材料熱處理之認識

材料熱處理之認識互動討論題1以同學們現(xiàn)有的經驗與知識，在選擇某種材料來制造某個機械零件時，應該考慮哪些因素？性能：能否滿足使用要求制成零件的難易程度經濟：材料是否容易獲得材料價格及運輸?shù)瘸杀举Y源環(huán)境：材料是否可以再生產材料生產及使用對環(huán)境的影響互動討論題2在上述必須考慮的因素中，首先要考慮的關鍵因素是什么？A、材料的性能B、材料的成本C、材料對資源與環(huán)境的影響材料的性能使用性能：工藝性能：力學性能物理性能化學性能冷加工性能熱加工性能熱處理性能

定義：

鋼的熱處理是將固態(tài)鋼材采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結構與性能的工藝。

應用：

是改善鋼材性能的重要工藝措施，在機械制造中應用廣泛。第一節(jié)鋼的熱處理原理

熱處理工藝分類：整體熱處理：表面熱處理：化學熱處理：退火、正火、淬火、回火等表面淬火、物理氣相沉積、化學氣相沉積等滲碳、滲氮、碳氮共滲等

熱處理的工藝要素：溫度、時間

熱處理工藝曲線：加熱保溫冷卻時間溫度一、鋼在加熱時的轉變

鋼的臨界點：平衡臨界點：加熱臨界點：冷卻臨界點：A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、ArcmAr1Ar3ArcmA3A1AcmAc3Ac1AccmWc(%)溫度名詞解釋固溶體：組成合金的組元，在固態(tài)時相互溶解，所形成的單一均勻的物質。金屬化合物：合金組元之間發(fā)生相互作用而生成的晶格類型和性能不同于任一組元的物質。鐵素體：碳溶于α-Fe中形成的固溶體。奧氏體：碳溶于γ-Fe中形成的固溶體。滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物Fe3C。珠光體：鐵素體和滲碳體組成的兩相混合物。萊氏體：奧氏體和滲碳體組成的兩相混合物。Fe3CⅠ：從液體金屬中直接結晶出的滲碳體稱為一次滲碳體.Fe3CⅡ：從奧氏體中析出的滲碳體稱為二此滲碳體.Fe3CⅢ：由鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體.亞共析鋼:含碳量為0.028℅─2.11℅之間的室溫組織為F+P的鋼.共析鋼:含碳量為0.77℅、室溫組織為P的鋼.過共析鋼:含碳量大于0.77℅、室溫組織為P+Fe3CⅡ的鋼。（一）A的形成

以共析鋼為例：

將共析鋼加熱至Ac1時，發(fā)生P—A轉變。其轉變過程是一個形核和長大的過程。P—A轉變分4個階段進行：1、A晶核形成2、A晶核長大3、殘余Fe3C溶解4、A成分均勻化Ac1以下FFe3CA未溶Fe3CA晶粒A晶界

對于亞共析鋼：若加熱至Ac1溫度以上Ac3溫度以下，只能使P—A，得到A+F組織；稱之為不完全A化。

對于過共析鋼：若加熱至Ac1溫度以上Accm溫度以下，只能使P—A，得到A+Fe3C

ⅱ組織。

上述情況稱為不完全A化。（二）A晶粒的長大

1、當P向A轉變剛完成時，最初獲得的A晶粒是很細小的。

為什么？

減少系統(tǒng)能量，使系統(tǒng)趨向更穩(wěn)定。但在A后的繼續(xù)加熱保溫過程中，A晶粒會繼續(xù)長大：

加熱溫度越高、保溫時間越長，A晶粒越粗大。

舉例：

玻璃板上的小水珠長大

根據熱力學定律：一切自發(fā)的運動（變化）總是朝著減少能量的方向進行的。

自由落體運動；

水的自然流動；

晶粒長大正是一個減少表面能的過程。

2、晶粒大小對性能的影響

金屬材料的晶粒大小對性能有很大影響：

在常溫下，金屬的晶粒越細小，強度越高、塑性韌性越好。晶粒粗大會導致性能惡化。

因此，生產中總希望獲得均勻細小的晶粒。

理論和實踐都表明：

因為鋼在加熱時獲得的A晶粒大小，直接影響冷卻后轉變產物的晶粒大小。（組織遺傳）

A晶粒大小對性能有很大影響。討論：A只是一種高溫組織，其晶粒大小對性能是否會有影響？

為什么？

因此，A晶粒大小是評定熱處理生產中加熱質量的主要指標之一。

在熱處理生產中，總是希望在加熱時獲得均勻細小的奧氏體組織，以確保金屬材料在冷卻后得到細小的晶粒組織。

3、怎么評定A晶粒大?。?/p>

A晶粒大小用A晶粒度來評定。

根據國家標準GB6394-86《金屬平均晶粒度測定法》：

標準晶粒度分為12級：

00,0,1,2,3,4,

5,6,7,8,9,10粗晶粒細晶粒超細晶粒

4、熱處理生產，在加熱時怎樣才能獲得均勻細小的A晶粒？A晶粒大小與加熱溫度和保溫時間有關。

P向A轉變剛完成時，最初獲得的A晶粒是很細小的。但隨著加熱的繼續(xù)，晶粒會自發(fā)長大。

加熱溫度越高，保溫時間越長，A晶粒就越粗大。

因此，在熱處理生產中，首先必須合理選擇加熱溫度和保溫時間，并在生產中予以嚴格控制。

加熱是熱處理生產的第一道工序，也是重要的一道工序。二、鋼在冷卻時的轉變

冷卻是熱處理的關鍵工序。

為什么？

先看一個實驗：

將5個同尺寸的45鋼試樣加熱至840℃保溫相同時間，然后分別以不同冷卻速度冷卻，再測定它們的力學性能。

結果如下表：冷卻方法力學性能硬度HRCb/MPas/MPa/%/%爐冷51927232.54915~18空冷657~70633315~1845~5018~24油冷88260818~204840~50水冷10787067~812~1452~6015%NaCl水溶液冷卻57~62

由此可見：

冷卻條件不同，鋼的性能不同。

因此，有必要掌握鋼在冷卻時的組織轉變規(guī)律。

生產中常用冷卻方式有等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種。時間溫度A1等溫冷卻連續(xù)冷卻（一）過冷A的等溫轉變

什么叫過冷A？A在A1溫度以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1溫度以下就成了不穩(wěn)定相，必然要發(fā)生轉變。

但A并不是一冷卻至A1溫度以下需停留一定時間（孕育）才能發(fā)生轉變。

我們把在A1溫度以下暫時沒有轉變的不穩(wěn)定A稱為過冷A。

把A在A1溫度以下發(fā)生轉變前停留的那段時間稱為過冷A轉變的孕育期。

為研究過冷A轉變規(guī)律，我們需要用到A等溫轉變圖。A1Ms溫度時間A等溫轉變圖的建立：A1AA—PA—BA’MSA’+PA’+BPSTBM+A’Mf溫度時間HRC1.共析鋼A等溫轉變圖（C曲線）2.過冷A等溫轉變產物的組織與性能：

過冷A等溫轉變的溫度不同，發(fā)生的轉變不同，轉變產物的組織和性能也不同，如下表：等溫轉變溫度℃組織名稱組織形態(tài)層間距?m分辨所需放大倍數(shù)硬度HRCA1~650珠光體P粗大層片狀~0.3<500<25650~600索氏體S細小層片狀0.1~0.31000~150025~25600~550托氏體T極細層片狀~0.110000~10000035~40550~350上貝氏體B上羽毛狀_>40040~45350~Ms下貝氏體B下黑色針狀_>40045~55（二）過冷A的連續(xù)冷卻轉變A等溫轉變圖反映了在等溫冷卻條件下，等溫溫度與轉變產物及性能之間的關系。

但是，在實際熱處理生產中，更多的是連續(xù)冷卻。

問？在連續(xù)冷卻條件下，過冷A的轉變規(guī)律是否相同呢？

基本相同，但有區(qū)別。因此，要研究A在連續(xù)冷卻條件下的轉變規(guī)律，有必要引入A連續(xù)冷卻轉變圖。1、共析鋼A連續(xù)冷卻轉變圖溫度時間A1MsMfPSPfPkV1(爐冷）V2(空冷）Vk’V3(油冷）V4(水冷）Vk2、過冷A連續(xù)冷卻轉變產物的組織與性能

通過A連續(xù)冷卻轉變圖，我們可以很方便地了解過冷A連續(xù)冷卻轉變產物的組織與性能。

但是，A連續(xù)冷卻轉變圖測定較困難。生產中常借用同種鋼的A等溫轉變圖分析過冷A連續(xù)冷卻轉變產物的組織與性能。

下面以共析鋼為例，用A等溫轉變圖來分析過冷A連續(xù)冷卻轉變產物的組織與性能：A1APsA’MSPSTBMf溫度，℃時間HRCV4(M+A’）V3(M+T）V2(S）V1(P）-50230共析鋼過冷A連續(xù)冷卻轉變產物的組織與性能冷卻速度冷卻方法轉變產物硬度v1隨爐冷卻珠光體P170~220HBSv2空氣冷卻索氏體S25~35HRCv3油中冷卻托氏體+馬氏體T+M45~55HRCv4水中冷卻馬氏體+殘余奧氏體M+AR55~65HRC第二節(jié)鋼的退火與正火

熱處理工藝分類：整體熱處理：表面熱處理：化學熱處理：退火、正火、淬火、回火等表面淬火、物理氣相沉積、化學氣相沉積等滲碳、滲氮、碳氮共滲等按目的分類：預備熱處理：最終熱處理：為消除鋼材經熱加工后引起的某些缺陷，或為以后的加工做準備的熱處理。退火正火為滿足零件最終使用性能而進行的熱處理。淬火、回火表面熱處理化學熱處理一、鋼的退火定義：目的：將鋼件加熱到適當溫度保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。1、降低硬度，提高塑性；2、細化晶粒，消除組織缺陷；3、消除內應力，提高塑性；

為以后的加工做準備。

為以后淬火做組織準備。

穩(wěn)定尺寸，防止變形開裂。工藝：完全退火球化退火去應力退火擴散退火（一）完全退火定義：工藝：將鋼件加熱完全A化后保持一定時間，然后緩慢冷卻，獲得接近平衡的熱處理工藝。1、加熱溫度：2、保溫時間：3、冷卻；

Ac3+30~50℃

按鋼件有效厚度計算。

爐冷至500~600℃后出爐空冷。工藝曲線：溫度時間500~600℃Ac3Ac1爐冷空冷應用：主要用于中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛件和軋制件。對于過共析鋼，因緩冷時沿晶界析出網狀二次滲碳體，會顯著降低鋼的塑性和韌性，并給以后的切削加工和淬火帶來不利影響。因此，過共析鋼不宜采用完全退火。注意：（二）球化退火定義：工藝：使鋼中碳化物球狀化的退火工藝稱為球化退火。1、加熱溫度：2、保溫時間：3、冷卻；

Ac1+20~30℃

同上普通球化退火：等溫球化退火：爐冷至500~600℃后出爐空冷。普通球化退火：等溫球化退火：先在Ar1以下20℃等溫足夠時間后，爐冷至500~600℃后出爐空冷。工藝曲線：溫度時間500~600℃Ac3Ac1爐冷空冷爐冷普通球化退火等溫球化退火討論1：

為什么球化退火能使鋼中碳化物球狀化？1、片狀球化能減少表面能量，使系統(tǒng)更穩(wěn)定；2、球化退火冷卻條件為碳化物球化提供了外界條件。

與層片狀珠光體相比，球狀珠光體硬度低、塑性好，有利于切削加工；并在以后的淬火過程中，A晶粒不容易長大，冷卻時產生變形和裂紋的傾向也較小。討論2：

為什么要使鋼中碳化物球狀化？應用：主要用于共析鋼和過共析鋼的鍛軋件。如果原始組織中存在較多的滲碳體網，應先進行正火消除滲碳體網后，再進行球化退火。注意：討論3：為什么亞共析鋼不進行球化退火？亞共析鋼球化退火后硬度太低。（三）去應力退火定義：工藝：為去除因塑性變形、焊接等而造成的應力熱處理工藝。1、加熱溫度：2、冷卻；500~600℃

爐冷至室溫應用：廣泛應用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機加工件中的殘余應力。討論：去應力退火過程中是否有相變發(fā)生？

沒有。因為加熱溫度在A1以下。目的：穩(wěn)定鋼件尺寸，減少變形，防止開裂。二、鋼的正火定義：目的：將鋼件加熱到Ac3(或Accm)溫度以上30~50℃，保持一定時間，然后在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。與完全退火相似。1、細化晶粒；3、調整硬度。2、均勻組織；工藝曲線：溫度時間Ac3AccmAc1空冷應用：1、消除過共析鋼的碳化物網，為球化退火做好組織準備；2、對低、中碳鋼和低合金結構鋼，作為消除應力，細化組織，改善切削加工性能和為淬火做組織準備的預備熱處理；3、用于某些碳鋼、低合金鋼工件在淬火返修時，消除應力，細化組織，以防止重新淬火時產生變形和開裂。4、對于某些力學性能要求不是很高的普通結構件，正火也可取代調質處理作為最終熱處理使用。各種退火、正火工藝曲線：溫度時間500~600℃Ac3Ac1完全退火球化退火正火去應力退火擴散退火Ac3+150~200℃Ac3+30~50℃Ac1+20~30℃三、退火和正火的選擇

（完全）退火和正火都屬于預備熱處理。

完全退火和正火的工藝相似。

完全退火和正火的作用也基本相同。討論1：

完全退火和正火能否相互替代？

有時相互替代，有時不能替代。討論2：

在實際生產中，退火和正火怎么選用？

1、從切削加工性考慮最宜切削加工的硬度：170~260HBS因此對Wc<0.50%的結構鋼：預備熱處理宜采用正火。對Wc>0.50%的結構鋼：預備熱處理宜采用完全退火。對高碳工具鋼：預備熱處理宜采用球化退火。

2、從零件的結構形狀考慮

3、從經濟性考慮

對形狀復雜或尺寸較大的零件：

預備熱處理宜采用完全退火而不用正火，以減少應力和變形。

正火生產周期短，成本低，操作簡單。因此，在可能條件下盡量采用正火，以降低生產成本。定義：

將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上溫度保持一定時間，然后以適當速度冷卻，獲得M或B下的熱處理工藝稱為淬火。第三節(jié)鋼的淬火與回火

鋼件淬火后，再加熱到A1以下某一溫度保持一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。注意：

淬火回火工藝通常配合在一起使用，是強化鋼材、發(fā)揮鋼材性能潛力、提高機械零件使用壽命的重要手段。

通過淬火與一定溫度的回火相配合，可以獲得各種不同的組織和性能，滿足各類零件和工具對使用性能的不同要求。因此：淬火回火是生產中應用最廣泛的熱處理工藝一、鋼的淬火工藝淬火加熱溫度加熱保溫時間淬火冷卻介質淬火加熱溫度

碳鋼：根據Fe-Fe3C確定：

亞共析鋼：Ac3+30~50℃共析鋼過共析鋼：Ac1+30~70℃

合金鋼：根據相變臨界點確定，

可適當提高。加熱保溫時間=KDK——裝爐系數(shù)（1~1.5）

——加熱系數(shù)，D——鋼件有效厚度.淬火冷卻介質A1MSMf溫度時間鋼件淬火時理想的冷卻曲