金属热处理原理
绪        论
一、研究的内容和任务
    金属热处理原理是以金属学原理为基础，着重研究金属及合金固态相变的基本原理和热处理组织与性能之间关系的一门课程。
    金属学原理：着重讨论的是金属及合金的本质及影响因素、缺陷及其交互作用和它们对性能的影响、状态图、塑性变形、回复、再结晶等等。
    热处理原理：着重讨论的是金属及合金在固态下的相变规律、影响因素、动力学、非平衡转变，以及在热处理中的应用，研究热处理组织和性能之间的关系等等。
    金属材料从服役条件出发，选择什么样的材料、如何对材料进行处理，在使用和处理过程中会出现什么问题，如何解决出现的问题，最终可能得到什么样的性能，如何改进现有材料、挖掘其潜力，试制新材料等，无不与热处理原理有着密切的关系。
    固态金属（包括纯金属及合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化，这种变化统称为金属固态相变。金属中固态相变的类型很多，有的金属在不同的条件下会发生几种不同类型的转变。掌握金属固态相变的规律及影响因素，就可以采取措施控制相变过程，以获得预期的组织，从而使其具有预期的性能。对于金属材料常用的措施就是特定加热和冷却，也就是热处理。
二、热处理发展概况
    人们在开始使用金属材料起，就开始使用热处理，其发展过程大体上经历了三个阶段。
1、民间技艺阶段
    根据现有文物考证，我国西汉时代就出现了经淬火处理的钢制宝剑。史书记载，在战国时期即出现了淬火处理，据秦始皇陵开发证明，当时已有烤铁技术，兵马俑中的武士佩剑制作精良，距今已有两千多年的历史，出土后表面光亮完好，令世人赞叹。古书中有“炼钢赤刀，用之切玉如泥也”，可见当时热处理技术发展的水平。但是中国几千年的封建社会造成了贫穷落后的局面，在明朝以后热处理技术就逐渐落后于西方。虽然我们的祖先很有聪明才智，掌握了很多热处理技术，但是把热处理发展成一门科学还是近百年的事。在这方面，西方和俄国的学者走在了前面，新中国成立以后，我国的科学家也作出了很大的贡献。
2、技术科学阶段（实验科学）— 金相学
    此阶段大约从1665年1895年，主要表现为实验技术的发展阶段。
1665年：显示了Ag—Pt组织、钢刀片的组织；
    1772年：首次用显微镜检查了钢的断口；
    1808年：首次显示了陨铁的组织，后称魏氏组织；
    1831年：应用显微镜研究了钢的组织和大马士革剑；
    1864年：发展了索氏体；
    1868年：发现了钢的临界点，建立了Fe—C相图；
    1871年：英国学者T. A. Blytb 著“金相学用为独立的科学”在伦敦出版；
    1895年：发现了马氏体；
3、建立了一定的理论体系—热处理科学
    “S”，曲线的研究，马氏体结构的确定及研究，K—S关系的发现，对马氏体的结构有了新的认识等，建立了完整的热处理理论体系。
第一章  钢在加热和冷却时的转变
§1—1  概   述
一、热处理及其作用
    热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。其工艺曲线如图7．1所示。
    热处理的作用：改善材料工艺性能和使用性能，充分挖掘材料的潜力，延长零件的使用奉命，提高产品质量，节约材料和能源。此外，还可以消除材料经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷、细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。
    最终热处理：在生产过程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。
    预备热处理：热加工后，为随后的冷拔、冷冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理，称为预备热处理。
二、钢临界温度
1、Fe—Fe3C相图上的临界温度
    共析钢：PSK线（A1）  γ→P(α+Fe3C)
    亚共析钢：原始组织F+P  PSK线（A1）P→γ  GS线（A3）F→γ
    过共析钢：原始组织Fe3CF+P  PSK线（A1）P→γ ES线（Acm）Fe3C溶入γ
2、实际加热、冷却条件下的临界温度
    实际加热奥氏体的形成总是在一定过热条件下发生的，因此，相变开始的温度必然会偏离相图上的平衡临界温度，加热时偏向高温，而冷却时偏向低温，称为“滞后”，随着加热（冷却）速度增加奥氏体形成温度偏离平衡点越远，如图所示。通常加热时的临界温度用脚标C表示，AC1、AC3、ACcm；冷却时的临界温度用脚标r表示，Ar1、Ar3、Arcm。
§1—2  钢在加热时的转变
    钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界以上，使钢部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。
    钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变功奥氏体化过程。由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。因此，弄清钢的加热转变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。
一、奥氏体形成的热力学条件
    从Fe—Fe3C状态图可知，珠光体被加热到A1（727℃）以上时将转变为奥氏体。这是因为珠光体与奥氏体的自由能均随温度的升高而降低，但是下降的速度不同，相交于某一温度，该交点所对应的温度即A1（727℃）。图1-1是珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系。高于A1（727℃）时，奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，珠光体将转变为奥氏体。转变的驱动力即珠光体与奥氏体的体积自由之差ΔGV。
    奥氏体形成时系统总的自由能变化为
ΔG=ΔGV +ΔGS +ΔGe
式中：ΔGV为新相奥氏体与母相珠光体之间的体积自由能差；ΔGS为形奥氏体时所增加的界面能；ΔGe为形成奥氏体时所增加的应变能。其中ΔGV是奥氏体转变的驱动力，ΔGS 与ΔGe是相变的阻力。因为奥氏体在高温下形成，ΔGe一项较小，相变的主要阻力是ΔGS。从能量方程可以看出：
    当T T0时，ΔGV=GA-GP 0   ΔG 0  珠光体不能转变为奥氏体；
    当T=T0时，ΔGV=GA-GP=0   ΔG 0  珠光体不能转变为奥氏体；
    当T T0时，ΔGV=GA-GP 0   ΔG 0  珠光体有可能转变为奥氏体；
    因此奥氏体形成的热力学条件是：必须在A1温度以上，即在一定的过热条件下奥氏体才能形成。只有当珠光体与奥氏体的体积自由能之差能克服界面能和应变能时，珠光体向奥氏体转变才能使系统向低能状态转变，奥氏体才能自发地形成。
二、奥氏体的形成过程
（一）奥氏体的结构、组织和性能
1、奥氏体的结构
    奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体。在合金钢中，除了碳原子外，溶于γ-Fe中的还有合金元素原子。
（1）碳原子在点阵中的位置
    X射线结构分析证明，碳原子位于γ-Fe八面体间隙位置中心，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点，如图1-2所示。假如每一个八面体中心容纳一个碳原子，则碳的最大溶解度应为20%（重量%）。但实际上碳在
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