第一章緒論
１、決定金屬材料效能的基本因素：組成金屬材料的主要元素是金屬元素；金屬的原子結構具有區別於其它元素的重要特點之一是外層電子較少；這一特性決定了金屬原子間結合鍵(金屬鍵)的特點，這個結合鍵的特點又在一定程度上決定了內部原子集合體的結構特徵（麵心立方、體心立方、六方結構等)。
金屬材料的化學成分（原子序數）不同，效能不同；同一種成分，它的某些效能仍然可以在相當大的範圍內發生顯著變化（同素異形體）；同一種化學成分的某種金屬材料的不同製件，其效能之差可以很大程度。
由此可見，金屬材料的效能由化學成分、結構、組織因素決定的，金屬材料的多變性，也正是通過這三個因素的多變性而表現出來的。
第二章鋼的熱處理和工藝
１、熱處理定義：鋼的熱處理是通過加熱、保溫和冷卻的方法，來改變鋼內部組織結構，從而改善其效能的一種工藝。
２、奧氏體形成的熱力學：根據fe-fe3c狀態圖可知，當把鋼緩慢加熱到共析溫度以上時，珠光體將向奧氏體轉變。從鐵碳相圖可知，任何成分碳鋼加熱到ac1以上，珠光體就向奧氏體轉變；加熱到ac3或acm以上，將全部變為奧氏體。
這種加熱轉變稱奧氏體化。
３、奧氏體的形成過程：擴散性相變，轉變過程分為四個階段進行。
（1）形核：珠光體加熱到ac1以上，在鐵素體和滲碳體的相介面上奧氏體優先形核。相界、晶界、亞晶界、位錯、非金屬夾雜等區域性區域的自由能高，這些區域具有較大的能量起伏和濃度起伏，因而有利於奧氏體晶核的形成。
（在相介面上原子排列不規則，處於能量較高狀態，具備形核所需的結構起伏和能量起伏條件，同時相介面上處於碳濃度過渡，易出現濃度起伏，符合奧氏體所需的碳濃度，所以奧氏體晶核優先在相介面上形成。）
（2）長大：奧氏體在鐵素體和滲碳體相介面上形核後，建立起介面濃度平衡，在奧氏體和鐵素體內部出現濃度差，碳原子由高濃度向低濃度擴散，使c2、c4濃度降低，而c1、c3公升高，從而破壞濃度平衡；必須通過滲碳體逐漸溶解，以提高c2、c4，同時產生α→γ轉變，以降低c1、c3，維持介面濃度平衡。這樣所進行的碳原子擴散，滲碳體溶解，α→γ點陣重構的反覆，奧氏體逐漸長大。
鐵素體向奧氏體的轉變速度，往往比滲碳體的溶解要快，因此珠光體中鐵素體總比滲碳體消失得早。
（3）殘餘滲碳體的溶解：素體消失後，隨著保溫時間的延長，通過碳原子擴散，殘餘滲碳體逐漸溶入奧氏體，使奧氏體逐漸趨近共析成分。
（4）奧氏體的均勻化：餘滲碳體完全溶解後，奧氏體中碳濃度仍是不均勻的，原是滲碳體的位置碳濃度較高，原是鐵素體的位置碳濃度較低。為此必須繼續保溫，通過碳原子擴散，獲得均勻化奧氏體。
加熱時奧氏體化程度會直接影響冷卻轉變過程，以及轉變產物的組成和效能。
４、奧氏體等溫形成動力學：
由共析碳鋼的奧氏體等溫形成曲線可知隨加熱溫度公升高，奧氏體化過程的四個階段都加速；奧氏體均勻化時間遠大於轉變基本完成及殘餘滲碳體溶解的時間。
奧氏體介面的移動速度與碳在奧氏體中的擴散係數以及濃度梯度成正比，而與介面上的碳濃度差成反比。由於滲碳體與奧氏體相介面上高的碳濃度差以及滲碳體本身複雜的晶體結構，使得奧氏體向滲碳體方向的長大速度遠比向鐵素體方向為小，所以鐵素體向奧氏體的轉變比滲碳體的溶解要快得多。
此時所獲得的奧氏體，其成分也是不均勻的。由於擴散過程落後於滲碳體的溶解，在原來是滲碳體的部位碳含量仍然很高。同樣，在原來是鐵素體的地方碳含量則仍然較低。
５、合金元素對碳在奧氏體中的擴散影響：
1) co、ni增大碳在奧氏體中的擴散係數，因而加快奧氏體形成速度；
2) 碳化物形成元素cr、mo、w、v等降低碳在奧氏體中的擴散係數，且所形成的特殊碳化物較難溶解，所以減慢奧氏體形成速度；
3) si、al、mn等元素對碳在奧氏體中的擴散係數影響不大，因此對奧氏體形成速度沒有多大影響。
鋼中合金元素在原始組織各相中的分布是不均勻的。這種合金元素分布的不均勻性，直到殘餘碳化物溶解完成後仍保留下來。因此合金鋼除了奧氏體中碳的均勻化外，還要進行著合金元素的均勻化，合金鋼的奧氏體均勻化時間遠比碳鋼長得多。
在制定合金鋼的熱處理工藝規範時，應比碳鋼的加熱溫度高些，保溫時間長些，促使合金元素盡可能均勻化。
６、奧氏體晶粒：
（1）奧氏體的初始晶粒:指加熱時奧氏體轉變過程剛剛結束時的奧氏體晶粒，這時的晶粒大小就是初始晶粒度。
（2）奧氏體實際晶粒:指在熱處理時某一具體加熱條件下最終所得的奧氏體晶粒，其大小就是奧氏體的實際晶粒度。
在一般熱處理的加熱條件下，奧氏體晶粒總是要長大的。在恆溫下，隨保溫時間的增加，奧氏體晶粒也不斷長大。長大分為三個階段：
①孕育期：在奧氏體剛剛形成以後，並不馬上長大，而是需要一定的孕育期，溫度愈高，孕育期愈短；
②不均勻長大：經孕育期後，奧氏體晶粒開始長大，但各處長大的程度不一致，有些較大的晶粒靠吞併周圍的小晶粒而長成個別很粗大的晶粒；那些未被吞併的小晶粒則長大速度極慢； 結果形成尺寸相差懸殊的晶粒共存的狀態；
③均勻長大期：細小晶粒全被吞併後，所有晶粒均開始緩慢而均勻地長大。
（3）奧氏體的本質晶粒:指各種鋼的奧氏體晶粒的長大趨勢。晶粒容易長大的稱為本質粗晶粒鋼；晶粒不容易長大的稱為本質細晶粒鋼； 以上不同的趨勢主要由於鋼的成分不同而引起。
７、測定鋼的本質晶粒度的方法：生產中為了便於確定鋼的本質晶粒度，並不需要測出晶粒大小隨溫度的變化曲線，只需測出930℃左右的實際晶粒度，就可判斷。因為930℃左右是本質粗晶粒鋼和本質細晶粒鋼的晶粒大小差別最明顯的溫度。
８、鋼中成分對奧氏體晶粒長大的影響：用適量的鋁脫氧，或鋼中加入適量的釩、鈦、鈮等元素，可得到本質細晶粒鋼。因為它們的氮化物或碳化物粒子沿晶界瀰散析出，起到阻礙晶界遷移的作用，抑制了奧氏體晶粒長大。
９、粗大奧氏體晶粒的遺傳性：
ⅰ、組織遺傳：
1）生產中發現，過熱（加熱溫度過高）後鋼的粗大奧氏體晶粒，經淬火後得到粗大馬氏體；
2）再次快速或慢速加熱至稍高於臨界溫度；
3）奧氏體仍保留了原來的粗大晶粒，甚至保留原來的位向和原來的晶界。
ⅱ、原因：過熱後的粗晶粒奧氏體與馬氏體間相互轉變維持著嚴格的晶體學取向關係。初生的奧氏體晶粒似乎細小，由於取向一致，仍保持粗大原始組織的特性。
ⅲ、措施：若以中等速度奧氏體化或加熱到ac3以上100～200℃，由於相變硬化使高溫奧氏體產生再結晶，達到細化晶粒，消除組織遺傳的效果。
１０、過冷奧氏體的轉變及其產物：以共析鋼為例。加熱到ac1以上，共析轉變成成分大致均勻的單相奧氏體；冷卻到ar1以下，單相奧氏體分解為在成分上差別很大的鐵素體與滲碳體兩相的混合物（珠光體或貝氏體）；一般情況下，把奧氏體過冷到不同溫度時，可發生珠光體轉變、貝氏體轉變及馬氏體轉變這三種不同形式的轉變。
１１、過冷奧氏體等溫轉變圖（ｔｔｔ／ｃ曲線）：（ｐ１１）
１２、影響過冷奧氏體等溫轉變圖的因素：鋼的成分和熱處理條件都會引起c曲線形狀和位置的變化。
１）含碳量的影響：隨著含碳量增加，亞共析鋼的c曲線向右移；過共析鋼的c曲線向左移；在碳鋼中以共析鋼的過冷奧氏體最穩定。
２）合金元素的影響：除鈷外所有合金元素的溶入，均增加過冷奧氏體的穩定性，使c曲線向右移；其中非碳化物或弱碳化物形成元素，如矽、鎳、銅和錳等不改變c曲線形狀，仍保持乙個「鼻尖」，只改變c曲線位置；中強或強碳化物形成元素，如cr、mo、w、v和ti等溶入奧氏體，不僅使c曲線右移，並使珠光體轉變和貝氏體轉變區分離，出現兩個「鼻尖」，即變成雙c曲線。上部c曲線是等溫轉變形成珠光體的區域；下部c曲線是等溫轉變形成貝氏體的區域，其間存在著過冷奧氏體的亞穩定區域。
３）奧氏體化溫度和保溫時間的影響：奧氏體化溫度愈高與保溫時間愈長，均使碳化物溶解愈完全，奧氏體成分愈均勻，奧氏體晶粒愈粗大，這些均降低過冷奧氏體分解的形核率，延長轉變的孕育期，從而使c曲線右移。
１３、過冷奧氏體的連續冷卻轉變（ｃｃｔ曲線）：（ｐ２７）
１４、珠光體轉變：
ⅰ、概念：鋼奧氏體化後，過冷到a1至「鼻尖」之間區域等溫停留時，將發生共析轉變，形成珠光體組織，其反應如下：γ→ p ( α+ fe3c)。
依靠碳原子和鐵原子的擴散，來完成反應中碳的重新分布和鐵的點陣重構，所以珠光體轉變是一種典型的擴散性相變。珠光體是鐵素體和滲碳體的兩相混合物。
ⅱ、珠光體的分類：粒狀珠光體、片狀珠光體。
片層珠光體分類：珠光體在a1--650℃範圍內形成；索氏體在650--600℃範圍內形成；屈氏體在600--550℃範圍內所形成。
結論：珠光體、索氏體、屈氏體三種組織只有粗細之分，並無本質區別。它們表現在效能上的差別為，隨轉變溫度降低，片層間距減小，強度、硬度公升高，塑性也變好。
原因是鐵素體和滲碳體片變薄時，相介面增多，在外力作用下，抗塑性變形能力增高。而且由於滲碳體片很薄，容易變形，不易脆裂，使鋼的塑性變形能力增大。
１５、馬氏體：
ⅰ、馬氏體轉變：將材料從高溫結構狀態快速冷卻，在較低溫度下發生的無擴散型相變。
凡是相變的基本特徵屬於馬氏體型的轉變產物。
ⅱ、馬氏體產生的熱力學條件：將鋼加熱到奧氏體化；以大於臨界淬火速度的冷卻速度快冷；快冷至ｍｓ溫度以下。
ⅲ、馬氏體轉變的特點：無擴散性，依靠切變進行；無成分變化，只是點陣重構；一般在ms點以下乙個溫度區間內完成，轉變過程靠產生一批批新馬氏體片來完成，這種通過切邊進行點陣重構，而無成分變化的非擴散性相變，統稱為馬氏體轉變。
ⅳ、馬氏體的效能：高強度和高硬度是鋼中馬氏體的主要特性之一。馬氏體的硬度主要決定於含碳量，當到達0.6%c時，硬度趨於平緩。
ⅴ、馬氏體高強度、高硬度的原因：固溶強化(c原子)；高密度位錯、孿晶亞結構強化；自回火現象，時效強化。塑性和韌性取決於馬氏體亞結構的情況，位錯馬氏體具有較好的塑性。
１６、貝氏體：將奧氏體化的鋼過冷到bs（約550℃）至ms溫度範圍內等溫，將產生貝氏體轉變，也稱中溫轉變。對於共析鋼貝氏體轉變的溫度區間在550℃--ms點之間，鋼的貝氏體轉變發生在珠光體轉變溫度以下、馬氏體轉變溫度以上的溫度範圍內。
ⅰ、貝氏體轉變特點：與珠光體一樣，貝氏體也是鐵素體和碳化物組成的機械混合物，在轉變過程中，發生碳的擴散；但區別在其碳的擴散不充分，鐵原子沒有擴散，轉變特徵與組織形態和珠光體不一樣。
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