热处理.docx

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热处理

金属热处理上网课程教材

目录

第1章绪论

1.1热处理在金属材料制造过程的意义

1.2热处理的基本类型

第2章均质化退火

2.1铸造合金的组织和性质

2.2均质化退火时合金组织和性能的变化

2.3均质化退火条件

第3章再结晶退火

3.1加工组织的回复

3.2再结晶

3.3再结晶晶粒的成长

3.4二次再结晶

3.5集合组织

3.6回复、再结晶退火条件

第四章相变态退火

4.1相变态的基本类型和其原理

4.2钢铁的相变态退火

4.3非金属的相变态退火

第五章单向性转变合金的淬火和时效

5.1固溶化及固溶处理

5.2过饱和固溶体分解的热力学

5.3时效析出过程与组织

5.4时效时材料特性的变化

5.5淬火及时效之条件

第6章多相性转变合金的淬火和时效

6.1麻田散铁变态的基本理论

6.2钢的麻田散铁变态

6.3钢的淬火

6.4钢的回火

6.5非铁金属的麻田散铁变态

第7章加工热处理

7.1热加工时的组织变化

7.2时效硬化型合金的加工热处理

第8章化学热处理

8.1化学热处理的基本类型

8.2钢的化学热处理

8.3非铁金属的化学热处理

第一章绪论

1.1热处理在金属材料制造过程的意义

◎金属热处理：

～借助热作用（温度的改变）改变金属内部的组织结构来获得所需之性能。

‧退火（annealing）：

普通退火、完全退火。

～使金属材软化并且可消除金属内部之残留应力，为提高其塑性加工性以及被削性的提升。

‧淬火（quenching）：

～使高温固溶之状态冻结至室温。

‧回火（tempering）：

～施予回火可解决因为材料太硬或太脆所造成之塑性加工性的降低。

‧时效（aging）：

～自然时效：

室温下，固溶的溶质原子扩散聚集。

人工时效：

不同于室温下，固溶的溶质原子扩散聚集。

◎钢材的热处理：

（1）钢锭的热处理：

～主要是在不同室温下的退火。

（2）钢材加工中、成品的热处理：

～依制造性能和使用性能之要求而调整热处理。

‧各钢材的正火处理～获得均一的组织和优良的综合机械性能。

‧高强度调质钢的淬火回火处理～达到要求的机械性能。

‧不锈钢板和钢带的固溶处理～改善耐蚀性。

‧热锻轧钢材～依使用者的要求决定热处理之方式。

‧冷加工钢材～胚料热处理、中间热处理和成品热处理。

◎非铁金属的热处理：

‧主要基本流程，但可做变化：

均质化热加工退火冷加工固溶处理时效

‧板材热处理之例：

均质化退火热轧延退火冷轧延的中间退火

最后退火

‧粉末冶金的热处理：

～主要是烧结。

例如：

钨丝

swaging：

一边旋转，一边施予四周应力加压，使其变薄，再抽丝。

◎金属热处理的作用与目的：

（1）改善制造性能：

均质化退火～改善热加工性能。

中间退火～改善冷加工性能。

正火、球状化退火～改善高炭钢在制造刀具时的机械加工性能。

（2）提高使用性能：

淬火后时效或回火～提高强度。

加工后的退火～提高延性或韧性。

1.2热处理的基本类型

◎热处理的基本过程：

～加热保温冷却

◎热处理的基本参数：

～加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度、热处理周期。

◎热处理的形式：

（1）基本热处理：

～热作用为主要过程的热处理，热作用对于于内部的组织、结构和性能起决定性的影响。

～金属的成分、形状和尺寸在热处理的前后并不会发生大的改变。

例：

均质化退火、回复‧再结晶退火、相变态退火、淬火、时效、回火。

（2）加工热处理：

～塑性变形与热作用结合起来的热处理。

唯有能提高金属内部晶体缺陷密度的塑性加工和能发生固体相变态的热作用结合起来，才能显著地改变材料的组织结构，并明显地提高材料性能的制造工程即是加工热处理。

～由塑性加工增加差排，使其达到细晶，为了达到超塑性。

例：

Intermediate-Thermo-Mechanical-Treatment（ITMT）

Final-Thermo-Mechanical-Treatment（FTMT）

（3）化学热处理：

～化学作用和热作用结合起来的热处理。

由于热作用和化学作用同时发生，使某些金属或非金属的元素渗入金属中，亦即化学热处理不只可以改变金属内部的组织，而且还可以改变其化学成分（一般指表面成分）。

～化学热处理的主要目的是改善材料的表面性质（如表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等）。

有些特殊情况的化学热处理可以去除金属内部的有害元素。

第二章均质化处理

◎均质化退火：

对象～铸件或铸锭。

目的～在高温下藉由扩散来消除或减少在铸件冷却时实际结晶条件下，结晶内成分不均一和偏离平衡的组织状态，可让原子充分扩散且使第二相溶解，以改善材料的制造性能和使用性能。

2.1铸造合金的组织及性质

2.1.1铸造合金的组织特征

◎理想状态下，冷却速率需无限慢，根据相图在凝固过程中，在凝固至单相区时其为均一之固溶体。

◎实际状态下，因为冷却速率过快，其偏离之相图使处于非平衡条件下，造成结晶内成分不均一和偏离平衡的组织状态，可利用均质化退火来改善之。

（a）晶内偏析、树枝状组织

凝固时，浓度之分布愈往晶界处愈高，这种浓度分布不均的情况称为偏析。

且共晶反应与包晶反应皆会造成微观的偏析（此乃因为固相限不平衡之相图）

（b）非安定第二相的析出

由于实际偏移相图的影响，在凝固时，当温度到了共晶温度时，会有共晶反应发生，所以除了主要相的析出外，在晶界上亦会有非平衡第二相的晶出。

（c）过饱和固溶体

因为急速之冷却下，使得溶过多之溶质原子。

2.1.2铸造合金的性能特征

（1）脆性非平衡第二相的晶出

～晶界上脆、硬性之晶出第二相造成材料易于塑性加工时破裂，导致其塑性降低。

（2）偏析、非平衡第二相的晶出

　～由于偏析与非平衡第二相在晶界的晶出，因不同元素且成分不

均，异种原子因导电性的不同造成电位差，电子的流动使得破坏异种原子间的接口，而造成腐蚀。

～所以偏析、非平衡第二相的晶出会导致耐蚀性的降低。

（3）偏析、非平衡第二相的晶出

　～由于偏析与非平衡第二相在晶界的晶出，在实际相图中，其固相限会比理论相图低，所以如果加热温度超过共晶温度则会造成在晶界上的非平衡第二相的溶解或者沿晶界周围的溶解，此情况称之为过烧。

～偏析、非平衡第二相的晶出造成塑性加工或热处理时发生局部溶化。

（4）铸造组织经塑性加工后（轧延、挤压等）

～不同化学成分的微区域，会被拉长并形成带状组织。

例如：

晶界上，本来是球状的晶出第二相，但在经过轧延、挤压后，其晶出的第二相会沿受力方向而被拉长形成带状并排的分布，此种带状分布容易因为受力的方向不同而有不同的性能。

～造成材料之异方性（anisotropy）、与晶界断裂。

（5）非平衡的铸造组织

～非平衡的铸造组织，高温加工时，由于第二相的溶解，形成非平

衡相。

～高温使用时发生creep现象。

此时，由于浓度的分布不均，即使受力并未超过材料的降服强度，原子亦会因高温而扩散聚集，造成变形。

◎实施均质化退火～

‧铸造时，由于凝固的速度很快，来不及朝安定化之组织转变，所

以当实施均质化退火时，温度的提升可以增加原子的扩散速率，

使得更快朝安定化之组织转变。

‧为了改善铸造合金中的偏析、非平衡铸造组织

实施均质化退火可达到：

～溶质原子的均质化、过饱和固溶原素的析出、非平衡第二相的

溶解。

2.2均质化退火时合金组织和性能之变化

2.2.1均质化退火时的组织变化

（1）微观偏析的消除与非平衡第二相的溶解

～在铝合金中，其微观偏析的消除与非平衡第二相的溶解会同时发生。

（2）过饱和固溶元素的析出

～在升温的过程中，其过多的固溶原子会析出

（3）介金属化合物的安定化、聚集和球状化

～非安定之第二相与均质化留下之第二相，会聚集成球状化。

～球状化之第二相，可减少加工时裂缝的形成和成长。

（4）结晶粒的成长

～晶粒在均质化过程中，会逐渐成长，使晶粒粗大。

2.2.2均质化退火时的性能变化

（1）制造性能的变化：

‧塑性性能的提高（热轧延、挤型速率等）

～非平衡第二相的溶解、介金属化合物的聚集与球状化，使晶

界上脆化现象减少。

‧提高机械加工性能、减少铸锭破裂

～均质化后，其合金内部元素组织分布均匀，可以降低残留应力。

（2）使用性能的变化：

‧提高机械性能、耐腐蚀性

～对于铸造品而言，均质化退火可以稳定零件的尺寸和形状

，防止使用过程发生creep和机械性能的逐渐变化。

‧提高可塑性、耐腐蚀性、减少异方性

～对于加工制品而言，乃至影响最后强度的变化。

2.3均质化退火条件

2.3.1加热温度

‧均质化退火是基于原子扩散。

根据扩散第一定律，单位时间通

过单位元面积的某元素原子数（J）正比于该截面x方向上该元素

的浓度梯度（∂C⁄∂x）：

J=－D（∂C⁄∂x）；D=D0exp（－Q⁄RT）

其中，Q是扩散活化能

原子由浓度高往浓度低的地方进行扩散

且温度越高扩散速率越快

‧一般采用的均质化退火温度为0.9～0.95Tm

　　　　　　Tm：

为实际的铸锭开始熔化温度

2.3.2保温时间

‧保温时间取决于非安定第二相的溶解以及围观偏析的消除

‧非安定第二相的溶解所需时间（τs）与这些相的厚度（m）之间的关

系：

　　　　τs　＝ｋ×mn

　　其中，k与n：

由均质化退火温度以及合金的种类而定。

　　　　　τs　：

非安定第二相的溶解所需时间。

　　　　　m　：

非安定第二相的厚度。

　　　　对于铝合金，n值在1.5～2.5范围内

‧若将固溶体dendriticcell中的浓度分布视为正弦波形，则由扩散

　理论推导出残留微观偏析系数δ：

　　　　　δ＝exp（－Dπ2t⁄l2）

均质化度h＝1－δ

dendriticcell（l）愈小，非安定第二相愈微细（m小）

　　　　　～均质化过程愈快。

2.3.3加热速度及冷却速度

◎加热速度

　～加热速度的控制以铸件不产生裂纹和大的变形为原则。

～对于加热过程中有固溶元素析出的合金而言：

　必需考虑到以改变加热速度来控制析出分散相的分布。

　例如：

　　‧加热速度太快，因为分散相来不及成核，导致析出较为稀

疏，而无法抑制再结晶的形成。

‧加热速度较慢，因为分散相有较多时间成核，而形成较多

可抑制再结晶的分散相。

◎冷却速度

　‧冷却速度太快

～产生淬火效应。

　‧冷却速度太慢

～析出粗大的第二相。

第三章回复‧再结晶退火

3.1加工组织的回复

3.1.1回复过程及性能变化

◎冷加工后，材料处于准安定状态，且当温度升高回复时，其材料之内部组织会有所改变。

‧回复即为消除此准安定组织

目的：

1.回复材料之可塑性

2.满足产品的使用性

如：

尺寸的稳定性、耐蚀性的提升

（1）回复过程

1.回复过程的本质是点缺陷运动（低温回复），和差排运动与重新组

合（高温回复）。

2.差排运动与重新组合：

差排的交叉滑移（crossslip）和上升运动（climbing）

多角化（polygonization）～dislocationcell

形成亚晶（subgrain）以及变形胞状亚组织转变性亚晶

亚晶粗大化（subgraingrowth）

3.叠差能（stackingfaultenergy）

‧叠差能愈高，其扩张差排（extendeddislocation）愈窄，表示会有较多的差排可互相抵消而软化。

～形成亚晶、亚晶的粗大化愈容易。

‧叠差能低者，其扩张差排（extendeddislocation）愈宽，有时甚至加温至熔点也不会进行回复。

4.不纯物在母合金中会形成原子云（Cottrellatmosphere）

～因为外来原子与原金属之大小不同，使得产生应变能，其外来原子的易聚集，阻碍差排的滑移和上升运动，而阻挡了亚晶的形成，便是阻挡回复的进行。

～形成亚晶、亚晶的粗大化不容易。

（2）回复时的性能变化

1.在回复阶段时，金属的某些性能（假设是P），是随着温度和时间而改变：

㏑（P－P0）＝－Aexp（－Q⁄RT）‧t

其中，P是退火后的性能；P0是退火前的性能

A是常数；T是绝对温度

t是时间

～晶回复后，其P值会逐渐接近P0值，表示回复后性质会

接近于原来之材料性质。

P

T1

T2

T3

P0

T4

t（时间）

其中，T4＞T3＞T2＞T1

由图看出，当退火温度愈高则愈易回复原来性质

2.各种金属的本质不同，在回复过程中的结构变化会不一样

～性能的变化不同。

例如：

‧黄铜：

其拉伸强度性能是在再结晶时才有明显的下降趋势

因为其叠差能较低，扩张差排宽，所以回复过程被

抑制。

回复时只是点缺陷的运动、差排密度变化不

大。

‧铝材：

其拉伸强度性能在回复时即有明显的下降趋势，即

叠差能越高之金属，回复阶段软化之程度愈高。

回

复时亚晶形成以及粗大化

‧Cu基、Ni基合金：

在回复过程中，由于不纯物或合金元素形成的气团

（atmosphere）阻碍差排的运动，造成在回复退火时反

而有强化现象发生。

σ

BCu基、Ni基合金

黄铜

铝材

RecoveryRecrystallizationGraingrowtht（时间）

3.强度性质与差排结构、晶粒大小有关：

‧回复时只是点缺陷的运动、差排密度变化不大

～加工硬化将保留

‧回复时亚晶形成以及粗大化～加工硬化降低

4.强度与亚晶大小的关系：

Hall-Petchrelation

σs＝σ0＋kd–1/2

σs是yieldstress；σ0是frictionalstress

k是常数；d是结晶粒的直径

～由式子可看出：

当亚晶愈小（即d小）则σsyieldstress愈大