变而

后才波及到表面,可获得表层残余压应力而提高抗疲劳强度。

5、渗碳后进行等温淬火可保证心部马氏体转变充分进行以后,表层组织转变才进行。&127;使工件获得比直接淬火

更大的表层残余压应力,可进一步提高渗碳件的疲劳强度。

6、复合表面强化工艺可使表层残余压应力分布更合理,可明显提高工件的疲劳强度。

钢珠薄层渗碳新工艺作

1 引言

钢珠的主要失效方式是接触疲劳剥落，但现行的钢珠质量标准却只检查其压碎负荷的大小和硬度，而对钢珠的接触疲劳性能却未作要求。以自行车钢珠为例，压碎负荷国标为15 500N，部优为16 700N，硬度为HRC60～65。

生产厂家为了达到对压碎负荷的高标准要求，均按高温渗碳、降温淬火工艺(以下称原工艺)进行生产(图1)，钢珠的渗层厚度达到了1.2～1.4mm。如此厚的渗层，虽使压碎负荷达到了要求，但对钢珠的接触疲劳性能影响如何，尚属未知。另外由于该工艺采用的是高温渗碳、降温淬火，不仅生产周期长、生产成本高，而且渗层中还析出了不均匀的网状碳化物，心部析出铁素体，不利于接触疲劳性能的提高。

本文将研究在不降低钢珠压碎负荷的前提下，提出新工艺，尽可能提高其疲劳性能，降低成本，增加经济效益。其次将研究尽量采用较低的渗碳温度，以提高炉罐寿命(因为生产所用的渗碳罐是由钢板焊接而成，渗碳温度的变化对其寿命影响很显着)。

2 研究项目及方法

2.1研究项目

(1)在不同温度(9000C，9050C，9100C，9200C)对钢珠渗碳直接淬火，考查其裂纹倾向。

(2)测定渗层厚度——渗碳温度、渗碳时间的关系。

(3)渗碳温度及渗碳深度对抗压碎负荷的影响。

(4)煤油滴量对压碎负荷的影响。

(5)在优选温度下，渗碳层深度对接触疲劳性能的影响。

(6)通过上述研究，提出有利于钢珠质量提高、成本降低的新工艺。

2.2试验材料及试样

试验材料为15号钢，其化学成分为：0.15%C，0.15%Si，0.40%Mn，0.03%S，0.02%P。试样为该材料加工成型的 Ф6钢珠。

2.3研究方法及设备

(1)渗碳采用RTS-45-12滚筒式气体渗碳炉。

(2)采用VWPL型万能试验机对三个钢珠进行压碎试验，以平均压碎值为准。

(3)接触疲劳测定采用KG型疲劳试验机，加载200kg，转速2200r/min，每次9粒，滚动磨损，以出现针状麻

点为失效标准，行业检查1h为合格。(4)用JXA840扫描电镜分析断口。

(5)渗碳层浓度测定采用Y——2型x射线分析仪。

3 验结果分析

3.1渗碳后直接淬火的钢珠的裂纹倾向

对不同温度下渗碳后直接淬火的钢珠及原工艺未淬火的钢珠分别进行酸洗，检查其裂纹情况，结果见表1。

可见，裂纹个数均在5%～8%之间。裂纹形状、宽度、深度基本一致。这说明裂纹是在轧球过程中产生的，而非淬火产生的，因而采用直接淬火方式应是可行的。

3.2 渗碳温度及渗碳时间对渗层厚度的影响

对于采用不同温度(9000C，9050C，9100C，9150C，9200C，9300C)、不同渗碳时间(2.5h，3h，3.5h，4.5h)处理的试样，测量其渗碳深度，部分结果见表2。

由此得出结论：在同一温度曲线，开始渗碳速度(V始)较大，随时间的增加，渗碳速度(V)下降，渗层随时间增加而加厚。现对此分析。

众所周知，在渗碳过程中，渗碳速度受煤油的分解、活性碳原子的吸收及碳原子的扩散三方面的影响。

(1)煤油的分解温度在8750C左右，在高于9000C的温度下，它分解比较完全，可能认为不受温度和时间的影响。

(2)活性碳原子的吸附主要与渗入钢中的成分和活性碳原子的析出速度有关。所以渗速主要取决于扩散过程。

(3)根据菲克第一定律，提高渗层表面的浓度梯度是加快渗速的重要途径。在渗碳的初始阶段，化学吸附了大量的活性碳原子，被贫碳表面强裂吸附，因此钢的渗层主要由渗层最外层的高浓度梯度所形成，产生了很高的碳浓度梯度。所以刚开始渗碳阶段，渗速比较大，随碳原子的渗入，碳浓度梯度逐渐下降，这样，渗速也就减慢。

(4)在同一渗碳的时间下随温度的升高，渗层增厚。这是由于随温度的升高，活性碳原子的活性提高，因此扩散速度也提高了。因此，渗层深度随渗碳时间的增加而增加，随渗碳温度的升高而加深，但渗速随时间的延长而减慢。

3.3 渗碳温度、渗层厚度对抗压负荷的影响

对不同渗碳温度及不同渗碳层深的试样进行压碎试验，测其抗压碎值，得到以下结论：渗碳温度下降，碳层变薄，但其抗压碎值不下降。

出现这种情况的原因是渗碳淬火钢珠的抗压碎负荷取决于渗层(厚度及浓度梯度)和心部两部分的强度。采取较低温度(9150C)薄层(0.8mm)渗碳直接淬火，一方面表层获得了较细的马氏体组织，改善了表层组织，提高了渗层的强韧性；另一方面心部可得到全部高强度的低碳马氏体组织(HRC45左右)，也有利于压碎负荷的提高。而原工艺用较高的温度(9300C)长时间渗碳，随后随炉降温至820℃淬火，这不但明显粗化了渗层的马氏体组织，而且在随炉降温过程中，表层析出网状碳化物，使表层组织恶化，硬度降低，脆性增大；在心部析出较多的铁素体或生成屈氏体，心部组织为粗板条的马氏体及托氏体，硬度为HRC36左右。综上所述，采用较低的温度薄层渗碳，直接淬火，有利于钢珠抗压碎负荷的提高。

另外，波谱分析表明，在低温(9150C)渗碳5h的试样渗层碳浓度平缓。而原工艺渗层碳浓度过高，虽经1.25h 扩散，浓度梯度仍不够平缓。试验断口分析也可证明这一点。

新工艺的压碎断口是典型的韧性准解理，有撕裂棱和韧离，裂纹沿过渡层发展，且它的浓度梯度过渡比较平缓，这样渗碳层和心部基体结合比较紧密。当受外力时，不易出现剥落现象，这就降低了裂纹的扩展能力，使抗压强度提高。裂纹是沿晶界产生并扩展的，距表面约0.5mm。相反，原工艺的断口是脆性准解理，断口裂纹从表层至过渡层，然后沿过渡层扩展，经历沿晶发展准解理，使抗压强度降低，裂纹有一部分是沿晶断裂，另一方面是脆性断裂，断裂距离表面约为0.6mm。

3.4 滴量对抗压碎值的影响

对优选的温度进行变滴量试验，测其抗压碎值，得出表3和图2。该试验条件为9150C，渗碳5h。可见煤油滴量在6ml/min的抗压碎值较高。

煤油是一种含碳的有机液体，其中烷烃CnH2n+2占60%～65%，环烷烃CnH2n占20%～30%，其它烃CnH2n-6占7%

～10%。它在高温下才能裂解(下限8750C)，裂解后的过剩碳较多，易于形成碳黑和结焦。滴量增加，碳势增加，加快了渗速，提高了渗碳层的厚度，使它的抗压碎值提高。但这不是说滴量越大越好，当滴量太大时，炉内碳势增加的同时，将产生碳黑，包围在渗碳钢珠的周围，使渗速降低；还由于碳势增加，造成渗碳和表层的过渡区产生过大的浓度梯度，裂纹在过渡区易产生和扩展。由于薄层渗碳时间较短，且在碳势不平衡的情况下进行，零件表面要求达到共析浓度，所以在刚渗碳时，可适当增加滴量(7ml/min)。当滴量太小时，碳势浓度不够，使渗碳不均匀，造成抗压碎负荷不稳定。

综上所述，在9150C，5h渗碳情况下，滴量以6ml/min为适宜。

3.5 接触疲劳强度与渗层深度的关系

这是需要重点分析的。

在9150C下，对不同渗层深度的钢珠进行疲劳试验，发现随渗层的增加，疲劳寿命提高。到达一定值后，随之下降。渗层深度为0.8mm(9150C渗碳5h直接淬火)的疲劳强度是原工艺的10倍。经分析，钢珠疲劳强度提高的原因归纳如下。

(1)提高了表面残余压应力

钢珠经浅层渗碳直接淬火后获得了较高的表面残余压应力。表面残余应力是由于心部与渗层的奥氏体转变为各种组织的顺序不同和表面高碳马氏体的比容不同而形成的。

具体而言，当钢珠受到一定的压力后，裂纹垂直于受力方向开裂。如果渗碳层表面有较高的残余应力，则可与外加载荷产生的使钢珠开裂的力相抵抗，从而提高抗压碎值。当渗层过深时会有过量的残余奥氏体游离碳化物出现，这些产物对残余压应力有害。如果渗层表层碳含量过高，存在大量残余奥氏体及其它异常组织，则渗层表层出现残余拉应力。渗层马氏体中碳含量越高，比容越大，渗层压应力越大。

试验证明，低碳钢渗碳层需经2.5～3h，表面碳浓度才趋于饱和。当渗层深小于0.65mm时，渗层碳浓度没有达到饱和，此时马氏体的比容随渗层含碳量的增加而增加，残余压应力又随马氏体比容的增加而增加。当渗层深大于0.65mm时，随含碳量的增加，表层残余奥氏体量增加，表层马氏体转变量相对减少，残余压应力降低，且此时渗层深，心部低碳马氏体量相对减少，表层高碳马氏体量大大增加，也使表面残余压应力降低。原工艺处理的钢珠接触疲劳性能不好，即属后一种情况。

形成机理：渗层与心部相比，存在着化学成分的很大差异，造成渗层中马氏体MS的变化。在淬火冷却过程中往往是心部首先转变为马氏体，而表层尚未达到MS点仍处于塑性的过冷奥氏体状态，心部转变所造成的体积膨胀引起的应力极易被表层的塑性变形所吸收。当温度降至表层MS点时，渗层马氏体转变所引起的体积膨胀受已强化的心部制约，造成表面受压，心部受拉的状态。

(2)细化了渗碳层马氏体及残余奥氏体

高碳马氏体以共格切变方式形成，当它长大到与其它马氏体片或晶界相遇时会产生冲击，形成应力场。由于高碳马氏体很脆，不能通过变形或滑移消除应力，导致微裂纹产生。且随马氏体针长度的增加，裂纹的敏感度也增加。热处理原理认为，表面针状马氏体的粗细，将直接影响渗层表面的接触疲劳寿命。粗针状马氏体中的微裂纹是引起接触疲劳破坏的天然裂纹源。

原工艺生产的钢珠，不仅渗层马氏体粗大(6～7级)，且残留奥氏体也呈粗大状，分布也不均匀。同时由于降温，析出非均匀的网状K，使表层马氏体转变量相对减少，表面的碳浓度为1.0%左右，这将进一步降低渗层的强韧性。新工艺生产的钢珠，表层针状马氏体较细(5级)，表面浓度0.8%左右，几乎看不出K存在，少量残留奥氏体也较均匀分布于细针状马氏体基体中，从而使表层的脆性降低，疲劳性能提高。

形成机理：渗碳表面的接触疲劳寿命与M有关，高碳马氏体是针片状，硬而脆，针越粗，越脆，并常伴随显微裂纹产生。在外加负荷作用下，它的裂纹迅速扩展。由于残余奥氏体的存在，使受负荷的表面产生了一定的塑性变形，接触面的宽度增加，从而相应地降低了接触面的压应力，提高了寿命。另一方面，由于塑性变形的作用，诱发奥氏体转变成马氏体，使之产生加工硬化，同样提高了寿命。还由于在断裂过程中，裂纹主要是沿马氏体区域扩展，很难穿过残余奥氏体，因此在一定应力作用下，沿马氏体发展的裂纹一旦到达马氏体与残余奥氏体面，裂纹就会停止发展。只有在提高外加负荷时，裂纹才会产生分岔，绕过残余奥氏体继续发展。因为裂纹产生分岔吸收能量，有利于韧性的提高。相反，如果表面存在拉应力，则促进产生因相互滑动引起的切应力，则促进产生因相互滑动引起的切应力。所以，有一定分布于马氏体周围的残余奥氏体能提高材料抵抗裂纹扩展的能力。

新工艺处理的试样经疲劳磨损后，其残余奥氏体比原试样明显减少，形成的马氏体较细小。因而马氏体细小且韧性好可强化表面，使之形成压应力状态，有利于提高其疲劳强度。试验发现，试样在发生疲劳破坏时，仍有部分残余奥氏体存在，它对韧性仍有利。

原工艺处理的试样表层残余奥氏体过量，呈块状分布于粗大M针和边缘，发生疲劳破坏时，基本上看不出残余奥氏体量的变化，相变强化效果大大降低，影响了寿命。

(3)有效硬化层的提高有利于疲劳性能的提高

钢珠发生交变接触应力时，其最大应力往往在表层或次表层。疲劳裂纹源一般产生在0.1mm～0.3mm的表层，这点被试验所证明。所以为了提高疲劳性能，应着重于提高危险层的硬度和强度，而不一定要加厚渗层。由试验

得知：渗层厚小于0.75mm时，比原工艺的硬度提高4～5HRC，从而提高了危险层的强度，进而疲劳性能也提高，疲劳破坏的表面形貌分析也证实了这一点。

接触疲劳损伤实际上是裂纹萌生和扩展的过程，通过断口分析可以了解整个断裂过程。根据裂纹萌生及剥落的特征，接触疲劳可分为点蚀和剥落两类。凡裂纹萌生于表面的呈纤维状剥落为点蚀，新工艺的钢珠加负荷运转

13.5h后表面麻点属于此类；裂纹萌生于表面呈片状剥落的为剥落，原工艺处理的钢珠加负荷运转1.5h后其表面

因强度不足产生大片的深层剥落属此类。

造成这种情况的原因是原工艺钢珠的表面硬度低，这是由渗碳层中含有大量残余奥氏体且呈不规则分布所导致的。浓度分析表明：该钢珠表层碳浓度为1.0%左右，渗碳温度又高，故产生大量残余奥氏体。在接触应力作用下，尽管存在诱变马氏体，但数量较少，相变强化作用不明显，在应力作用下，软的残余奥氏体与硬的马氏之间产生相对滑动，使裂纹萌生并扩展至沿晶断裂，最后出现准解理断口。原工艺钢珠经历滑移——沿晶断裂——准解理，出现疲劳剥落。新工艺钢珠表层残余奥氏体诱变马氏体转变，表层强韧性好，在发生疲劳破坏时，只出现浅层准解理断口。

以上试验表明，残余奥氏体的强韧作用取决于残余奥氏体的机械稳定性，即一方面要存在一定数量的残余奥氏体，另一方面在接触应力下诱发马氏体相变。

总之，提高受应力作用大的表层或次表层的硬度，是提高疲劳寿命的有效途径，而不是靠提高渗层深度。

用于自行车的钢珠破坏的主要形式是疲劳破坏，但因疲劳破坏试验所需的时间较长，故企业大多采用压碎负荷来检测。但两者之间却没有一定的对应关系。从试验结果来看，新工艺疲劳强度值在渗层厚度等于0.75mm时最大，而抗压碎值随渗层的增厚而增加，也即随渗碳时间的延长而增加，但疲劳强度却同时降低了。以后轮载重500kg 计算可知，钢珠的负荷不超过2 250N，这就是为什么不选用抗压碎负荷较高的长时间渗碳方法而采用疲劳强度较高而抗压碎负荷较低的热处理方法的原因。

4 钢珠热处理新工艺

综合考察抗压碎负荷和接触疲劳强度，根据上述的试验分析，从既经济又提高产品性能、质量、寿命的原则出发，确定的热处理工艺是9150C渗碳5h、直接淬火，见图3。

5 经济效益分析

(1)钢珠原工艺生产需7.25h，新工艺为5.67h，缩短了1.58h，生产效率提高了1.58/7.25=21%。

(2)渗碳温度由9300C降为9150C，且时间缩短，延长了渗碳炉的使用寿命。

(3)时间缩短，滴量降低，减少了煤油和甲醇的用量。

(4)磨损试验的使用寿命由原来的平均1.5h提高到13.5h，具有明显的经济、社会效益。

6 结论

(1)钢珠薄层渗碳新工艺经试验证明比原工艺具有许多优越性，对生产是有利的。

(2)新艺改善了钢珠的组织，心部得到了高强度的全部低碳马氏体组织，使渗层获得了强韧性好的细针状马氏

体，减少了高碳马氏体造成的脆性及表层的残余奥氏体含量，使残余压应力增加，提高了抵抗表面裂纹的能力，且由于马氏体的诱发强化，提高了渗层表面强韧性和疲劳强度，从而以较薄的渗层得取了较高的抗压碎负荷。

(3)新工艺使钢珠获得了良好的金相组织及合理的渗碳层且浓度梯度平缓。采用直接淬火，增加淬火介质水的

流速，使心部强度提高，增大了对硬化层的支撑作用。良好的渗层性能和心部性能保证了在渗层较薄的情况下疲劳强度有较大提高，同时压碎负荷降低。

(4)有效硬化层硬度提高，强化了易产生裂纹的危险区域的强度，有效地提高了疲劳强度。

(5)新工艺使生产周期缩短，生产效率提高，同时降低了物耗，提高了产品质量，具有较好的社会、经济效益。

回火脆性

淬火钢回火时,随着回火温度的升高,通常其强度,硬度降低，而塑性，韧性提高。但在某些温度范围内回火时，钢的冲击韧性不仅没有提高，反而显着降低，这种脆化现象称为回火脆性。

因此，一般不在 250－350度进行回火，这就是因为淬火钢在这个温度范围内回火时要发生回火脆性。这种回火脆性称为低温回火脆性或第一类回火脆性。

产生低温回火脆性的原因，目前还不十分清楚。一般认为是由于碳化物以断续的薄片状沿马氏体片或马氏体条的界面析出所造成的。这种硬而脆的薄片碳化物与马氏体间的结合较弱，降低了马氏体晶界处的强度，因而使冲击韧性反而下降。

将钢加热到临界点（AC3、ACcm）以上，进行完全奥氏仜化，然后在空气中冷却，这种热处理工艺，称为正火。

（一）正火工艺

正火的加热温度正化学成份AC3以上50-100℃；过共析钢的加热温度ACcm以上30-50℃。保温时间主要取决于工件有效厚度和加热炉的型式，如在箱式炉中加热时，可以每毫米有效厚度保温一分钟计算。保温后的冷却，一般可在空气中冷却，但

一些大型工件或在气温较高的夏天，有时也采用吹风或喷雾冷却。

（二）正火后组织与性能

正火实质上是退火的一个特例。两者不同之处，主要在于冷却速度较快，过冷度较快，因而发生了伪共析转变，使组织中珠光量增多，且珠光柋的片层间距变小。应该指出，某些高合金钢空冷后，能获得贝氏体或马氏体组织，这是由于高合金钢的过冷奥氏体非常稳定，C曲线。

由于正火后的组织上的特点，故正火后的强度、硬度、韧性都比退火后的高，且塑性也并不降低。

正火的应用

正火与退火相比，钢的机械性能高，提价简便，生产周期短，能耗少，故在可能条件下，应优先考虑采用正火处理。目前的应用如下：

1.作为普通结构零件的最终热处理

2.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性

3.作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。

4.消除过共析钢中风状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备

5.对一些大型的或形状较复杂的零件，淬火可能有开裂的危险进，正火也往往代替淬火、回火处理，而作为这类零件的最终热处理。很靠右。此时己不能称其为正火，而称为空淬有关。为了增加低碳钢的硬度，可适当提高正火温度。

钢的化学热处理-氧氮共渗

当钢在渗氮的同时通入一些含氧的介质，即可实现其氧氮共渗处理。处理以后的工件兼有蒸汽处理我渗氮处理的共同优点。

1．氧氮共渗的特点：氧氮共渗后渗层可分三个区，表面氧化膜，次表层氧化区和渗氮nitriding。表面氧化膜与次表层氧化区厚度相近，一般为2-4μm.氧氮共渗后形成多孔Fe3O4层具有良好的减摩擦性能、散热性能及抗粘着性能。

2．氧氮共渗介质：氧氮共渗时一般用得较多的是不同浓度的氨水。氮原子向内扩散形成渗氮层，水分解形成氧原子向内扩散形成氧化层并在工件表面形成黑色氧化膜。

3．氧氮共渗的主要用途：氧氮共渗主要用于高速钢刀具的表面处理。共渗时的温度一般为540-590℃，时间通常为1-2小时。氨水浓度以25%-30%为宜。排气升温时通氨量应大些，以利于迅速排空炉内空气。共渗期间通氨量应适中，降温及扩散时应减少氨的滴入量。热处理炉可采用有1Cr18Ni9Ti不锈钢制成炉罐的井式氮化炉代用。炉罐应保护密封性（最好采用真空水冷橡胶密封）。炉顶应有一台密封循环风扇。炉内保持300-1000Pa的正压.

钢的热处理--软氮化

为了缩短氮化周期，并使氮化工艺不受钢种的限制，在近一、二十年间在原氮化工艺基础上发展了软氮化和离子氮化两种新氮化工艺

软氮化实质上是以渗氮为主的低温碳氮共渗，钢的氮原子渗及的同时，还有少量的碳原子渗入，其处理结果与前述一般气体氮相比，渗层硬度较低，脆性较小，故称为软氮化。

1.软氮化方法，软氮化方法分为气体软氮化和液体软氮化两大类。目前国内生产中应用最广泛的是气体软氮化。<,br>气体软氮化是在含有活性碳、氮原子的气氛中进行低温碳、氮共渗，常用的共渗介质有尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它们在软氮化温度下发生热分解反应，产生活性碳、氮原子。

活性碳、氮原子被工件表面吸收，通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为主的碳氮共渗层。

气体软氮化温度常用560-570℃，因该温度下氮化层硬度值最高。氮化时间常为2-3小时，因为超过2.5小时，随时间延长，氮化层深度增加很慢。

2.软氮化层组织和软氮化特点：钢经软氮化后，表面最外层可获得几微米至几十微米的白层，它是由ε相、γ`相和含氮的渗碳体Fe3（C，N）所组成，次层为0。3-0。4毫米的扩散层，它主要是由γ`相和ε相组成。

软氮化具有以下特点：

(1)处理温度低，时间短，工件变形小。

(2)不受钢种限制，碳钢、低合金钢、工模具钢、不锈钢、铸铁及铁基粉未冶金材料均可进行软氮化处理。工件经软氮化后的表面硬度与氮化工艺及材料有关。

3.能显着地提高工件的疲劳极限、耐磨性和耐腐蚀性。在干摩擦条件下还具有抗擦伤和抗咬合等性能。

4.由于软氮化层不存在脆性ξ相，故氮化层硬而具有一定的韧性，不容易剥落。

因此，目前生产中软氮化巳广泛应用于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等耐磨工件的处理。

应注意的是，气体软氮化目前存在问题是表层中铁氮化合物层厚度较薄（0.01-0.02mm），且氮化层硬度梯度较陡，故不宜在重载条件下工作。另外，在氮化过程中，炉中会产生HCN这种有毒气体，因此生产中要注意设备的密封，以免炉气漏出污染环境。

“钢的热处理原理及工艺”作业题

“钢的热处理原理及工艺”作业题第一章固态相变概论 1、扩散型相变和无扩散型相变各有哪些特点？ 2、说明晶界和晶体缺陷对固态相变成核的影响。 3、说明相界面和应变能在固态相变中的作用，并讨论它们对新相形状的影响。 4、固－固相变的等温转变动力学曲线是“C”形的原因是什么？第二章奥氏体形成 1、为何共析钢当奥氏体刚刚完成时还会有部分渗碳体残存？亚共析钢加热转变时是否也存在碳化物溶解阶段？ 2、连续加热和等温加热时，奥氏体形成过程有何异同？加热速度对奥氏体形成过程有何影响？ 3、试说明碳钢和合金钢奥氏体形成的异同。 4、试设计用金相－硬度法测定40钢和T12钢临界点的方案。 5、将40、60、60Mn钢加热到860℃并保温相同时间，试问哪一种钢的奥氏体晶粒大一些？ 6、有一结构钢，经正常加热奥氏体化后发现有混晶现象，试分析可能原因。第三章珠光体转变 1、珠光体形成的热力学特点有哪些？相变主要阻力是什么？试分析片间距S与过冷度△T的关系。 2、珠光体片层厚薄对机械性能有什么影响？珠光体团直径大小对机械性能影响如何？ 3、某一GCr15钢制零件经等温球化退火后，发现其组织中除有球状珠光体外，还有部分细片状珠光体，试分析其原因。 4、将40、40Cr、40CrNiMo钢同时加热到860℃奥氏体化后，以同样冷却速度使之发生珠光体转变，它们的片层间距和硬度有无差异？ 5、试述先共析网状铁素体和网状渗碳体的形成条件及形成过程。 6、为达到下列目的，应分别采取何热处理方法？（1）为改善低、中、高碳钢的切削加工性；（2）经冷轧的低碳钢板要求提高塑性便于继续变形；（3）锻造过热的60钢毛坯为细化其晶粒；（4）要消除T12钢中的网状渗碳体；第四章、马氏体转变

钢的热处理(原理及四把火)

钢的热处理钢的热处理：是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。第一节钢的热处理原理热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。热处理工艺分类：（根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下） 1、整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质； 2、表面热处理：包括表面淬火、物理和化学气相沉积等； 3、化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。热处理的三阶段：加热、保温、冷却

一、钢在加热时的转变加热的目的：使钢奥氏体化（一）奥氏体（ A）的形成奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则W c ＝0.0218％（体心立方晶格F）W c ＝6.69％（复杂斜方渗碳体）当T 上升到A c1 后W c ＝0.77％（面心立方的A）由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A的形成过程。在铁素体和渗碳体的相界面上形成。有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则，空位和位错密度高。 1、奥氏体长大由于铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，A晶核一方面不断向铁素体和渗碳体方向长大，同时自身也不断形成长大。 2、残余 Fe 3 C的溶解 A长大同时由于有部分渗碳体没有完全溶解，还需一段时间才能全溶。（F比Fe 3 C先消失） 3、奥氏体成分的均匀化残余Fe 3 C全溶后，经一段时间保温，通过碳原子的扩散，使A成分逐步均匀化。（二）奥氏体晶粒的长大奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。分为 00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的1~10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。影响 A晶粒粗大因素 1、加热温度越高，保温时间愈长，奥氏体晶粒越粗大。因此，合理选择加热和保温时间。以保证获得细小均匀的奥氏体组织。（930～950℃以下加热，晶粒长大的倾向小，便于热处理） 2、A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。

钢的热处理原理 (1)

钢的热处理原理一、钢加热时的A化过程 1.共析钢P在加热温度大余等于Ac1时，转化为A. 其转化可分为以下四个阶段：?A形核?A晶核长大?残余Fe3C溶解?A均匀化A形成必须要有一定的过热度?T，提供相变驱动力?G ?A形核,成核位置通常在F和Fe3C两相界面上。 ?A晶核长大，形核后同时向F和Fe3C两个相界面推移，F晶格重构成面心立方，Fe3C不断溶解，向A提供C分。重构速度比Fe3C溶解速度快，所以F先溶解，剩余Fe3C通过C原子扩散，从而使A均匀化。亚共析钢和过共析钢要分别加热到Ac3或Accm以上才能完全转变为A。二、A晶粒大小晶粒大小对冷却转变过程及其所获得的组织与性能均有很大影响。因此，掌握A晶粒长大的规律性及控制A晶粒度的方法，对于热处理实践具有很重要的意义 1.A化后晶粒长大 A化后，随着温度升高或保温时间延长，A晶粒会不断长大 2.A晶粒大小指标 ?晶粒度：晶粒直径的平均值。根据GB6394-86，A晶粒度一般分10个级别(标准照片对照)，数字越大，晶粒越细。1-4级，粗晶粒；5-10级细晶粒；10级以上超细，也有比1级还粗的0级、-1级等。 ?起始晶粒度：A形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。与A长大倾向性有关，还与化学成分有关。 3.影响A长大因素:

?内因：钢的成分、组织决定它具有一定的A长大倾向性。长大倾向性：同样条件下，有些晶粒容易长大，因钢种的不同而不同，甚至对同一种钢，由于冶炼方法不同，在同样加热条件下也可以表现出不同的晶粒长大倾向性。 a.钢C%?,亚共析钢易长大，过共析钢不易长大，共析钢最易长大。 b.合金元素除Mn、P外，一般合晶元素均能阻止A晶粒长大，如V Ti Nb Al等分布在晶界形成难溶化合物均能强烈阻止A晶粒长大。 c.优质结构钢、碳素工具钢、A晶粒不易长大 ?外因：加热条件加热温度越高,保温时间越长，原子扩散越容易，晶界越易迁移,A实际晶粒就越大。晶粒长大过程实际上是无数个晶粒同时长大的过程，是一种大晶粒吞并小晶粒的过程。

铝合金热处理原理

铝合金热处理原理铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间并以一定得速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工型能，获得尺寸的稳定性。铝合金热处理特点众所周知，对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。但这种淬火后的合金，放置一段时间（如4～6昼夜后），强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100～200℃）内发生，称人工时效。铝合金时效强化原理铝合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中缩造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。沉淀硬化所要求的溶解度－温度关系，可用铝铜系的Al－4Cu 合金说明合金时效的组成和结构的变化。图3－1铝铜系富铝部分的二元相图，在548℃进行共晶转变L→α＋θ（Al2Cu）。铜在α相中的极限溶解度5.65％（548℃），随着温度的下降，固溶度急剧减小，室温下约为0.05％。在时效热处理过程中，该合金组织有以下几个变化过程：形成溶质原子偏聚区－G·P（Ⅰ）区在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G·P（Ⅰ）区。G·P（Ⅰ）区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。 G·P区有序化－形成G·P（Ⅱ）区随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G·P（Ⅱ）区。它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G·P（Ⅰ）区大。它可视为中间过渡相，常用θ”表示。它比G·P（Ⅰ）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。形成过渡相θ′ 随着时效过程的进一步发展，铜原子在G·P（Ⅱ）区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为1：2时，形成过渡相θ′。由于θ′的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此θ′相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。形成稳定的θ相过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相Al2Cu，称为θ相此时θ相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的提高或时间的

简述常用热处理工艺的原理与特点

简述常用热处理工艺的原理与特点。热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。热处理工艺原理 1、正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。 2、退火：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却(或埋在砂中或石灰中冷却)至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。 3、淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。 4、回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。 5、调质处理：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织更优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200—350之间。特点：金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，金球的热处理工艺与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。比较钢材与非金属材料热处理的异同点。热处理有金属材料热处理和非金属材料热处理相同点：热处理的原理基本一样，都是一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。不同点： 1.钢的表面热处理有两大类：一类是表面加热淬火热处理，另一类是化学热处理。非金属材料的表面热处理：喷漆、着(染)色、抛光、化学镀后再电镀(如ABS)等。 2.金属材料热处理包括：退火、正火、淬火和回火。非金属材料热处理包括碳纤维预氧化、碳化、石墨化设备，石墨化烧结等；复合材料成形以及空间环境模拟，包括热压罐，热压机，KM系列模拟罐，用户分布于汽车、模具、工具、碳纤维加工和其他高端应用领域。

铝合金热处理原理及工艺

铝合金热处理原理及工艺 3.1铝合金热处理原理铝合金铸件得热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间以一定得速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工型能，获得尺寸的稳定性。 3.1.1铝合金热处理特点众所周知，对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。但这种淬火后的合金，放置一段时间（如4～6昼夜后），强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100～200℃）内发生，称人工时效。 3.1.2铝合金时效强化原理铝合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中缩造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。沉淀硬化所要求的溶解度－温度关系，可用铝铜系的Al－4Cu合金说明合金时效的组成和结构的变化。图3－1铝铜系富铝部分的二元相图，在548℃进行共晶转变L→α＋θ（Al2Cu）。铜在α相中的极限溶解度5.65％（548℃），随着温度的下降，固溶度急剧减小，室温下约为0.05％。在时效热处理过程中，该合金组织有以下几个变化过程： 3.1.2.1 形成溶质原子偏聚区－G·P（Ⅰ）区在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G·P（Ⅰ）区。G·P（Ⅰ）区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。 3.1.2.2 G·P区有序化－形成G·P（Ⅱ）区随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G·P（Ⅱ）区。它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G·P（Ⅰ）区大。它可视为中间过渡相，常用θ”表示。它比G·P（Ⅰ）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。 3.1.2.3形成过渡相θ′ 随着时效过程的进一步发展，铜原子在G·P （Ⅱ）区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为1：2时，形成过渡相θ′。由于θ′的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此θ′相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。 3.1.2.4 形成稳定的θ相过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相Al2Cu，称为θ相此时θ相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的提高或时间的延长，θ相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步下降，合金就软化并称为“过时效”。θ相聚集长大而变得粗大。铝－铜二元合金的时效原理及其一般规律对于其他工业铝合金也适用。但合金的种类不同，形成的G·P区、过渡相以及最后析出的稳定性各不相同，时效强化效果也不一样。几种常见铝合金系的时效过程及其析出的稳定相列于表3－1。从表中可以看到，不同合金系时效过程亦不完全都经历了上述四个阶段，有的合金不经过G·P（Ⅱ）区，直接形成过渡相。就是同一合金因时效的温度和时

钢的热处理原理及工艺复习重点及课后习题

钢的热处理原理及工艺复习重点及课后习题一、复习重点 1、什么是加工硬化？产生加工硬化的根本原因是什么？ 2、什么是再结晶？再结晶的实际应用是什么？金属再结晶是通过什么方式发生的？再结晶退火的主要作用是什么？ 3、冷加工和热加工的区别是什么？ 4、热处理的定义及三个基本过程。为什么钢能够进行热处理？奥氏体化的目的是什么？ 5、珠光体、贝氏体、马氏体分别都有哪几种组织形态？每种组织力学性能如何？ 6、退火、正火、淬火、回火的定义是什么？ 7、什么是钢的淬透性？二、课后复习题（一）、填空题 1、加工硬化现象是指随变形度的增大，金属强度和硬度显著提高而塑性和韧性显著下降的现象。加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的根本原因是位错密度提高，变形抗力增大。消除加工硬化的方法是再结晶退火。 2、再结晶是指冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生无畸变的新等轴晶粒，而性能也发生明显的变化，并恢复到冷变形之前状态的过程。 3、在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。

4、金属在塑性变形时所消耗的机械能，绝大部分(占90%)转变成热而散发掉。但有一小部分能量（约10%）是以增加金属晶体缺陷（空位和位错）和因变形不均匀而产生弹性应变的形式（残余应力）储存起来，这种能量我们称之为形变储存能。 5、马氏体是碳在α-Fe 中的过饱和间隙固溶体，具有很大的晶格畸变，强度很高。贝氏体是渗碳体分布在含碳过饱和的铁素体基体上或的两相混合物。根据形貌不同又可分为上贝氏体和下贝氏体。用光学显微镜观察，上贝氏体的组织特征呈羽毛状，而下贝氏体则呈针状。相比较而言，上贝氏体的机械性能比下贝氏体要差。 6、在过冷奥氏体等温转变产物中，珠光体与屈氏体的主要相同点是都是渗碳体的机械混合物，不同点是层间距不同，珠光体较粗，屈氏体较细。 7、马氏体的显微组织形态主要有板条状、针状马氏体两种。其中板条状马氏体的韧性较好。钢在淬火后获得的马氏体组织的粗细主要取决于奥氏体的实际晶粒度。 8、钢的热处理工艺由加热、保温、冷却三个阶段所组成。 9、淬透性是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织的能力。 10、当钢中发生奥氏体向马氏体的转变时，原奥氏体中碳含量越高，则M S点越低。 11、钢的正常淬火温度范围，对亚共析钢是线以上A C3+30 ~ 50℃，对过共析钢是A C1+30 ~ 50℃。 12、淬火钢进行回火的目的是消除内应力，获得所要求的组织与性能，回火温度越高，钢的强度与硬度越低。 13、调质处理是经淬火后再高温回火，能得到回火索氏体组织，具有

热处理工艺设计

50CrVA钢调速弹簧的热处理工艺设计 1 热处理工艺课程设计的意义热处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。 2热处理课程设计的任务 ①普通热处理工艺设计 ②特殊热处理工艺设计 ③制定热处理工艺参数 ④选择热处理设备 ⑤设计热处理工艺所需的挂具、装具或夹具 ⑥分析热处理工序中材料的组织和性能 ⑦填写工艺卡片 350CrVA调速弹簧的技术要求及选材 3.1 技术要求 50CrVA钢喷油泵调速弹簧技术要求如下：硬度：HRC46～51 3.2 零件图喷油泵调速弹簧的零件如图3.1所示。

图3.1 喷油泵调速弹簧 3.3 材料的选择 3.3.1零件用途喷油泵调速弹簧，利用弹簧的受力形变和恢复来调节气门的开合，从而调节喷油泵的喷油速度与喷油量。 3.3.2工作条件（1）喷油泵调速弹簧工作时，要承受高应力。（2）喷油泵调速弹簧要承受高频率往复运动。（3）喷油泵调速弹簧要在较高的温度下工作。 3.3.3性能要求弹簧的性能要求为如下几个方面：

力学性能：由于弹簧是在弹性范围内工作，不允许有永久变形。要求弹簧材料有良好的微塑性变形能力，即弹性极限、屈服极限和屈强比要高。理化性能方面：喷油泵调速弹簧的工况很复杂，要在较高的温度下长期工作，因此要求弹簧材料有良好的耐热性，即有高的蠕变极限、蠕变速率较小和较低的应力松弛率。工艺性能方面：尺寸较小的弹簧热处理时变形大、难以校正和保证弹簧产品质量，宜选用已强化的弹簧材料，冷成型后不经淬火、回火，只须进行低温退火。这样更能保证大批量小弹簧的产品质量和成本低廉。 3.3.4材料选择选用50CrVA钢热轧弹簧钢丝卷制。由于50CrVA钢中含有铬能够提高淬透性并且可降低锰引起过热的敏感性，铬熔于铁素体中使弹性极限提高。钒可以细化组织，减少过热敏感性，提高钢的强度和冲击韧性。可用作特别重要的承受高应力的各种尺寸的螺旋弹簧，也可也用作在300°C以下工作的重要弹簧，如各种阀门弹簧，喷油嘴弹簧。 3.3.550CrVA钢化学成分及合金元素作用表3.1 50CrVA钢的化学成分[1]（GB/T3077-1990）ω/% C Si Mn Cr V Ni P S 0.44～0.54 0.17～0.37 0.50～0.80 0.80～1.10 0.10～0.20 ≤0.35 ≤0.035 ≤0.030 50CrVA钢的化学成分示于表3.1 化学元素作用： ① C ：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度 ② Cr：提高钢的淬透性并有二次硬化作用，是刚在高温时仍具高强度和高硬度，增加钢的耐磨性，增高钢的淬火温度。 ③ Si：能提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能，还能增高淬火温度，阻碍碳元素溶于钢中。 ④ Mn：能增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆，故Mn能改善钢的锻造性和韧性，可增进刚的硬化深度，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。 ⑤ V：可以细化组织，减少过热敏感性，提高钢的强度和冲击韧性。

热处理原理与工艺设计课程设计报告

* * 大学热处理原理与工艺课程设计题目： 50Si2Mn弹簧钢的热处理工艺设计院（系）：机械工程学院专业班级：** 学号：******* 学生姓名：** 指导教师：** 起止时间：2014-12-15至2014-12-19

课程设计任务及评语院（系）：机械工程学院教研室：材料教研室学号******* 学生姓名** 专业班级*** 课程设计题目 50Si2Mn弹簧钢的热处理工艺设计课程设计要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述50Si2Mn弹簧钢的热处理工艺，制定出热处理工艺路线，完成工艺设计；分析50Si2Mn弹簧钢的成分特性；阐述50Si2Mn弹簧钢淬火、回火热处理工艺理论基础；阐述各热处理工序中材料的组织和性能；阐明弹簧钢的热处理处理常见缺陷的预防及补救方法；选择设备；给出所用参考文献。二、课设任务 1.选定相应的热处理方法； 2.制定热处理工艺参数； 3.画出热处理工艺曲线图； 4分析各热处理工序中材料的组织和性能； 5.选择热处理设备三、设计说明书要求设计说明书包括三部分：1）概述；2）设计内容；3）参考文献。

工作计划集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论0.5天，设计6天：1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7）热处理工艺设计1.5天，8）工艺的理论基础、原则0.5天， 09）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，10）热处理质量分析0.5天，设计验收1天。指导教师评语及成绩成绩：学生签字：指导教师签字：年月日

热处理的原理及分类

热处理的原理及分类 §4—2钢在加热及冷却时的组织转变教学目的： 1、了解钢在加热时的转变及A晶粒的长大。 2、掌握热处理概念、分类、热处理工艺曲线；钢加热及保温得目的。 3、掌握过冷奥氏体的等温转变图建立； 4、掌握过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能。教学重点和难点： 1、A晶粒的长大是教学的重点。 2、过冷奥氏体的等温转变图建立；过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能是教学的难点。 §4—1热处理的原理及分类教学过程：新课： 1、热处理：热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 2、热处理的目的： ①、提高零件的使用性能；②、充分发挥钢材的潜力；③、延长零件的使用寿命；④、改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损。

3、热处理方法有：退火、正火、淬火、回火及表面热处理。但任何一种均由加热、保温、冷却三阶段所组成。 4、热处理使钢性能发生变化的原因：由于铁有同素异构转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了组织与结构变化。 §4—2钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的转变 ?热处理中，钢加热为获得A；且A晶粒大小、成分、均匀程度，对钢冷却后的组织、性能有重要的影响。 1、钢的奥氏体化 1）、奥氏体晶核的形成及长大； 2）、残余渗碳体的溶解； 3）、奥氏体的均匀化； 2、在热处理工艺中，钢保温的目的是： ①、为了使工件热透；②、使组织转变完全；③、使奥氏体成分均匀。 3、奥氏体晶粒的长大： ?加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大 ?由Fe-Fe3C相图可知，A1 、A3 、Acm是钢在极缓慢加热（或冷却）时的临界点。但实际冷速、热速较快，钢转变总有滞后现象。

热处理原理

第一部分热处理原理一、教学目的与要求 1.了解热处理的基本原理； 2.了解本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素；钢在加热和冷却过程中产生的缺陷； 3.熟悉钢在加热和冷却时组织转变的机理；二、教学课时数 1.理论教学14学时 2.实验教学4学时合计18学时三、学习重点钢在加热时组织转变的过程中及影响因素；共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C典线的因素；奥低体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响；四、教学手段：以现代化的多媒体教学设施进行讲授，将各种曲线、金相图片播放在大屏幕上，帮助学生理解奥氏体的形成过程。五、教学方法：采用启发式方法。以材料科学基础（上）为基本出发点，引导学生逐渐进入本课程的学习。六、基本教材或主要参考书： [1] 崔忠圻主编. 金属学与热处理(第二版) [M]. 武汉: 机械工业出版社, 2007. [2] 李超主编. 金属学原理[M]. 西安: 哈尔滨工业大学出版社, 1989. [3] 胡庚详主编. 金属学[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1980. [4] 赵品主编. 材料科学基础[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2004. [5] 热处理手册，中国机械工程学会，机械工业出版社，2006 [6] 邓文英主编，金属工艺学(上)，北京: 高等教育出版社，2000 七、思考题： 1、钢中奥氏体的点阵结构，碳原子可能存在的部位及其在单胞中的最大含量。 2、以共析碳钢为例说明奥氏体的形成过程，并讨论为什么奥氏体全部形成后还会有部分渗碳体未溶解？

《材科热处理原理》思考题教学提纲

《材科热处理原理》思考题

《材科热处理原理》思考题第一章固态相变概论 1. 金属固态相变的主要类型有哪些？ 2. 热力学主要的状态函数与状态变数之间的关系如何？ 3. 金属固态相变按（1）相变前后热力学函数、（2）原子迁移情况、（3）相变方式分为哪几类？ 4. 金属固态相变有哪些特点？ 5. 固态相变的驱动力和阻力包括什么？加以说明。 6. 固态相变的过程中形核和长大的方式是什么？加以说明。 7. 何谓热处理？热处理的目的是什么？热处理在机械加工过程中作用有那些？热处理与合金相图有何关系？ 8. 金属固态相变主要有哪些变化？ 9. 说明下列符号的物理意义及加热速度和冷却速度对他们的影响？Ａc1、Ａr1、Ａc3、Ａr3、Ａccm、Ａrcm 10. 一些概念：固态相变、热处理、平衡转变、不平衡转变、同素异构转变、多形性转变、共析转变、包析转变、平衡脱溶沉淀、调幅分解、有序化转变、伪共析转变、马氏体转变、贝氏体转变、块状转变、不平衡脱溶沉淀、一级相变、二级相变、扩散型相变、非扩散型相变、半扩散型相变、共格界面、半共格界面、非共格界面、惯习面、位向关系、应变能、界面能、过渡相、均匀形核、非均匀形核、晶界形核、位错形核、空位形核、界面过程、传质过程、协同型方式长大、非协同型方式长大、切变机制、台阶机制第二章钢中奥氏体的形成 1. 奥氏体(A)的晶体结构，组织形态与性能有什么特点？ 2. 奥氏体形成的热力学条件是什么？共析钢的珠光体（平衡态组织）向奥氏体转变属于何种转变？试说明珠光体向奥氏体转变过程。

3. 钢在实际热处理加热和冷却过程时的临界点为什么偏离相图上的临界点？实际的临界点如何表示？实际的临界点与加热和冷却速度有什么关系？ 4. 试以碳扩散的观点说明奥氏体长大机理。（奥氏体的形成包括哪几个过程？为什么说奥氏体形成是以C扩散为基础并受碳扩散控制的？） 5. 说明奥氏体形成时铁素体先消失的原因。 6. 非共析钢的奥氏体的形成与共析钢的奥氏体的形成有哪些异同？ 7. 共析碳钢奥氏体等温形成动力学（TTA图）有什么特点？非共析钢和共析碳钢奥氏体等温形成动力学图有什么异同？ 8. 影响奥氏体等温形成的形核率的因素有哪些？如何计算A线长大速度？影响奥氏体转变速度的因素有哪些？如何影响？（奥氏体等温形成动力学（形核与长大）的经验公式）（为什么温度升高，奥氏体转变速度加快？）（合金元素对奥氏体的形成速度有什么影响？） 9. 合金钢的奥氏体形成动力学有什么特点？ 10. 连续加热时奥氏体形成动力学有什么特点？试以连续加热时奥氏体的形成动力学曲线，说明奥氏体形成时临界点的变化。 11. 连续加热时奥氏体形成在动力学、转变机理、奥氏体状态上有什么特点？ 12. 8级奥氏体晶粒的共析钢中，每平方毫米含多少个奥氏体晶粒？每个奥氏体晶粒中含多少个铁、碳原子？每个奥氏体晶胞中含多少个碳原子？ 13. 奥氏体晶粒度的概念，晶粒度级别与晶粒大小的关系式。 14. 何谓起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度？试加以比较。如何显示和评定晶粒度级别？ 15. 影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些？如何影响？如何防止和控制奥氏体晶粒长大？（如何获得细小的奥氏体晶粒？） 16.合金元素对奥氏体的晶粒长大有什么影响？ 17. 为什么用Al脱氧的钢或加入Ti、V、Zr、Nb等合金元素的钢是本质细晶粒钢？本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定细小，而本质粗晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定粗大？试加以解释。

热处理原理及工艺

第一章金属固态相变概论第一节固态相变概论一、热处理的作用热处理：定义：固态金属通过特定方式加热、保温、冷却以获得工程技术上所需组织、结构和性能的工艺过程。作用：1、提高钢的力学性能，充分发挥钢材潜能； 2、消除毛胚中缺陷，改善工艺性能； 3、机械零件加工工艺过程中的重要工艺； 4、改善工件表面抗磨性、耐腐蚀性等特殊物理化学性能。二、根据固态相变类型随外界条件不同而引起的变化分为： 1、平衡转变：缓慢加热或冷却，获得相图所示平衡组织。同素异构转变纯金属（有确定的转变温度）多型性转变合金（固溶体） el：F转变A 新相的结构始终与母相不同平衡脱溶沉淀随新相的析出，母相成分和体积分数变化但母相不会消失共析转变冷却时由一固相分解为两固相调幅分解高温下的单一固溶体冷却(在某一温度范围内)分解为两种成分不同、结构相同的微区有序化转变固溶体各组元原子相对位置从无序到有序的转变 2、不平衡转变：快速加热或冷却，平衡转变受到抑制，发生不平衡转变而得到不平衡组织。转变过程和转变产物的组成相与共析转变相同伪共析转变：组成相相对量非定值，依A碳含量而变马氏体转变A快冷后发生的组织转变块状转变纯铁或低碳钢在一定冷速下γ相或A变为与之相同成分而形貌呈块状的α相贝氏体转变不平衡脱溶沉淀三、相变实质结构变化：同素异构转变、多型性转变、马氏体转变、块状转变成分变化：调幅分解有序化程度变化：有序化转变注：共析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀兼有结构、成分的变化。第二节、固态相变特点一、相界面

共格界面错配度δ 弹性应变能半共格界面形成半原子面的刃型位错非共格界面 δ很大时形成界面能的大小：共格半共格非共格σσσ>> 二、相变阻力(弹性应变能)大 1、固态相变时，体积变化界面产生弹性畸变弹性应变能额外增加；液态金属结晶只有表面能。 2、固态相变时，总自由能：ωσV S G V G V ++?=? 临界形核半径：ω σ+?-=V K G r 2 临界形核功：() 23 316ωπσ+?=?V K G G 原子扩散困难为固态相变阻力大的又一原因。 3、形成一定质量新相时，有上述原因产生的新相形状与应变能的大小有关。 c<>a 为圆棒或针状(c 为两极间距，a 为赤道半径) 由于比容差造成的应变能为比容差应变能 o a E E 新相形状与应变能关系由共格造成：非共格半共格共格E E E >> 球由比容差造成：共格半共格非共格E E E >>> 针盘 c/a 过冷度大：形成共格或半共格界面，新相呈盘状(或薄片状); 过冷度小：形成非共格界面，以降低应变能。若比容差小，新相呈球状以降低界面能；否则，形成针状，以兼顾降低界面能和比容差应变能。三、新相晶核与母相间存在着一定的晶体学位相关系即：通常以低指数、原子密度大且匹配较好的晶体和晶向相互平衡。新相往往在与母相某一特定晶面上形成，母相的该面称惯习面。四、母相晶体缺陷对固态相变起促进作用(促进转变速度) 五、易出现过渡相过渡相：亚稳定相，成分结构介于新、旧相间，为克服相变阻力形成的中间产物。固态相应遵循的规律：1、力求使自由能进一步降低； 2、力求沿阻力最小、做工最少的途径进行。第三节、固态相变形核应变能