热处理质量检验技术-科学网—构建全球华人科学社区.docx

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1、热处理质量检验技术第一章 金属学基础第一节 金属与合金的晶体结构金属和合金在固态时，通常都是晶体。晶体就是那种在三维空间中有规则作周期重复排列的物质，就是说，在金属和合金中，原子的排列都是有规则的，而不是杂乱无章的。一、纯金属的晶体结构(一)晶体学基础1、晶体中的空间点阵 晶体结构是指晶体中的原子或离子、分子等的排列情况，也就是它们在三维空间中有规律的周期性的重复排列方式。由于组成晶体的物质质点不同，排列的规律也就不一样，所以就存在各种各样的晶体结构。为了便于研究，往往把构成晶体的实际质点抽象地认为是纯粹的几何点，称为阵点或点阵。把这种阵点有规则的周期性重复排列所构成的几何图形即称为空间点阵。

2、把点阵用直线连接起来形成的空间格子称为晶格。 2、晶胞 因为晶格中的阵点排列具有周期性，因此，为了研究方便，常从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析阵点排列的规律性，这个最小的几何单元就称为晶胞。3、晶向和晶面 晶体中由一系列原子组成的平面叫晶面，任意两个原子之间连线所指的方向叫晶向。表示晶向和晶面的数字叫晶向指数和晶面指数。(二) 纯金属的晶体结构工业中使用的金属元素中，绝大多数都具用比较简单的晶体结构，其中最常见的有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构等三种。1 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞中三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90º，构成立方体。晶胞的八

3、个角上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子，其模型如图1-1(a) 所示。具有体心立方晶格的金属有-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等30多种。 (a) 体心立方晶胞 (b) 面心立方晶胞 图1-1 体心立方晶胞(a)和面心立方晶胞(b)2 面立方晶格 面心立方晶格的晶胞中八个角中各有一个原子，构成立方体。在立方体的6个面的中心各有一个原子，如图1-2(b) 所示。具有面心立方结构的金属有-Fe、-Co、Ni、Al、Ag等。3 密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞在晶胞的12个顶角上各有1个原子，构成六方柱体，上、下底面的中心也各有一个原子，晶胞内还有3个原子。具有密排六方结构的金属有Zn、Mg

4、、Be、-Ti、-Co、Cd等。二、合金的晶体结构工业上使用的金属材料大多数是合金。由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质叫合金。组成合金最基本的、独立的物质称为组元。一般说，组元就是组成合金的元素或是稳定的化合物。当不同的组元组成合金时，这些组元之间由于物理的和化学的相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指合金中结构相同、成分和性能均一，并以相界面相互分开的组成部分。由一种固相组成的合金叫单相合金，由几种不同的相组成的合金称为多相合金。不同的相具有不同的晶体结构，合金按相的晶体特点可分为固溶体和金属化合物两大类。（一）固溶体合金的组

5、元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种固相就叫固溶体。这一组元称为溶剂，而其他组元称为溶质。固溶体有置换固溶体和间隙固溶体两大类。1 置换固溶体 置换固溶体是指溶质原子位于溶剂晶格的某些格点位置上所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样， 所以叫置换固溶体。如图1-2a所示。 金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体。 但由于固溶度的大小往往相差很大，所以有的溶质组元在固溶体中的浓度（固溶度）有一定的限制，这种固溶体就叫有限固溶体。有的溶质却能以任意比例溶人溶剂，其溶解度可达100，这种固溶体称无限固溶体。 2间隙固溶体 一些原子半

6、径很小的溶质原子 图1 -2 置换固溶体(a)和间隙固溶体(b)溶入溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入到溶剂晶格的间隙中，形成间隙固溶体，其结构如图1-2b所示。形成间隙固溶体的溶质元素，都是属于半径小于0.lnm的非金属元素，如H、O、 N、C、B等，而溶剂元素都是过渡族元素。溶质原子溶人溶剂后，将使溶剂的晶格常数改变，并使晶格发生畸变。溶入的溶质原子越多，溶剂晶格畸变也越大。当溶质原子较小时，溶剂晶格畸变也较小。由于溶剂晶格中的间隙是有一定限度的，所以间隙固溶体都是有限固溶体。（二）金属化合物合金中的另一类相是金属化合物，它是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又叫中间

7、相。其晶格类型和性能均不同于任何一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。因为在这些化合物具有一定的金属性质，所以称为金属化合物。Fe3C(碳钢中的)、CuZn(黄铜中的)、CuAl2（铝合金中的）等都是金属化合物。金属化合物的类型很多，主要有正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。三、金属的同素异构转变 金属在温度、压力等改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程，称为同素异构转变。如铁在不同温度下具有-Fe(体心立方)、-Fe(面心立方)、-Fe(体心立方)晶体结构。由同素异构转变所得到的不同晶体结构的晶体称为同素异构体。第二节 纯金属及合金的结晶一、纯金属的结晶 金属由液态转变为固态的

8、过程称为凝固。凝固后的固态金属一般都是晶体，所以，又将这一过程称为结晶。液相向固相的转变是一个十分复杂的相变过程。结晶后所形成的组织，如晶粒形状、大小和分布等，将大大地影响到金属的加工性能和使用性能，因此，结晶也是一个十分重要的过程。 金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却至熔点Tm（理论结晶温度）时，并不开始结晶，而是需要继续冷却到Tm以下某一温度Tn，液态金属才开始结晶。金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差称为过冷度，用T表示，T=Tm-Tn。过冷度越大，则实际结晶温度越低。 金属结晶时从液相转变为固相是放热反应过程，放出热量。而从固相变为液相则为吸热反应过程，吸收热量。前者

9、称为结晶潜热，后者称为熔化潜热。当液态金属冷却到Tn时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上会出现平台，平台延续的时间就是结晶过程所用的时间。结晶过程结束，结晶潜热释放完毕，冷却曲线便又继续下降。（一）纯金属的结晶过程研究发现，结晶过程是由形核与长大两个过程所组成。结晶时首先在液体中形成具有某一尺寸（临界尺寸）的晶核，然后这些晶核不断凝聚液体中的原子而长大。形核过程和长大过程紧密联系但又有所区别。当液态金属过冷至实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经过一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这一停留时间称为孕育期。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时

10、，液态金属中又产生第二批晶核。依次类推，原有的晶核不断长大，同时又不断生出新的晶核。液态金属中不断形核，不断长大，液态金属也就越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属消耗完毕，结晶过程也就结束。由一个晶核长成的晶体就是一个晶粒。由于各个晶核是随机形成的，其位向各不相同，所以晶粒的位向也不相同，这样就形成一块多晶体金属。如果在结晶过程中，只有一个晶核形成并长大，那么就形成一块单晶体金属。（二）晶核的形成在过冷液体中形成固态晶核有两种方法，一种叫均匀形核，又称均质形核或自发形核。另一种是非均匀形核，又叫异质形核或非自发形核。当液相中各个区域出现新相晶核的几率相同，晶核由液相中的一些原子团直接形成，

11、不受杂质粒子或外来表面的影响，这种形核叫均匀形核。若新相优先在母相某些区域中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核，则称为非均匀形核。实际金属多是以非均匀形核方式进行结晶的。 晶体熔化后的液态结构是长程无序的，但在短程范围内却存在着不稳定的接近于有序的原子集团，它们此消彼长，出现结构起伏或叫相起伏。当温度降到结晶温度时，这些原子集团就可能成为均匀形核的“胚芽”，称为晶胚；其原子呈晶态的规则排列，这就是晶核。（三）晶体的长大每一个单个晶粒的稳定晶核出现后，晶体马上进行长大。晶体的长大从宏观上看，是晶体的界面向液相逐步推进的过程。但从微观上看，则是依靠原子逐个由液相中扩散到晶体表面上

12、，并按晶体点阵规律的要求，逐个占据适当的位置而与晶体稳定、牢靠地结合起来的过程。由于固-液界面的微观结构不同，因此，其接纳液相中迁移过来的原子能力也不同。（四）晶体缺陷 实际金属的原子排列不可能像理想晶体那样规则和完整，它们总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。一般说来，这些偏离规则的原子数目是很少的，从整体上看，金属的结构还是接近完整的。但尽管如此，这些缺陷对晶体的强度和韧性、原子的扩散及其他对微观结构敏感的性能还是有重要影响的。 根据晶体缺陷的几何形态特征，把缺陷分成三种： 点缺陷：如空位、间隙原子和置换原子，这些缺陷在三个方向上的尺寸都很小，相当于原子尺寸

13、。 线缺陷：如位错，这类缺陷在两个方向的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。 面缺陷：如晶界、亚晶界，此类缺陷的特点是在一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸相对很大。 1点缺陷 点缺陷如图l-13所示，主要有下列几种： （l）空位 原子由于振动脱离原来平衡位置而迁移到别处， 在原来位置上出现的空结点，叫空位。由于空位的存在，使周围的原子偏离了原来的平衡位置，就在空位周围出现一个或几个原子间距范围的弹性畸变区，称为晶格畸变。(2) 间隙原子 处于晶格间隙中的原子叫间隙原子。间隙原子可能是同类原子，也可以是异类原子。异类原子一般都是 图1-3 晶体中的点缺陷那些原子半径很小的原子，如钢中的氮

14、、氢、碳、硼等；间隙 1、6-置换原子； 2、4、5-空位原子往往使晶格产生畸变。 3-间隔原子 （3）置换原子 占据在基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于置换原子大小不可能与基体原子完全相同，因此，置换原子也会引起晶格畸变。2。线缺陷 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。位错是指在晶体中某处有一列或几列原子发生了有规律的错排现象，致使长度达几百至儿万个原子间距，宽约几个原子间距范围内的原子离开了平衡位置而发生有规律的错动。位错主要有刃型位错和螺型位错。 3面缺陷 晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中内界面包括晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。(1)

15、晶界 晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒界面，简称晶界。(2) 亚晶界 实际上在每个晶粒内的原子排列并不是十分整齐的，在晶粒内部可以观察到小晶块，它们彼此之间有不大的位向差，这些晶块之间的内界面就称为亚晶粒间界，简称亚晶界。 （3）相界 具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。二、合金的凝固（一）相图相图是表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的一种图解。通过相图可以了解各种成分的合金在不同温度下存在哪些相，各相的成分及其相对含量。二元相图是最简单的相图，对二元系合金来说，通常用横坐标表示成分，纵坐标表示温度。建立相图的方法有实验测定法和理论计算法两种，目前用的相图大部分都

16、是根据实验方法建立起来的。合金在结晶过程中，各个相的成分以及它们的相对含量都是在不断变化的，为了了解相的成分及其相对含量，就需要应用杠杆定律。如图1-5所示，在Cu-Ni合金相图中，液相线AaB是表示液相的成分随温度变化的平衡曲线，固相线AbB是表示固相成分随温度变化的平衡曲线。合金在温度t1时处于两相平衡状态，如要确定液相L和固相的成分，可通过温度t1作一水平线arb,分别与液相和固相线交于a和b。a和b两点在成分坐标上的投影C1和C分别表示液、固两相的成分。设t1温度时，液、固两相的相对质量为L和，则可通过下式求出两相的相对含量，分别为： L=(rb/ab)•100 =(ar/

17、ab)•100 这就是杠杆定律。 图1-4 杠杆定律应用图解（二）固溶体合金的结晶过程1匀晶转变 两组元在液态时无限互溶，固态时也无限互溶的二元合金相图叫匀晶相图，CuNi二元合金相图就是匀晶相图，如图1-6所示。这种相图只有两根曲线，上面一条是液相线，下面一条是 固相线，两条线把相图分成三个区：液相区L，固相区及液、固两相共存区L+。结晶时，这类合金都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称匀晶转变。从图1-5可以看出，当合金自高温缓慢冷却至t1时，开始从液相中结晶出固溶体。当温度继续冷却到t2时就有一定数量的固溶体结晶出来，一直冷却到t3 时，最后一滴液体结晶成固溶体，结晶终

18、了，便得到与原合金成分相同的固溶体。2 共晶转变 当两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，发生共晶转变并形成共晶组织，这种二元系相图叫二元共晶相图。图1-6即为Pb-Sn共晶相图。图中AE、EB为液 相线，AMNB为固相线，MF为Sn在Pb中的溶解度曲线， 图1-6 Cu-Ni匀晶相图及典型合金NG为Pb在Sn中的溶解度曲线。相图中有三个单相区，即液 平衡结晶过程相L、固溶体相和相，其中相为Sn溶解于Pb中的固溶体，而相是Pb溶解于Sn中的固溶体。各个单相区之间有三个两相区，即L+，L+和+。图中水平线MEN表示L十+三相共存区。在这一水平线所对应的温度下，成分相当于E点的液相（LE）同时结

19、晶出与M点对应的M和与N点对应N的两个固相，形成两个固相的混合物，这种转变的反应式为：图1-6 pb-Sn共晶相图 LEM+N。相图中的MEN水平线称为共晶线，E点叫共晶点，E点所对应的温度叫共晶温度，化学成分对应于共晶点的合金就叫共晶合金。而成分位于共晶点左边或右边的合金则分别称为亚共晶和过共晶合金。(1)共晶合金的结晶过程 当共晶合金(合金)冷却到温度tE时，发生共晶转变 LEM+N ，这个转变一直在共晶温度tE下进行，直到液相完全消失为止。这时得到的组织为和两个相的混合物，这种混合物称共晶组织。相和相的含量可用杠杆定律求出：相含量：=(EN/MN)•100。 相含量：=(ME

20、/MN)•100继续冷却，共晶组织中的相和相都要发生成分变化，相成分沿着MF线变化，相成分沿NG线变化。由于溶解度变化，相和相分别析出次生相和，直到冷却至室温为止。因为这些次生相常与共晶组织中的同类相混在一起，所以在显微镜下难以分辨。(2)亚共晶合金的结晶过程 当亚共晶合金（如合金）冷却到1时，液相便开始结晶出固溶体。在12点温度范围内，随着温度的缓慢下降，固溶体的数量不断增加，其成分沿AM线变化，而液相数量不断减少，其成分沿AE线变化，这一阶段的转变属匀晶转变。当温度降至2时，相的成分达到M点，而剩余液相的成分达到E点。在温度tE，成分为E点的液相便发生共晶转变：LEM+N。这一

21、转变一直进行到剩余液相全部形成共晶组织为止。继续冷却，从相和相中分别析出次生相和。，直到室温。(3)过共晶合金的结晶 过共晶合金(如合金)的结晶过程与亚共晶合金相似，所不同的是它先结晶的相不是相而是相。3 包晶转变 两组元在液态时相互之间能无限互溶，在固态有限互溶并发生包晶转变的二元合金系相图叫包晶相图。图1-7即为Pt-Ag合金包晶相图。所有成分在P与C之间范围内的合金在包晶转变温度下都会发生三相平衡的包晶反应，即一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程，反应式为：Lc+PD。相图中的D点称为包晶点，所对应的温度(tD)称为包晶温度，PDC线称包晶线。三、铸锭的

22、组织与缺陷在工业生产中，液态金属往往是在铸锭模或铸型中冷却凝固的，前者得到的物件叫铸锭，后者得到的叫铸件。 (一) 铸锭三晶区的形成 图1-7 Pt-Ag包晶相图铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成，即外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区，其示意图如1-8所示。 1外层细晶区 当液态金属倒人铸锭模后，金属首先从模壁处开始结晶，这是因为温度低的模壁有强烈的吸热和散热作用，使靠近模壁的一层薄膜液体产生极大的过冷，加上模壁可作非均匀形核的基底，因此，在此一薄层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长。由于晶核数量多，致使临近的晶核很快彼此相遇，它们不能继续生长，这样便在靠近模壁处形成了

23、一层很细的等轴晶区。细晶区的晶粒细小、致密，有很好的力学性能。2柱状晶区 柱状晶区的晶粒粗大并且垂直于模壁。在表层细晶区形成的同时，一方面模壁的温度由于被液态金属加热而迅速升高，另一方面由于金属凝固后收缩，使细晶区和模壁脱开，形成一空气层，使液体金属的散热变得困难。另外，细晶区形成时释放出大量的结晶 潜热，也使模壁温度升高。模壁温度升高导致液体金属冷却减慢，温度梯度变小、，此时，结晶主要靠细晶区近液相处的某些小晶粒的长大。同时，由于垂直于模壁方向散热最快，晶体便沿其反向择优生长成柱状晶，便形成柱状晶区。柱状晶区中晶粒之间的界面较平直，气泡、缩孔很小，组织比较致密。在两组柱状晶相遇处会形成柱状晶

24、界，此处杂质、气泡、缩孔较富集，所以是铸锭的薄弱结合面。压力加工时，易沿这些地方产生裂纹或开裂。此外，由于柱状晶的性能有方向性，对加工性能会有影响。4 中心等轴晶区 随看柱状晶的发展，冷却速度也逐渐减慢，温度梯度趋于平缓，柱状晶的长大速度也就越来越小。在柱状晶的晶枝生长区 图1-8 铸锭的三晶区(即固、液两相共存区)的溶质浓度增高，熔点下降，结晶潜热的散发变得 1-细晶区； 2-柱状晶区困难，使各晶枝变得细长、瘦弱，而且根部逐渐萎缩，甚至发生局部由于 3-等轴晶区重熔而自动脱落的现象。但是由于在柱状晶结晶长大过程中，铸锭中部的液体中就已经存在着大量的可作为晶核的碎枝残片，会促使中部迅速形核和长

25、大。此外，悬浮在这里的杂质质点，也可能成为新的结晶核心。所以，在柱状晶长大到一定程度后，铸锭中部也开始形核长大。由于中部液体的温度大致是均匀的，所以每个晶粒在各个方向长大速度接近一致，因而形成等轴晶。当它们长大到与柱状晶相遇时，全部液体也凝固完毕，最后形成中心等轴晶区。由于等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，枝权间的搭接牢固，裂纹不易扩展，不存在明显的弱脆界面。各晶粒取向不同，其性能无方向性。但由于等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因而组织不致密，显微缩孔较多。由于显微缩孔一般均未氧化，因而在热加工时可以焊合，故对性能影响不大。（二）铸锭缺陷铸锭中存在的缺陷主要有缩孔、气孔和偏析等。1缩孔

26、 缩孔是一种重要的铸造缺陷，对性能影响很大，但它的出现又是不可避免的。多数金属液态密度比固态时小，因此，结晶时发生体积收缩。金属收缩后，原来填满铸型的液态金属，凝固后就不能再填满了。如果没有液态金属连续补充的话，就会出现收缩孔洞，叫缩孔。缩孔可分为集中缩孔和分散缩孔（疏松）两类。2气孔 在液态金属中总会或多或少地溶有一些气体，而气体在液态中的溶解度要比在固态中大得多。所以，当液体凝固时，其中所溶解的气体将逐渐富集于结晶前沿的液体中，最后在固相和液相界面上形成气泡，或称气孔。气泡也可能由于液体金属中的某些化学反应所产生的气体所造成。3偏析 偏析就是钢锭中的化学成份和非金属夹杂物的不均匀现象。铸锭

27、中的偏析包括金属组元的偏析和各种杂质的偏析。根据偏析的范围，可分成区域（宏观）偏析、晶内偏析和晶间偏析。(1) 区域偏析 是指铸锭宏观范围内的一部分与另一部分之间化学成分不均匀现象。 钢锭浇铸时，由于凝固不是在铸锭的整个截面上同时进行，同模壁接触的外层先开始结晶，心部后结晶，导致先结晶的外层晶体富含高熔点组元，后结晶的心部晶体富集低熔点组元和非金属杂质，使整个钢锭的截面成份不均匀，这种偏析叫做区域偏析。（2）显微偏析 是指发生在一个或几个晶粒范围内的化学成分不均匀现象。 固溶体在结晶过程中，由于固相和液相成份在不断地改变，在同一个晶体内先凝固的部分与后凝固的部分成份将会不同，先凝固的枝晶主干部

28、分富含高熔点组元，而后凝固的分枝及枝间部分则富含低熔点组元。这种在同一晶粒范围内的成份不均匀现象称为晶内偏析。同样先凝固的晶体与后凝固的晶体成份也会不同，先凝固的晶体富含高熔点组元，而后凝固的晶体则富含低熔点组元。这种晶体间的成份不均匀现象称为晶间偏析。 对于高速钢、Cr12型钢等莱氏体钢，铸锭中含有大量的共晶碳化物。市售的钢材多半是电炉冶炼，浇锭成形，开坏轧制成材的。而电炉冶炼再经电渣重熔的小铸锭，不经开坯轧制，直接锻造成形、退火后供应市场的模坯也日益增多。这种材料的组织中都含有大量的共晶碳化物(照片1-9)，直接用于机械加工和最终热处理后服役的模具，在热处理淬火时常发生淬火开裂，在模具使用

29、时也常常发生早期脆裂。真空冶炼的Cr12钢液，适当降低浇注温度和铸模温度，加大冷却速度，铸锭也可以获得较细密的铸态组织(照片1-10)。 照片1-10 电炉冶炼再经电渣重熔铸锭组织 照片1-11 控制浇铸工艺的真空冶炼铸锭组织 第三节 Fe-C（Fe-Fe3C）相图一、Fe-C（Fe-Fe3C）相图分析（一）相图中的点、线、区的意义由于碳在铁中的含量超过溶解度后剩余的碳可以有两种形式存在，即以渗碳体Fe3C和石墨碳的形式存在，因此，Fe-C合金有两种相图，即Fe-C和Fe-Fe3C相图。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变的。图1-11即为Fe-Fe3C相图。图中各特性点的温度、

30、碳含量及意义见表1-1。应该注意，其特性点的符号是国际通用的，不能随便变换。相图中的ABCD为液相线，AHJECF是固相线，相图中有五个单相区，它们是：ABCD以上液相区（用符号L表示）AHNA固溶体区（用符号表示）NJESGN奥氏体区（用符号表示）GPQG铁素体区（用或F表示）DFKZ渗碳体区（用Fe3C或Cm表示）相图中有七个两相区，它们是：L+、L+、L+ Fe3C、+、+、+Fe3C、+Fe3C。Fe-Fe3C相图上有三条水平线，即HJB-包晶转变线，ECF-共晶转变线，PSK-共析转变线。 此外，相图上还有两条磁性转变线：MO线（770） 图1-11 Fe-Fe3C相图为铁素体的磁性

31、转变线，230虚线为渗碳体的磁性转变线。 表1-1 铁碳合金相图中的主要特性点符号 温度() c() 说 明 符号 温度() c() 说 明ACDEG 1538114812271148912 04.306.692.110 纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在-Fe中的最大溶解度-Fe-Fe转变温度 JKMPS 1495727770727727 0.176.6900.02180.77 包晶点渗碳体的成分纯铁的磁性转变点碳在-Fe中的最大溶解度共析点 （二）相图分析 1包晶转变（水平线HJB）在1495恒温下，含碳量的质量分数为0.53的液相与含碳量的质量分数为0.09的铁素体发生包晶反应，形成含碳量

32、的质量分数为0.17的奥氏体，其反应式为： LB+HJ 进行包晶反应时，奥氏体沿相与液相的界面成核，并向相和液相两个方向长大，包晶反应终了时，相和液相同时耗尽变成单一的奥氏体相。此类转变仅发生在含碳量的质量分数为0.090.53的铁碳合金中。2共晶转变（水平线ECF）共晶转变发生在1148的恒温中，由含碳量的质量分数为4.3的液相转变为含碳的质量分数2.11的奥氏体和渗碳体（含碳量为c=6. 69）所组成的混合物，称为莱氏体，用Ld表示。其反应式为： LcE +Fe3C在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，而奥氏体则呈颗粒状分布在其上，由于渗碳体很脆，所以莱氏体的塑性是很差的，无实用价值。凡含碳在

33、2.116.69的铁碳合金都发生这个转变。，3共析转变（水平线PSK）共析转变发生在727恒温下，是由含碳的质量分数为0.77的奥氏体转变成含碳0.0218的铁素体和渗碳体所组成的混合物，称为珠光体，用符号P表示。其反应式为： sP+Fe3C 珠光体组织是片层状的，其中的铁素体体积大约是渗碳体的8倍，所以在金相显微镜下，较厚的片是铁素体，较薄的片是渗碳体。所有含碳量超过c=0.02的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度常标为A1温度。此外，Fe-Fe3C相图中还有三条重要的固态转变线，它们是：(1) GS线 奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶人奥氏体的转变线，常称此温度为A3温度。(2) E

34、S线 碳在奥氏体中的溶解度线，此温度常称为Acm温度。低于此温度时，奥氏体中仍将析出Fe3C，把它称为二次Fe3C，记作Fe3C，以区别从液体中经CD线直接析出的一次渗碳体（Fe3C I）。(3) PQ线。碳在铁素体中的溶解度线，在727时，碳的质量分数在铁素体中的最大溶解度仅为0.0218，随着温度的降低，铁素体中的溶碳量是逐渐减少的，在300以下，溶碳量少于0.001。因此，铁素体从727冷却下来，也会析出渗碳体，称为三次渗碳体，记作Fe3C 。二、铁碳合金的平衡结晶过程及组织通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量的质量分数低于2.11的为碳钢，大于2.11的为铸铁。含碳量质量分数小

35、于0.0218的为工业纯铁。按Fe- Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C形式存在，断口为白亮色，称为白口铸铁。根据组织特征，可将铁碳合金按含碳量划分为七种类型： (1) 工业纯铁。含碳量低于0.0218；(2) 共析钢 含碳量为0.77；(3) 亚共析钢 含碳量0.0210.77；(4) 过共析钢 含碳量0.772.11；(5) 共晶白口铁 含碳量4.30；(6) 亚共晶白口铁 含碳量2.114.30；(7) 过共晶白口铁 含碳量4.306.69。现选几种典型的合金来分析其平衡结晶过程和组织。所选取的合金成分在相图上的位置见图1-12。 图1-12 铁碳合金冷却时的组织转变过程（一）工业纯铁含

36、碳量的质量分数为0.01的合金在相图中的位置见图1-12，结晶过程如下：合金溶液在12温度区内按匀晶转变结晶出固溶体。固溶体冷却至3时，开始发生同素异构转变。一直到4结束，合金全部呈单相奥氏体。继续冷却至56间又发生同素异构转变，全部变成铁素体。冷却到7时，碳在铁素体中溶解度达到饱和。在7以下将从铁素体中析出 三次渗碳体。工业纯铁的室温组织见图1-14。 （二）共析钢（含碳的质量分数为0.77的合金）此合金在相图中的位置见图1-12，结晶过程如图1-13所示。在12间，合金按匀晶转变结晶出图1-13 共析钢的结晶过程示意图奥氏体，在2凝固完成，全部转变为奥氏体。冷却到3(727)时，在恒温下发

37、生共析转变0.77 0.0218 +Fe3 C, 转变产物为珠光体，其金相照片如图1-15所示。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。在随后的冷却过程中，从珠光体中的铁素体相中析出三次渗碳体。在缓冷条件下，三次渗碳体在铁素体与渗碳体的相界面上形成，与共析渗碳体连结在一起，在显微镜下难以分辨。因其数量很少，所以对珠光体的组织和性能没有明显影响。 图1-14 工业纯铁的室温组织（400 X） 图1-15 共析钢的室温组织（500 X）(三) 亚共析钢（含碳的质量分数为0.40的合金）此合金在相图中的位置见图1-12，结晶过程如图1-16所示。在12间，合金按匀晶转变析出固溶体。冷却至2时发生包晶转变形成

38、奥氏体，在23之间剩余液相凝固完成，全部转变为含碳0.40的奥氏体。单相奥氏体冷却到4时，在晶界上开始析出先共析铁素体，随着温度下降，铁素体量增加，奥氏体的含碳量沿GS线变化。当温度达到5(727)时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77，发生共析转变，变成珠光体。在5以下，先共析铁素体和珠光体中的铁素体都将析出三次渗碳体，但其数量很少，可忽略不计。因此，该钢在室温下的组织由先共析铁素体和珠光体所组成，见图1-17。 图1-16 碳的质量分数为0.40的碳钢结晶过程示意图亚共析钢中含碳量越高，则组织中的珠光体含量越多。利用杠杆定律可以分别计算出钢组织中组成物-先共析铁素体和珠光体含量，如含碳的质量分

39、数为0.40合金的先共析铁素体和珠光体比例如下： = (0.77一0.40)/(0.77一0.0218)100 = 49.5 或 p= (0.40一0.00218)/(0.77一0.0218)100 = 50.5同样，也可以算出相组成物的含量： = (6.69一0.40)/(6.69一0.0218)100 a = 94.3 或 Fe3C= (0.40一0.00218)/(6.69一0.0218)100 a= 5.7还可以近似地根据亚共析钢的平衡组织来估计它的含碳量：含碳量P0.8，其中P为珠光体在显微组织中所占面积的百分数，0.8是珠光体含碳量的质量分数为0.77的近似值。（四）过共析钢（含碳

40、的质量分数为1. 2的合金）此合金在相图中的位置见图1-12，结晶过程示意图如图1-19。合金在1-2按匀晶转变为单相奥氏体后，冷却到3，开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4为止。这种先共析的渗碳体多沿奥氏体晶界呈网状分布，数量较多时，还在晶内呈针状分布。当温度到达4（7270C）时，奥氏体的含碳量降为0. 77，因而在恒温下发生共析转变。最后得到的组织是网状二次渗碳体和珠光体。见图1-18。 图1-17 亚共析钢的室温组织（400 X） 图1-18 过共析钢缓冷后的组织（400 X） 图1-19 含碳的质量分数为1.2的过共析钢结晶过程示意图 第二章 钢的热处理基础 所谓钢的热处理就是将钢工

41、件在一定的介质中，以预定的速度加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方法冷却到室温的一种热加工工艺。常用的热处理形式分成三类，即基本热处理、化学热处理和形变热处理。本章内容主要是介绍基本热处理和化学热处理的基本知识。所谓基本热处理主要是指以热作用为主要过程的热处理，即只有热作用对钢的内部组织、结构和性能起决定性的影响，材料的化学成分、形状和尺寸在热处理前后并不发生大的改变。 钢之所以能进行热处理，是因为钢在固态下具有相变，根据Fe-Fe3C相图，共析钢在加热和冷却过程中经过A1(PSK)线时，发生珠光体与奥氏体之间的相互转变。而亚共析钢经过A3(GS)线时，发生铁素体与奥氏体之间的相互

42、转变，过共析钢经过Acm(ES)线时，发生Fe3C与奥氏体之间的相互转变。A1、A3、Acm称为钢加热或冷却过程中组织转变的临界温度。Ac1、Ac3、Accm为钢加热时的实际转变温度，Ar1、Ar3、Arcm为钢冷却时的实际转变温度。A1、A3、Acm是钢组织平衡转变的理论临界温度，而实际上钢进行热处理时，组织转变并不发生在理论临界温度上，大多都有一定的滞后现象，把实际转变温度与理论临界温度之差称为过冷度(冷却时)或过热度(加热时)，过冷度或过热度都随冷却速度或加热速度的增大而增大。 第一节 钢在加热时的组织转变一、奥氏体的形成过程 由Fe-Fe3C相图可知，温度在A1以下钢的平衡组织为铁素体

43、和渗碳体，当温度超过A1(共析钢)、A3（亚共析钢）或Acm（过共析钢）以上，钢的组织为单相奥氏体组织。单一奥氏体是如何形成的？实验证明，奥氏体的形成也是由形核和长大两个步骤所组成。现以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。图2-1为共析钢的奥氏体形成过程示意图。 (a)奥氏体形核 (b)奥氏体长大 (c)剩余Fe3C溶解 (d)奥氏体均匀化图2-1 共析钢的奥氏体形成过程示意图假设共析钢的原始组织是片状珠光体，当加热到Ac1温度以上并保温一定时间后，由于珠光体中铁素体和Fe3C相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高，原子排列不规则，处于能量较高状态，容易获得奥氏体形核所需的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。所以奥氏体晶核优先在相界面上形成。当然，珠光体群边界也可能成为奥氏体的形核部位。奥氏体形核后便开始长大。奥氏体晶核形成以后，它的一侧与铁素体相邻，而另一侧与Fe3 C相邻。假设它们的界面是平直的，则根据Fe-Fe3C相图可知，奥氏体中的碳浓度是不均匀的。与Fe