金屬學(xué)與熱處理知識匯總總結(jié)

空間點陣和晶體點陣

為便于了解晶體中原子排列的規(guī)律性，通常將實體晶體結(jié)構(gòu)簡化為完整無缺的理想晶體。若將其中每個院子抽象為純幾何點，即可得到一個由無數(shù)幾何點組成的規(guī)整的陣列，稱為空間點陣，抽象出來的幾何點稱為陣點或結(jié)點。由此構(gòu)成的空間排列，稱為晶體點陣；與此相應(yīng)，上述空間點陣稱為晶格。

熱過冷

純金屬在凝固時，其理論凝固溫度(Tm)不變，當(dāng)液態(tài)金屬中的實際溫度低于Tm時，就引起過冷，這種過冷稱為熱過冷。

成分過冷

在固液界面前沿一定范圍內(nèi)的液相，其實際溫度低于平衡結(jié)晶溫度，出現(xiàn)了一個過冷區(qū)域，過冷度為平衡結(jié)晶溫度與實際溫度之差，這個過冷度是由于界面前沿液相中的成分差別引起的，稱為成分過冷。成分過冷能否產(chǎn)生及程度取決于液固界面前沿液體中的溶質(zhì)濃度分布和實際溫度分布這兩個因素。

動態(tài)過冷度

當(dāng)界面溫度Ti

結(jié)構(gòu)起伏

液態(tài)金屬中大量不停“游動”著的原子團簇不斷地分化組合，由于“能量起伏”，一部分金屬原子（離子）從某個團簇中分化出去，同時又會有另一些原子組合到該團簇中，此起彼伏，不斷發(fā)生著這樣的漲落過程，似乎原子團簇本身在“游動”一樣，團簇的尺寸及其內(nèi)部原子數(shù)量都隨時間和空間發(fā)生著改變的現(xiàn)象。

能量起伏

液態(tài)金屬中處于熱運動的原子能量有高有低，同一原子的能量也在隨時間不停地變化，時高時低。

均勻形核

液相中各個區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的，是液態(tài)金屬絕對純凈、無任何雜質(zhì)，只是依靠液態(tài)金屬的能量變化，由晶胚直接生核的理想過程。臨界半徑：

非均勻形核

液態(tài)金屬中總是存在一些微小的固相雜質(zhì)點，并且液態(tài)金屬在凝固時還要和型壁相接觸，于是晶核就可以優(yōu)先依附于這些現(xiàn)成的固體表面上形成，需要的過冷度較小。臨界半徑：

非均勻形核的臨界球冠半徑與均勻形核的臨界半徑是相等的。

晶核長大的微觀結(jié)構(gòu)

光滑界面和粗糙界面。

晶粒大小的控制

控制過冷度；變質(zhì)處理；振動、攪動。

表面細(xì)晶區(qū)的形成

當(dāng)液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時，型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質(zhì)生核。這些晶核在過冷熔體中也以枝晶方式生長，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無方向性的表面細(xì)等軸晶組織。

柱狀晶區(qū)的形成

在結(jié)晶過程中由于模壁溫度的升高，在結(jié)晶前沿形成適當(dāng)?shù)倪^冷度，使表面細(xì)晶粒區(qū)繼續(xù)長大（也可能直接從型壁處長出），又由于固-液界面處單向的散熱條件（垂直于界面方向），處在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流的作用下，以表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底，呈枝晶狀單向延伸生長，那些主干取向與熱流方向相平行的枝晶優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長，在淘汰取向不利的晶體過程中，發(fā)展成柱狀晶組織。

中心等軸晶的形成

內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成是由于熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果。隨著柱狀晶的發(fā)展，熔體溫度降到足夠低，再加之金屬中雜質(zhì)等因素的作用，滿足了形核時的過冷度要求，于是在整個液體中開始形核。同時由于散熱失去了方向性，晶體在各個方向上的長大速度是相等的，因此長成了等軸晶。

固溶體與金屬化合物的區(qū)別

固溶體晶體結(jié)構(gòu)與組成它的溶劑相同，而金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)與組成它的組元都不同，通常較復(fù)雜。固溶體相對來說塑韌性好，硬度較低，金屬化合物硬而脆。

影響置換固溶體溶解度的因素

原子尺寸因素；電負(fù)性因素；電子濃度因素；晶體結(jié)構(gòu)因素。

相律

相律 F=C-P+2，壓力為常數(shù)時，F(xiàn)=C-P+1。F為平衡系統(tǒng)的自由度數(shù)，C為平衡系統(tǒng)的組元數(shù)，P為平衡系統(tǒng)的相數(shù)。他的含義是：在只受外界溫度和壓力影響的平衡系統(tǒng)中，它的自由度數(shù)等于系統(tǒng)的組元數(shù)和相數(shù)之差加上2。

杠桿定律

ωL=rb/ab×100%

成分起伏

液相中總會有某些微小體積可能偏離液相的平均成分，這些微小體積的成分、大小和位置都是在不斷地變化著，這就是成分起伏。

枝晶偏析

固溶體合金不平衡結(jié)晶的結(jié)果，使先后從液相中結(jié)晶出的固相成分不同，再加上冷速較快，不能使成分?jǐn)U散均勻，結(jié)果就使每個晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分很不均勻。先結(jié)晶的部分含高熔點組元較多，后結(jié)晶的部分含低熔點組元較多，在晶粒內(nèi)部存在著濃度差別，這種在一個晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱為晶內(nèi)偏析，又稱枝晶偏析。

宏觀偏析

在材料宏觀范圍內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻偏析。

鐵素體與奧氏體

鐵素體是溶于α-Fe中的間隙固溶體，為體心立方結(jié)構(gòu)，常用符號F或α表示。奧氏體是碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，為面心立方結(jié)構(gòu)，常用符號A或γ表示。碳溶于體心立方晶格δ-Fe中的間隙固溶體，稱為δ鐵素體，以δ表示。奧氏體塑性很好，具有順磁性。

工業(yè)純鐵

含鐵量為ωC=99.8%~99.9%，塑性和韌性很好，但其強度很低。之前發(fā)過的鐵-碳相圖，你還記得嗎？

滲碳體

Fe3C，含碳量為ωC=6.69%，可用Cm表示，具有很高的硬度，但塑性差，低溫下具有一定的鐵磁性。

單相區(qū)——5個

相圖中有5個基本的相，相應(yīng)的有5個相區(qū)：

液相區(qū)(L)——ABCD以上區(qū)域

δ固溶體區(qū)——AHNA

奧氏體區(qū)(γ)——NJESGN

鐵素體區(qū)(α)——GPQ(Fe3C)——DFK直線以左
滲碳體區(qū)

兩相區(qū)——7個

7個兩相區(qū)分別存在于兩個相應(yīng)的單相區(qū)之間：

L+δ——AHJBA
L+γ——BJECB
L+Fe3C——DCFD
δ+γ——HNJH
γ+α——GPSG
γ+ Fe3C——ESKFCE
α+ Fe3C——PQLKSP+ Fe3C

三相區(qū)——3個

包晶線——水平線HJB(Lδ+γ)
共晶線——水平線ECF(Lγ+Fe3C)
共析線——水平線PSK(γ+α+ Fe3C)

Fe-Fe3C相圖中的特性點

包晶轉(zhuǎn)變

發(fā)生在1495℃（水平線HJB），反應(yīng)式為：LB+δH→γJ

式中：L0.53——含碳量為0.53%的液相；
δ0.09——含碳量為0.09%的δ固溶體；
γ0.17——含碳量為0.17%的γ固溶體，即奧氏體，是包晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。

含碳量在0.09~0.53%之間的合金冷卻到1495℃時，均要發(fā)生包晶反應(yīng)，形成奧氏體。

共晶轉(zhuǎn)變

發(fā)生在1148℃（水平線ECF），反應(yīng)式為：LC→γE+Fe3C

共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體，用Ld表示。凡是含碳量大于2.11%的鐵碳合金冷卻到1148℃時，都會發(fā)生共晶反應(yīng)，形成萊氏體。

共析轉(zhuǎn)變

發(fā)生727℃（水平線PSK），反應(yīng)式為：γS→αP+Fe3C

共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的機械混合物，稱為珠光體，用字母P表示。含碳量大于0.0218%的鐵碳合金，冷卻至727℃時，其中的奧氏體必將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。

Fe-Fe3C相圖中的特性線含義

ES線（Acm線）：是碳在奧氏體中的溶解度曲線。奧氏體的最大溶碳量是在1148℃時，可以溶解2.11%的碳。而在727℃時，溶碳量僅為0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，從1148℃冷到727℃的過程中，將自奧氏體中析出滲碳體，這種滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII)。

PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。727℃時鐵素體中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃僅可以溶解7×10-7%C。所以鐵碳合金由727℃冷卻到室溫的過程中，鐵素體中會有滲碳體析出，這種滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。由于三次滲碳體沿鐵素體晶界析出，因此對于工業(yè)純鐵和低碳鋼影響較大；但是對于含碳量較高的鐵碳合金，三次滲碳體（含量太少）可以忽略不計。

GS線（A3線）是冷卻過程中，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始線；或者說是加熱過程中，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線（具有同素異晶轉(zhuǎn)變的純金屬，其固溶體也具有同素異晶轉(zhuǎn)變，但其轉(zhuǎn)變溫度有變化）。

純鐵、鋼、白口鐵

1.純鐵——含碳量<0.0218%，顯微組織為鐵素體。工業(yè)純鐵在緩慢冷卻過程中發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變主要是同素異晶轉(zhuǎn)變和Fe3CIII的析出。

2.鋼——含碳量0.0218%～2.11%，特點是高溫組織為單相奧氏體，具有良好的塑性，因而適于鍛造。根據(jù)室溫組織的不同，鋼又可以分為：

亞共析鋼：含碳0.45%的亞共析鋼是應(yīng)用十分廣泛的一種鋼，通常稱為45號鋼。45鋼在液態(tài)到室溫的冷卻過程中將發(fā)生以下轉(zhuǎn)變：勻晶轉(zhuǎn)變L0.45→L0.53+δ，包晶轉(zhuǎn)變L0.53+δ→γ0.45，同素異晶轉(zhuǎn)變γ0.45→α+γ0.77，共析轉(zhuǎn)變γ0.77→(α+Fe3C)。室溫下45鋼的組織為：鐵素體α+珠光體P（α+Fe3C）。所有亞共析鋼的室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成，區(qū)別僅在于相對量的差別：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光體的量越多、鐵素體的量越少。組織組成物ωα=49.5%，ωP=50.5%，相組成物ωα=94.3%，ωFe3C=5.7%。

共析鋼：從液態(tài)冷卻到室溫要發(fā)生三次組織轉(zhuǎn)變：勻晶轉(zhuǎn)變L→γ（奧氏體），共析轉(zhuǎn)變γ→(α+Fe3C)（珠光體P），α中析出三次滲碳體(Fe3CIII)。室溫下共析鋼的組織組成全部為珠光體（可以忽略Fe3CIII），共析鋼只有一種組織（忽略Fe3CIII），即珠光體P，珠光體由α和Fe3C兩個相組成。應(yīng)用杠桿定律可以計算出α和Fe3C兩個相的相對量。

過共析鋼：在液態(tài)到室溫的冷卻過程中，首先進行勻晶轉(zhuǎn)變，形成單相固溶體γ；當(dāng)溫度到達(dá)ES線以下時，過飽和的固溶體γ中析出滲碳體（二次滲碳體Fe3CII），奧氏體γ的成分變到共析點S(0.77%C)；共析轉(zhuǎn)變γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光體P。因此，過共析鋼的室溫組織為珠光體P(α+Fe3C)+Fe3CII。對于過共析鋼，隨著含碳量增高，鋼中Fe3CII的量增大。由于大量的Fe3CII會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，造成鋼的脆性急劇增高，所以實際生產(chǎn)中使用的鋼含碳量一般都低于1.5%；另外，含有網(wǎng)狀Fe3CII的鋼不能直接使用，需要經(jīng)過鍛造（壓碎Fe3CII網(wǎng)）或相應(yīng)的熱處理后才能使用。

碳對鋼性能的影響：碳鋼的組成相只有鐵素體和滲碳體兩種，組織組成物有先共析鐵素體、珠光體和二次滲碳體三種。由于鐵素體硬度低、塑性好，滲碳體硬度非常高、塑性為0。所以，由鐵素體和滲碳體均勻混合的珠光體具有良好的綜合性能，即具有良好的強度和硬度,同時也具有較好的塑性和韌性。對于亞共析鋼，隨著含碳量的增加，珠光體的相對量提高，鋼的強度、硬度增高，塑性、韌性下降。對于過共析鋼，隨著含碳量的增加，二次滲碳體數(shù)量增加，并且形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅造成鋼的塑性、韌性下降，同時也使強度下降，只有硬度增高。

3.白口鐵——含碳量2.11%～6.69%，特點是液態(tài)結(jié)晶時都有共晶轉(zhuǎn)變，因而具有良好的鑄造性能。但是即使在高溫也是脆性材料，不能鍛造。根據(jù)室溫組織不同，白口鐵又分為：

亞共晶白口鐵：冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變與共晶白口鐵類似，只是在共晶轉(zhuǎn)變之前，液相中先結(jié)晶出奧氏體。到達(dá)1148℃時，剩余的液相成份為4.3%C，再往下面，液相的轉(zhuǎn)變就與共晶白口鐵一樣了。先結(jié)晶出來的奧氏體和共晶奧氏體一樣，在以后的冷卻過程中依次析出二次滲碳體（難以明顯看出）和進行共析轉(zhuǎn)變。室溫下亞共晶白口鐵的平衡組織為：P+Fe3CII+Ld。

共晶白口鐵：在從液態(tài)緩慢冷卻到室溫的過程中，首先在1148℃進行共晶轉(zhuǎn)變，液相全部凝固成為高溫萊氏體Ld（共晶組織），在1148℃到727℃之間，萊氏體中的奧氏體γ將按照ES線的變化趨勢析出二次滲碳體Fe3CII，而奧氏體在727℃時的含碳量降到0.77%；此時，奧氏體進行共析轉(zhuǎn)變，將全部轉(zhuǎn)變成珠光體P。經(jīng)過共析轉(zhuǎn)變的萊氏體，稱為低溫萊氏體，用符號Ld表示，以區(qū)別Ld。珠光體中的滲碳體叫做共析滲碳體，共晶組織中的滲碳體叫做共晶滲碳體。

過共晶白口鐵：在從液態(tài)到室溫的冷卻過程中，先從液相中結(jié)晶出來的是一次滲碳體Fe3CI，剩余的液相在1148℃進行共晶轉(zhuǎn)變。因此，過共晶白口鐵的室溫組織為：Fe3CI+Ld’。

共析鋼的加熱轉(zhuǎn)變，鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變等

從鐵碳相圖中看到，鋼加熱到727℃（狀態(tài)圖的PSK線，又稱A1溫度）以上的溫度，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。這個加熱速度十分緩慢，實際熱處理的加熱速度均高于這個緩慢加熱速度，實際珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度高于A1，定義實際轉(zhuǎn)變溫度為Ac1。Ac1高于A1，表明出現(xiàn)熱滯后，加熱速度愈快，Ac1愈高，同時完成珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的時間亦愈短。共析碳鋼（含0.77%C）加熱前為珠光體組織，一般為鐵素體相與滲碳體相相間排列的層片狀組織，加熱過程中奧氏體轉(zhuǎn)變過程可分為四步進行：
第一階段：奧氏體晶核的形成。由Fe-Fe3C狀態(tài)圖知：在A1溫度鐵素體含約0.0218%C，滲碳體含6.69%C，奧氏體含0.77%C。在珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體過程中，原鐵素體由體心立方晶格改組為奧氏體的面心立方晶格，原滲碳體由復(fù)雜斜方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?。所以，鋼的加熱轉(zhuǎn)變既有碳原子的擴散，也有晶體結(jié)構(gòu)的變化?；谀芰颗c成分條件，奧氏體晶核在珠光體的鐵素體與滲碳體兩相交界處產(chǎn)生，這兩相交界面越多，奧氏體晶核越多。
第二階段：奧氏體的長大。奧氏體晶核形成后，它的一側(cè)與滲碳體相接，另一側(cè)與鐵素體相接。隨著鐵素體的轉(zhuǎn)變（鐵素體區(qū)域的縮?。?，以及滲碳體的溶解（滲碳體區(qū)域縮?。?，奧氏體不斷向其兩側(cè)的原鐵素體區(qū)域及滲碳體區(qū)域擴展長大，直至鐵素體完全消失，奧氏體彼此相遇，形成一個個的奧氏體晶粒。
第三階段：殘余滲碳體的溶解。由于鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體速度遠(yuǎn)高于滲碳體的溶解速度，在鐵素體完全轉(zhuǎn)變之后尚有不少未溶解的“殘余滲碳體”存在，還需一定時間保溫，讓滲碳體全部溶解。
第四階段：奧氏體成分的均勻化。即使?jié)B碳體全部溶解，奧氏體內(nèi)的成分仍不均勻，在原鐵素體區(qū)域形成的奧氏體含碳量偏低，在原滲碳體區(qū)域形成的奧氏體含碳量偏高，還需保溫足夠時間，讓碳原子充分?jǐn)U散，奧氏體成分才可能均勻。
珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體并使奧氏體成分均勻必須有兩個必要而充分條件：一是溫度條件，要在Ac1以上加熱，二是時間條件，要求在Ac1以上溫度保持足夠時間。在一定加熱速度條件下，超過Ac1的溫度越高，奧氏體的形成與成分均勻化需要的時間愈短；在一定的溫度（高于Ac1）條件下，保溫時間越長，奧氏體成分越均勻。
還要看到奧氏體晶粒由小尺寸變?yōu)榇蟪叽缡且粋€自發(fā)過程，在Ac1以上的一定加熱溫度下，過長的保溫時間會導(dǎo)致奧氏體晶粒的合并，尺寸變大。相對之下，相同時間加熱，高的加熱溫度導(dǎo)致奧氏體晶粒尺寸的增大傾向明顯大于低的加熱溫度的奧氏體晶粒長大傾向。奧氏體晶粒尺寸過大（或過粗）往往導(dǎo)致熱處理后鋼的強度降低，工程上往往希望得到細(xì)小而成分均勻的奧氏體晶粒，為此可以采用：途徑之一是在保證奧氏成分均勻情況下選擇盡量低的奧氏體化溫度；途徑之二是快速加熱到較高的溫度經(jīng)短暫保溫使形成的奧氏體來不及長大而冷卻得到細(xì)小的晶粒。
晶粒度：工程上把奧氏體晶粒尺寸大小定義為晶粒度，并分為8級，其中1～4級為粗晶粒，5級以上為細(xì)晶粒，超過8級為超細(xì)晶粒。
影響奧氏體晶粒大小的因素：加熱溫度和保溫時間、加熱速度、鋼的化學(xué)成分、鋼的原始組織。
鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變：鋼在奧氏體化后的兩種冷卻方式：等溫冷卻方式、連續(xù)冷卻方式。
珠光體轉(zhuǎn)變及其組織：在溫度A1以下至550℃左右的溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是珠光體，即形成鐵素體與滲碳體兩相組成的相間排列的層片狀的機械混合物組織。在珠光體轉(zhuǎn)變中，由A1以下溫度依次降到鼻尖的550℃左右，層片狀組織的片間距離依次減小。根據(jù)片層的厚薄不同，這類組織又可細(xì)分為三種。

第一種是珠光體，其形成溫度為A1～650℃，片層較厚，一般在500倍的光學(xué)顯微鏡下即可分辨。用符號“P”表示。

第二種是索氏體，其形成溫度為650℃～600℃，片層較薄，一般在800～1000倍光學(xué)顯微鏡下才可分辨。用符號“S”表示。

第三種是屈氏體，其形成溫度為600℃～550℃，片層極薄，只有在電子顯微鏡下才能分辨。用符號“T”表示。實際上，這三種組織都是珠光體，其差別只是珠光體組織的“片間距”大小，形成溫度越低，片間距越小。這個“片間距”越小，組織的硬度越高，屈氏體的硬度高于索氏體，遠(yuǎn)高于粗珠光體。

珠光體轉(zhuǎn)變過程：奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的過程也是形核和長大的過程。當(dāng)奧氏體過冷到A1以下時，首先在奧氏體晶界上產(chǎn)生滲碳體晶核，通過原子擴散，滲碳體依靠其周圍奧氏體不斷地供應(yīng)碳原子而長大。同時，由于滲碳體周圍奧氏體含碳量不斷降低，從而為鐵素體形核創(chuàng)造了條件，使這部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。由于鐵素體溶碳能力低（<0.0218%C），所以又將過剩的碳排擠到相鄰的奧氏體中，使相鄰奧氏體含碳量增高，這又為產(chǎn)生新的滲碳體創(chuàng)造了條件。如此反復(fù)進行，奧氏體最終全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體片層相間的珠光體組織。珠光體轉(zhuǎn)變是一種擴散型轉(zhuǎn)變，即鐵原子和碳原子均進行擴散。
貝氏體轉(zhuǎn)變及其組織：過冷奧氏體在550℃～Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度）的轉(zhuǎn)變稱為中溫轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體型，所以也叫貝氏體轉(zhuǎn)變。貝氏體用符號“B”表示，它仍是由鐵素體與滲碳體組成的機械混合物，但其形貌與滲碳體的分布與珠光體型不同，硬度也比珠光體型的高。根據(jù)貝氏體的組織形態(tài)和形成溫度區(qū)間的不同又可將其劃分為上貝氏體（B上）與下貝氏體（B下）。上貝氏體的形成溫度為550℃～350℃，它的硬度比同樣成份的下貝氏體低，韌性也比下貝氏體差，所以上貝氏體的機械性能很差，脆性很大，強度很低，基本上沒有實用價值。下貝氏體的形成溫度為350℃～Ms，它有較高的強度和硬度，還有良好的塑性和韌性，具有較優(yōu)良的綜合機械性能，是生產(chǎn)上常用的組織。獲得下貝氏體組織是強化鋼材的途徑之一。

貝氏體的轉(zhuǎn)變過程：在中溫區(qū)發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變時，由于溫度較低，鐵原子擴散困難，只能以共格切變的方式來完成原子的遷移，而碳原子則有一定的擴散能力，可以通過短程擴散來完成原子遷移，所以貝氏體轉(zhuǎn)變屬于半擴散型相變。在貝氏體轉(zhuǎn)變中，存在著兩個過程，一是鐵原子的共格切變，二是碳原子的短程擴散。當(dāng)溫度較高（550℃～350℃）時，條狀或片狀鐵素體從奧氏體晶界開始向晶內(nèi)以同樣方向平行生長。隨著鐵素體的伸長和變寬，其中的碳原子向條間的奧氏體中富集，最后在鐵素體條之間析出滲碳體短棒，奧氏體消失，形成上貝氏體。當(dāng)溫度較低（350℃～Ms）時，碳原子擴散能力低，鐵素體在奧氏體的晶界或晶內(nèi)的某些晶面上長成針狀。盡管最初形成的鐵素體固溶碳原子較多，但碳原子不能長程遷移，因而不能逾越鐵素體片的范圍，只能在鐵素體內(nèi)一定的晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出，從而形成下貝氏體。
馬氏體轉(zhuǎn)變及其組織：過冷奧氏體在馬氏體開始形成溫度Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這個轉(zhuǎn)變持續(xù)至馬氏體形成終了溫度Mf。在Mf以下，過冷奧氏體停止轉(zhuǎn)變。除Al、Co元素外，溶解到奧氏體中的元素均使Ms、Mf下降。碳含量增多，Ms、Mf點降低。經(jīng)冷卻后未轉(zhuǎn)變的奧氏體保留在鋼中，稱為殘余奧氏體。在Ms與Mf溫度之間過冷奧氏體與馬氏體共存。在Ms溫度以下，轉(zhuǎn)變溫度越低，殘余奧氏體量越少。隨奧氏體中含碳量的增加Ms和Mf均會降低，可見在同樣的冷卻速度下（或冷卻介質(zhì)中），奧氏體中含碳量越高，馬氏體中的殘余奧氏體就越多。

馬氏體形成的溫度也是碳原子難以擴散的溫度，它是由過冷奧氏體按無擴散型轉(zhuǎn)變機制的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，馬氏體與過冷奧氏體含碳量相等，晶格同于鐵素體體心立方。體心立方晶格的鐵素體在室溫含約0.008%C，對共析鋼馬氏體的晶格內(nèi)含約0.77%C，為此導(dǎo)致體心立方晶格畸變?yōu)轶w心正方晶格，因此馬氏體是含過飽和碳的固溶體，是單一的相，同高溫、中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有本質(zhì)區(qū)別。
馬氏體的形貌常有針狀及板條狀兩種，前一種一般出現(xiàn)在高碳鋼中，后一種一般出現(xiàn)在低碳鋼中?！搬槨被颉皸l”的粗細(xì)主要取決于奧氏體晶粒的尺寸大小，奧氏體晶粒越大，“針”或“條”越粗。馬氏體的硬度主要取決于其中含碳量，含碳量越高，馬氏體硬度越高。實際淬火鋼硬度取決于馬氏體，殘余奧氏體，以及其它不轉(zhuǎn)變物（鐵素體或二次滲碳體）的含量。
馬氏體轉(zhuǎn)變的特點：馬氏體轉(zhuǎn)變同樣是一個形核和長大的過程。它的主要特點是：（1）無擴散性；（2）有共格位向關(guān)系；（3）在不斷降溫的過程中形成；（4）高速長大；（5）馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性。

鋼的回火

回火一般是緊接淬火以后的熱處理工藝，回火是淬火后再將工件加熱到Ac1溫度以下某一溫度，保溫后再冷卻到室溫的一種熱處理工藝。金屬熱處理系列“四把火” 。

淬火后的鋼鐵工件處于高的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，不能直接使用，必須即時回火，否則會有工件斷裂的危險?；鼗鹉康脑谟诮档突蛳齼?nèi)應(yīng)力，以防止工件開裂和變形；減少或消除殘余奧氏體，以穩(wěn)定工件尺寸；調(diào)整工件的內(nèi)部組織和性能，以滿足工件的使用要求。

鋼在回火時的轉(zhuǎn)變：共析鋼在淬火后得到的馬氏體和殘余奧氏體組織是不穩(wěn)定的，存在著向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向?；鼗鸺訜峥杉铀龠@種自發(fā)轉(zhuǎn)變過程。根據(jù)轉(zhuǎn)變發(fā)生的過程和形成的組織，回火可分為四個階段：
第一階段（200℃以下）：馬氏體分解。
第二階段（200℃～300℃）：殘余奧氏體分解。
第三階段（250℃～400℃）：碳化物的轉(zhuǎn)變。
第四階段（400℃以上）：滲碳體的聚集長大與α相的再結(jié)晶。

回火脆性：隨著回火溫度的升高，鋼的沖擊韌性發(fā)生變化。在250℃～350℃和500℃～650℃鋼的沖擊韌性明顯下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性
（1）低溫回火脆性：淬火鋼在250℃～3500℃范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性叫做低溫回火脆性，也叫第一類回火脆性。幾乎所有的鋼都存在這類脆性。這是一種不可逆回火脆性，目前尚無有效辦法完全消除這類回火脆性。所以一般都不在250℃～350℃這個溫度范圍內(nèi)回火。
（2）高溫回火脆性：淬火鋼在500℃～650℃范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性，也稱為第二類回火脆性。這種脆性主要發(fā)生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的結(jié)構(gòu)鋼中。這種脆性與加熱、冷卻條件有關(guān)。加熱至600℃以上后，以緩慢的冷卻速度通過脆化溫度區(qū)時，出現(xiàn)脆性；快速通過脆化區(qū)時，則不出現(xiàn)脆性。此類回火脆性是可逆的，在出現(xiàn)第二類回火脆性后，重新加熱至600℃以上快冷，可消除脆性。

鋼的淬火

將亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼與過共析鋼加熱到Ac1以上（低于Accm）的溫度，保溫后以大于Vk的速度快速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝叫淬火。馬氏體強化是鋼的主要強化手段，因此淬火的目的就是為了獲得馬氏體，提高鋼的機械性能。淬火是鋼的最重要的熱處理工藝，也是熱處理中應(yīng)用最廣的工藝之一。
淬火溫度的確定：淬火溫度即鋼的奧氏體化溫度，是淬火的主要工藝參數(shù)之一。選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細(xì)小的奧氏體組織。亞共析鋼的淬火溫度一般為Ac3以上30℃～50℃，淬火后獲得均勻細(xì)小的馬氏體組織。如果溫度過高，會因為奧氏體晶粒粗大而得到粗大的馬氏體組織，使鋼的機械性能惡化，特別是使塑性和韌性降低；如果淬火溫度低于Ac3，淬火組織中會保留未溶鐵素體，使鋼的強度硬度下降。
加熱時間的確定：加熱時間由升溫時間和保溫時間組成。由零件入爐溫度升至淬火溫度所需的時間為升溫時間，并以此作為保溫時間的開始。保溫時間是指零件燒透及完成奧氏體化過程所需要的時間。加熱時間通常根據(jù)經(jīng)驗公式估算或通過實驗確定。生產(chǎn)中往往要通過實驗確定合理的加熱及保溫時間，以保證工件質(zhì)量。
淬火冷卻介質(zhì)的確定：淬火過程是冷卻非?？斓倪^程。為了得到馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度Vk。但是，冷卻速度快必然產(chǎn)生很大的淬火內(nèi)應(yīng)力，這往往會引起工件變形。淬火的目的是得到馬氏體組織，同時又要避免產(chǎn)生變形和開裂。對于理想的淬火冷卻曲線，只要在“鼻尖”溫度附近快冷，使冷卻曲線躲過“鼻尖”，不碰上C曲線，就能得到馬氏體。也就是說，在“鼻尖”溫度以上，在保證不出現(xiàn)珠光體類型組織的前提下，可以盡量緩冷；在“鼻尖”溫度附近則必須快冷，以躲開“鼻尖”，保證不產(chǎn)生非馬氏體相變；而在Ms點附近又可以緩冷，以減輕馬氏體轉(zhuǎn)變時的相變應(yīng)力。但是到目前為止，還找不到完全理想的淬火冷卻介質(zhì)。常用的淬火冷卻介質(zhì)是水、鹽或堿的水溶液和各種礦物油、植物油。
淬火方法：選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒ㄍx用淬火介質(zhì)一樣，可以保證在獲得所要求的淬火組織和性能條件下，盡量減小淬火應(yīng)力，減少工件變形和開裂傾向。
（1）單液淬火：它是將奧氏體狀態(tài)的工件放入一種淬火介質(zhì)中一直冷卻到室溫的淬火方法。這種方法操作簡單，容易實現(xiàn)機械化，適用于形狀簡單的碳鋼和合金鋼工件。
（2）雙液淬火：它是先將奧氏體狀態(tài)的工件在冷卻能力強的淬火介質(zhì)中冷卻至接近Ms點溫度時，再立即轉(zhuǎn)入冷卻能力較弱的淬火介質(zhì)中冷卻，直至完成馬氏體轉(zhuǎn)變。
（3）分級淬火：它是將奧氏體狀態(tài)的工件首先淬入略高于鋼的Ms點的鹽浴或堿浴爐中保溫，當(dāng)工件內(nèi)外溫度均勻后，再從浴爐中取出空冷至室溫，完成馬氏體轉(zhuǎn)變（見圖6-16曲線3）。
（4）等溫淬火：它是將奧氏體化后的工件在稍高于Ms溫度的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠時間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。
鋼的淬透性：

（1）淬透性的概念：鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得淬硬層（也稱為淬透層）深度的能力，其大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬硬層深度來表示。
（2）影響淬透性的因素：影響淬透性的主要因素是化學(xué)成分，除Co以外，所有溶于奧氏體中的合金元素都提高淬透性。另外，奧氏體的均勻性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都會影響淬透性。
（3）淬透性的測定及其表示方法：淬透性的測定方法很多，目前應(yīng)用得最廣泛的是“末端淬火法”，簡稱端淬試驗。試驗時，先將標(biāo)準(zhǔn)試樣加熱至奧氏體化溫度，停留30～40min，然后迅速放在端淬試驗臺上噴水冷卻。
鋼的淬硬性：表示鋼淬火時的硬化能力，用淬成的馬氏體可能得到的最高硬度表示。它主要取決于馬氏體中的含碳量。含碳量越高，淬硬性越高。

鋼的分類

一、按化學(xué)成分分類
按鋼材的化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼按含碳量多少可分為低碳鋼（C%≤0.25%）、中碳鋼（C%=0.25%～0.60%）和高碳鋼（C%>0.6%）三類。
合金鋼按合金元素的含量又可分為低合金鋼（合金元素總量<5%）、中合金鋼（合金元素總量為5～10%）和高合金鋼（合金元素總量>10%）三類。
合金鋼按合金元素的種類可分為錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、硅錳鋼等。
二、按冶金質(zhì)量分類
按鋼中所含有害雜質(zhì)硫、磷的多少，可分為普通鋼（S%≤0.055%，P%≤0.045%）、優(yōu)質(zhì)鋼（S%、P%≤0.040%）和高級優(yōu)質(zhì)鋼（S%≤0.030%，P%≤0.035%）三類。
此外，按冶煉時脫氧程度，可將鋼分為沸騰鋼（脫氧不完全）、鎮(zhèn)靜鋼（脫氧較完全）和半鎮(zhèn)靜鋼三類。
三、按用途分類
按鋼的用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼三大類。
結(jié)構(gòu)鋼又分為工程構(gòu)件用鋼和機器零件用鋼兩部分。工程構(gòu)件用鋼包括建筑工程用鋼、橋梁工程用鋼、船舶工程用鋼、車輛工程用鋼。機器用鋼包括調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼、滲碳和滲氮鋼、耐磨鋼等。這類鋼一般屬于低、中碳鋼和低、中合金鋼。
工具鋼分為刃具鋼、量具鋼、模具鋼。主要用于制造各種刃具、模具和量具，這類鋼一般屬于高碳、高合金鋼。
特殊性能鋼分為不銹鋼、耐熱鋼等。這類鋼主要用于各種特殊要求的場合，如化學(xué)工業(yè)用的不銹耐酸鋼、核電站用的耐熱鋼等。
四、按金相組織分類
按鋼退火態(tài)的金相組織可分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼三種。
按鋼正火態(tài)的金相組織可分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼等四種。
在給鋼的產(chǎn)品命名時，往往把成分、質(zhì)量和用途幾種分類方法結(jié)合起來。如碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、高速工具鋼等。

合金元素在鋼中的作用：合金元素在鋼中可以兩種形式存在，一是溶解于碳鋼原有的相中，另一種是形成某些碳鋼中所沒有的新相。在一般的合金化理論中，按與碳親合力的大小，可將合金元素分為碳化物形成元素與非碳化物形成元素兩大類。常用的合金元素有以下幾種，非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。此外，還有稀土元素，一般用符號Re表示。

合金元素對鋼中基本相的影響

鋼的編號

單晶體金屬塑性變形

單晶體塑性變形有“滑移”和“孿生”等不同方式，大多數(shù)情況以滑移方式發(fā)生。正應(yīng)力只能引起晶格的彈性伸長，或進一步把晶體拉斷，切應(yīng)力可使晶格在發(fā)生彈性歪扭之后，進一步造成滑移。通過大量的晶面滑移，最終使試樣拉長變細(xì)。

滑移：晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面發(fā)生相對的滑動。滑移變形要點：
（1）滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。
（2）滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。這是因為只有在最密晶面（滑移面）之間的面間距及最密晶向（滑移方向）之間的原子間距才最大，因而原子結(jié)合力最弱，所以在最小的切應(yīng)力下使能引起它們之間的相對滑動。
（3）滑移時晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍，滑移的結(jié)果會在晶體的表面上造成臺階。
（4）滑移的同時必然伴有晶體的轉(zhuǎn)動，沿外力方向。
滑移系：滑移面數(shù)與滑移方向數(shù)的乘積?；葡翟酱?，金屬滑移的可能性越大，即金屬塑性越好。
孿生：當(dāng)晶體在切應(yīng)力的作用下發(fā)生孿生變形時，晶體的一部分沿一定的晶面（孿生面）和一定的晶向（孿生方向）相對于另一部分晶體作均勻地切變，在切變區(qū)域內(nèi)，與孿生面平行的每層原子的切變量與它距孿生面的距離成正比，并且不是原子間距的整數(shù)倍。這種切變不會改變晶體的點陣類型，但可使變形部分的位向發(fā)生變化，并與未變形部分的晶體以孿晶界為分界面構(gòu)成了鏡面對稱的位向關(guān)系。通常把對稱的兩部分晶體稱為孿晶，而將形成孿晶的過程稱為孿生。
滑移與孿生的異同：孿生是原子的相對切變距離小于孿生方向上一個原子間距。孿生也是通過位錯運動來實現(xiàn)的。但產(chǎn)生孿生的位錯的柏氏矢量小于一個原子間距。孿生對塑性變形的貢獻比滑移小得多。大多數(shù)bcc金屬的孿生臨界切應(yīng)力大于滑移臨界切應(yīng)力，所以滑移先于孿生進行；fcc金屬的孿生臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)大于滑移臨界切應(yīng)力，所以一般不發(fā)生孿生變形。

固溶強化

由于固溶體中存在著溶質(zhì)原子，使得合金的強度和硬度升高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。

加工硬化

在塑性變形過程中，隨著金屬內(nèi)部組織的變化，金屬的力學(xué)性能也將產(chǎn)生明顯的變化，即隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度增加，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強化。

細(xì)晶強化

常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強度硬度提高，同時塑性韌性也越好，這種通過細(xì)化晶粒來提高材料強度的方法稱為細(xì)晶強化 。

彌散強化

在母體金屬中形成析出物(碳化物、氮化物、金屬間化合物等)，析出物具有阻礙位錯運動的作用，在母相呈微細(xì)彌散分布狀態(tài)，能提高強度，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。

冷加工纖維組織

是純金屬和單相合金在冷塑性變形時和變形度很大的條件下，各晶粒伸長成纖維狀形成的組織。

熱加工纖維組織

在熱加工過程中，鑄錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，這樣就使枝晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向逐漸與變形方向一致，一些脆性雜質(zhì)破碎成鏈狀，塑性的夾雜物變成條帶狀、線狀或片層狀，在宏觀試樣上沿著變形方向變成一條條細(xì)線，這就是熱加工鋼中的流線。由一條條流線勾劃出來的組織，叫做熱加工纖維組織。

形變織構(gòu)

與單晶體一樣，多晶體在塑性變形時也伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動過程，故當(dāng)形變量很大時，多晶體中原為任意取向的各個晶粒會逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致，這一現(xiàn)象稱為晶粒的擇尤取向，這種由于金屬塑性變形使晶粒具有擇尤取向的組織叫做形變織構(gòu)。同一種材料隨加工方式不同，可能出現(xiàn)不同類型的織構(gòu)：

（1）絲織構(gòu)：在拉拔時形成，各晶粒的某一晶向平行或近似平行于拉拔方向，
（2）板織構(gòu)：在軋制時形成，各晶粒某一晶面平行于軋制方向，而某一晶向平行于軋制方向。

回復(fù)

即在加熱溫度較低時，僅因金屬中的一些點缺陷和位錯遷移而所引起的某些晶內(nèi)的變化。晶粒大小和形狀無明顯變化?；貜?fù)的目的是消除大部分甚至全部第一類內(nèi)應(yīng)力和一部分第二類和第三類內(nèi)應(yīng)力。

高溫回復(fù)：1.較高溫回復(fù)時，不僅原子有很大的活動能力，而且位錯也開始運動起來：同一滑移面上的異號位錯可以相互吸引而抵消。2.溫度更高時，位錯不但可以滑移，而且可以攀移，發(fā)生多邊化。

多邊形化

冷變形金屬加熱時，原來處于滑移面上的位錯，通過滑移和攀移，形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。多邊形化的驅(qū)動力來自彈性應(yīng)變能的降低。多邊形化降低了系統(tǒng)的應(yīng)變能。

再結(jié)晶

冷變形后的金屬加熱到一定溫度或保溫足夠時間后，在原來的變形組織中產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，位錯密度顯著降低，性能也發(fā)生顯著變化，并恢復(fù)到冷變形前的水平，這個過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶不是相變。再結(jié)晶的目的是釋放儲存能，使新的無畸變的等軸晶粒形成并長大，使之在熱力學(xué)上變得更為穩(wěn)定。

再結(jié)晶溫度的影響因素：1.金屬變形度越大，儲存能越大，驅(qū)動力越大，再結(jié)晶溫度越低。2.金屬的純度越高，再結(jié)晶溫度越低。3.形變金屬的晶粒越細(xì)小，再結(jié)晶溫度越低。4.一定的加熱速度和保溫時間，可以降低再結(jié)晶溫度。

動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶：在再結(jié)晶溫度以上進行熱加工時，在塑性變形過程中發(fā)生的，而不是在變形停止后發(fā)生的回復(fù)與再結(jié)晶。
回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動力：金屬處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，有發(fā)生變化以降低能量的趨勢，預(yù)先冷變形所產(chǎn)生的儲存能的降低是回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動力。

再結(jié)晶與同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的區(qū)別：1.相同部分：都經(jīng)歷形核與長大。不同點：再結(jié)晶前后各晶粒的晶格類型不變，成分不變；同素異構(gòu)改變發(fā)生了晶格的改變。

再結(jié)晶形核機制：亞晶長大形核機制、晶界凸出形核機制。
再結(jié)晶溫度：經(jīng)過嚴(yán)重冷變形（變形度在70%以上）的金屬，在約1h的保溫時間內(nèi)能夠完成再結(jié)晶（>95%轉(zhuǎn)變量）的溫度。

擴散

擴散機制：空位擴散機制、間隙擴散機制。

固態(tài)金屬擴散條件：擴散要有驅(qū)動力、擴散原子要固溶、溫度要足夠高、時間要足夠長。
下坡擴散：沿著濃度降低的方向進行的擴散，使?jié)舛融呌诰鶆蚧?。如鑄錠（件）的均勻化退火、滲碳等過程。
上坡擴散：沿著濃度升高的方向進行的擴散，使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。例如奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。
反應(yīng)擴散：通過擴散使固溶體的溶質(zhì)組元濃度超過固溶體濃度極限而形成新相的過程稱為反應(yīng)擴散或相變擴散。反應(yīng)擴散所形成的新相，既可以是新的固溶體，也可以是各種化合物。
擴散驅(qū)動力：擴散的驅(qū)動力不是濃度梯度，而是化學(xué)位梯度。此外，在溫度梯度、應(yīng)力梯度、表面自由能差以及電場和磁場的作用下，也可以引起擴散。
擴散激活能：固態(tài)擴散是原子熱激活的過程，固態(tài)原子從原來的平衡位置躍遷到相鄰的平衡位置所必需的能量稱為擴散激活能。
影響擴散的因素：溫度、鍵能和晶體結(jié)構(gòu)、固溶體類型、晶體缺陷、化學(xué)成分。

菲克第一、二定律

如果擴散系數(shù)與濃度C、距離x無關(guān)，則第二定律可以寫為：

編輯：黃飛