《固态相变原理及应用》第十章 钢的热处理工艺
金属材料热处理试验方法
金属材料热处理试验方法
一、 实验目的
1、了解钢的热处理的基本方法。
2、了解不同热处理方法对钢的组织与性能的影响。
二、实验设备
箱式电阻炉（附温控装置）、洛氏硬度计、金相显微镜、淬火水槽、油槽、夹钳、砂纸、玻璃板、侵蚀剂、表1-4-4所列试样一套（试样尺寸：--10mm×12mm）
三、实验原理
1、碳钢的热处理
钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温与冷却以改变其组织和性能的工艺。热处理工艺主要包括退火、正火、淬火及回火。
退火是将工件加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保温一定时间，随后缓慢冷却以得到近似平衡组织的方法。根据工件退火加热温度的不同又可分为完全退火与不完全退火。加热到Ac3以上得到均匀奥氏体组织后缓慢冷却转变为珠光体组织为完全退火，加热到Ac1以上得到奥氏体加未溶碳化物或铁素体再缓慢冷却为不完全退火。
正火是将工件加热Ac3(或Accm)以上，保温一定时间后在静止的空气中冷却得到细珠光体类型组织的热处理工艺。
淬火是将工件加热到Ac3或Ac1以上保温一定时间并以一定的冷却速度冷却，以得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。根据淬火温度不同又可分为完全淬火和不完全淬火。加热到Ac3以上进行的称为完全淬火，加热到Ac1以上得到的奥氏体加未溶碳化物或铁素体再淬火称为不完全淬火。
回火是将淬火后的工件重新加热到低于相变点的某一温度保温一定时间后冷却，以改善钢的组织和性能的热处理工艺。
任何热处理工艺都包括加热温度、保温时间以及冷却方式三个基本的工艺因素。
（1）加热温度 碳钢热处理的加热温度原则上可按下表选定。但生产中，应根据工件实际情况作适当调整。
碳钢的整体热处理的加热温度
热处理方法 加热温度/℃ 应用范围
退火 Ac3+(20~60) 亚共析钢完全退火
Ac1+(20~40) 过共析钢球化退火
正火 Ac3+(50~100) 亚共析钢
Accm+(30~50) 过共析钢
固态相变习题
固态相变习题
第一章自测题试卷
1、固态相变是固态金属（包括金属与合金）在（）和（）改变时，（）的变化。
2、相的定义为（）。
3、新相与母相界面原子排列方式有三种类型，分别为（）、（）、（），其中（）界面能最低，（）应变能最低。
4、固态相变的阻力为（）及（）。
5、平衡相变分为（）、（）、（）、（）、（）。
6、非平衡相变分为（）、（）、（）、（）、（）。
7、固态相变的分类，按热力学分类：（）、（）；按原子迁动方式不同分类：（）、（）；按生长方式分类（）、（）。
8、在体积相同时，新相呈（）体积应变能最小。
A．碟状（盘片状） B.针状 C.球状
9、简述固态相变的非均匀形核。
10、简述固态相变的基本特点。
第二章自测题试卷
1、分析物相类型的手段有（）、（）、（）。
2、组织观测手段有（）、（）、（）。
3、相变过程的研究方法包括（）、（）、（）。
4、阿贝成像原理为（）。
5、物相分析的共同原理为（）。
6、扫描电镜的工作原理简单概括为：（）。
7、透射电子显微镜的衬度像分为（）、（）、（）。
第三章自测题试卷
1. 根据扩散观点，奥氏体晶核的形成必须依靠系统内的（）：
A.能量起伏、浓度起伏、结构起伏
B. 相起伏、浓度起伏、结构起伏
C.能量起伏、价键起伏、相起伏 D. 浓度起伏、价键起伏、结构起伏
2. 奥氏体所具有的性能包括：（）
A.高强度、顺磁性、密度高、导热性差；
B.高塑性、顺磁性、密度高、导热性差；
C.较好热强性、高塑性、顺磁性、线膨胀系数大；
D.较好热强性、高塑性、铁磁性、线膨胀系数大。
3. 影响奥氏体转变的影响因素包括（）、（）、（）、（）。
4．控制奥氏体晶粒大小的措施有：（），（），（），（）。
5．奥氏体是Fe-C合金中的一种重要的相，一般是指（），碳原子位于（）。
6. 绘图说明共析钢奥氏体的形成过程。
7. 奥氏体易于在铁素体和渗碳体的相界面处成核的原因是什么？
“钢的热处理原理及工艺”作业题
1 “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、为何新相形成时往往呈薄片状或针状？
4、说明相界面结构在金属固态相变中的作用，并讨论它们对新相形状的影响。
5、固－固相变的等温转变动力学图是“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；
《金属热处理原理与工艺》课程设计
热处理工程基础
1
2.1、什么是热处理
所谓钢的热处理，就是对于固态范围内的钢，给以不同的加热、保温和冷却，以改变它的性能的一种工艺。钢本身是一种铁炭合金，在固态范围内，随着加温和冷却速度的变化，不同含炭量的钢，其金相组织发生不同的变化。不同金相组织的钢具有不同的性能。因此利用不同的加热温度和冷却速度来控制和改变钢的组织结构，便可得到不同性能的钢。例如，含炭量百分之0.8的钢称为共析钢，在723摄氏度以上十时为奥氏体，如果将它以缓慢的速度冷却下来，它便转变成为珠光体。但如果用很快的速度把它冷却下来，则奥氏体转变成为马氏体。马氏体和珠光体在组织上决然不同，它们的性能差别悬殊，如马氏体具有比珠光体高的多的硬度和耐磨性。因此，钢的热处理在钢的使用和加工中，占有十分重要的地位。
2.2、热处理的作用
机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。拒初步统计，在机床制造中，约60%～70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%～80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。
材料的热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。通过这个相变与再相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能变化。例如碳素工具钢T8在市面上购回的经球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60~63HRC，这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火加低温回火后的回火马氏体。同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大。热处理工艺（或制度）选择要根据材料的成份，材料内部组织的变化依赖于材料热处理及其它热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化，材料成份－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料加工的全过程之中。
热处理基本知识
热处理基本知识
1/金属材料热处理：
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，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，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。热处理，简单而言就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。
2/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。我们上汽股份汽齿总厂由于主要处理工件为齿轮零件，所以在热处理方面主要进行的是金属材料的渗碳淬火热处理。那么，为什么要选择渗碳淬火，而不是直接淬火，主要是因为齿轮零件在负载运动时，一方面需要零件表面有足够的硬度和强度，另一方面要求心部有足够的韧性，以防齿轮齿牙断裂，因此，低碳合金钢正好可以满足这种要求：通过表面渗碳，使零件表面在淬火后达到高的硬度，而未渗碳的心部组织具有较好的韧性，从而达到变速箱零件的物理要求。
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。
金属中的相变和热处理
1金属中的相变和热处理
6.1.1 固态相变及其分类
掌握固态相变的规律，可以采用措施控制相变过程以获得预期的组织结构，从而获得预期的
性能。因此固态相变的规律是热处理的基础。本节重点讨论扩散型相变
我们已经建立起这样的概念，材料随温度的变化可以有液相，固相。在固相中又可能发生结
构变化产生新相。可以通过计算该相的自由能，或者是利用相图来衡量某一种相是否稳定。
我们利用 Fe-C相图，以奥氏体转变为铁素体为例，说明扩散型固态相变的一些基本规律。
6.1.2 相变过程基本现象总结
铁素体在奥氏体晶界形成很小的颗粒，称为形核（Nucleation）。
奥氏体冷却到GS线时并不产生铁素体晶核，而
是冷到更低的温度后才产生铁素体晶核，称为过
冷(Supercooling)。 铁素体在奥氏体晶界形核后就向奥氏体推移，
奥氏体不断变成铁素体,称为长大(Growing)。
6.1.3 基本现象的说明
为什么要过冷
新相形核时要产生新的表面，因此需要提供表面能（Surface Energy）。另外，要在一种固相
中产生另一种新的固相，必然要在母相中产生较大的应变，需要提供能量克服 应变能（Strain
Energy）。这种能量的提供，来源于新相与旧相的自由能差。过冷度越大，即新相形成温度
越低，则新相与旧相的自由能差也就越大，用来克服相变阻力(表面能与应变能)的能量也就
越多。
为什么在晶界形核:新相在母相的晶界处形核可以减少形核所需的能量。
为什么是扩散型相变:因为铁素体是BCC结构，且含碳量很低，而奥氏体是FCC结构且含
碳量较高，所以奥氏体要长大变成铁素体，必然要发生铁原子与碳原子的扩散。
6.1.4 扩散型固态相变的速率
扩散型固态相变的形核与长大均与扩散有关，扩散结果取决于温度与时间。所以转变速率
及转变量与时间及温度有密切的关系。
时间与转变速度的关系
动画的小结：一定的温度下停留一段时间，开始转变。这段时间被称为 孕育期(Incubation
45钢固态相变实验报告
学院：材料科学与工程学院
专业：金属材料工程（日语强化）
班级：0707班
姓名：赵宇
学号：200766502
材料科学基础实验报告
材料基礎科学実験レポート 大连理工大学实验报告
学院（系）：材料科学与工程学院 专业：金属材料工程（日语强化） 班级：0707班
姓 名： 赵宇 学号： 200766502 组： ___
实验时间：2010-10-9——2010-12-18实验室：材料馆111，123，117，113实验台：
指导教师签字： 成绩：
材料科学基础实验报告
材料基礎科学実験レポート
一、 实验目的和要求（目標と要求）：
(一) 实验目的（目標）：
1. 掌握金相试样的制备过程，并对其中出现的问题进行分析和解决。
2. 了解金属材料的热处理工艺，针对其应用特点进行热处理工艺设计，并进行热处理操作。分析碳钢在热处理时，温度、冷却速度对其组织与硬度的影响。
3. 掌握在金相显微镜下观察和分析材料的金相组织，掌握不同的热处理工艺中组织结构的转变。
4. 了解各种硬度计的特点、原理、使用范围以及测定方法。
5. 掌握定量金相的原理和测定方法。
6. 了解几种常用工程材料的成分——组织结构——机械性能之间关系的一般规律。
7. 了解光学金相显微镜的构造和工作原理。 (二) 实验要求（要求）：
完成该设计性开放实验课程，要求同学独立的进行查阅资料、制定并实施实验方案、整理和分析实验结果等各个实践环节，在实验观察和操作的基础上，以基本实验方法为主题，贯穿专业理论知识学习，培养独立思考问题，分析问题和自己动手解决问题的能力。使学生在实验操作的实践中学习金属学等相关的基本知识，初步具备独立设计实验方案和分析实验结果的能力。
钢的热处理[1]
钢的热处理
目录
钢铁材料热处理定义 —————————————————— 1
钢铁材料分类方法 ——————————————————— 1
钢铁材料的编号方法 —————————————————— 2
典型金属的晶体结构 ——————————————————2
典型的金属组织 ———————————————————— 6
钢的普通热处理 —————————————————————9
钢的热处理原理—————————————————————14
钢铁材料热处理定义
钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以改变合金的组织与性能的一种工艺方法。
热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。应用它可以控制工件的各种性能，如硬度、抗拉强度、冲击韧性、耐磨性、耐腐蚀性、磁性能等。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。
钢铁材料的强韧化主要有两个途径：一是对钢铁材料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。
本培训的基本内容包括钢铁材料的分类及编号、典型金属的晶体结构、热处理原理及普通热处理工艺四大方面。
钢铁材料分类方法
钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。为保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。
钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下六种：
1、按品质分类
(1) 普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）
(2) 优质钢（P、S均≤0.035%）
(3) 高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）
第九章钢的热处理原理第十章钢的热处理工艺课后题答案
第九章 钢的热处理原理
第十章 钢的热处理工艺
1,.金属固态相变有哪些主要特征？哪些因素构成相变阻力？
答： 金属固态相变主要特点：1、不同类型相界面，具有不同界面能和应变能2、新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 3、相变阻力大4、易于形成过渡相5、母相晶体缺陷对相变起促进作用6、原子的扩散速度对固态相变起有显著影响…..阻力：界面能和弹性应变能
2、何为奥氏体晶粒度？说明奥氏体晶粒大小对钢的性能的影响。
答：奥氏体晶粒度是指奥氏体晶粒的大小。
金属的晶粒越细小,晶界区所占的比例就越大，晶界数目越多（则晶粒缺陷越多，一般位错运动到晶界处即停），在金属塑变时对位错运动的阻力越大，金属发生塑变的抗力越大，金属的强度和硬度也就越高。晶粒越细，同一体积内晶粒数越多，塑性变形时变形分散在许多晶粒内进行，变形也会均匀些，虽然多晶体变形具有不均匀性，晶体不同地方的变形程度不同，位错塞积程度不同，位错塞积越严重越容易导致材料的及早破坏，晶粒越细小的话，会使金属的变形更均匀，在材料破坏前可以进行更多的塑性变形，断裂前可以承受较大的变形，塑性韧性也越好。所以细晶粒金属不仅强度高，硬度高，而且在塑性变形过程中塑性也较好。
3..珠光体形成时钢中碳的扩散情况及片,粒状珠光体的形成过程?
4、试比较贝氏体转变、珠光体转变和马氏体转变的异同。
答：从以下几个方面论述：形成温度、相变过程及领先相、转变时的共格性、转变时的点阵切变、转变时的扩散性、转变时碳原子扩散的大约距离、合金元素的分布、等温转变的完全性、转变产物的组织、转变产物的硬度几方面论述。
试比较贝氏体转变与珠光体转变的异同点。
对比项目 珠光体 贝氏体
形成温度 高温区（A1以 下） 中温区（Bs以下）
转变过程 形核长大 形核长大
领先相 渗碳体 铁素体
转变共格性、浮凸效应 无 有共格、表面浮凸
转变点阵切变 无 有
转变时扩散 Fe、 C均扩散 Fe不扩散、 C均扩散
金属学与热处理课后答案(崔忠圻版)
第二章 纯金属的结晶
2-3 为什么金属结晶时一定要有过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？
答：（1）因为金属结晶时存在过冷现象，是为了满足结晶的热力学条件，过冷度越大，固、液两项的自由能差越大，相变驱动力越大。
（2）过冷度随金属的纯度不同和本性不同，以及冷却速度的差异可以再很大范围内变化。金属不同，过冷度也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大，反之，越小。
（3）会，当液态金属的自由能低于固态时，这时实际结晶温度高于理论结晶温度Tm
，此时，固态金属才能自发的转变为液态金属，称为过热。
2-4试比较均匀形核与非均匀形核的异同点。
答;均匀形核是指：若液相中各区域出现新相晶核的几率是相同的；非均匀形核：液态金属中存在微小的固相杂质质点，液态金属与型壁相接触，晶核可以优先依附现成的固体表面形核。在实际的中，非均匀形核比均匀形核要容易发生。二者形核皆需要结构起伏，能量起伏，过冷度必须大于临界过冷度，晶胚的尺寸必须大于临界晶核半径。
2-5说明晶体成长形状与温度梯度的关系？
答;正温度梯度下以平面状态的长大形态，服温度梯度下以树枝状长大。
2-6简述铸锭三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点？
（1） 表层细晶区形成原因：①型壁临近的金属液体产生极大过冷度 满足形核的热力学条件；②型壁可以作为非均匀形核的基地。该晶区特点：组织细密，力学性能较好，但该晶区较薄，一般没有多大的实际意义。
（2） 柱状晶区的形成原因：①液态金属结晶前沿有适当的过冷度，满足形核要求；②垂直于型壁方向散热最快，晶体向相反的方向生长；③外因是散热的方向性；④内因是晶体晶体生长的各向异性。该晶区的特点：相互平行的柱状晶接触面及相邻垂直的柱状晶区的交界面较为脆弱，并常聚集着易熔杂质和非金属夹杂物，使铸锭在热压力加工时，容易沿着这些脆弱面开裂，组织比较致密。
（3） 中心等轴晶区形成特定：①中心液体达到过冷，加上杂质元素的作用，满足形核的要求；②散热失去方向性，晶核自由生长，长大速度差不多，长成等轴区。该晶区的特点：裂纹不易扩展，不存在明显的若面，各晶粒取向不同，性能无方向性，但分枝较多。显微缩孔较多，组织不够致密，对性能影响不多，一般铸件要求得到发达的中兴等轴晶区。