热处理：材料断口分析(第1-4章)
金属热处理第一章金属材料的结构与缺陷
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热处理手册第三版全四卷
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本手册是一部热处理专业的综合工具书，本版为第3版，共4卷。
第1卷-工艺基础，第2卷-典型零件热处理，第3卷-热处理设备和工辅材料，第4卷-热处理质量控制和检验。
第1卷，共10章。
内容包括金属的热处理加热和冷却、钢铁热处理及表面热处理、非铁金属和合金的热处理、铁基粉末合金件和硬质合金的热处理、功能材料的热处理等。
邮购单价：72元。
第2卷，共19章。
内容包括齿轮、滚动轴承零件、弹簧、紧固件、大型铸锻件、工模量具、汽车拖拉机零件、金属切削机床零件、气动工具及钻探机械零件、液压元件、轻工产品零件和飞机零件等的热处理。
此外，还论述了热处理工艺制订原则和程序及零件的热处理工艺性。
邮购单价：72元。
第3卷，共15章。
内容包括设备分类、筑炉材料、燃烧加热器和电热元件、耐热金属构件、炉子配套器件、热工仪表、传感器、各种热处理炉结构、热处理工辅材料等。
邮购单价：80元。
第4卷，共11章。
内容包括金属化学成分检验、宏观组织和断口分析、显微组织分析、力学性能试验、无损检测、内应力测定、物理性能测试及试验研究方法、金属腐蚀试验、金属制品的失效分析方法、热处理质量的管理与控制和常用数据及单位换算等。
第七章_材料的显微断口分析
第七章材料的显微断口分析♦§1断口学概述♦断口学是研究金属断裂面(即断口)的形态特征、形成原因和影响因素等内容的一门科学。
按照研究尺度范围的不同，它又可分为宏观断口学赫显微断口学。
♦宏观断口学是利用肉眼或低倍放大镜，通过分析断口的色泽、粗糙度、各种条纹（例如发射状条纹、贝壳状条纹等）和宏观变形来确定分析裂纹源的位置、裂纹扩展方向、受力状态级可能的环境介质等，并进一步推断断口的性质和断裂的原因等。
♦♦显微断口学则是利用光学显微镜、投射电子显微镜和扫描电子显微镜来研究断口的显微形貌特征、形成机制及影响因素等。
它和宏观断口学研究结果互相补充及佐证，使人们能对断裂的全部过程有更深入和正确的了解。
♦§２金属断口的基本显微形貌及其形成机制♦造成金属断裂的外部条件及金属本身的内在因素是多种多样的，但是断裂时的断口的基本显微形貌确实很有限的。
这就是说，任何断口都是有一种或几种基本显微形貌或他们的变态，按一定的规律、以不同的比例组合而成的。
下面对常见几种基本断口显微形貌做介绍。
一、解理断口♦解理断裂是指在一定条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离的过程。
它是由于原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂。
一般体心立方金属和密排六方金属常发生解理断裂、低温、高应变率、三向应力状态的存在、腐蚀环境中有活性介质吸附都有利于解理断裂。
♦解理断口宏观上常具有放射状、人字纹、小刻面等特征。
微观断口形貌主要有以下几种。
♦１、解理台阶解理可沿解理面、滑移面或孪晶面进行。
由于实际晶体内部存在许多缺陷（如位错、析出相、夹杂物等），所以在一个晶粒内的解理并不是只沿一个晶面，而是沿一簇相互平行的晶面。
这样不同高度的解理面之间的裂纹相互贯通形成台阶。
♦解理台阶的形成机制主要为：（１）裂纹与螺位错相互交割而产生；（２）另一种为两个相邻的解理裂纹相互靠近时，他们会批次连接起来形成台阶。
如图４－１♦２、河流花样由若干个解理台阶相互汇合形成河流花样。
热处理说明书
目录一. 热处理工艺课程设计的目的 (1)二. 课程设计的任务 (1)三. 热处理工艺设计的方法 (1)四.20Cr2Ni4A汽车方向盘轴承外套的技术要求 (2)4.1 零件图 (2)4.2 技术要求 (2)4.3 工艺流程 (2)五.低温退火的热处理工艺 (2)5.1工艺制定 (2)5.1.1 退火温度 (2)5.1.2 加热方法 (2)5.1.3 加热介质 (3)5.1.4 加热时间 (3)5.1.5 冷却方法 (3)5.1.6热处理后检验方法 (3)5.1.8 工艺曲线 (4)5.2低温退火各热处理工序中材料的组织、性能[4] (4)5.2.1低温退火加热到690℃后的组织及性能 (4)5.2.2分析退火保温时零件的组织转变 (4)5.2.3分析退火冷却到室温后的组织及性能[5] (4)5.2.4采用退火处理的零件可能产生的缺陷及原因，防止和消除些缺陷的方法 .. 5 5.3选择热处理的设备 (5)5.3.1热处理炉 (5)5.3.2 夹具 (6)六. 20Cr2Ni4A的渗碳工艺 (7)6.1渗碳化学热处理的工艺参数 (7)6.1.1加热温度 (7)6.1.2加热方法 (7)6.1.3渗碳介质 (7)6.1.4保温时间 (7)6.1.5冷却方法 (7)6.1.6冷却介质 (7)6.1.7渗碳化学处理及一次淬火的工艺曲线图 (7)6.2 渗碳化学热处理中材料的组织、性能 (8)6.2.1渗碳化学热处理加热到920℃后的组织及性能[8] (8)6.2.2渗碳保温时零件的组织转变 (8)6.2.3预冷到880℃后的组织及性能 (8)6.2.4渗碳化学热处理常见缺陷及防治措施 (9)6.3 渗碳炉 (9)6.4 渗碳化学热处理中的装具 (9)七．调质（淬火加高温回火）的热处理工艺 (10)7.1 淬火工艺 (10)7.1.2 加热温度 (10)7.1.2 加热方法 (10)7.1.3 加热介质 (11)7.1.4 保温时间 (11)7.1.5 冷却方法 (11)7.1.6 冷却介质 (11)7.2 回火工艺参数 (11)7.2.1 加热温度 (11)7.2.2 加热方法 (11)7.2.3 加热介质 (12)7.2.4 保温时间 (12)7.2.5 冷却方法 (12)7.2.6 冷却介质 (12)7.3 调质处理后检验方法 (12)7.4 工艺曲线图 (13)7.5材料的组织、性能 (13)7.5.1 加热温度后的组织及性能 (13)7.5.2 保温时零件的组织转变 (14)7.5.3 冷却到室温后的组织及性能 (14)7.5.4 产生缺陷预测及防护[10] (14)7.6 热处理设备 (14)八. 二次淬火的热处理工艺 (15)8.1 加热温度 (15)8.2 加热方式 (15)8.3 加热介质 (15)8.4 保温时间 (15)8.5 冷却方法 (15)8.6 冷却介质 (16)8.7 第二次淬火工艺图 (16)8.8 淬火热处理炉 (16)8.9 淬火后组织组成 (16)九. 低温回火热处理工艺 (17)9.1 加热温度 (17)9.2 加热时间 (17)9.3 加热方式 (17)9.4 加热介质 (17)9.5 冷却方式 (17)9.6 冷却介质 (18)9.7．低温回火工艺曲线图 (18)9.8．回火冷却到室温后的组织及性能 (18)9.9．设计的热处理处理可能产生的缺陷预测及原因，消除缺陷的方法 (18)9.10．热处理后检验方法 (19)9.11．低温回火热处理设备 (19)十．完整的工艺曲线图及工艺路线 (20)十一.热处理工艺课程设计的体会与见解 (20)十二.参考文件 (21)20Cr2Ni4A方向盘轴承外套热处理设计一. 热处理工艺课程设计的目的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。
金属材料与热处理第四章
较高的强度和较好的塑性，铸造性能 用途广泛，可制作轴承座、连杆、箱体、
好，焊接性能和切削性能好
曲轴、缸体、飞轮等
二、合金钢
碳素钢具有一定的力学性能和良好的工艺性能，且价格低 廉，在工业中应用广泛。但碳素钢淬透性低，强度较低，且不 能满足某些特殊性能要求（如耐蚀、耐磨、耐热、抗氧化等）。 为了改善碳素钢的组织和性能，在碳素钢基础上有目的地加入 一种或几种合金元素所形成的铁基合金称为合金钢。
牌号 08，10 15，20，25
45 65Mn
性能
应用
塑性好、强度低，一般由钢厂 主要用于制造深冷冲压件和焊接
轧成薄板或钢带供应
件，如汽车壳体、油箱、压力容器等
常用于制造尺寸不大、载荷较小的
塑性好，有一定的强度，经渗 渗碳件，如摩托车链条、小齿轮、活
碳处理后，可实现“皮硬心软” 塞销、小轴、垫圈；也用于制造不需
45 50Mn
牌号由“T 数字 元素符号 质量等级符号”组成
碳素工具钢
T 为“碳”字的汉语拼音字首。数字表示钢的平均含碳量（以千分之几
T8
记）。较高含锰含量的碳素工具钢，加锰元素符号 Mn。A 表示高级优质碳 T8A
素工具钢。例如，T8 表示平均含碳量为 0.8%的碳素工具钢
铸钢
牌号由“ZG 数字-数字”组成
弱碳化物形成元素Mn，Fe等， 只能形成稳定性较差的渗碳体或 合金渗碳体，如 (Fe，Mn)3C 等。
2）合金元素对钢热处理的影响
（1）合金元素对钢加热转变的影响
合金钢奥氏体化的基本过程与非合金钢一样，也包括晶 核的形成、长大及碳化物的溶解和均匀化等过程，而这些过 程基本上是由碳的扩散来控制的。除Co，Ni外，大多数合金 元素均能使碳的扩散能力降低，特别是强碳化物形成元素， 因其形成的碳化物稳定性高、难溶，可显著阻碍碳的扩散， 减缓奥氏体的形成。因此，大多数合金钢要获得成分均匀的 奥氏体，需提高加热温度和延长保温时间。
金属材料及热处理chapter4-2.ppt
常见工艺缺陷：
3.1 硬度偏高/high hardness 常在wC>0.45％的中、高碳钢锻件中出现 退火时A化T低，冷却过快，球化不充分或K弥散度较大。也往往与装 炉量过大、炉温不均匀有关。
可通过第二次退火改善。
3.2 过热/Overheat 加热T过高，保温t过长及炉内T不均匀等均可造成局部过热。当冷却 较快时，中碳钢中常出现粗大魏氏组织，使钢的机械性能恶化。
§4.1 退火工艺 §4.2 正火工艺 §4.3 退火、正火后的组织性能及工艺缺陷
§4.2 正火工艺
• 概念 • 目的与应用 • 组织与性能 • 工艺缺陷
将亚共析钢加热到Ac3以上(30～50)℃、 过共析钢加热到Acm以上（30～50）℃， 保温一定时间后在空气中冷却的热处理
工艺方法。
• 加热温度要足够高，一 般要求得到均匀的单相 奥氏体组织，工件透热 均温后再于空气中自然 冷却。过冷奥氏体在空 冷中发生共析转变，在 亚共析及过共析钢中还 将析出先共析产物—— 铁素体或Fe3C。
性能：
F：强度低，塑性和韧性好 P：强度较高，塑性和韧性较F差； 力学性能强烈依赖于P片间距或K颗粒的间距。 随片间距减小或颗粒间距减小，强度、塑性提高。
组织与性能间的关系：
• 对于亚共析钢，正火与退火后强度可由下式表达：
0.2 V P (1V )
• 钢中珠光体含量越多，强度、硬度越高，韧性下降，临 界脆化温度提高。当wC<0.2％时，正火与退火钢的机械 性能相近，当wC升高时，正火比退火组织的硬度、强度 都高，但塑性较低。珠光体中碳化物被球化后，可在强 度变化不大的条件下改善钢的塑性和韧性。
习题四
1、填空题
(1) 将金属及其合金加热、保温和冷却，使其组织结构达到或接近 的
金属断口机理及分析
名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。
蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。
准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形〔变形量大于解理断裂、小于延性断裂〕是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。
解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。
应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。
正断：断面取向与最大正应力相垂直〔解理断裂、平面应变条件下的断裂〕韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。
冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。
位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。
河流把戏：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。
其形状类似地图上的河流。
断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体构造。
氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。
卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。
等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。
均匀分布于断口外表，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。
第一章断裂的分类及特点1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。
脆性断裂裂纹源：材料外表、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。
延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45º .2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。
应力腐蚀断口，氢脆断口。
3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理〔及准解理〕、沿晶和疲劳断裂4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直〔解理断裂、平面应变条件下的断裂〕切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45º交角〔平面应力条件下的撕裂〕根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：裂纹张开型、边缘滑开型〔正向滑开型〕、侧向滑开型〔撒开型〕裂纹尺寸与断裂强度的关系Kic：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量〔不同于应力强度因子，与K准则相似〕：断裂应力〔剩余强度〕 a ：裂纹深度〔长度〕Y：形状系数〔与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关〕脆性材料K准则：KI是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量；KIC是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法：T型法〔脆断判别主裂纹〕，分差法〔脆断判别主裂纹〕，变形法〔韧断判别主裂纹〕，氧化法〔环境断裂判别主裂纹〕，贝纹线法〔适用于疲劳断裂判别主裂纹〕。
金材-第四章 钢的热处理
转变开始点的连线称转变 开始线。 转变终了点的连线称转变 终了线。 A1-Ms 间及转变开始线以左 的区域为过冷奥氏体区。 转变终了线以右及Mf以下为 转变产物区。 两线之间及Ms与Mf之间为转 变区。
过 冷 A 温 A1 度
A→P
A
P
转变终了线
B
A→B
转变开始线
MS
A→M
Mf
M 时间
2、C 曲线的分析
马 氏 体 组 织
马氏体的形态
板条马氏体：低碳马氏体。其立体形态为细 长的扁棒状，在光镜下为一束束的细条状 组织，每束内条与条之间尺寸大致相同并 呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几 个取向不同的马氏体束。 针状马氏体：高碳马氏体。其立体形态为双 凸透镜形的片状，显微组织为针状。
马氏体转变的特点
铜棒
Ø 24 mm
电缆线Ø 0.15 mm
切削件的硬度如何调整？ 刀具如何才能具有较高的韧性？
切削件的硬度在170～
230HB范围内，切削性能 较好。
刀具具有较高的韧性时， 不容易发生崩刃。
如何消除加工过程中产生的内应力？
加工过程（铸、锻、焊、 切削）产生的内应力
季裂
§4—3热处理的基础方法
钢的退火与正火 机械零件一般的加工工艺路线 ： 铸造或锻造—退火或正火—机械粗加工 （预先热处理） -淬火+回火（或表面热处理）—机械精加工 （最终热处理）
第一节：热处理的原理及分类 第二节：钢在加热及冷却时的组织转变 第三节：热处理的基本方法 第四节：钢的 表面热处理 第五节：零件的热处理分析
§4—1热处理的原理及分类
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。
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§4、准解理断裂
与解理相比，准解理断裂的特征： ①准解理裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹源在解理面 边界（晶界）形成 ②准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局部地方形成 并局部扩展 ③准解理包含更多的撕裂 ④准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面｛100｝严格对应，不 存在确定的位向关系
大角度晶界，扇形花样
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3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出现。
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§1、概述
1、定义 正应力、解理面、穿晶脆断 2、发生条件 一般均在bcc、hcp金属中发生，而fcc只在特殊情 况下才发生，如腐蚀环境、材质较差时。
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3、温度 T↓，易导致解理断裂
T＜Tc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性 T＞Tc，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形
4、加载速度 V↑，易发生解理断裂
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4、断口形貌特征
宏观断口：结晶状形貌 冰糖块状（晶粒粗大） 灰色的石状
结晶状断口
石状断口
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微观断口：多边形图象（晶粒外形轮廓） 冰糖状形貌
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扇形花样
河流花样
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舌状花样
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例1： 一批锻件毛坯在抽样检验时，发现屈服强度与断面收缩 率均不满足要求，检验人员根据断口特征决定采用正火 处理，再检验性能全部合格。试问： 1、检验人员看到断口有何特征？ 2、产生的原因是什么？ 3、正火后为什么强度和塑性均有提高？ 例2： 在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？
3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物 Al-Li合金中的δ（AlLi）相 ※晶界弱化：杂质Na、S、P等的晶界偏析 合金钢中的高温回火脆性 ※环境：SCC、氢脆、蠕变 ※热应力：焊接材料的HAZ ※晶粒粗大 ！
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台阶形成过程的简化图
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通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）
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小刻面
放射条纹
人字纹
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二、微观形貌特征及形成机理
特征： 扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern） 青鱼骨花样（spine pattern） 瓦纳线（wallner line）
2、河流花样
定义：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组合的 条纹。其形状类似地图上的河流。 形成机理：河流花样实际上就是解理台阶的一种标志。当 裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台阶，而 较大的台阶又汇合成更大的台阶，其结果就形 成河流花样。
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青鱼骨花样
瓦纳线
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（二）形成机理（模型） 1、解理台阶 解裂纹与螺位错交截形成台阶
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准解理裂纹形成机理示意图
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准解理断口形貌
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§1、概述
1、特点：材料断裂前发生明显的塑性变形。也 可以说塑性变形是韧断的前奏，而韧断是大量 塑性变形的结果。 2、过程：显微空洞形成、扩展、连接、断裂 3、类型： 微孔聚集型 纯剪切型
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§4、影响韧窝形貌的因素
1、夹杂物或第二相粒子
尺寸较小，且分布密集 → 促进韧窝成核，形成小而多的韧窝花样 尺寸较大，且分布变化不大→促进裂纹扩展，形成较大的韧窝花样 2、基体材料的韧性 韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅 3、试验温度 T↑、有利于韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加 4、应力状态 拉应力、切应力、撕裂应力
准解理断口形貌
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第四章
发生的断裂。
沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
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抛物线韧窝
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卵型韧窝
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§3、韧窝形成机理
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影响因素：
小角度晶界：倾斜晶界——影响不大，延伸至相邻晶粒
扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：河流不能通过，在晶界处产生新的裂纹，向外扩展 ，
形成扇形花样
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§2、韧性断裂的断口形貌特征
一、宏观形貌特征 纤维区、剪切唇 二、微观形貌特征 韧窝花样（断面上覆盖着大量微坑） 韧窝类型：等轴韧窝 抛物线韧窝 卵形韧窝
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等 轴 韧 窝
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§2、解理断口形貌特征
一、宏观形貌特征 1、放射状条纹 2、人字纹 3、小刻面（facet）：发亮的小晶面 解理断口上的结晶面 宏观上呈无规则取向 强光下可见到闪闪发光的特征 解理断口是由许多小刻面组成的，每个小刻 面代表一个晶粒
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§3、影响解理断裂的因素 1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂 2、显微组织 F—断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样 P—断口呈不连续片层状 M—断口呈锯齿状，出现小刻面
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例2 晶粒过分粗大—细化晶粒处理 晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
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第二章
§1 概述
韧 性 断 裂
§2 韧性断裂的断口形貌特征 §3 韧窝形成机理 §4 影响韧窝形貌的因素
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应力状态
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第三章
§1 概述
解理断裂
§2 解理断口形貌特征及形成机理 §3 影响解理断裂的因素 §4 准解理断裂
台阶的性质
台阶在扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小） 相同方向的台阶合并后高度增加 相反方向的台阶合并后高度减小或消失 台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间存在一定关系 H＝b N 1/2
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例1： 1、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口） 2、产生原因： ①锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大。 ②压下量不足，终锻温度过高，晶粒破碎不够，而再 结晶充分进行并发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗 细不均造成沿晶断裂裂纹所致。 3、正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。
形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变 形，也就容易出现舌状花样。
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青鱼骨花样、瓦纳线
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