北科大熱處理課件

通過加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。

鋼的熱處理工藝

理論依據(jù)：鋼在加熱和冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律是制定正確的熱處理工藝的理論基礎(chǔ)；為使鋼獲得設(shè)定的性能要求：其熱處理工藝參數(shù)的確定必須使具體工件滿足鋼的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律；

分類：根據(jù)加熱、冷卻和獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分：1）普通熱處理（退火、正火、淬火和回火）;2)表面熱處理（表面淬火和化學(xué)熱處理）;3)形變熱處理。第八節(jié)退火和正火一、鋼的退火(annealing)1.概念：將鋼加熱到臨界點Ac1以上或以下一定溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)的組織。退火可以達(dá)到以下目的：

(1)

消除鋼錠的成分偏析，使成分均勻化。異分合金系的非平衡凝固，即存在成分偏析；

(2)

消除鑄、鍛件中存在的魏氏組織或帶狀組織，細(xì)化晶粒和均勻組織；

魏氏組織：在實際生產(chǎn)中，含碳量<0.6%的亞共析鋼和含碳量>1.2%的過共析鋼在鑄造、熱軋、鍛造后的空冷，焊縫或熱影響區(qū)空冷，或者當(dāng)加熱溫度過高并以較快速度冷卻時，先共析鐵素體或先共析滲碳體從奧氏體晶界沿奧氏體一定晶面往晶內(nèi)生長并呈針片狀。

滲碳體魏氏體組織(過共析鋼)

鐵素體魏氏體組織(亞共析鋼)

魏氏體組織

帶狀組織：合金元素的原始帶狀偏析引起枝干和枝間的Ar3溫度不同所致;

在Ar3溫度較高的地方先形成鐵素體，并促使碳原子向Ar3溫度較低因而仍保留為奧氏體的相鄰區(qū)域擴(kuò)散，在這些富集碳的地方，最后形成珠光體。先共析鐵素體+珠光體組織—正常組織先共析鐵素體+珠光體組織—帶狀組織通常是由于合金元素Mn的偏析引起的!先共析鐵素體+珠光體組織—帶狀組織通常是由于合金元素Mn、Mo的偏析引起的!帶狀組織均勻組織組織對比3)降低硬度，改善組織，以便于切削加工；4)消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化；5)改善高碳鋼中碳化物形態(tài)和分布(球化退火)，為淬火作好組織準(zhǔn)備。3.退火的分類

擴(kuò)散退火

完全退火普通退火

不完全退火

再結(jié)晶退火

軟化退火

去氫退火等溫退火普通退火(Ⅰ)與等溫退火(Ⅱ)示意圖

普通退火是將鋼件加熱到臨界溫度(Ac1或Ac3)以上或以下，保溫一段時間后連續(xù)冷卻至室溫。

等溫退火是將鋼件加熱到臨界溫度(Ac1或Ac3)以上奧氏體化后，迅速移入另一溫度低于Ar1的爐中等溫停留，待轉(zhuǎn)變完成后，出爐空冷至室溫。1.完全退火

將亞共析鋼加熱至Ac3以上20~30℃，保溫足夠時間奧氏體化后，隨爐緩慢冷卻，從而獲得接近平衡狀態(tài)的組織，這種熱處理工藝稱為完全退火。

完全退火的目的為：

(1)

消除鑄、鍛件中存在的魏氏組織或帶狀組織，細(xì)化晶粒和均勻組織；

(2)

消除鑄、鍛件中存在的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，便于切削加工。

完全退火只適用于亞共析鋼，不適用于過共析鋼。熱鍛軋鋼材完全退火工藝曲線應(yīng)用：鍛軋終止溫度過高的熱鍛軋件，晶粒粗大，容易得魏氏組織，并存在內(nèi)應(yīng)力，可以應(yīng)用完全退火。2.不完全退火

將亞共析鋼在Ac1~Ac3之間或過共析鋼在Ac1~Accm之間兩相區(qū)加熱，保溫足夠時間后緩慢冷卻的熱處理工藝，稱為不完全退火。

不完全退火的目的是：改善珠光體組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度以便切削加工。

亞共析鋼不完全退火的溫度一般為740~780℃，其優(yōu)點是加熱溫度低，操作條件好，節(jié)省燃料和時間。應(yīng)用：較廣，如果亞共析鋼的鍛軋終軋溫度適當(dāng)，并未引起晶粒粗化，鐵素體和珠光體分布正常，可采用不完全退火，來細(xì)化晶粒，降低硬度和消除內(nèi)應(yīng)力。3.球化退火

球化退火是一種將鋼中滲碳體或碳化物由片狀變?yōu)榱?，均勻分布在鐵素體基體上的熱處理工藝。主要用于過共析鋼，是一種不完全退火。

球化退火的目的是：消除鋼中的片狀珠光體，代之以粒狀珠光體。

經(jīng)球化退火后的組織有以下優(yōu)點：由片狀珠光體變?yōu)榱钪楣怏w，可降低鋼的硬度，改善其切削加工性能；粒狀珠光體加熱時奧氏體晶粒不易長大，允許有較寬的淬火溫度范圍，淬火時變形開裂傾向小，即淬火工藝性能好；能獲得最佳的淬火組織，即馬氏體片細(xì)小，殘余奧氏體量少，并保留有一定量均勻分布的粒狀碳化物。一種球化退火工藝

應(yīng)用：1)主要用于過共析鋼，如碳素工具鋼、低合金工具鋼等，為淬火作準(zhǔn)備。2)后面的課程講到工具鋼、軸承鋼的熱處理，會具體談到。

球化退火的加熱溫度范圍一般為：Ac1+20~30℃GCr15軸承鋼球化退火工藝曲線4

擴(kuò)散退火定義：又稱均勻化退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱到略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。目的：異分結(jié)晶，必然導(dǎo)致偏析。通過高溫長時間加熱，消除或減小鋼錠、鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分與組織均勻化。應(yīng)用：常用的擴(kuò)散退火溫度是1100--1200℃，保溫時間為10—15小時。應(yīng)用于合金鋼鋼錠或鑄件。

注意：由于擴(kuò)散退火需要在高溫下長時間加熱，因此奧氏體晶粒十分粗大，需要再進(jìn)行一次正常的完全退火或正火，以細(xì)化晶粒、消除過熱缺陷。另外該工藝生產(chǎn)周期長、能耗大、工件氧化、脫碳嚴(yán)重以及成本高，因此，一般尺寸不大的鑄件，因其偏析不嚴(yán)重，可用完全退火細(xì)化晶粒、消除鑄造應(yīng)力。

5低溫退火定義：把鋼件加熱到低于Ac1溫度退火，它包括軟化退火和再結(jié)晶退火。軟化退火：又稱去應(yīng)力退火。鋼材在熱軋或鍛造后，在冷卻過程中因表面和心部冷卻速度不同造成內(nèi)外溫差會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力與后面的工藝應(yīng)力疊加，易使材料開裂；鑄件也有殘余應(yīng)力。具體工藝：加熱溫度為650--720℃，保溫后出爐空冷；主要是消除內(nèi)應(yīng)力和降低硬度。

再結(jié)晶退火：

定義：將冷加工硬化的鋼材，加熱至T再—Ac1之間進(jìn)行，通常為650--700℃。在這過程中，變形晶?；謴?fù)成等軸狀晶粒，從而消除加工硬化。目的：鋼經(jīng)冷沖、冷軋或冷拉后產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，使鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，切削性能和成型性變差，經(jīng)過再結(jié)晶退火，鋼的機(jī)械性能恢復(fù)。

再結(jié)晶溫度T再

指在規(guī)定時間內(nèi)（如一小時）能夠完成再結(jié)晶，或再結(jié)晶量達(dá)到規(guī)定程度（例如95％）的最低溫度。6去氫退火氫脆定義：鋼件在熱鍛軋后冷卻過程中，氫在鋼中的溶解度不斷減少，氫原子來不及擴(kuò)散逸出，將聚集在鋼的顯微空隙和晶界處，結(jié)合成氫分子，造成很大的壓力，加上鋼中其他內(nèi)應(yīng)力，超過該處的斷裂強(qiáng)度，就產(chǎn)生細(xì)小裂紋。鋼樣中的表現(xiàn)：該裂紋表現(xiàn)在縱向斷口上呈橢圓形銀白色斑點，所以稱為白點。

低倍酸浸試樣上的白點防止氫脆措施：為了消除白點，首先應(yīng)從煉鋼原料及澆注系統(tǒng)設(shè)計上減少氫的來源。通過熱處理，即去氫退火。對于尺寸較大的鍛軋件，軋后空冷至低于Ac1溫度，約640--660℃，奧氏體變成珠光體，由于氫在鐵素體中擴(kuò)散速度大于奧氏體中，640--660℃等溫使氫較快逸出，防止白點產(chǎn)生。防止白點的熱處理工藝曲線(a)碳鋼及低合金鋼；(b)中合金鋼

7等溫退火定義：等溫退火是將鋼件加熱到臨界溫度（Ac1或Ac3）以上奧氏體化，然后將鋼件移入另一溫度稍低于Ar1的爐中等溫停留；當(dāng)轉(zhuǎn)變完成后，出爐空冷至室溫。

等溫溫度確定：根據(jù)所要求的組織和性能，從該鋼的C曲線來確定。二、鋼的正火（normalizing）正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上約30~50℃，或者更高溫度，保溫足夠時間，然后在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。(為什么可以加熱到Accm？)注意：對于含有強(qiáng)碳化物形成元素釩、鈦、鈮等合金鋼，加熱溫度應(yīng)提高，原則是既使碳化物溶解，又不引起奧氏體晶粒粗化。冷速特點：與退火相比，正火的冷卻速度快一些，但比淬火小，介于兩者之間。正火后的組織

根據(jù)鋼中過冷奧氏體的穩(wěn)定性和鋼的截面大小，正火后可以獲得不同的組織，如粗細(xì)不同的珠光體、貝氏體、馬氏體或它們的混合組織。正火的目的為：

(1)對于大鍛件、截面較大的鋼材、鑄件，用正火來細(xì)化晶粒，均勻組織(如消除魏氏組織或帶狀組織)，為淬火處理作好組織準(zhǔn)備，此時正火相當(dāng)于退火的效果。

(2)

低碳鋼退火后硬度太低，切削加工中易粘刀，光潔度較差。改用正火，可提高硬度，改善切削加工性。

(3)可以作為某些中碳鋼或中碳低合金鋼工件（非調(diào)質(zhì)鋼）的最終熱處理，以代替調(diào)質(zhì)處理，具有一定的綜合力學(xué)性能。

(4)用于過共析鋼，可消除網(wǎng)狀二次碳化物，為球化退火作好組織上的準(zhǔn)備。第九節(jié)鋼的淬火與回火一、鋼的淬火(quenching)

概念：將鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上一定溫度，保溫一定時間，然后在水或油等冷卻介質(zhì)中快速冷卻。

目的：把奧氏體化的工件淬成馬氏體，以便在適當(dāng)溫度回火時，獲得所需要的力學(xué)性能。強(qiáng)化鋼材最重要的熱處理方法。冷卻速度與鋼件內(nèi)部組織

注意：由于1）過冷奧氏體的穩(wěn)定性(CCT曲線的位置)；

2）截面大?。ɡ鋮s速度），

一般淬火工件不一定獲得全部馬氏體，可能還有貝氏體、珠光體的存在。1.淬火工藝參數(shù)的選擇

1)加熱溫度：亞共析碳鋼：

Ac3+30～50℃

共析碳鋼以及過共析碳鋼：Ac1+30～50℃碳鋼的淬火加熱溫度范圍對于亞共析鋼：淬火加熱溫度為Ac3+30--50℃，可得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體；如果溫度在Ac1—Ac3之間兩相區(qū)加熱，馬氏體中有鐵素體，造成硬度不足，降低力學(xué)性能；如果在Ac3以上過高溫度加熱，奧氏體晶粒粗化，馬氏體粗大，脆性增大，工件在淬火過程中容易變形。2)對于過共析鋼：淬火加熱溫度Ac1+30--50℃。如原始組織為粒狀珠光體，加熱淬火后獲得馬氏體、顆粒狀滲碳體及少量殘余奧氏體，因而硬度高，耐磨性好，還有點韌性。如果加熱到Accm以上，先共析滲碳體全部溶入奧氏體，使奧氏體含碳量增加，馬氏體轉(zhuǎn)變點Ms和Mf降低，淬火后保留大量奧氏體，而且獲得粗片狀馬氏體，使鋼的硬度和耐磨性降低，脆性增加，并增加淬火開裂傾向。因此，過共析鋼不能在Accm以上加熱淬火。

3）淬火冷卻介質(zhì)定義：鋼從奧氏體狀態(tài)過冷至Ms點以下所用的冷卻介質(zhì)，稱淬火冷卻介質(zhì)。淬火冷卻時為了得到馬氏體，必須使冷卻速度大于Vc(上臨界冷卻速度)，如下圖。介質(zhì)冷卻能力越大，鋼的冷卻速度越快，越易超過鋼的臨界淬火速度；工件越容易淬硬，淬硬層的深度越深。

時間C’C’C’MM+PPC______等溫冷卻___連續(xù)冷卻溫度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖---臨界淬火速度工件內(nèi)部不同深度，冷卻速度是不一樣的，因此，組織也是不一樣！C’

馬氏體組織---淬透區(qū)貝氏體、鐵素體+珠光體----未淬透區(qū)鋼工件

選擇淬火介質(zhì)的理想冷卻曲線常用淬火介質(zhì)的冷卻速度淬火介質(zhì)冷卻速度(℃/s)在650~550℃區(qū)間在300~200℃區(qū)間水(18℃)水(26℃)水(50℃)水(74℃)10%苛性鈉水溶液(18℃)10%氯性鈉水溶液(18℃)礦質(zhì)機(jī)油油水乳狀液60050010030120011001007027027027020030030020200在高溫區(qū)，鹽和堿的冷卻速度最大，其次是水，但是在低溫區(qū)的其冷卻速度太快；適合于尺寸不大、形狀簡單的碳鋼工件。油的優(yōu)點：低溫區(qū)的冷卻速度比水小得多，可大大降低淬火工件得組織應(yīng)力；缺點：高溫區(qū)冷卻能力低；油比較適合過冷奧氏體穩(wěn)定的合金鋼淬火；實際生產(chǎn)中根據(jù)鋼種的特點，碳鋼的臨界冷卻速度大，用水淬火；而合金鋼的冷卻速度小，可用油來淬火。各種淬火方法的冷卻曲線示意圖(a)單液淬火(b)雙液淬火(c)分級淬火(d)等溫淬火

③分級淬火將奧氏體化后的高溫工件迅速投入溫度略高于Ms點的鹽浴或堿浴中，等溫停留一段時間(以不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn))，使工件內(nèi)外溫度均勻，然后取出空冷，這種淬火冷卻方式稱為分級淬火。④等溫淬火將奧氏體化后的高溫工件迅速投入溫度略高于Ms點的鹽浴中，停留足夠時間，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，然后取出空冷，這種淬火冷卻方式稱為等溫淬火。6.常用鋼的淬火工藝以及組織轉(zhuǎn)變

1)20鋼

2)T127.鋼的淬透性

淬透性是指奧氏體化后的鋼接受淬火的能力。其大小通常用一定條件下淬火后鋼的淬透層深度來表示，它主要取決于鋼的臨界冷卻速度的大小。(1)工件截面上冷卻速度的分布與淬透情況(a)(b)工件截面的冷卻速度(a)與未淬透區(qū)(b)示意圖

淬透層深度為：表面至半馬氏體區(qū)(即由50%馬氏體和50%非馬氏體組成)的距離。淬硬-未淬硬區(qū)過渡部分的馬氏體量與硬度變化淬透層深度的測定

為了測試方便，通常采用由表面至半馬氏體區(qū)（即50%馬氏體和50%非馬氏體組成）的距離作為淬透層的深度。這是因為半馬氏體區(qū)的硬度下降明顯，容易測定；從組織觀測上也容易認(rèn)定。淬透性和淬硬性它們是兩個不同概念；淬硬性是指鋼在淬火后能夠達(dá)到的最高硬度，它主要與鋼的含碳量有關(guān)。如高碳工具鋼的淬硬性高，但淬透性很低；而低碳合金結(jié)構(gòu)鋼的淬硬性不高，但淬透性較高。合金元素使得CCT曲線往右移動，因而使臨界淬火速度變小，淬透性增大。影響淬透性及淬透層深度的因素

a．影響淬透性的因素：(1)奧氏體化學(xué)成分：除Co以外的合金元素，當(dāng)其溶入A后，使C曲線右移，提高鋼的淬透性。(2)奧氏體化條件：A化溫度越高，保溫時間越長，成分愈均勻，使過冷A越穩(wěn)定，C曲線越右移，鋼的淬透性越好。b．

影響淬透層深度的因素：

(1)

鋼的淬透性

(2)

零件的形狀與尺寸

(3)

淬火介質(zhì)的冷卻能力某種鋼材的淬透性曲線根據(jù)淬透性曲線確定不同直徑鋼材截面上硬度的分布直徑為50mm的某鋼材淬火后沿截面的硬度分布圖二、鋼的回火(Tempering)(1)鋼回火的定義：將淬火后的鋼在A1溫度以下加熱，使之轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的回火組織的工藝過程。(2)回火的目的：保證組織轉(zhuǎn)變（亞穩(wěn)組織）；消除內(nèi)應(yīng)力；達(dá)到一定的性能要求；其中回火溫度是決定回火后組織和性能的最重要因素；但要避免在低溫回火脆性和高溫回火脆性區(qū)進(jìn)行回火處理。(3)回火的種類在生產(chǎn)實際中采用的方法有三種（按溫度來分類）：低溫回火在150--250℃之間進(jìn)行，回火后組織為回火馬氏體;其目的是降低淬火內(nèi)應(yīng)力，使其具有一定韌性，并保持高的硬度;它一般用來處理要求高硬度和高耐磨性工件，如刀具、量具、軸承、滲碳件和表面淬火工件等。

這類低溫回火鋼大部分是淬火高碳鋼與高碳合金鋼；經(jīng)淬火并低溫回火后得到隱晶回火馬氏體和均勻細(xì)粒碳化物顆粒組織，具有很高的硬度和耐磨性，同時顯著降低了鋼的淬火應(yīng)力和脆性；對于淬火獲得低碳馬氏體的鋼，低溫回火后主要是可以減少內(nèi)應(yīng)力，并進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和塑性；2）中溫回火在350--500℃之間，回火后組織為回火屈氏體。對于一般碳鋼和低合金鋼，此溫度范圍內(nèi)回火（第三階段），碳化物開始聚集和長大，基體開始回復(fù)，淬火應(yīng)力基本消失；中溫回火后的鋼具有高的彈性極限，較高的強(qiáng)度和硬度，并有良好的塑性和韌性。它主要用來處理各種彈簧零件和熱鍛模具。3)高溫回火在500--650℃之間進(jìn)行，回火后組織為回火索氏體。淬火+高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理；調(diào)質(zhì)處理后的工件具有高的塑性、韌性和強(qiáng)度的配合；高溫回火主要適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，用來制作曲軸、連桿、連桿螺栓、機(jī)床主軸等重要零件。這些機(jī)械零件在使用中要求較高的強(qiáng)度并能承受沖擊和交變負(fù)荷的作用。

三、淬火加熱缺陷與防止1）淬火工件的過熱與過燒過熱：工件在淬火加熱時，由于溫度過高或者時間過長造成奧氏體晶粒粗大的缺陷；由于過熱不僅在淬火后得到粗大馬氏體組織，而且易于引起淬火裂紋，降低強(qiáng)度與韌性，引起脆斷。輕微過熱，可延長回火時間；嚴(yán)重過熱，則需進(jìn)行一次細(xì)化晶粒退火，然后重新淬火；過燒：淬火加熱溫度太高，使奧氏體晶界出現(xiàn)局部熔化或者發(fā)生氧化的現(xiàn)象；過燒是嚴(yán)重的加熱缺陷，工件一旦過燒就無法補救，只能報廢；過燒的原因主要是設(shè)備失靈或操作不當(dāng)造成的，火焰爐加熱局部溫度過高也容易造成過燒；高速鋼淬火溫度高，容易造成過燒。2）淬火加熱時的氧化和脫碳淬火加熱時，鋼件與周圍加熱介質(zhì)相互作用往往會產(chǎn)生氧化和脫碳等缺陷；氧化：是鋼件在加熱時與爐氣中的O2、H2O、CO2等氧化性氣體發(fā)生的化學(xué)作用；Fe-O相圖在570℃以下的溫度加熱，鋼中