金属热处理工艺学-有色金属的热处理-3
机械基础03-3.3金属材料的热处理
第三节金属材料的热处理一、概论：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延长零件的使用寿面；④改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的磨损。
3.钢的热处理方法：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种。
4.热处理使钢性能发生变化的原因：由于铁有同素异转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了组织与结构变化。
二、退火：1.概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为退火。
2.退火的主要目的是：①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；②细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织上的准备；③消除钢中的残余内应力，以防止变形帮开裂。
3.退火的方法：①完全退火的应用：中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等。
②球化退火的应用：适用于共析钢及过共析钢。
如碳素工具钢，合金工具钢、轴承钢等。
③去应力退火的应用：消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。
三、正火1.概念：将钢加热到一定温度，保温适当的时间，在空气中冷却的工艺方法。
2.应用：①善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；②正火可细化晶粒；③消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的力学性能，并为球化退火作组织准备；④代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火。
四、淬火1.概念：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理工艺称为淬火；2.目的：主要获得马氏体，提高钢的强度和硬度。
3.钢的淬氏性和淬硬性4.淬火缺陷：①氧化与脱碳②过热和过烧③变形与开裂④硬度不足五、回火1.概念：将钢淬火后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
2.回火目的：①消除内应力；②获得所需要的力学性能；③稳定组织和尺寸。
金属热处理
四、渗金属 指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使 钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、 特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。 生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。
表面淬火
将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上， 但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就 可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生 相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适 用于中碳钢。
热处理工艺曲线示意图
热处理可以提高零件的强度、硬度、 韧性、弹性。热处理是改善原材料或毛 坯的工艺性能、保证产品质量、延长使 用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺 方法。铁碳合金状态图是确定热处理工 艺的重要依据。
铁碳合金状态图铁碳合金状态图.doc
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。 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、 表面热处理、局部热处理和化学热处理等。
七：固溶处理： 指将合金加热到高温单相区恒温保持， 使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却， 以得到过饱和固溶体的热处理工艺。 固溶处理的目的 主要是改善钢和合金的塑性和韧性，为 沉淀硬化处理作好准备等。
八、沉淀硬化（析出强化） 指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区 和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中 而导致硬化的一种热处理工艺。如奥氏体沉 淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后，在 400～500℃或700～800℃进行沉淀硬化处理， 可获得很高的强度。
二、正火 指将钢材或钢件加热到Ac3 或Acm（钢的上临界 点温度）以上30～50℃，保持适当时间后，在静止 的空气中冷却的热处理的工艺。 正火的目的 主要是提高低碳钢的力学性能，改善切削加工性， 细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织 准备等。 正火主要用于 １、取代完全退火 ２、用于普通结构件的最终热处理 ３、用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳 体，为球化退火做好准备
有色金属热处理
合金元素较少时，ω相为六方结构；合金元素含量增 加，逐步过渡到棱方晶系 ω相可由淬火时的β相形成，也可由淬火后亚稳β在 550℃以下的等温(回火或时效)转变而来。
慢冷却中的相变
Ti-β同晶二元系固态平衡相图示意图
t0点为纯钛的同素异构转变 温度；t0Cβ线表示β→α转变 开始温度线，即β相变点线； t0Cα线为β→α转变终止线
Cu在α相中固溶度为5.65%(548℃时)，在室 温下降至0.05%；在548℃时发生共晶转变
时效热力学
Al-Cu合金中不同沉淀产物相应 的体积自由焓与成分的关系曲线
时效过程是第二相从过饱和固溶 体中沉淀的过程，新相以形核和 长大方式完成转变
驱动力是两相自由能(焓)差。从 热力学的角度看，在过饱和的α 固溶体中直接析出平衡的θ相最 有利
Mg-Zn相图
不同Mg-Zn二元合金力学性能
wZn(%) 2
原始加工状态
A(%) 11
Rp0.2/MPa Rm/Mpa
35
180
4
9
50
180
6
5
65
180
8
4
75
170
淬火态
A(%) Rp0.2/MPa 11 35
8
40
6
55
5
75
Rm/Mpa 180 180 190 190
淬火+人工时效/176℃×16h
12~16
16 3~5 2~3 3~5 0.5 4~8 2 2 24 16
介质
空气 空气 空气 空气 空气 空气 -
空气
空气 空气 空气 空气 空气 空气 空气 空气 空气 空气
金属材料及其热处理ppt课件
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体的中心。
具有体心立方晶格结构的金属有α-Fe、W、Mo、V、β-Ti等。 晶胞所包含原子数为： 8×1/8+. 1=2 个。
金属的晶格类型
2. 面心立方晶格（FCC） ：
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体六个面的 中心。
表面热处理 (表面淬火和化学热处 理等)；
特殊热处理 (形变热处理、磁场热 处理等)。
根据热处理在零件生产工艺流程 中的位置和作用，热处理又可分 为预备热处理和最终热处理。
A1、A3、Acm为钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理会产生不同程度的滞 后。实际转变温度与平衡临界温度之差称为过热度(加热时)或过冷度(冷却时)。 通常把加热时的临界温度加注下标“c. ” 。
4. 在热处理工艺上的应用。
了解加热、冷却时相变的规律，确 定合适的热处理制度。
.
相图的应用
综上所述，相图是材料状态与成分、温度之间关系的图解， 是研究合金的重要工具：
1. 作为选材的依据。
2. 在铸造生产中的应用。
不同成分合金的熔点，确定合适的 冶炼和浇注温度。
3. 在锻造工艺上的应用。
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合金及其组织结构
2. 相
合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。相与相之间有明显的 界面－相界。
3. 组织
所谓合金的组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。数量、 大小和分布方式不同的相构成了合金不. 同的组织。单相组织、多相组织。
合金的晶体结构
根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分 为固溶体、金属化合物和混合物三类。
单晶体与多晶体
金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的 小晶体组成，小晶体称为晶粒，晶粒之间交界的地方称为 晶界。
金属材料热处理工艺(详细工序及操作手法)
金属材料热处理工艺（详细工序及操作手法）一、热处理的定义热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。
热处理的三大要素:①加热（ Heating）目的是获得均匀细小的奥氏体组织。
②保温（Holding）目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。
③冷却（Cooling）目的是使奥氏体转变为不同的组织。
热处理后的组织加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。
不同的组织具有不同的性能。
二、热处理工艺1.退火操作方法：将钢件加热到Ac3+30-50度或Ac1+30-50度或Ac1以下的温度（可以查阅有关资料）后，一般随炉温缓慢冷却。
目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2.细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所产生的内应力。
应用要点：1.适用于合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速钢的锻件、焊接件以及供应状态不合格的原材料；2.一般在毛坯状态进行退火。
2.正火操作方法：将钢件加热到Ac3或Acm 以上30-50度，保温后以稍大于退火的冷却速度冷却。
目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2.细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所产生的内应力。
应用要点：正火通常作为锻件、焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序。
对于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件，也可作为最后热处理。
对于一般中、高合金钢，空冷可导致完全或局部淬火，因此不能作为最后热处理工序。
3.淬火操作方法：将钢件加热到相变温度Ac3或Ac1以上，保温一段时间，然后在水、硝盐、油、或空气中快速冷却。
目的：淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织，有时对某些高合金钢（如不锈钢、耐磨钢）淬火时，则是为了得到单一均匀的奥氏体组织，以提高耐磨性和耐蚀性。
应用要点：1.一般用于含碳量大于百分之零点三的碳钢和合金钢；2.淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力，但同时会造成很大的内应力，降低钢的塑性和冲击韧度，故要进行回火以得到较好的综合力学性能。
金属材料与热处理 模块三 课题三金属材料的热加工和冷加工
金属的塑性变形与再结晶
（2）热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒， 而使金属的机械性能全面提高。图3-14所示为金属在热轧时变形和再结晶的示意图。但这 与热加工的变形量和加工终了温度关系很大，一般来说，变形量应大些，加工终了温度不 能太高。
金属的塑性变形与再结晶
料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化的现象。加工硬化具有极重要的
延 伸率 % 冲击韧度/J cm -2
HB 强度极 限/MPa
实际意义。
360 320 280 240 200 160 120
80 40
0
强度极 限 布 氏硬度
220
700 600 500
冲击韧度
延 伸率 %
180 160 140 120
金属的塑性变形与再结晶
3 金属材料的热加工和冷加工
金属的塑性变形与再结晶
案例导入
在生产和生活中，铁匠师傅常常要“趁热打铁”，如图3-13所示。锻打过程中，如果 温度下降需要重新加热后才能继续。用圆钢棒制作齿轮时，将圆钢棒热镦成齿坯再加工 成齿轮比用圆钢棒作齿坯再加工成齿轮更合理。请问这是为什么呢？
金属的塑性变形与再结晶
案例分析
“趁热打铁”是铁匠师傅在打铁时，要趁热将钢材进行变形加工，当温度下降后要继续 加热后才能继续加工。只有达到一定温度后才能进行后续的“打铁”，否则继续锻打可能 使工件断裂，而且变形阻力增大难以进行后续加工，这一过程属于金属的热塑性变形加工。
金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根据变形时是否 加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。
金属的塑性变形与再结晶
必备知识 一、
金属热处理工艺学有色金属的热处理3
铜及铜合金的热处理
黄铜
良好的机械性能、耐蚀性、导电性和导热性等。与纯铜和其它铜合金相比 ，价格较低，是重有色金属中应用最广的合金材料。分为二元黄铜（普通黄铜 ）和多元黄铜（复杂黄铜、特殊黄铜）。
Cu>50%
H70 H62
图 Cu-Zn合金相图
铜及铜合金的热处理
黄铜
从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和+’ 两种组织，分别称单相黄铜 和两相黄铜。
铜及铜合金的热处理
一、纯铜（紫铜）
（1）导电性好、导热性好。（导线、电缆、散热管、热交换器等），任何杂 质元素的加热都会降低铜的导电性和导热性；
冷变形对铜导电性能影响不大，纯铜经80%冷变形，导电率降低不到3% ，因此铜导线可在冷作硬化状态使用。冷作硬化是提高铜及铜合金强度的常用 方法。
图 杂质元素对铜导电和导热性影响
铜及铜合金的热处理
锡青铜
铜与锡的合金称为锡青铜。锡青铜的应用在我国已有两千多年历史，最主 要特点是耐蚀、耐磨、弹性好和铸件体积收缩率很小。
锡青铜的用途： （1）高强弹性材料：弹簧、 弹片、弹性元件； （2）耐磨材料：轴承套、齿 轮等； （3）艺术铸件，铜像等。
图 Cu-Sn合金相图
铜及铜合金的热处理
单相黄铜
两相黄铜
铜及铜合金的热处理
黄铜的性能
图 Zn含量对铸态Cu合金力学性能的影响
铜及铜合金的热处理
黄铜的应用
• 单相黄铜塑性好。
• H96和H85具有良好导热性和耐蚀性，一定强度和良 好塑性。大量用于冷凝器和散热器。
• H70和H68强度较高，塑性特别好，用于冷冲压或深 拉伸法制造复杂零件。枪弹壳、炮弹筒，有“弹壳黄 铜”之称。
锡青铜
金属热处理原理及工艺总结_整理版
⾦属热处理原理及⼯艺总结_整理版5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和⾯缺陷对⾦属性能有何影响？答：如果⾦属中⽆晶体缺陷时，通过理论计算具有极⾼的强度，随着晶体中缺陷的增加，⾦属的强度迅速下降，当缺陷增加到⼀定值后，⾦属的强度⼜随晶体缺陷的增加⽽增加。
因此，⽆论点缺陷，线缺陷和⾯缺陷都会造成晶格崎变，从⽽使晶体强度增加。
同时晶体缺陷的存在还会增加⾦属的电阻，降低⾦属的抗腐蚀性能。
6.为何单晶体具有各向异性，⽽多晶体在⼀般情况下不显⽰出各向异性？答：因为单晶体内各个⽅向上原⼦排列密度不同，造成原⼦间结合⼒不同，因⽽表现出各向异性；⽽多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个⽅向上的⼒相互抵消平衡，因⽽表现各向同性。
7.过冷度与冷却速度有何关系？它对⾦属结晶过程有何影响？对铸件晶粒⼤⼩有何影响？答：①冷却速度越⼤，则过冷度也越⼤。
②随着冷却速度的增⼤，则晶体内形核率和长⼤速度都加快，加速结晶过程的进⾏，但当冷速达到⼀定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原⼦的扩散能⼒减弱。
③过冷度增⼤，ΔF⼤，结晶驱动⼒⼤，形核率和长⼤速度都⼤，且N的增加⽐G增加得快，提⾼了N与G的⽐值，晶粒变细，但过冷度过⼤，对晶粒细化不利，结晶发⽣困难。
8.⾦属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？答：①⾦属结晶的基本规律是形核和核长⼤。
②受到过冷度的影响，随着过冷度的增⼤，晶核的形成率和成长率都增⼤，但形成率的增长⽐成长率的增长快；同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的⽅法也会增⼤形核率。
9.在铸造⽣产中，采⽤哪些措施控制晶粒⼤⼩？在⽣产中如何应⽤变质处理？答：①采⽤的⽅法：变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的⽅法来控制晶粒⼤⼩。
②变质处理：在液态⾦属结晶前，特意加⼊某些难熔固态颗粒，造成⼤量可以成为⾮⾃发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数⽬⼤⼤增加，从⽽提⾼了形核率，细化晶粒。
③机械振动、搅拌。
第⼆章⾦属的塑性变形与再结晶2．产⽣加⼯硬化的原因是什么？加⼯硬化在⾦属加⼯中有什么利弊？答：①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直⾄破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈⼤，晶粒破碎的程度愈⼤，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长⽽被拉长。
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铜及铜合金的热处理
二、铜合金的分类及编号
按照化学成分，铜合金可分为黄铜、青铜及白铜三大类。 （1）黄铜：以Zn为主要合金元素，以H表示，H后面的数字表示含铜量。若还 有另一种合金元素，则H后面添加上所加元素的化学符号，并在表示含铜量的 数字后面划一短横线，写上它的百分含量；例：H68，HPb59-1。 （2）白铜：以Ni为主要合金元素，以B表示。例：BAl6-1.5。 （3）青铜：除Zn和Ni以外的元素为主要合金元素，以Q表示。例：QSn7。
• 黄铜的主要热处理方式：退火（再结晶退火、去应力退火）。
• 再结晶退火：加工工序之间的中间退火，产品最终退火。目的是消除加工硬化， 恢复塑性及获得细晶组织。再结晶温度随合金成分不同，多在300-400°C。再结 晶退火温度多在600-700°C。
• 去应力退火：含锌量较高的黄铜，应力腐蚀破裂倾向很严重，其冷变形产品必须 进行去应力退火，清除变形中产生的残余应力，防止自裂。一般230-300°C。
• 两相黄铜热塑性好, 强度高.
• H62有很高强度，热态下塑性好，以板材、棒材、管 材、线材等供工业大量使用，有“商业黄铜”之称。
• H59强度高，含Zn量高，价格便宜。极好地承受热 压力加工，有一般耐蚀性，多以棒材和型材用于机械 制造业。
冷凝器管
汽车机油泵衬套
铜及铜合金的热处理
黄铜的热处理制度
单相黄铜
两相黄铜
铜及铜合金的热处理
黄铜的性能
图 Zn含量对铸态Cu合金力学性能的影响
铜及铜合金的热处理
黄铜的பைடு நூலகம்用
• 单相黄铜塑性好。
• H96和H85具有良好导热性和耐蚀性，一定强度和良 好塑性。大量用于冷凝器和散热器。
• H70和H68强度较高，塑性特别好，用于冷冲压或深 拉伸法制造复杂零件。枪弹壳、炮弹筒，有“弹壳黄 铜”之称。
铜及铜合金的热处理
黄铜
良好的机械性能、耐蚀性、导电性和导热性等。与纯铜和其它铜合金相比， 价格较低，是重有色金属中应用最广的合金材料。分为二元黄铜（普通黄铜） 和多元黄铜（复杂黄铜、特殊黄铜）。
Cu>50%
H70 H62
图 Cu-Zn合金相图
铜及铜合金的热处理
黄铜
从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和+’ 两种组织，分别称单相黄铜 和两相黄铜。
有色金属的热处理
铜及铜合金的热处理 钛及钛合金的热处理
铜及铜合金的热处理
一、纯铜（紫铜）
铜是人类历史上应用最早的金属。现主要用作导电、导热并有耐 蚀性的器材。导电元件、弹性元件、管道和耐磨零件（轴承、衬套、 小齿轮等）。
密度：8.94g/cm3； 导电性和导热性仅次于金和银； 面心立方晶体结构，在极低温度下仍然保持良好塑性； 熔点：1084°C
• 退火硬化现象.
• α黄铜冷变形后于再结晶温度以下退火，其硬度不但不降低，反而有所升高。例如 H70，冷变形50%后在235°C退火1小时，抗拉强度升高30MPa，延伸率降低2%。 试验证明，含Zn大于10%的黄铜、含Al大于4%的青铜、含Mn大于5%的青铜和 含Ni大于30%的白铜都有这种退火异常硬化现象，也称变形时效。
根据锡青铜的使用目的和加工方法，常用热处理是均匀化退火、再结晶退火 和去应力退火。
消除枝晶偏析的均匀化退火，通常处理温度为625-725°C，1-6小时；
锡青铜在冷变形工序之间，中间再结晶退火消除形变硬化，例如QSn6.50.4的再结晶退火温度为600°C；
用作弹性元件的锡青铜QSn4-3等不能进行再结晶退火，只进行去应力退火， 退火温度为250-300°C。
图 铜的力学性能与温度的关系 （99.5%Cu，0.005%Pb， 600°C退火1小时）
铜及铜合金的热处理
一、纯铜（紫铜）
工业纯铜的热处理
一般只进行再结晶退火，目的是消除内应力、使金属软化或改变晶粒度。 退火温度一般为500-700°C。
工业纯铜的牌号
T1---99.95%Cu；T2---99.90%Cu；T3---99.70%Cu；T4---99.5%Cu 含Bi、Pb、Sb、S、P、O等杂质。
铜及铜合金的热处理
一、纯铜（紫铜）
（2）化学稳定性高，耐蚀性好。铜的标准电极电位比氢高，在许多介质中的 化学稳定性都很好。（电线、冷热水配水设备、热水泵及废热锅炉）； （3）无磁性，磁化系数极低，用来制造不允许受磁性干扰的磁学仪器（罗盘、 航空仪器、炮兵瞄准环等）； （4）塑性变形能力高。面心立方晶格。但中温区塑性剧烈降低，应避免在此 区间进行压力加工。热压加工一般在800-900°C进行。中温脆性区一般认为是 Pb等低熔点杂质引起的。
锡青铜
在α相区，Sn含量增加，强度及塑性均增大，约10%Sn附近的塑性最好， 在21%-23%Sn附近的抗拉强度最大。δ相(Cu31Sn8)脆而硬，随该相增多，强 度急剧下降。
Sn：3~14%
图 Sn含量对锡青铜力学性能的影响
铜及铜合金的热处理
锡青铜的热处理
铜锡合金中的原子扩散速度进行很慢，共析转变只有在长时间保温才能进 行。另外，一般生产条件下，冷却速度快，合金中不出现α+ε组织。从工程角 度出发，锡青铜的锡含量一般都小于10%，得到的是单相α组织，故锡青铜不 能热处理强化。
铜及铜合金的热处理
锡青铜
铜与锡的合金称为锡青铜。锡青铜的应用在我国已有两千多年历史，最主 要特点是耐蚀、耐磨、弹性好和铸件体积收缩率很小。
锡青铜的用途： （1）高强弹性材料：弹簧、 弹片、弹性元件； （2）耐磨材料：轴承套、齿 轮等； （3）艺术铸件，铜像等。
图 Cu-Sn合金相图
铜及铜合金的热处理
铜及铜合金的热处理
一、纯铜（紫铜）
（1）导电性好、导热性好。（导线、电缆、散热管、热交换器等），任何杂 质元素的加热都会降低铜的导电性和导热性；
冷变形对铜导电性能影响不大，纯铜经80%冷变形，导电率降低不到3%， 因此铜导线可在冷作硬化状态使用。冷作硬化是提高铜及铜合金强度的常用方 法。
图 杂质元素对铜导电和导热性影响
铜及铜合金的热处理
铝青铜
锡价格昂贵，所以用其它合金元素代替锡。铝青铜就是其中之一。铝青铜具 有良好的力学性能、耐蚀性和抗磨性。