金属材料学概念考试必备

一般零件生产的工艺路线:毛坯生产→预备热处理→机械加工→最终热处理→机械精加工 钢的退火：钢加热到临界点Ac1以上或以下，保温后随炉慢冷以获得近于平衡状态的组织的热处理工艺。目的：①消除铸锻焊件的内应力；②均匀成分、组织，细化晶粒；③改善钢的成型性、切削加工性；④ 为淬火作组织上的准备。

完全退火：将工件加热到Ac3以上30~50℃，保温足够的时间，经完全奥氏体化后，随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。适用钢种：亚共析钢（Wc=0.3~0.6%）或合金钢的锻、铸、焊接件。目的：细化晶粒、消除应力、均匀组织、降低硬度、便于切削加工。 等温退火：将钢奥氏体化后，快冷至稍低于Ａr１的某一温度等温，使奥氏体转变为珠光体类型组织，转变结束后，空冷至室温。适用于：高碳钢、合金工具钢、高合金钢；优点：可有效缩短退火时间；保证工件内外在同一温度转变，有利于钢件获得均匀的组织性能；生产中常用等温退火代替完全退火。缺点：对大截面钢件和大批量炉料不适应。 目的：A转变为P类组织，通常得到索氏体组织等温退火的等温温度根据钢的成分和要求的硬度，由该种钢的C曲线确定。

不完全退火：亚共析钢在Ａc１～Ac3之间或过共析钢在Ａc１～Accm之间的两相区加热，保温，得到不完全奥氏体后，缓慢冷却以得到近于平衡组织的热处理工艺。目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，减小内应力，改善切削加工性。适用钢种：共析钢、过共析钢、亚共析钢中无大缺陷。

球化退火：是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。用途：主要应用于共析钢、过共析钢和高碳合金工具钢。目的：降低硬度、均匀组织、改善切削加工性能，为淬火做准备。

为什么将加热温度定于Ac1 ~ Accm ？1过共析钢的室温平衡组织为： P+Fe3CⅡ，不仅硬度高，而且增大了钢的脆性，所以切削加工困难，淬火时易变形、开裂；2加热温度为Ac1以上20~30℃，在A中保留大量的未溶渗碳体质点，并造成A的碳浓度分布不均匀，在随后的缓冷过程中，或以原有的渗碳体质点为核心，或在A富碳区产生新的核心，均匀的形成颗粒状渗碳体；3球化退火前，若二次渗碳体网较厚，可先正火。 扩散退火（均匀化退火）：将钢锭、铸件或锻坯加热到稍低于固相线的温度，长时间保温，然后缓冷以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。目的：消除有害气体的危害，如氢致白点；使合金元素扩散均匀，改善或消除铸锭中的枝晶偏析及区域偏析，轧锻材中的带状组织；消除轴承钢中的液析碳化物，均匀成分，均匀组织。适用钢种：一些优质中、高合金钢或偏析严重的合金钢铸件及铸锭。 去应力退火（低温退火）：一般是将工件随炉缓慢加热（100~150℃/h）至500~650℃（＜Ac1），保温一定时间后随炉缓冷（50~100℃/h）至200℃出炉。目的：消除铸件、锻件你、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力，稳定尺寸，防止变形和开裂。 再结晶退火：是将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，使变形的晶粒转变为均匀细小的等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺过程。 钢的正火（正常化或常化）：是指将钢加热到Ａc3（或ＡCcm）以上约30~50℃，保温，完全Ａ化后，从炉中取出空冷以得到珠光体类型组织的热处理工艺，称为正火。 淬透性概念：指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体而不形成其他组织的能力。其大小用在一定条件下淬硬层深度来表示。

淬硬性：钢淬火时，获得的Ｍ的最高硬度（钢淬火时的硬化能力） 退火和正火的选取原则：（1）Ｗｃ＜0.25％的低碳钢，正火代替退火，利于切削加工；防止

游离三次渗碳体的析出，提高工件的冷变形性。（2）Ｗｃ＝0.25～0.5％的中碳钢，也采用正火，硬度偏高，但因成本低,生产率高；（3）Ｗｃ＝０.5～０.75%的中高碳钢，一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性；（4）Ｗｃ＞０.75% 的高碳钢或工具钢，一般采用球化退火。若有网状二次渗碳体，先正火消除之。（5）含碳量、合金元素高，奥氏体稳定性高，完全退火，易缓冷得到马氏体和贝氏体，应高温回火。

淬火：将钢加热到临界点（Ａc3或Ａc1）以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的冷速冷却以获得马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。

组织应力：工件在冷却过程中，由于内外温差造成组织转变不同时，引起内外比容的不同变化，而产生的内应力。

淬透性与淬透层深度的区别：淬透性是钢的固有属性，钢的成分一定，则钢的淬透性就定了，不随冷却条件而改变，例如---淬透层深度（工件表面到半马氏体区的距离）与具体条件有关； 影响淬透性的因素：临界淬火速度Vk:；含碳量的影响：合金元素的影响：

钢的回火：将淬火钢加热到Ａ１以下的某温度，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式（空冷）冷却到室温的热处理工艺过程称为回火。

工具钢性能的要求:1.高硬度和高耐磨性加入W、Mo、V、Co等元素 合金元素Si、Mn、Cr、Ni、V等可提高钢的淬透性。工具钢均经淬火加低温回火处理，得到回火马氏体加粒状碳化物

热稳定性：表示钢在使用变热过程中保持其原金相组织和性能的能力。 红硬性：表示工具在高温下仍然保持高硬度的能力。

刃具钢：性能:1.具有很高的硬度；2.足够的耐磨性；3.具有高的红硬性；4.塑性和韧性。组织: 马氏体基体上分布着稳定性高、弥散度大的特殊碳化物颗粒。 碳素工具钢：是含碳WC=0.65～1.35％的高碳钢，例如：T8A、 热处理：淬火 + 低温回火

1.亚共析碳素刃具钢淬火温度：AC3+30～50oC(细针状马氏体加残余奥氏体) 2.过共析钢淬火温度：Ac1+30～50oC(低温回火温度：150～180oC。碳素工具球化退火拟用T10制造形状简单的车刀，工艺路线为：锻造——热处理——机加工——热处理——磨加工；

试问①试写出各热处理的名称并指出各热处理工序的作用？②制订最终热处理的工艺规范（温度、冷却介质）？③指出最终热处理后的组织和大致硬度？ （1）工艺路线为：锻造—退火—机加工—淬火后低温回火—磨加工。退火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性；淬火及低温回火可获得高硬度和耐磨性以及去除内应力。

（2）最终热处理后的显微组织为回火马氏体 ，大致的硬度60HRC。（3）T10车刀的淬火温度为780℃左右，冷却介质为水；回火温度为150℃～250℃。 低合金刃具钢定义：在碳素刃具钢的基础上加入合金元素Cr、Mn、Si、W、V 含碳量为0.75～1.5％，常用的有：9SiCr、9Mn2V、CrWMn；热处理工艺：球化退火：球化温度：800~810℃；淬火＋低温回火：淬火温度：850~870℃,回火温度：190~200℃;HRC60;

高速钢定义： 高速钢是由大量W、Mo、Cr、V等元素组成的高碳、高合金钢。 主要性能特点1）很高的红硬性2）具有足够高的强度；3）兼有适当的塑性和韧性；4）还具有很高的淬透性

高速钢的成分特点W18Cr4V为例：热处理（锻造 +）球化退火（+ 机加工） → 淬火+回火。组织：球化退火后：球状珠光体 淬火后：M+粒状碳化物+A’ 回火后：回火M+粒状碳化物

W18Cr4V特点⑴高碳 保证淬后得到强硬的马氏体基体以提高钢的硬度;与Cr、W、Mo、V等形成合金碳化物，增大耐磨性⑵加入Cr提高钢的淬透性⑶W、Mo造成二次硬化,以保证钢的热硬性 ⑷加入V 提高钢的耐磨性，细化晶粒 淬火加热温度：温度很高T加=12805℃（W18Cr4V钢AC1约为820℃）。 原因：温度愈高，合金元素溶入奥氏体的数量愈多，淬火后马氏体的合金浓度愈高。而只有合金元素含量高的马氏体才具有高的红硬性。但是退火状态下这些合金元素大部分存在于合金碳化物中，需要加热到很高的淬火温度，才能使其向奥氏体中大量溶解。对高速钢热硬性影响最大的合金元素W、Mo、V只有在1000℃以上时，其在奥氏体中的溶解量才急剧增加。温度超过1300℃，各元素的溶解量虽有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至发生晶界熔化。因而，致使钢的韧性大大下降。所以在不发生过热的前提下，高速钢的淬火温度愈高，其红硬性则愈好。

淬火组织：氏体（60～65％）、残余奥氏体（25～30％）和合金碳化物（约10％）， 等温淬火后的组织为下贝氏体（约50%）、残余奥氏体（约40％）和未溶碳化物回火：回火温度：560℃;三次回火；

560℃原因：在此温度区，一部分碳和合金元素从残余奥氏体中析出，合金元素与碳形成碳化物，起到弥散强化的作用；由于碳和合金元素的析出，使残余奥氏体的稳定性下降，在随后的冷却中可转变为M，从而使硬度增高；即二次硬化作用；

冷作模具钢 ：加入Cr、Mo、W、V、Mn、Si等合金元素。性能 —— 高硬度、耐磨性，足够韧性。小型模具 —— 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等低合金刃具钢制作。大型模具 —— Cr12、Cr12MoV 等，热处理变形小。

最终热处理 —— 淬火 + 低温回火① 一次硬化法 低淬低回950 ℃～1000 ℃淬火，150 ℃～180 ℃回火② 二次硬化法 高淬高回 1100 ℃～1150 ℃淬火，510 ℃～520 ℃三次回火，二次硬化，

最终组织 —— 回火M + 碳化物 + 少量 A ‘ 热模具钢性能 ——强、硬、耐磨、韧、 耐热性、热疲劳抗力高。含碳量0.3%-0.6%C合金元素——Cr、Mn、 Ni、Mo、W等。↑淬透性↑回火稳定性，强化铁素体;Mo、W↓高温回火脆性;Cr 、Mo、W ↑耐热疲劳性能。中小型模具 —— 5CrMnMo 等。大型模具 —— 3Cr2W8V等，淬透性好。

最终热处理 —— 淬火 + 高温回火。最终组织 —— 回火T 或 回火S

量具用钢—— 卡尺、千分尺、塞规等。性能 ——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。简单量具 —T10A、T12A 等。 高精度量具 —GCr15、CrWMn 等。 最终热处理 —淬火 +（ -70～-80℃ ）冷处理 + 低温回火 + 时效处理

时效处理：120～130℃，保温几～几十小时，使M、 A ' 稳定，消除内应力。 最终组织 —— 回火M + 碳化物 + 少量A '

不锈钢：指一些在空气，谁，盐水，酸，碱等腐蚀介质中具有高的化学温定性的钢。

钢的电化学腐蚀的主要形式有：均匀腐蚀，晶间腐蚀，点腐蚀，应力腐蚀，腐蚀磨损等。 对不锈钢的耐蚀性、理学性能和工艺性的要求：较高的耐蚀性，应具有一定得力学性能，英有良好的工艺性。

提高钢耐腐蚀性能的主要途径有：是钢的表面能形成稳定的保护膜。提高不锈钢固溶体的电极电位获形成稳定的钝化区，降低微电池的电动势。使钢获得单相组织。采用机械保护措施或覆盖层。 不锈钢的分类：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体—铁素体复相不锈钢、沉淀硬化不锈钢 热处理：铁素体不锈钢在热扎后常采用淬火和退火俩种热处理的工艺。马氏体不锈钢常采用的热处理工艺有软化处理、调质处理、淬火低温回火。奥氏体不锈钢的热处理一般有固溶处理和稳定化处理

铸铁是碳含量大于2.11％的铁碳合金，其中的碳有以化合态的渗碳体Fe3C析出,也有以游离态的石墨析出。根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，状态可分为三大类：白口铸铁；麻口铸铁；灰口铸铁。

铸铁石墨化过程热力学和动力学条件:铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。

热力学条件①当温度高于Tc'(1154℃)时，由于共晶液体的自由能值FL最低，因此不会发生任何相变。②当合金过冷到Tc‘(1154℃)～Tc(1148℃)范围时，共晶液体自由能FL高于（奥氏体－石墨）共晶体自由能F（γ+G），因此发生液体→奥氏体＋石墨的共晶转变。③当合金过冷到Tc(1148℃)温度以下时，共晶液体的自由能FL高于（奥氏体－石墨）共晶体的自由能F（γ+G），也高于（奥氏体－渗碳体）共晶体的自由能F（γ+Fe3C），而形成奥氏体+石墨，自由能差更大，热力学条件对铸铁石墨化有利。④同理，将白口铁在900℃以上长期保温，莱氏体中的渗碳体能自动分解成(奥氏体＋石墨)的混合物，也是符合热力学条件的。

动力学条件：共晶成分铸铁的液相碳含量为4.3%，渗碳体的碳含量为6.67%，而石墨的碳含量接近于100％，液相与渗碳体的碳浓度差较小。从晶体结构的相似程度来分析，渗碳体的晶体结构比石墨更相近于液相。因而，液相结晶时有利于渗碳体晶核的形成。与此相反，石墨的形核和长大时，不仅需要碳原子通过扩散而集中，还要求铁原子从石墨长大的前沿作相反方向扩散，故石墨较难长大。而渗碳体的结晶长大过程，主要依赖于碳原子的扩散，并不要求铁原子作长距离的迁移，所以长大速度快。可见，从结晶的形核和长大过程的动力学条件来看都是有利于渗碳体的形成。当结晶冷却速度(过冷度)增大时，动力学条件的影响表现得更为强烈。

铸铁石墨化程度与组织的关系：把液相至共晶结晶阶段的石墨化过程，称为第一阶段石墨化，决定石墨的形态；把共晶至共析阶段的石墨化过程，称为第二阶段石墨化，决定基体的组织。铸铁石墨化程度决定了最终的组织。 影响铸铁石墨化的因素：铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化和铸铁显微组织的主要因素。

扩大奥氏体区的元素-奥氏体形成元素，如Ni、Mn、Co、C、N、Cu、Zn等; 缩小或封闭奥氏体区的元素-铁素体形成元素，如Cr、Si、Al、Mo、Ti等

对奥氏体相区的影响Ni、Mn、Co均使S点左移、A3线下降；Cr、W、Mo、V、Ti、Si使A3线上升；大多数元素均使ES线左移，E点左移，意味着钢中含碳量小于2.11%时就出现共晶莱氏体，—高速钢、奥氏体钢、莱氏体钢。2当含Mn、Ni较高的钢，因扩大奥氏体相区有可能将A3降至室温以下，此时钢在室温下保持奥氏体组织，叫做奥氏体钢；

扩大γ区的元素降低A3和A1，使S点左移，缩小γ区元素升高A3和A1，使S点左移。即含碳量小于0.77%时，就析出二次渗碳体。如4Cr13钢(马氏体不锈钢，就是过共析钢）。当含Cr较高的钢，因缩小奥氏体相区有可能在室温下只有铁素体存在而成为铁素体钢；

金元素对过冷奥氏体转变过程的影响

除Co以外，大多数合金元素的加入（溶入奥氏体中）均使C曲线右移，提高过冷奥氏体的稳定性， Vk↓从而提高了钢的淬透性；

除Co，Al外所有的合金元素都使 MsMf 点下降，淬火后残余A量↑,硬度↓ 合金元素的主要作用是提高钢的淬透性。最常采用的是：Cr，Mn，Si，Ni，B 工程结构钢性能：1、高的刚度和强度2、高的塑性、韧性较小的冷脆倾向性和良好的耐蚀性 良好的焊接性与冷成型性能 合金元素含量较低时，如低合金高强度结构钢和微合金化钢，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；(2) 当合金元素中含量较多时，其基体组织可变为贝氏体、针状铁素体或马氏体组织

低合金高强度结构钢1加合金元素主要是Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；Mn促进铁素体在形变时发生交滑移，低碳贝氏体型钢中的合金化：加入锰、铬、镍使BS点下降，以获得下贝氏体组织。 热轧双相钢： 得到铁素体+马氏体双相组织 机器零件用钢：性能要求：1）高的疲劳强度；（2）高的屈服强度、抗拉强度及高的断裂抗力；（3）良好的耐磨性及接触疲劳强度； （4）应具有较高的韧性，以降低缺口敏感性。渗碳钢和低碳马氏体钢(0.2%)；调质钢(0.4%)；弹簧钢(0.5-0.7%)；轴承钢(1.0%)。合金元素总量小于3.5%。 影响性能的主要因素是：（1）钢的含碳量；（2）回火温度；（3）合金元素的种类和数量；（4）淬透性。 渗碳钢：性能：表面——高的硬度、耐磨性心部——强而韧。成分：0.1~0.25%C —— 低碳钢主加元素：Cr,Ni,Mn,B —— ↑淬透性（心部得M板条） 辅加元素：W,Mo,V,Ti —— 阻A长，细化晶粒（VC,TiC, 耐磨性↑）。最终热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火组织：表层：高碳回火M + 点状碳化物 + 少量A‘心部：淬透：低碳回火M未淬透：F+S

弹簧钢碳素钢： WC 0.6~0.75% 合金钢： WC 0.46~0.70% 合金弹簧钢中主要含有Si、Mn、Cr、V热处理淬火+中温（400℃~550 ℃ ）回火，得到回火屈氏体。