金屬材料與熱處理

（一）硬度：是指金屬表面抵抗其它更硬物體壓入的能力。

hb鋼球印痕面積法=2pπd(d-)（單位面積上的力）；

hb>450時不能用布氏方法；不能測太薄的金屬δ>10h (壓坑深度)；

hrc測量淬火回火後的工件（120o金鋼錐）；

hrb測量較軟的退火件銅、鋁（ф1.588mm鋼球）；

hra測量硬度很高或硬而薄的金屬，如硬質合金表面處理工件等（120o金鋼錐）；

hr=k-h/0.002；

h壓痕深度（mm）；

k常數，用鋼球時為130，用金鋼石時為100；

0.002為壓痕深，每0.002為洛氏硬度一度；

高硬度時 hrc1/10hb；

hv用頂角為136o金剛石四方角錐體，根據被測工件越薄，選用越小載荷;

5、10、20、30、50、100、和120kg；

hv=1.8544p/d2(1公斤/mm2)；

hv可測量很薄的工件和滲碳層、氮化層、氰化層硬度。

（二）強度：指材料抵抗外力作用而不被破壞的一種能力。

● b =pb/f0;

● s=ps/f0;

● δ0.2 產生0.2%永久變型量時的強度。

（三）塑性：指材料發生永久變形而不被破壞的一種能力。

● δ伸長率：斷裂的長度增加量與原長度之比。

δ＝（l1-l0）/l0×100％

● 斷面收縮率：拉斷的橫截面積減小量與試樣原來橫截面積之比，百分數。

● 硬度與強度的近似關係：

軋制或鍛鋼件b＝（0.34-0.36）hb

鑄鋼件 b＝（0.3－0.4）hb

灰口鑄鐵件 b＝（hb-40）/6

（四）韌性：指材料抵抗衝擊力的作用而不被破壞的一種能力。

衝擊韌性ak=ak/f(1公斤·公尺/厘公尺2);

脆性與韌性相反，脆性材料的破壞是突然發生，沒有顯著變形，斷口處很明亮並有金屬光澤。而韌性材料的破壞都有預兆，並且斷口呈灰色纖維狀。

如m24螺栓斷裂表面呈灰色纖維狀，說明有一定韌性。

材料晶粒越細，ak值越高。

二、熱處理基礎知識

● 原子順續排列的狀態叫晶體，晶體顆粒組合在一起組織金屬材料。晶粒之間的結合麵叫晶界。

● 晶粒有體心立方晶格和麵心立方晶格，晶格是組成晶粒的最小單元。

● 體心立方體晶格的8個頂點各有乙個原子，中心乙個原子。

● 麵心立方體晶格的8個頂點和6個平面各有乙個原子。

● 體心立方晶格組織材料較硬，抗力較大，不易鍛造。如cr、w、mo、mn、v、αfe（常溫鐵）。

● 麵心立方晶格較軟，易變形如al、cu、ni、pb、γfe（奧氏體）

● 晶粒大小（或稱粗細）會直接影響到鋼材的質量，晶粒愈細小，鋼材的效能越好，晶粒愈粗大，鋼材的效能就愈差，特別是ak就愈低。正火、淬火溫度控制就是為細化晶粒。此外，細晶粒的鋼材在熱處理淬火加熱與冷卻時，引起變形與開裂的傾向也小的多，所以細化晶粒的預先熱處理是最終熱處理的必備工序。

● 具有體心立方晶格的純鐵叫αfe;

● 麵心立方晶格的純鐵叫γfe;

● αfe和γfe在910oc時發生較變；℃

● 純鐵在770oc以下具有磁性，770oc以上沒有磁性。

● 三、名詞：

1、固溶體：固態下溶解有其它元素的組織叫做「固溶體」（αfe和γfe對c的溶解能力是大小不一樣的）

2、鐵素體：就是碳在αfe中的固溶體。室溫下可溶解0.006％的碳，723oc時可溶解達到最大值0.025％。

3、奧氏體：就是碳在γfe中間隙式的固溶體。由於γfe的原子間的空隙較大，723oc時可溶解碳量為0.8％（共析鋼），1130oc溶解量達到最大值2％。

4、滲碳體：即αfe3c（碳化鐵），αfe:c=3:

1(原子數比)，具有複雜的晶格結構的化合物稱為滲碳體，滲碳體中含碳量為6.67％，其溶解度不隨溫度的變化（化合物）。熔點1600oc左右，硬度很高;hb>800，很耐磨，但很脆，滲碳體和鐵素體混合在一起就是常用的鋼材，隨含碳量的增高，硬度強度增高，ak下降。

加入合金元素形成合金碳化物，其硬度還會更高，如碳化鎢（wc）碳化鈦（tic）等。

5、珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體兩者所組成的機械混合物，他存在於723oc以下，是鐵素體與滲碳體一層一層交替分布著，顯微鏡下白亮呈片狀為滲碳體中間較寬的白色間隔層為鐵素體。這種組織顯出珍珠表面相似的紋路和光澤，所以稱珠光體。

純珠光體含碳量為0.8%（共析鋼）。粗片狀鐵素體加粗片狀滲碳體叫珠光體，等溫轉變670－723度hb170－250（hrc 0-24）

通過熱處理方法（加熱到ac1線略高保溫時間長）可以獲得一種滲碳體呈顆粒狀分布在鐵素體基體上的組織，這種組織叫做粒狀（或球狀）珠光體，以改善加工效能和熱處理變形開裂效能。

6、網狀滲碳體：。

7、索氏體：在等溫轉變c形線鼻尖所得到的較細片狀鐵素體+較細片狀滲碳體叫之索氏體。等溫轉變溫度600－670oc（珠光體的一種）hb250－320，hrc24－32。

8、屈氏體：同上是珠光體的一種，更細片狀鐵素體+更細片狀滲碳體叫之為屈氏體，形成溫度600－550oc。hb330－400（hrc32－38）。

珠光體、索氏體、屈氏體、都屬珠光體只是粗細不同，效能上有差異。

9、上貝氏體：鐵素體形成密集面相互平行的扁片滲碳體呈短片狀斷斷續續地分布在鐵素體片層之間，上貝氏體在顯微鏡下呈羽毛形態，hrc45左右，形成溫度 500—400oc。

10、下貝氏體：鐵素體形成針狀，極為細小的滲碳體質點呈瀰散狀分布在針狀鐵素體內，呈黑色針狀顯微形態。hrc55左右，形成溫度230—400oc。

11、馬氏體：奧氏體快速冷卻不觸及c形線鼻尖直接降到230oc以下（共析鋼），即低於ms，γfe轉變為αfe，碳原子全部被保留在αfe中，形成一種過飽和的固溶體組織，這就是馬氏體。這種轉變也稱非擴散形轉變。

馬氏體金相顯微組織呈針狀，黑色針狀物為馬氏體，白色基體稱為殘餘奧氏體。效能十分脆硬。hb可達600－700（hrc60－65）。

淬火即可獲得這種組織。硬度取決於c含量，低c鋼淬不硬，含c量高於0.8％，硬度幾乎不再增加了。

馬氏體的轉變隨c含量增高而降低含碳量0.5％時mz約0oc，ms290oc隨著含c增ms下降，c量小於0.8％時mz也隨c而下降，0.

9以上時mz在-100oc附近下降不大。奧氏體向馬氏體的轉變有乙個很大的特點：奧氏體不能百分之百轉化為馬氏體總有較少的奧氏保留下來，稱保留下來的為殘氏奧氏體。

因奧氏體為γfe麵心產方晶格，比容（單位重量的體積）較小，約只有0.122—0.125，而馬氏體為αfe過飽和固溶體，比容較大，約有0.

127－0.130，可見，在轉變過程中，在馬氏體形成的同時還伴隨著體積的膨脹，從而會對尚未轉變的奧氏體造成一內壓力，合使其不易發生向馬氏體的轉變而被保留下來。ms mz點越低剩餘奧氏體量也就越多。

12、過冷奧氏體：低於a1線溫度狀態下存在的奧氏體，c形曲線鼻尖溫度處的過冷奧氏體最不穩定，最容易發生分解。

13、晶粒度：晶粒度就是用來表示晶粒大小的尺度，共分為8級;。凡在1－4級者為粗晶粒鋼，5－8級者為細晶粒鋼。

粗晶粒鋼溫度、韌性等變壞，所以熱處理時加熱溫度不能過高，時間不能過長，防止晶粒過大。

第二講14、正火：就是將鋼加熱到ac3線和acm以上30－50oc，保溫後出爐空冷，分別得到鐵素體加索氏體、索氏體，有細化晶粒、調整組織、削除前道鑄造、鍛造冷加工產生的缺陷，作為預先熱處理作用。提高鋼材加工效能（最好hb200－250時）提高加工面光潔度，不粘刀，加工表面光滑。

比如管路密封膠圈結合面，o型圈溝槽，缸、幫浦介面平面。

15、退火：就是將鋼加熱到ac3線（過共析鋼為a1線）以上，保溫一定時間為工件厚度（）小時，合金鋼（）小時，隨爐冷卻，得到鐵素體加珠光體（亞共析），珠光體（共析鋼），滲碳體加珠光體（過共析鋼）的方法，降低硬度，提高塑性，改善壓力和切削效能。

16、等溫退火：鋼加熱到ac3以上30-50oc,保溫後較快冷卻到略低於ar1的溫度（或轉入略低於ar1的爐中）在此溫度下奧氏體金部轉變完成，主要用於合金鋼退火。

17、球化退火：目的在於過共析鋼得到球狀珠光體，便於加工，也是熱處理的前處理。

球化退火的工藝是加熱到溫度略高於ac1以上10－20oc，保溫後緩慢冷卻到略低於ar1的溫度並停留一段時間，使組織轉變全部完成，然後冷至500oc以下再空冷。

加熱溫度超過ac1越高，則冷卻以後得到的片狀珠光體會愈多。若超過acm時，則冷卻下來所得到的全部為片狀珠光體。

球化退火所以能形成球狀珠光體，是因為鋼在加熱到略高於ac1時呈現一不均勻的組織。即除了奧氏體的濃度不均勻外，還有大量未溶解的滲碳體存在。其中片狀滲碳體在較長時間的保溫過程中會自發地趨於球狀（因後者最為穩定）。

當鋼隨後冷卻下來時，由奧氏體分解而形成的αfe3c也逐漸球狀化因而最終便獲得在鐵素體基體上分布著許多顆粒狀滲碳體，這就是球狀珠光體。

18、低溫退火：為消除鑄、鍛、焊接、切削冷衝壓過程的內應力，緩慢速度加熱到500－650oc，經適當保溫，再緩冷下來的過程，又叫去應力退火。鋼的顯微組織不發生改變。

19、淬火：將鋼加熱到ac3線或ac1線上30－50oc，保溫一段時間（均勻化）

快速冷卻下來，以得到高硬度馬氏體組織的方法。

細晶粒奧氏體得到細晶粒馬氏體組織。

過共析鋼有網狀αfe3c時，應先正火細化晶粒再淬火。

合金鋼加熱溫度相對較高。

20、顯微裂紋：工件淬火後得到馬氏體組織，此時的組織中存在著極大的內應力，如果不及時回火，則會由於淬火應力的作用容易在工件內部產生顯微裂紋，嚴重時會導致工件的脆性增大而開裂。

21、回火：工件淬火後一般都要進行回火，淬火後得到馬氏體效能很脆，並存在很大應力，不及時予以回火，時間久了可能會引起工件發生開裂，回火就是將淬火後的工件重新加熱到a1以下某溫度保溫一段時間，然後取出工件以一定的方式冷卻下來。

22、回火馬氏體（低溫回火）：馬氏體是一種過飽和αfe固溶體，從室溫加熱到300oc左右，隨著公升溫原子活力增加，c原子開始以某種碳化物的形式從馬氏體中析出，因溫度不高，析出的碳化物未全部脫離原馬氏體組織，仍處在一定的過飽和狀態，這種組織稱為回火馬氏體。對硬度影響不大，但內應力清除了一部分。

23、第一類回火脆性：馬氏體中c的過飽和度大時，淬火後記憶體較多的殘餘奧氏體，大約在250－350oc時，殘餘奧氏體也發生向較為穩定的回火馬氏體轉變，轉變的結果可使硬度有增加（1－2hrc），這種現象在高碳鋼中尤為明顯，與此同時衝擊韌性卻略有下降，稱為第一類回火脆性。

24、第二類回火脆性：主要發生在合金鋼450－650oc含cr、ni、mn、si等;在此溫度回火後進行緩冷時，有極其細小的片狀硬脆物。如：

碳化物、氮化物、或磷化物沿鐵素體晶界析出所致。快速冷卻會使溶於鐵素體中的硬脆物來不及析出。隨溫度公升高， k提高是因所析出的化合物球化的結果。

我們常用的40cr有二類回火脆性的傾向，一般談到回火脆性主要指第二類回火脆性。

金屬材料與熱處理

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