热处理基本原理

金属材料的强化机制
结构材料
金属材料 高分子材料
陶瓷材料
强度
屈服强度 断裂强度 抗拉强度 疲劳强度
材料强度的唯一性判据
导致材料失效 的最大应力
通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服
强度和断裂强度。 屈服强度
断裂强度
σb≥σk
σb≤σk
脆性材料
塑性材料
脆性材料的强度 通常以σk表示
Al－Mg固溶体的应力－应变曲线
固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、 电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。
不同溶质原子在位错周围的分布状态
Cotrell气团模型：溶质原子与位错弹性交互作用的结果， 使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变， 降低体系的能量。（它对位错有“钉扎”作用）
晶体结构对加工硬化曲线的影响
➢ 时效强化：
时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下 保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。
➢ 第二相强化（弥散强化）：
通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻 碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。
第二相一般指各种化合物质点。 获得第二相的途径： 1）生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布
弥散型两相合金强化的主要影响因素： 1）颗粒直径 2）第二相含量（体积分数） 3）第二相的分布状态
第二相的强化机制：
绕过机制
切割机制
➢ 复合强化：
利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属 材料强化的目的。
钢的形变热处理
热处理的发展史
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。
加工硬化曲线：
曲线分为三阶段 1）易滑移阶段（位错少干扰） 2）线性硬化阶段（位错塞积） 3）抛物线硬化阶段（螺旋位错
启动，位错密度下降）
加工硬化的实质： 是金属塑性变形时内部产生滑移，使 晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重 畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。
晶粒度对加工硬化曲线的影响
塑性材料的强度 通常以σb表示
大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位
错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都
可以成为提高金属材料强度体构成时，随溶质原子含量的增 加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升， 塑性和韧性值下降。
σb
δ
δ
Cu－Ni固溶体的机械 性能与成分的关系
20世纪60年代以来，热处理技术运用等离子场，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。
热处理的理论基础
热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度 并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综 合工艺方法。
在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地 存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其 综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的 “成分－组织－性能”的原则。
➢ 细晶强化：
合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越 多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能 量高这一特点，对材料进行强化。
双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。
双晶粒拉伸示意图
低碳钢的σs 与晶粒大小的关系
在右图中，低碳钢的σs 与晶粒直径平方根的倒数呈线 性关系，可用下式表示：
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。
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；
的第二相； 2）也可通过共晶化合物进行热压力加工获得； 3）还可通过共析反应获得； 4）另外还可通过粉末冶金方法获得。
第二相在基体中的形态及分布： 以钢中Fe3C的形态与分布为例： a：过共析钢中， Fe3C呈连续网状分布在α晶界上。 塑性、强度下降。 b：珠光体中， Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。 塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小） c： 共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒 状分布在α晶界上。 强度下降，塑性上升，便于加工。
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。
σs＝ σ0+Kd－1/2 …… Hall－Petch公式
细晶强化理论的提出： （1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。 （2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。 可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性
和韧性，获得最佳的强韧性配合。
➢ 加工硬化：
加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强 度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变 形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。