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材料加工基础Ⅰ─热处理原理

主讲：上官晓峰

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绪论

材料加工基础Ⅰ课程 各 32 学时。 铸造原理

热处理原理

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一．人类与材料

1. 人类与动物的种差：人类是能够制造和使用工具的动物。

2. 材料：材料是能为人类制造有用器件的物质。

3. 材料的重要性：历史学家曾用“材料”来划分时代：石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代……。

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二．材料的划分

1. 来源

2. 逻辑

3. 键合

4. 性能

天然材料

人工材料

有机材料

无机材料

金属键离子键共价键

结构材料

功能材料

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三．金属热处理发展概况

金属热处理的发展和其它自然科学相同，是随着生产力的发展而发展的，人类约从使用钢铁材料起就开始有了热处理技术，热处理的发展大体经历了民间技艺阶段、实验技术科学阶段和理论科学阶段。铸铁的石墨化退火、脱碳退火西汉时代就出现了淬火处理的钢剑秦时（公元前 221- 公元前 206 年）已有了烤铬技术 十九世纪后期，人们发现钢经加热和冷却时，其内部组织发生变化 （ Robert Austen 和 Adolph Martens ），金属相变理论研究以马氏体相变研究发展最为迅速。新的强韧工艺不断出现

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四．金属热处理原理在现代工业中的地位和作用

材料科学

设备 性能 行为结构工艺

材料工程

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以齿轮为例

① 构件行为：表面受摩擦力的作用；心部承受弯曲和扭转。② 性能：表面要求高硬度、高耐磨性；心部要求低硬度、高韧性。③ 结构：表面：高碳马氏体；心部：索氏体④ 工艺a. 渗碳：表面渗碳后淬火——高碳马氏体；心部：低碳马氏体b. 表面淬火：对中碳钢，调质处理得到回火索氏体，表面淬火组织

为中碳马氏体，而心部为回火索氏体。⑤ 设备井式渗碳炉（气体渗碳）；箱式炉（固体渗碳）；高频感应加热（表面淬火）

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结论：

热处理在现代工业中的地位和作用： 首先是提高、满足产品性能和延长寿命的关键工序； 热处理是发挥材料的潜力，达到构件轻量化的重要

手段。 热处理是强化钢材的重要途径

金属材料强化的途径 形变强化合金化相变强化形变 + 热处理

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五．热处理意义

1.定义：将材料在一定的温度下加热一定的时间后，以一定的速度冷却的一种综合工艺 .

2.目的：在于改变金属及合金的内部组织结构，使材料满足服役条件提出的性能要求。六．金属热处理原理课程的任务 是讲授金属固态相变的基本的规律性，研究金属和合金热处理组织与性能之间的关系及热处理理论在生产实践中的应用。

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与其它课程的关系

先行课程：材料科学基础、物理化学；平行课程：金属力学性能等； 后续课程：金属热处理工艺学、材料分析方法、

工程材料学、材料物理性能等。

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七．本课程的内容和学习要求

内容：本课程主要研究金属材料固态相变的规律性及成分、组织和性能之间的关系。它对生产、使用和发展金属材料起着重要的指导作用。

本课程共分七章： 金属固态相变特征 第一章 钢中奥氏体形成 第二章 珠光体转变 第三章 马氏体转变 第四章 贝氏体转变 第五章 钢的过冷奥氏体转变图 第六章 淬火钢回火时的转变 第七章 合金的脱溶分解与时效

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要求

1 ．通过本课程的学习，要求大家掌握钢中的六大相变的规律和基本特征： 奥氏体的形成

珠光体的转变 马氏体相变 贝氏体的转变 回火转变、脱溶转变2. 具有运用金属材料中相变的基本规律，分析和研究金

属材料热处理中问题的能力；3.掌握成分 - 组织 - 性能之间的关系，同时对金属材料

具有一定的分析和研究能力；4. 了解热处理理论的发展动向。

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八．教材及参考书

教材：材料热加工理论基础 杨觉明、上官晓峰 西安工业大学出版社

参考书： 金属固态相变原理 徐洲、赵连城 科学出版社 金属热处理原理 赵连城 哈尔滨工业大学出版社 金属热处理原理 刘云旭 机械工业出版社 相变原理 徐祖耀 科学出版社 马氏体相变与马氏体 徐祖耀 科学出版社 钢的热处理 胡光立 谢希文 西北工业大学出版社

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金属固态相变特征

金属固态相变基本变化：

晶体结构变化

化学成分变化

固溶体有序化程度的变化

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一、金属固态相变的主要分类

1.按热力学分类 1 ）一级相变：

PP TT)()(

TT PP)()(

新旧两相的化学势相等，但熵不等，体积不等

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一、金属固态相变的主要分类

1.按热力学分类 2 ）二级相变：

PP TT)()(

TT PP)()(

PP TT)()(

2

2

2

2

TT PP)()(

2

2

2

2

TT PTPT)()(

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无相变潜热和体积改变，只有比热、压缩系数和膨胀系数发生不连续的变化。

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2. 按平衡状态图分类

（ 1 ）可将固态相变分为平衡相变和非平平衡相变。

1 ）平衡相变：

2 ）非平衡相变：

同素异构转变和多形性转变

平衡脱溶沉淀 共析相变调幅分解

有序化转变

伪共析转变

马氏体相变

贝氏体相变

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3. 原子迁移情况分类

（ 1 ）扩散型相变：相变时界面的移动是通过原子近程和远程扩散而进行的。

特点：相变过程中有原子扩散运动； 相变速率受原子扩散的控制； 新相和母相的成分往往不同； 只有新相和母相比容不同引起的体积变

化，没有宏观形状的改变。

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（ 2 ）非扩散型相变：相变过程中原子不发生扩散 ，所有原子运动相协调一致的，相邻原子的相对位移不超过一个原子间距。

特点：存在不均匀切变引起的宏观形状改变（例 M 表面浮凸）；

新相与母相成分相同； 新相与母相间有一定的晶体学位向关系； 相变速度极快，有的接近声速。4. 相变方式分类：分为有核相变和无核相变

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二、固态相变的特点

一、相界面 1.定义：新相与母相的界面称为相界面。2. 分类：按其结构特点分为共格界面、半共格界

面和非共格界面。

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一、相界面

3. 位向关系：常以低指数的、原子密度大而又彼此匹配较好的晶面互相平行。

例：马氏体相变的 K-S 关系： {111}γ‖{110}α´

二、惯习面：固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上形成，这个晶面称为惯习面，通常以母相的晶面指数来表示。

三、应变能 ：新相与母相比容不同，新相形核时的体积变化 弹性应变能；两相界面不匹配 弹性应变能。

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三、应变能

影响因素 ：比容差引起的弹性应变能大小受新相粒子几何

形状的影响 界面不匹配引起的弹性应变能的大小主要受界

面之间关系的影响：共格界面应变能最大，其次是半共格界面，非共格界面应变能为 0 。

相变的阻力：界面能和应变能

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三、固态相变的成核

1. 形核部位：晶体缺陷处，晶界、层错、位错等2.均匀形核： ΔG=V•Δgv+Sσ+εv

3.非均匀形核： ΔG=V•Δgv+Sσ+εv-Δgd

)(3

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)(

2

3*

*

v

v

gG

gr

因此，具有低的界面能但有高的应变能的共格核胚，倾向于呈盘状或片状；而具有高界面能但有低应变能的非共格核胚，倾向于形成等轴状。