【正文】 第一節(jié) 熱處理的發(fā)展史 第二節(jié) 熱處理的理論基礎 第三節(jié) 鋼的熱處理 第四節(jié) 固溶與時效處理 第四章 金屬材料熱處理 公元前六世紀 ， 鋼鐵兵器逐漸被采用 ， 為了提高鋼 的硬度 ， 淬火工藝遂得到迅速發(fā)展 。 中國河北省易縣燕 下都出土的兩把劍和一把戟 ， 其顯微組織中都有馬氏體 存在 ， 說明是經(jīng)過淬火的 。 第一節(jié) 熱處理的發(fā)展史 早在公元前 770～前 222年，中國人在生產(chǎn)實踐中就 已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化。 白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。 隨著淬火技術的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對淬火 質量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打 制 3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中 國在古代就注意到不同水質的冷卻能力了，同時也注意 了油和尿的冷卻能力。 中國出土的西漢 (公元前 206～公元 24)中山靖王墓中 的寶劍 ,心部含碳量為 ～ %，而表面含碳量卻達 %以上，說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人“手 藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。 1863年，英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在顯 微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻 時，內部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉 變?yōu)橐环N較硬的相。 法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論，以及英 國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初 步奠定了理論基礎。與此同時，人們還研究了在金屬熱 處理的加熱過程中對金屬的保護方法，以避免加熱過程 中金屬的氧化和脫碳等。 1850～ 1880年，對于應用各種氣體 (諸如氫氣、煤氣、 一氧化碳等 )進行保護加熱曾有一系列專利。 1889～1890 年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。 1901～ 1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應用轉筒爐進行氣體 滲碳 ； 30年代出現(xiàn)露點電位差計 ,使爐內氣氛的碳勢達到 可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一 步控制爐內氣氛碳勢的方法； 20世紀 60年代以來，熱處理技術運用等離子場，發(fā) 展了離子滲氮、滲碳工藝 ；激光、電子束技術的應用， 又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。 在鑄造 、 壓力加工和焊接成形過程中 ， 不可避免地存在組織缺陷 。 對金屬材料進行熱處理主要源于提高其綜合機械性能 ， 符合材料在設計和制備過程中所遵循的“ 成分－組織－性能 ” 的原則 。 第二節(jié) 熱處理的理論基礎 熱處理是將金屬材料以一定的速度加熱到預定溫度并保持預定的時間，再以預定的冷卻速度進行冷卻的綜合工藝方法。 ? 金屬材料的強化機制 導致材料失效 的最大應力 結構材料 陶瓷材料 高分子材料 金屬材料 強 度 疲勞強度 抗拉強度 斷裂強度 屈服強度 材料強度的唯一性判據(jù) 通常研究的結構材料在室溫工作條件下，最需要考慮的是屈服強度和斷裂強度 。 斷裂強度 屈服強度 σb≥σk σb≤σk 脆性材料 塑性材料 脆性材料的強度 通常以 σk表示 塑性材料的強度 通常以 σb表示 大部分金屬材料屬于塑性材料，其塑性變形是靠位錯的運動而發(fā)生的，因此，任何阻止位錯運動的因素都可以成為提高金屬材料強度的途徑 。 ? 固溶強化 ： 當合金由單相固溶體構成時，隨溶質原子含量的增加，其塑性變形抗力大大提高，表現(xiàn)為強度和硬度上升，塑性和韌性值下降。 Cu－ Ni固溶體的機械 性能與成分的關系 Al－ Mg固溶體的應力－應變曲線 σb δ δ 固溶強化的實質 ： 晶體結構中的彈性交互作用、 電 交互作用和化學交互作用。其中最主要的是：溶質 原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位錯的運動。 不同溶質原子在位錯周圍的分布狀態(tài) Cotrell氣團模型 ： 溶質原子與位錯彈性交互作用的結果，使溶質原子趨于聚集在位錯的周圍，以減小點陣畸變， 降低體系的能量。（它對位錯有“釘扎”作用） ? 細晶強化 ： 合金的晶粒越細小，內部的晶粒和晶界的數(shù)目就越 多。細晶強化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性，原子能 量高這一特點，對材料進行強化。 雙晶粒的拉伸試驗說明：晶界對形變有阻礙作用。 雙晶粒拉伸示意圖 低碳鋼的 σs 與晶粒大小的關系 在右圖中，低碳鋼的 σs 與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線 性關系，可用下式表示： σs＝ σ0+Kd－ 1/2 …… Hall － Petch公式 細晶強化理論的提出： （ 1）針對不同常規(guī)材料，探索抑制其晶粒長大的辦法。 （ 2）在世界范圍掀起了研究納米材料的狂潮。 可以實現(xiàn)在提高材料強度的同時，也改善材料的塑性 和韌性，獲得最佳的強韌性配合。 ? 加工硬化 ： 加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強 度、硬度升高；塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化（冷變 形）是熱處理不能強化的金屬材料的主要強化方法。 曲線分為三階段 1）易滑移階段（位錯少干擾） 2）線性硬化階段（位錯塞積） 3）拋物線硬化階段（螺旋位錯 啟動，位錯密度下降） 加工硬化曲線： 晶粒度對加工硬化曲線的影響 加工硬化的實質 ： 是金屬塑性變形時內部產(chǎn)生滑移，使 晶粒變形和細化亞組織，因而產(chǎn)生大量的位錯，晶格嚴重 畸變，內部應力增加，其宏觀效應就是加工硬化。 晶體結構對加工硬化曲線的影響 ? 時效強化 ： 時效強化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下保溫析出過渡相、第二相等而實現(xiàn)對材料強化的方法。 ? 第二相強化 （ 彌散強化 ） ： 通過各種工藝手段使第二相質點彌散分布，可以阻礙合金內部的位錯運動，從而提高合金強度的方法。 第二相一般指各種化合物質點。 1） 生產(chǎn)中可通過對馬氏體進行回火的方法獲得彌散分布 的第二相； 2） 也可通過共晶化合物進行熱壓力加工獲得； 3） 還可通過共析反應獲得； 4） 另外還可通過粉末冶金方法獲得。 獲得第二相的途徑： 第二相在基體中的形態(tài)及分布： 以鋼中 Fe3C的形態(tài)與分布為例： a：過共析鋼中， Fe3C呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在 α晶界上。 塑性、強度下降。 b：珠光體中， Fe3C與鐵素體呈平行間隔分布。 塑性、強度較高。 （要求珠光體細小，片層間距?。? c： 共析鋼或過共析鋼經(jīng)球化退火后， Fe3C呈顆粒 狀分布在 α晶界上。 強度下降，塑性上升，便于加工。 彌散型兩相合金強化的主要影響因素： 1） 顆粒直徑 2） 第二相含量（體積分數(shù)） 3） 第二相的分布狀態(tài) 第二相的強化機制： 繞過機制 切割機制 ? 復合強化 ： 利用兩種或兩種以上的強化方法，來達到塑性金屬 材料強化的目的。 鋼的形變熱處理 固溶強化 加工硬化 回火索氏體 第二相強化 細晶強化 固溶強化 ? 固態(tài)相變 塑性金屬材料的強化機制表明 ： 通過熱處理中的加熱和冷卻過程使合金產(chǎn)生固態(tài)