最新热处理原理及工工艺(XXXX金属)

1《热处理原理及工艺》材料科学与工程学院2课程性质热加工原理材料科学基础热处理原理铸造原理焊接原理锻造原理材料类专业主干课程3课程内容热处理原理——在加热和冷却时的组织转变。热处理工艺——正、退、淬、回火、固溶时效。其它热处理——表面淬火，化学热处理等。4为什么要学习热处理？5在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。模具、滚动轴承100%需经过热处理。67主要性能8力-伸长曲线9怎样学习热处理？10课程安排：原理42h，工艺30h，实验8h课程要求：课堂笔记，完成作业，认真听讲考核方法：期末+平时（作业、实验、出勤、笔记）课程安排及要求111.金属热处理原理与工艺，王顺兴，哈尔滨工业大学出版社2.热处理工程基础，陆兴，机械工业出版社3.金属学及热处理，崔忠圻，机械工业出版社4.热处理原理及工艺，赵乃勤，机械工业出版社5.材料固态相变，徐洲，赵连城，科学出版社【学习参考书】12热处理工艺的历史悠久什么是热处理？“吴山开，越溪涸，三金合冶成宝锷。淬绿水，鉴红云，五采焰起光氛氲······”13近代热处理工艺发展1415热处理工艺分类其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理—渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等1617预备热处理与最终热处理预备热处理最终热处理W18Cr4V钢热处理工艺曲线时间18热处理与相图19Fe-C合金相图2021222324•铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。25合金元素在钢中的作用26272829作业题（第1次）1.什么是热处理？目的和作用是什么？2.Fe－C合金相图上那条线为A1、A3、Acm线，加热冷却通过该线有何相变？有A2线否？3.合金元素可分为几种？其在在钢中都有哪些作用？30固态相变金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变，这种转变称为固态相变。纯组元—Cr、Na固溶体—α（Al）、α（Mg）化合物—Cu3Au、Al3Sc（1）晶体结构的变化（2）化学成分的变化（3）物质性质的变化相的种类相的变化31固态相变是金属材料热处理的基础。通过固态相变的热处理可改善材料的性能组织，强韧化材料，充分发挥材料的潜力。如：马氏体相变使钢淬火硬化（马氏体强化）过饱和固溶体的分解（时效强化、析出强化）反过来，固态相变理论的发展又推动了新材料和热处理实践的发展。固态相变的实际意义32相界面33图a第一类共格图b第二类共格共格(coherent)界面34两相沿平行于界面的晶向上的原子间距之差。错配度35半共格(semi-coherent)界面非共格(incoherent)界面36新相形状与体积应变能的关系——非共格界面时体积应变能－新旧相比容→体积变化应变能37弹性应变能的影响因素完整晶体中相变产生的弹性应变能新相和母相的比容差新相和母相的弹性模量新相的形状38讨论①ΔT大→新相临界晶核rk↓→单位体积新相的表面积S↑→界面能↑（居主要地位）→两相倾向形成共格或半共格界面→界面能↓→新相倾向形成盘状；——（前提：使界面能的降低足以超过由于形成共格或半共格界面所引起的应变能↑）②ΔT小→新相临界晶核rk↑→单位体积新相的表面积S↓→界面能↓（居次要地位）→倾向形成非共格界面→应变能（比容差应变能）↓比容差不大→形成球状→界面能↓比容差大→形成针状→兼顾两者固态相变过程中，应变能与界面能以何者为主？39惯习面和位向关系40晶体缺陷与成核41过渡相：指成分或结构，或者成分和结构二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。过渡相42母相新相成分不同某些组元的扩散固态中原子的扩散速度远远低于液体原子，所以，原子扩散速度对固态相变影响很大。原子的扩散431.相界面特殊2.面相变阻力大——弹性应变能作用3.存在位向关系与惯习4.晶体缺陷影响相变5.易产生过渡相6.原子的扩散慢总结：金属固态相变特点44作业题（第2次）1、什么叫错配度？它与界面类型有何关系？2、界面能具体包括哪些？其产生的原因是什么？3、讨论固态相变过程中，应变能与界面能如何影响新相的形状？4、为什么固态相变过程中易于出现过渡相？5、总结固态相变的主要特点。6、钢加热或冷却到相图的A1、A3、Acm时是否发生相变，为什么？45一级相变0S0VPPTT21STPTTPP21VPT46Cp--热容，β--压缩系数，α--膨胀系数PPTT222212TCTSTPPP220PCTTPP222212VPVVVPTT220PTPT2212VTVVVPTP20二级相变47相图上一级相变与二级相变的区别48纯铁的同素异构转变49具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图50具有共析相变的二元合金平衡状态图51Fe-Fe3C相图的伪共析区5253相变的实质是相结构、成分或有序化程度发生变化，相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。如：马氏体相变是非扩散相变、（新旧相成分相同、结构不相同）珠光体相变是扩散相变、（新旧相成分不相同、结构不相同）非平衡相变、有核相变；平衡相变、有核相变；相变分类小结54r*均匀形核vGVGSVG32344433vrGrrGrG)(=0令3*2163()VGGG*2VrGG得当△Gv一定时，固态相变比液-固相变要困难，需要大过冷度。55均匀形核*exp()exp()GQNCRTRT固态原子的扩散激活能Q较大，固态相变的弹性应变能又进一步增大形核功W。所以，与液态结晶相比，固态相变的均匀形核率要低得多。56晶体缺陷与成核57晶界类型：界面、界棱、界隅晶界形核时的能量变化提供的能量：结论：界隅形核的最容易Ⅳ界面界棱界隅晶界形核58释放能量提供成核驱动力凝聚成位错加速扩散过程（空位机制）空位及空位集团形核59作业题（第3次）1、何谓一级相变和二级相变？其性质各有何特点？2、固态相变的相变驱动力和阻力有哪些？3、为什么固态相变比液—固相变需要更大的相变驱动力？4、为什么固态相变过程中更倾向于在晶体缺陷处形核？60马氏体转变的均匀切变61相界面上位错的滑动62非共格界面的可能结构63•原子由α向β迁移的频率:VVkGQQG原子振动频率，波尔兹曼常数新旧相自由能差激活能激活能exp(11)QfkTexp(12)VQGfkT•原子由β向α迁移的频率:母相新相无成分变化的新相长大64()exp1exp(13)VVffGQkTkT设单原子层厚度为δ，则界面迁移速率为：65新相的长大必须通过溶质原子的长程扩散来实现，故其长大速度受原子的扩散所控制。有成分变化的新相长大66单位面积内，dt时间内界面推进dx距离，扩散流量相等：移相后，界面迁移速度为：67坐标系中，S曲线为直线，拟合后得到Avrami方程：1exp()nfkt转变量时间常数指数等温转变动力学曲线68Temperature-Time-TransformationCurve——TTT图(曲线)等温转变动力学图69作业题（第4次）1、固态相变的过程中形核和长大的方式是什么？2、固态相变的晶核长大控制因素有哪些？结合过冷度进行具体讨论。3、扩散型相变和非扩散型相变的本质区别是什么？为什么有些新相与母相成分相同的相变还属于扩散型相变？4、画出等温转变动力学曲线，说明其转变特点。70纯铁的同素异构转变71a刚球模型b质点模型c晶胞原子数面心立方晶胞72单胞原子数Fe：6*1/2+8*1/8=4C：1+1/4*12=4%100%+412=100%+12=17.6%c碳的总质量铁的总质量碳的总质量4564γ中理论上的最大含碳量7374奥氏体的长大75作业题（第5次）1、奥氏体中，碳原子占据晶胞中的八面体间隙，计算理论上奥氏体最大含碳量?2、为什么奥氏体实际最大含碳量低于理论值？3、珠光体加热时，为什么α和Fe3C界面是形核的有利地点？4、分析奥氏体形核后的长大机理，并说明Cα-γ、Cα-k、Cγ-α、Cγ-k各有何含义？5、画出P→γ转变的动力学图？1~4线各是什么线？各区分别是什么组织？76作业题（第6次）1、名词解释：初始晶粒度、实际晶粒度，本质晶粒度2、分析合金元素影响奥氏体形成速度原因。3、什么是本质细晶粒钢？为什么超过一定温度后本质细晶粒钢的晶粒反而变得粗大？4、以共析钢为例说明奥氏体的形成过程；非共析钢的奥氏体形成与共析钢有何不同？5、哪些因素影响γ的晶粒度？研究γ的晶粒度有何意义？77308.0210:SnmTT过冷度珠光体的形成78珠光体的形核与长大79析出相溶质浓度高溶质浓度低溶质浓度高溶质浓度低吉布斯——汤姆效应粒状珠光体的形成小——溶质含量高大——溶质含量低界面曲率半径思考：片状P形成后，在A1温度下加热，片状P是否可否变成粒状P？80作业题（第7次）1、名词解释：珠光体，伪共析组织2、画出两种形态的珠光体组织示意图，同时说明其组织和性能特点。3、列表总结片状珠光体的形成温度对片层间距及性能的影响。4、珠光体的片成间距与过冷度有何关系？为什么温度越低，片层间距越小？5、叙述珠光体在奥氏体中形核后的长大机制。6、说明伪共析组织的特点、形成条件、原因及应用。81块状与网状铁素体网状的先共析渗碳体先共析相形态82铁素体魏氏组织渗碳体魏氏组织魏氏组织：由针状的先共析相及其间的珠光体组成的复相组织。影响：严重恶化钢的性能。消除：正火、退火、锻造——细化晶粒魏氏组织83P转变动力学曲线珠光体转变动力学P转变动力学图（有独立的转变C曲线）84过冷奥氏体等温转变曲线又称TTT图、或C曲线。综合反映了过冷奥氏体在冷却时的等温转变温度、等温时间和转变量之间的关系。TTT－TemperatureTimeTransformation过冷奥氏体等温转变动力学图85（1）将一系列试样加热奥氏体化；（2）在A1点下不同温度保温间；（3）淬水冷却，固定转变产物；（4）确定各温度下的动力学曲线；（不同温度下，转变量与时间关系）（5）变换坐标为温度、时间——建立等温转变动力学图。过冷奥氏体等温转变动力学图实验步骤8687共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A188金相硬度法奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。膨胀法奥氏体和转变产物的比容不同。磁性法及电阻法奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。C曲线的测定方法89共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf90作业