热处理基本原理

金属材料的强化机制
结构材料
金属材料 高分子材料
陶瓷材料
强度
屈服强度 断裂强度 抗拉强度 疲劳强度
材料强度的唯一性判据
导致材料失效 的最大应力
通常研究的结构材料在室温工作条件下，最需要考虑的是屈服
强度和断裂强度。 屈服强度
断裂强度
σb≥σk
σb≤σk
脆性材料
塑性材料
脆性材料的强度 通常以σk表示
1850～1880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤 气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。 1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专 利。
1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体 渗碳 ；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到 可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一 步控制炉内气氛碳势的方法；
热处理的发展史
早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就 已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。 白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢 的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕 下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体 存在，说明是经过淬火的。
➢ 细晶强化：
合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越 多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能 量高这一特点，对材料进行强化。
双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。
双晶粒拉伸示意图
低碳钢的σs 与晶粒大小的关系
在右图中，低碳钢的σs 与晶粒直径平方根的倒数呈线 性关系，可用下式表示：
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火 质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打 制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中 国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意 了油和尿的冷却能力。
中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中 的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达 0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人 “手 艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。
σs＝ σ0+Kd－1/2 …… Hall－Petch公式
细晶强化理论的提出： （1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。 （2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。 可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性
和韧性，获得最佳的强韧性配合。
➢ 加工硬化：
加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强 度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变 形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。
弥散型两相合金强化的主要影响因素： 1）颗粒直径 2）第二相含量（体积分数） 3）第二相的分布状态
第二相的强化机制：
绕过机制
切割机制
➢ 复合强化：
利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属 材料强化的目的。
钢的形变热处理
1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在 显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷 却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时 转变为一种较硬的相。
法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英 国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初 步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热 处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程 中金属的氧化和脱碳等。
加工硬化曲线：
曲线分为三阶段 1）易滑移阶段（位错少干扰） 2）线性硬化阶段（位错塞积） 3）抛物线硬化阶段（螺旋位错
启动，位错密度下降）
加工硬化的实质： 是金属塑性变形时内部产生滑移，使 晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重 畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。
晶粒度对加工硬化曲线的影响
塑性材料的强度 通常以σb表示
大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位
错的运动而发生的，因此，任何阻止位错运动的因素都
பைடு நூலகம்
可以成为提高金属材料强度的途径。
➢ 固溶强化：
当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增 加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升， 塑性和韧性值下降。
σb
δ
δ
Cu－Ni固溶体的机械 性能与成分的关系
Al－Mg固溶体的应力－应变曲线
固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、 电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。
不同溶质原子在位错周围的分布状态
Cotrell气团模型：溶质原子与位错弹性交互作用的结果， 使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变， 降低体系的能量。（它对位错有“钉扎”作用）
晶体结构对加工硬化曲线的影响
➢ 时效强化：
时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下 保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。
➢ 第二相强化（弥散强化）：
通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻 碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。
第二相一般指各种化合物质点。 获得第二相的途径： 1）生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布
20世纪60年代以来，热处理技术运用等离子场，发 展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用， 又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
热处理的理论基础
热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度 并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综 合工艺方法。
在铸造、压力加工和焊接成形过程中，不可避免地 存在组织缺陷。对金属材料进行热处理主要源于提高其 综合机械性能，符合材料在设计和制备过程中所遵循的 “成分－组织－性能”的原则。
的第二相； 2）也可通过共晶化合物进行热压力加工获得； 3）还可通过共析反应获得； 4）另外还可通过粉末冶金方法获得。
第二相在基体中的形态及分布： 以钢中Fe3C的形态与分布为例： a：过共析钢中， Fe3C呈连续网状分布在α晶界上。 塑性、强度下降。 b：珠光体中， Fe3C与铁素体呈平行间隔分布。 塑性、强度较高。（要求珠光体细小，片层间距小） c： 共析钢或过共析钢经球化退火后，Fe3C呈颗粒 状分布在α晶界上。 强度下降，塑性上升，便于加工。