金属学与热处理

第二章 金属及合金的回复于再结晶

1回复:是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 2回复的机制

一般认为，回复是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的数量和组态的过程。 1） 低温回复： 低温回复主要与点缺陷（空位和间隙原子）的迁移有关。点缺陷运动的结果，使点缺陷密度明显下降。

2） 中温回复：加热温度稍高时，会发生位错运动和重新分布。回复的机制主要与位错的滑移有关，同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消。

3） 高温回复：高温时，刃型位错可获得足够能量产生攀移，发生多边化（或多边形化）。 3多边化：冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错通过攀移和滑移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。

多边化的驱动力：弹性应变能的降低。

4再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶。

再结晶的驱动力：储存能的降低（与回复的驱动力相同）。

5再结晶温度：经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成再结晶（＞95%转变量）的温度。 再结晶不是相变，没有一个恒定的转变温度。 6影响再结晶温度的因素 1）变形程度

随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力越大，再结晶温度越低。但当变形量增大到一定程度后，再结晶温度基本上稳定不变了。

在给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量（临界变形度）。低于此变形度，不发生再结晶。 2）原始晶粒尺寸

在其他条件相同的情况下，原始晶粒越细小，冷变形时加工硬化率大，储能高，再结晶温度则较低。此外，晶界往往是再结晶形核的有利区域，故再结晶形核率和长大速率均增加，再结晶温度也被降低。

3） 微量溶质原子 微量溶质原子的存在能显著提高再结晶温度。 4）第二相

弥散的第二相能提高再结晶温度。弥散度愈大，效果愈好。如果第二相数量不多而且弥散度不大时，有可能使再结晶温度降低。 5） 加热速度与保温时间

加热速度过于缓慢时，再结晶温度上升。在一定范围内延长保温时间会降低再结晶温度。 当变形量很小时，晶粒尺寸即为变形前原始晶粒的尺寸。

当变形量增大到某一数值（一般金属在2%～10%范围内）时，再结晶后的晶粒特别粗大。通常把对应于得到特别粗大晶粒的变形度称为临界变形度。 当变形度超过临界变形度后，则变形度越大，晶粒越细小。

当变形度达到一定程度后，再结晶晶粒大小基本保持不变。 7影响再结晶晶粒大小的因素

变形度 再结晶退火温度 原始晶粒尺寸 合金元素及杂质 8正常长大：晶粒均匀连续地长大。

反常长大（二次再结晶）：晶粒不均匀不连续地长大。

晶粒长大的驱动力是总的界面能的降低，即晶粒长大前后总的界面能差。 9 晶粒稳定形状的两个必备条件（缺一不可）：

（1）所有的晶界均为直线；（2）晶界间的夹角均为120?。 10影响晶粒长大的因素

1）温 度 温度越高，晶粒长大速度越快。 2）杂质及合金元素

一般认为被吸附在晶界的溶质会降低晶界的界面能，从而降低界面移动的驱动力，使晶界不易移动，降低晶粒长大速度。 3）第二相质点

稳定晶粒尺寸d = 4r/3?。式中，r为第二相质点半径，?为第二相质点的体积分数。 第二相质点越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小。 4)相邻晶粒的位向差

晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关。与大角度晶界相比，小角度晶界的界面能低，故界面移动的驱动力小，晶界移动速度低。所以大角度晶界的移动速度大于小角度晶界。 二次再结晶的驱动力来自界面能的降低，与正常长大的驱动力相同。

11热加工：在再结晶温度以上进行的加工过程。 冷加工：在再结晶温度以下进行的加工过程。

在热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。 12动态回复、动态再结晶：在热加工过程中同时出现的回复与再结晶。

静态回复、静态再结晶：变形中断或终止后的保温过程中，或者在随后的冷却过程中所发生的回复与再结晶。

第三章 钢的热处理原理

1固态相变的类型：

(1)扩散型相变(2)非扩散型相变（切变型相变）(3)半扩散型相变

2共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成：(1)奥氏体形核: 奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。(2)奥氏体长大:奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解、碳在奥氏体和铁素体中的扩散，以及铁素体向奥氏体转变而进行的。(3)剩余渗碳体的溶解:铁素体消失后，仍有未溶解渗碳体存在。继续保温或继续加热时，未溶渗碳体不断向奥氏体中溶解，直至全部消失。(4)奥氏体成分均匀化: 当渗碳体刚刚全部溶解完时，原渗碳体存在的地方含碳量比原铁素体存在的地方含碳量要高，所以需要继续延长保温时间或继续加热，让碳原子充分扩散，才能获得成分均匀的奥氏体。

3 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同，但是只有当加热温度超过Ac3或Accm并保温足够时间后，才能获得均匀的单相奥氏体。 4影响奥氏体形成速度的因素 （一）加热温度和保温时间

加热温度必须高于Ac1点，珠光体才能向奥氏体转变。加热温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需要的时间越短。

在连续升温加热时，加热速度越快，则珠光体的过热度越大，转变的开始温度Ac1越高，终了温度也越高。但转变的孕育期越短，转变所需的时间也越短。

（二）原始组织的影响:当其它条件相同时，钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。 （三）化学成分的影响

1. 碳 钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。

2. 合金元素 合金元素对奥氏体化过程的进行速度有重要影响 合金元素对奥氏体形成速度的影响

? （1）合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。

? （2）合金元素改变了钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度，从而改变了钢的过热度

和碳在奥氏体中的扩散速度。

? （3）合金元素在铁素体和碳化物中的分布是不均匀的，在合金钢中除了碳的均匀化

之外，还有合金元素的均匀化过程。

? 与碳钢相比，合金钢的加热温度要高，保温时间要长。 5影响奥氏体晶粒大小的因素

1) 加热温度和保温时间 随着加热温度升高和保温时间延长，奥氏体晶粒急剧长大。 2) 加热速度 加热温度相同时，加热速度越快，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率的增加大于长大速度，使奥氏体晶粒越细小。

3) 钢的化学成分 钢中含碳量在一定范围之内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大，但是含碳量超过一定量以后，奥氏体晶粒长大倾向反而减小。 钢中加入适量的形成高熔点化合物的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等，可强烈地阻碍奥氏体晶粒长大。 4)钢的原始组织 一般来说，钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，则奥氏体晶粒越细小。 6过冷奥氏体：在临界温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体。 7根据转变温度和转变产物不同，共析钢C曲线由上至下可分为三个区：

? ? ?

A1～550℃：珠光体转变区（扩散型相变） 550℃～Ms：贝氏体转变区（半扩散型相变） Ms～Mf：马氏体转变区（非扩散型相变）

8片状珠光体的形成、组织和性能

形成： 共析成分的过冷奥氏体从Al以下至C曲线的“鼻尖”以上，即Al～550℃温度范围内等温停留时，会发生珠光体转变：? → P ( ? + Fe3C )。珠光体转变是全扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散运动。

性能：片状珠光体的力学性能主要取决于珠光体的片间距。片层越细，强度硬度越高，塑性韧性越好。

组织：根据片间距的大小，将珠光体分为三类：

? ? ?

珠光体（P，pearlite）：A1～650℃，片间距0.6～1.0?m； 索氏体（S，sorbite）：650℃～600℃，片间距0.25～0.3?m； 托氏体（T，troostite）：600℃～550℃，片间距0.1～0.15?m。

P、S和T都属于珠光体类型的组织，都是由渗碳体和铁素体组成的片层相间的机械混合物，它们之间的界限是相对的，其差别仅仅是片间距大小不同。

9珠光体的片间距：珠光体团中相邻两片渗碳体（或铁素体）之间的距离（s0）。

珠光体的片间距主要取决于珠光体的形成温度。过冷度越大，奥氏体转变为珠光体的温度越低，则片间距越小 10粒状珠光体的形成

由过冷奥氏体直接分解而成； 由片状珠光体球化而成； 由淬火组织回火而成。 11粒状珠光体的性能

在退火状态下，对于相同含碳量的钢材，粒状珠光体比片状珠光体具有较少的相界面，其硬度、强度较低，而塑性、韧性较高。实践表明，具有粒状珠光体的钢材，其切削加工性、淬火工艺性等都比片状珠光体好。 12伪共析体

由偏离共析成分的过冷奥氏体所形成的全部珠光体称为伪共析体或伪珠光体。 亚、过共析钢从奥氏体态冷却时的冷却速度越快，转变温度越低，则珠光体转变之前析出的先共析铁素体或渗碳体越少，伪珠光体越多。 13马氏体的晶体结构、组织和性能 1） 马氏体的晶体结构

马氏体：碳在?-Fe中的过饱和间隙固溶体。 马氏体中的含碳量可与原奥氏体含碳量相同，最大可达到wC = 2.11%。 马氏体一般有两种结构：

体心立方：出现于含碳极少的低碳钢或无碳合金中。 体心正方：出现于含碳较高的钢中。

2）组织：马氏体的组织形态 钢中马氏体有两种基本形态：

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板条状马氏体 片状马氏体

3）性能：马氏体力学性能的显著特点是具有高硬度和高强度。 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。马氏体的硬度随含碳量的增加而升高。马氏体的塑性和韧性主要取决于马氏体的亚结构。

? ?

片状马氏体具有高强度、高硬度，但韧性很差，其特点是硬而脆。 板条状马氏体具有高的强韧性。在具有相同屈服强度的条件下，板条马

氏体比片状马氏体的韧性好得多。

14马氏体转变的特点

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