材料熱處理第9章 常規(guī)熱處理

第9章常規(guī)熱處理

鋼的退火與正火

鋼的淬火

鋼的回火金屬材料加工過程

冶煉鑄造鑄錠鑄件熱軋熱鍛板棒型管焊接機加工冷軋冷拔深沖鍛件機加工零件或構(gòu)件工藝性能，為加工和熱處理作組織和性能上的準(zhǔn)備改變組織，使用性能

預(yù)備熱處理

最終熱處理毛坯生產(chǎn)預(yù)備熱處理機械加工最終熱處理機械精加工預(yù)備熱處理:退火;正火；調(diào)質(zhì)最終熱處理:淬火;回火；表面熱處理熱處理工序位置的確定9.1鋼的退火與正火

1

定義：鋼加熱到臨界溫度以上或以下的適當(dāng)溫度，保溫一段時間后緩慢隨爐冷卻或控制其冷速，獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。（珠光體）

“高于或低于Ac1”

SAAc1退火

2退火的分類：高溫退火（相變重結(jié)晶退火）

T加熱>Ac1(2)

低溫退火完全退火不完全退火與球化退火等溫退火擴散退火T加熱<Ac1去應(yīng)力退火再結(jié)晶退火工藝參數(shù):3退火的目的總體：改善組織，提高性能降低硬度，改善切削加工性能；適合機加工的硬度范圍：150～250HB細化晶粒，均勻組織；消除內(nèi)應(yīng)力；去除氣體，避免白點。注：當(dāng)為目的②時，往往用正火代替退火

4常用退火的工藝方法TtAc3+20-50oCAc3Ac1工藝規(guī)范特點：工藝：完全奧氏體化；組織：層片狀珠光體。目的：降低硬度，改善切削加工性能；細化晶粒；消除內(nèi)應(yīng)力；減輕組織不均勻性（消除魏氏組織等）適用范圍：含碳0.40~0.60%的中碳鋼、合金鋼的鑄、鍛、熱軋、焊件的預(yù)備熱處理。(1)完全退火不適用范圍：

碳含量低于0.25%的低碳鋼；過共析鋼

加熱速度：碳鋼150~200℃/h

低合金鋼100℃/h

高合金鋼50℃/h保溫時間：τ=KD，τ為保溫時間，K為加熱系數(shù)，D為工件的有效厚度

冷卻速度:碳鋼100~200℃/h

低合金鋼:50~100℃/h

高合金鋼:20~50℃/h出爐溫度:550℃以下完全退火工藝參數(shù)晶粒細化的原因：完全退火→相變重結(jié)晶過程α→γ→ααγα40鋼退火前后金相組織——晶粒細化

45#鋼鍛后與完全退火后機械性能

狀態(tài)σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)

ψ(%)

αk(kJ.m-2)HB鍛后650－750300－4005－1520－40200－400230完全退火600－700300－35015－2040－50400－600200完全退火后強硬度有所下降，而塑韌性較大幅度提高等溫退火將鋼加熱到高于Ac3(共析鋼和過共析鋼為Ac1)溫度，保溫適當(dāng)時間后，較快地冷卻到珠光體區(qū)域的某一溫度并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，然后出爐空冷。Ac1+20-30oCAcm

或Ac3Ac1Tt工藝規(guī)范特點：工藝：不完全奧氏體化；

加熱速度、保溫時間、冷卻速度、冷卻方式均與完全退火相同適用范圍：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼和低合金工具鋼的熱鍛件和熱軋件(2)不完全退火目的：消除內(nèi)應(yīng)力，軟化鋼件及改善工具鋼的切削加工性特點：工藝：不完全奧氏體化；組織：球狀或粒狀珠光體。目的：降低硬度，改善切削加工性能；獲得均勻組織，改善熱處理工藝性經(jīng)淬火、回火后獲得優(yōu)良的綜合機械性能

適用范圍：含C量較高(>0.6%)的工、模具鋼，軸承鋼的預(yù)備熱處理。工藝關(guān)鍵：Fe3C形態(tài)控制控制奧氏體化程度球的大小控制控制過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的溫度(3)球化退火——不完全退火的一種球化退火工藝

低溫球化退火適用范圍：

高合金鋼及冷變形鋼不適用范圍：

原始組織粗大的鋼過共析鋼中的網(wǎng)狀碳化物球化退火工藝

不均勻奧氏體中碳的聚集球化退火工藝特點：形成不均勻奧氏體及未溶碳化物；適用范圍：高碳鋼奧氏體易有較多殘留未溶碳化物，易球化；

低碳鋼中未溶碳化物少，不易球化

形變球化退火將工件在一定溫度下施行一定的形變加工后，再于低于A1溫度下進行長時間保溫，這種工藝稱為形變球化退火。Ac1-(20~30)低中碳鋼和低合金鋼冷變形加工后的快速球化軋、鍛件的鍛后余熱球化退火，大批量的彈簧鋼、軸承鋼等

高溫固溶淬火、高溫回火球化(快速球化退火)利用高溫固溶獲得均勻奧氏體后再經(jīng)淬火獲得馬氏體組織，然后再通過高溫回火使析出的碳化物球化。適用范圍：適用于共析鋼、過共析鋼和合金鋼小鍛件的快速球化退火；

不適用于截面尺寸大的毛坯及半成品工件的球化片狀與球狀珠光體組織切削性能比較層片狀珠光體粒(球)狀珠光體刀具T12鋼球化退火與完全退火的性能比較：

球化退火的強硬度更低，塑韌性更好，碳化物對基體的分割更均勻、徹底，更利切削加工狀態(tài)σb(Mpa)δ(%)ψ(%)HB完全退火8101530230球化退火6202040160T12鋼完全退火與球化退火后組織與性能比較T10鋼球化退火組織(化染)500影響碳化物球化的因素化學(xué)成分的影響原始組織的影響加熱溫度與球化時間的影響冷卻速度的影響碳合金元素：非碳化物形成元素(Co除外)，球化快淬火馬氏體：球化快，組織均勻塊狀鐵素體+珠光體：碳化物不均勻，原珠光體區(qū)有球狀碳化物，原鐵素體區(qū)無球狀碳化物貝氏體、屈氏體比粗片狀珠光體易獲得球狀碳化物過共析鋼網(wǎng)狀碳化物難球化：正火消除網(wǎng)狀+球化退火經(jīng)冷變形：利于球化碳化物的形成工業(yè)上一般采用10~20oC/h的冷速緩冷球化1定義：

將金屬鑄錠、鑄件及鍛坯加熱到略低于固相線的溫度下長時間保溫，使鋼中的元素充分擴散，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。(4)均勻化退火(擴散退火)

Acm

或Ac3Acm

或Ac3＋150~300oCtT2工藝：加熱溫度：一般選擇在高于0.8～0.9T熔，但低于固相線溫

度。一般選擇1050～1150oC加熱速度：低合金鋼100oC/h

高合金鋼20~50oC/h保溫時間：2.5~3min/mm，10~15h冷卻速度：低合金鋼50~100oC/h

高合金鋼20~50oC/h冷卻方式：隨爐冷卻均勻化退火主要用來消除或減小枝晶偏析，不能消除區(qū)域偏析；均勻化退火易產(chǎn)生過熱組織，尚需經(jīng)歷一次完全退火或正火來細化晶粒，消除過熱組織。(5)去應(yīng)力退火(低溫退火)

Ac1tT特點：

無組織變化

工藝：加熱溫度：碳鋼和低合金鋼550～650oC

高合金鋼650～750oC

鑄鐵件500～600oC

焊接鋼件500～600oC加熱速度：100~150oC/h

高合金鋼20~50oC/h保溫時間：2.5~3min/mm，鑄鐵為6min/mm；一般大于2h冷卻速度：盡量緩慢，常用隨爐冷卻；大型工具或機械部

件采取更低的冷卻速度冷卻方式：隨爐冷卻，300oC以下空冷Ac1tT600－700oC(6)再結(jié)晶退火(低溫退火)

將冷變形后的鋼加熱到再結(jié)晶溫度以上150~250oC，保持適當(dāng)時間，使變形晶粒重新形核，長成均勻的等軸晶粒，同時消除加工硬化和殘余內(nèi)應(yīng)力的熱處理工藝。用于冷變形過程的中間退火，目的是恢復(fù)變形前的組織與性能，消除加工硬化，恢復(fù)塑性，以便繼續(xù)變形。

工藝：加熱溫度：TR+(150~250oC)，TR為再結(jié)晶溫度(0.4Tm)

600～700oC保溫時間：1-4h冷卻方式：空冷定義：鋼加熱到Ac3或Acm以上30~50oC，完全奧氏體化后出爐空冷，得到珠光體類組織的熱處理工藝。Acm

或Ac3Ac1Acm

或Ac3＋30~50oCT正火及其應(yīng)用正火與退火相比正火冷卻速率較快；正火所得珠光體類組織片間距小(索氏體）；正火所得鐵素體的量少；強硬度與塑韌性較高；生產(chǎn)效率較高。狀態(tài)σb(Mpa)δ(%)

ψ(%)

αk(kJ.m-2)HB正火700－80015－2020－40500－800220完全退火650－70015－2040－50400－600200狀態(tài)結(jié)構(gòu)鋼工具鋼軟的中等的硬的退火～125～160～185～220正火～140～190～230～270碳鋼正火與退火后的硬度（HB）正火與退火態(tài)45#鋼機械性能注：正火態(tài)強硬度與塑韌性均較高工藝正火溫度：Ac3（Acm）+30~50℃;

碳化物形成元素的合金鋼(V,Ti,Nb)為Ac3+100~150℃;

消除過共析鋼中的網(wǎng)狀碳化物正火溫度略高于正常保溫時間：1.5~2min/mm冷卻方式：空冷；大件也可采用吹風(fēng)，噴霧和

調(diào)整鋼件距離正火的應(yīng)用 ①改善低碳鋼的切削加工性能；

②消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物；

③消除中碳鋼的熱加工缺陷；

④作為表面強化處理的預(yù)備熱處理

⑤

作為最終熱處理，提高普通結(jié)構(gòu)件的力學(xué)

性能9.2鋼的淬火定義：把鋼加熱到臨界溫度（Ac3或Ac1）以上保溫一定時間，使之奧氏體化后以大于臨界冷卻速度的冷速急冷，使奧氏體過冷到Ms點以下，獲得高硬度M（或B下）組織的熱處理工藝。目的:(1)提高工具、滲碳零件和其它高強度耐磨機器零件等的硬度、強度和耐磨性；(2)結(jié)構(gòu)鋼通過淬火和回火之后獲得良好的綜合機械性能；(3)此外，還有很少數(shù)的一部分工件是為了改善鋼的物理和化學(xué)性能。如提高磁鋼的磁性，不銹鋼淬火以消除第二相，從而改善其耐蝕性等。淬火分類鋼的淬透性淬透性的概念

指鋼淬火時獲得馬氏體的能力，是鋼固有的一種屬性。淬透性取決于鋼的淬火臨界冷卻速度的大小(1)淬透性與淬透層深度淬透層深度：當(dāng)工件未淬透時，淬透層的深度并不是以全部淬成馬氏體的區(qū)域來界定的，而是以淬火工件表面至半馬氏體區(qū)(即馬氏體組織和非馬氏體組織各占一半)的深度作為淬透層深度。(2)淬透性與淬硬性的區(qū)別淬硬性：指鋼在正常淬火條件下，淬成的馬氏體所能達到的最高硬度，它表示鋼淬火時的硬化能力。淬硬性主要取決于鋼中的含碳量，更確切地說，它取決于淬火加熱時固溶于奧氏體中的含碳量。淬透性淬硬性鋼種小低碳素結(jié)構(gòu)鋼(20)小高碳素工具鋼(T12A)大低低碳合金結(jié)構(gòu)鋼(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具鋼(W18Cr4V)淬透性的測定方法(1)斷口試驗法主要用來測定碳素工具鋼的淬透性，低合金工具鋼也可參照使用將預(yù)測淬透性的鋼按規(guī)定尺寸制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，淬火后從中間橫向打斷后測量淬透層深度的方法。詳見國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1298-2008《碳素工具鋼》附錄B《工具鋼淬透性試驗方法》淬透性的測定方法(2)端淬法淬透性曲線的實際意義及應(yīng)用(1)根據(jù)淬透性曲線求沿工件截面上的硬度分布用40MnB鋼制造直徑為50mm的軸，求水淬后沿截面的硬度分布曲線(2)根據(jù)淬透性曲線及硬度要求選擇材料已知某零件的直徑和沿徑向的硬度要求(3)根據(jù)淬透性曲線可以選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)用碳的質(zhì)量分數(shù)為0.4%的鋼制造直徑為45mm的軸，要求淬火后在3R/4處有體積分數(shù)為80%的馬氏體組織，而在R/2處的硬度大于40HRC，問是否可以油淬？淬火介質(zhì)理想淬火介質(zhì)，中溫冷卻快，低溫冷卻慢適用鋼種范圍寬，淬火變形開裂傾向小，使用過程中不變質(zhì)、不腐蝕工件、不粘接工件、不易燃、不易爆、無公害等有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)淬火介質(zhì)在下列溫度范圍內(nèi)的冷卻速度/oCs-1550~650oC200~300oC淬火介質(zhì)在下列溫度范圍內(nèi)的冷卻速度/oCs-1550~650oC200~300oC蒸汽膜階段(靠輻射傳熱)沸騰階段(冷卻速度快)對流階段無物態(tài)變化的淬火介質(zhì)熔鹽、熔堿及空氣，多用于分級淬火及等溫淬火淬火工藝淬火加熱溫度亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上30~50oC；共析鋼、過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上30~50oC，為不完全淬火（為什么？？？）

合金鋼，淬火溫度允許比碳鋼稍高淬火保溫時間應(yīng)遵循工件內(nèi)外的溫度均勻一致、奧氏體相變完成、奧氏體晶粒不得長大的原則淬火冷卻方法冷卻是淬火的關(guān)鍵，選擇合適的淬火冷卻方法，既要保證鋼淬火后獲得所需要的組織和性能，還要盡量減小淬火應(yīng)力，以減小工件變形和開裂的傾向。單液淬火法雙液淬火法分級淬火法等溫淬火法預(yù)冷淬火法單液淬火法(直接淬火)

將加熱后的零件投入一種冷卻劑中冷卻至室溫。缺點：易產(chǎn)生淬火缺陷，水中淬火易產(chǎn)生變形和裂紋，油中淬火易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。應(yīng)用：碳鋼一般用水作冷卻介質(zhì)，合金鋼可用油作冷卻介質(zhì)。優(yōu)點：操作簡單，容易實現(xiàn)自動化(2)雙液淬火法將加熱的工件先投入一種冷卻能力強的介質(zhì)中冷卻，然后在接近Ms點溫度（鋼的組織還未開始轉(zhuǎn)變時迅速取出），馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火，稱為雙介質(zhì)淬火。優(yōu)點：內(nèi)應(yīng)力小，變形及開裂小。缺點：操作困難，不易掌握應(yīng)用：由碳素工具鋼制造的易開裂工件，如絲錐。(3)分級淬火法將奧氏體化后的鋼件置于溫度稍高于或低于Ms點的熱態(tài)淬火介質(zhì)中(熔融硝鹽、堿浴或熱油)，保持適當(dāng)時間，待鋼件的內(nèi)外層溫度基本一致時取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火工藝。優(yōu)點：內(nèi)應(yīng)力小，防止變形和開裂缺點：對于碳鋼零件，淬火后出現(xiàn)非馬氏體組織應(yīng)用：稍高于Ms的分級淬火適用于尺寸較小的合金鋼、碳鋼零件及工模具；

稍低于Ms的分級淬火適用于尺寸較大的零件和淬透性較差的鋼種。(4)貝氏體等溫淬火法將工件加熱奧氏體化后，在下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間(400~250oC)等溫，然后取出空冷，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵仑愂象w為主要組織的淬火工藝。特點：保持較高強度的同時還具有較好的韌性，同時淬火變形也小。(5)馬氏體等溫淬火法將工件加熱奧氏體化后，置于稍低于Ms點的淬火介質(zhì)中保持一定時間，使鋼發(fā)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變，然后取出空冷。特點：組織應(yīng)力比較小，變形開裂傾向小應(yīng)用：馬氏體等溫淬火常用于處理一些尺寸要求嚴(yán)格，而硬度在60HRC左右的工具。無變形淬火法(6)預(yù)冷淬火法將淬火件奧氏體化后先在空氣中(或其它緩冷介質(zhì)中)預(yù)冷一定時間，使工件的溫度降低一些，再置于淬火介質(zhì)中冷卻的一種淬火方法。預(yù)冷的作用：組織減少工件各部分的溫差，減小淬火變形和開裂的傾向應(yīng)用：適用于厚薄差異較大的零件。淬火缺陷與防止淬火內(nèi)應(yīng)力

淬火時在工件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力是造成工件變形和開裂的根本原因。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服強度時便引起工件變形，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過材料的抗拉強度時便造成工件的開裂。熱應(yīng)力組織應(yīng)力由于工件在加熱和冷卻過程中，各部分熱脹冷縮的不同時性而引起的內(nèi)應(yīng)力。工件在加熱和冷卻過程中，由于各部位組織轉(zhuǎn)變的不同時性而引起的一部分金屬對另一部分金屬的作用力。淬火變形(1)工件的外形或尺寸發(fā)生變化——內(nèi)應(yīng)力和組織應(yīng)力引起(2)體積脹大或縮小(體積變形，比體積差效應(yīng))——相變引起