第1篇cp3 鋼的熱處理

第三章鋼的熱處理主要內容：1.熱處理的基本概念及分類。2.退火、正火、淬火、回火的原理、目的。金屬工藝學---國家級精品課程歷史在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在公元前770～前222年，中國人在生產實踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而改變。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農具的重要工藝。公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝得到迅速發(fā)展。中國河北省易縣（燕下都）出土的戰(zhàn)國時期的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經過淬火的。戰(zhàn)國時期的鋼劍、戟

歷史三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就注意到不同水質的冷卻能力了，同時也注意了油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍,心部含碳量為0.15～0.4%，而表面含碳量卻達0.6%以上，說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。1863年，英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時可轉變?yōu)橐环N較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎。第一節(jié)概述主要內容鋼的熱處理的概念、目的熱處理分類實際臨界溫度曲線概念：鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫并以一定的速度冷卻到室溫

，以改變鋼的內部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。1.

鋼熱處理的概念與目的熱處理的目的：通過改變組織達到改變性能的目的。

熱處理的過程：鋼的熱處理要經過加熱，保溫，冷卻三個階段，因此，最高加熱溫度，保溫時間，冷卻速度就成為熱處理工藝的三大要素。三個要素：1.加熱到預定的溫度（最高加熱溫度）2.在預定的溫度下適當保溫（保溫時間），保溫的時間與工件的尺寸和性能有關；3.以預定的冷卻速度冷卻（冷卻速度）。冷卻速度取決于所需的組織和性能。熱處理工藝曲線的示意圖熱處理分類

根據熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理可分為三大類：普通熱處理：退火、正火、淬火、回火表面熱處理：表面淬火、化學熱處理（滲碳、滲氮等）其他熱處理：形變熱處理、超細化熱處理、真空熱處理、離子轟擊熱處理、激光熱處理、電子束熱處理等常用的熱處理工藝方法2.鋼在加熱時的轉變

鋼在室溫下的組織（即奧氏體化前的組織為平衡組織的情況）：

對于亞共析鋼：F+P

共析鋼：P

過共析鋼：P+

Fe3CⅡ加熱目的：使鋼發(fā)生同素異晶轉變（得到奧氏體A，消除鐵素體F）加熱轉變：室溫組織A共析鋼奧氏體形成過程：1、奧氏體的形核與長大；2、Fe3C的溶解，F(xiàn)e、C原子的擴散；3、奧氏體的均勻化。●AAFe3CF●A核6.69%0.0218%影響A形成的因素1、加熱速度、溫度的影響。2、原始組織的影響。3、化學成分的影響過熱度與過冷度對于加熱：非平衡條件下的相變溫度高于平衡條件下的相變溫度；對于冷卻：非平衡條件下的相變溫度低于平衡條件下的相變溫度。這個溫差叫滯后度：加熱轉變→過熱度冷卻轉變→過冷度，加熱與冷卻速度越大，導致過熱度與過冷度越大。此外，過熱度與過冷度的增大會導致相變驅動力的增大，從而使相變容易發(fā)生。

實際相變溫度與理論轉變溫度之間的關系鋼在加熱和冷卻時的相變臨界點

實際相變溫度與理論轉變溫度之間的關系平衡狀態(tài)相變線：A1、A3、Acm加熱實際相變線：Ac1、Ac3、Accm冷卻實際相變線：Ar1、Ar3、Arcm共析鋼加熱轉變（奧氏體形成）過程溫度：室溫→Ac1F+Fe3C→A結構：體心復雜面心含碳量：0.02186.690.77什么是過冷奧氏體——高溫時所形成的奧氏體冷卻到A1點以下尚未發(fā)生轉變的奧氏體。A1保溫等溫冷卻連續(xù)冷卻時間溫度過冷奧氏體冷卻方式123.鋼在冷卻時的轉變

A1保溫等溫冷卻連續(xù)冷卻時間溫度過冷奧氏體冷卻方式12冷卻方式：

a.等溫冷卻

使加熱到奧氏體的鋼，先以較快的冷卻速度冷至A1線以下某個溫度（奧氏體尚未轉變）；然后進行保溫，使過冷奧氏體在等溫狀態(tài)下發(fā)生組織轉變；轉變完成后再冷卻至室溫。

b.連續(xù)冷卻

使加熱到奧氏體的鋼，在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉變。冷卻方式不同、冷卻速度不同，組織轉變的產物不同、鋼的性能也不同。過冷奧氏體等溫轉變產物的開始與終止線孕育期最短過冷奧氏體區(qū)貝氏體轉變

只有C擴散B下B上B馬氏體轉變

非擴散相變M珠光體轉變

Fe、C擴散＞0.4μm＜0.2μm0.4~0.2μmPSTP0.5110102103104105MsMf7006005004003002001000-100時間(s)溫度(℃)Ar1過冷奧氏體等溫轉變產物的組織與性能珠光體組織特征圖(a)珠光體片層的鐵素體與滲碳體的混合物(b)

索氏體片層間距較小的珠光體（也叫正火索氏體）(c)屈氏體上貝氏體與下貝氏體組織特征圖上貝氏體下貝氏體第二節(jié)退火與正火退火（annealing）和正火（normalizing）是生產上應用很廣泛的預備熱處理工藝，大部分鋼制構建經退火和正火后，其力學性能和工藝性能都得到改善和調整。一、退火將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，隨后緩慢冷卻（隨爐冷卻）以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝，稱為退火。常用的退火工藝有完全退火、球化退火、去應力退火等。退火的主要目的在于調整和改善鋼材的力學性能和工藝性能（降低硬度，改善切削加工性；細化晶粒，提高塑性和韌性；消除內應力、為最終熱處理做好組織準備），減少鋼材化學成分和組織的不均勻性（擴散退火）。

（1）完全退火將亞共析鋼加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時間后，隨爐緩慢冷卻到500℃以下，再出爐在空氣中冷卻到室溫，最后得到平衡組織鐵素體和片狀珠光體。3加熱保溫2～3≤500℃后空冷時間/h溫度/℃Ac+(30～50)停爐冷卻完全退火工藝曲線15℃/h（>

16h）主要用于亞共析碳鋼和合金鋼的鑄、鍛、焊、軋制件，目的是細化晶粒，消除應力，降低硬度，改善切削加工性能。（2）球化退火把過共析鋼加熱到Ac1以上20～30℃并保溫后，以適當?shù)姆绞嚼鋮s，使鋼中的網狀碳化物球化，這種熱處理工藝稱為球化退火。(從A中經共析反應析出的滲碳體以未溶滲碳體為晶核，呈球狀析出）主要用于過共析鋼及合金工具鋼的退火。由于過共析鋼中存在網狀二次滲碳體，在切削加工時，對刀具磨損很大，使切削加工性能變壞，而球狀珠光體硬度低，節(jié)省刀具。過共析鋼熱處理前的顯微組織T10鋼球化退火組織(化染)500

（3）去應力退火（低溫退火）去應力退火又稱低溫退火，其工藝是將工件緩慢加熱至500～650℃（＜Ac1），保溫一定時間后，隨爐緩慢冷卻至200℃，再出爐空冷。

溫度℃時間t500～650℃（＜Ac1）

200℃出爐空冷

其目的是消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機加工件的殘余應力，防止產生變形。（4）擴散退火（又稱為均勻退火）

將工件加熱到Ac3以上150-200℃（1050-1150℃），長時間保溫（10-15h)后隨爐緩冷。適用于合金鋼大型鑄、鍛件，目的是消除其化學成分的偏析和組織的不均勻性。但擴散退火容易使鋼的晶粒粗大，影響力學性能，因此一般擴散退火仍需進行完全退火和正火。完全退火球化退火擴散退火（均勻化退火）去應力退火（低溫退火）Ac3以上20~30℃Ac1以上10~20℃略低于固相線Ac1以下，500~600℃亞共析鋼共析和過共析鋼合金鋼大型鑄鍛件熱加工、機加工件珠光體組織球化組織粗大組織無組織變化各種退火加熱規(guī)范、適用鋼種及最后組織二、正火將鋼加熱到Ac3或Accm以上30～50℃（奧氏體區(qū)），保溫后在空氣中冷卻得到珠光體基體組織的熱處理工藝，稱正火。特點：a)冷卻速度比退火快，周期短、能耗少。b)組織細?。氈楣怏w稱索氏體），因而鋼的力學性能有所提高。正火的主要目的:①細化晶粒，提高強度，提高低碳鋼和低合金鋼硬度，改善切削加工性（避免“粘刀”現(xiàn)象）。②對過共析鋼進行正火，可減少或消除網狀碳化物（二次滲碳體），為球化退火做準備；③取代部分完全退火（正火操作簡便，生產周期短，消耗少），對低碳鋼、含碳較低的中碳鋼可達到消除應力。④可作為淬火前的預備熱處理，也可用于普通零件的最終熱處理。退火與正火的比較各種退火和正火的加熱溫度范圍不同（見圖)，正火比退火加熱溫度高。正火比退火冷卻速度快。正火得到的索氏體組織比退火得到的珠光體細，所以對于同一種材料正火比退火具有較高的力學性能。正火比退火的生產周期短、生產率高、操作簡單、經濟性好。退火強調軟化，正火強調高效率。第三節(jié)淬火與回火鋼的淬火（quenching）與回火（tempering）是熱處理工藝中最重要、用途最廣泛的工序。通過淬火可以顯著提高鋼的強度和硬度，而通過回火可以消除淬火鋼的殘余內應力、穩(wěn)定鋼的組織，所以淬火和回火工藝是密不可分的。一、淬火淬火是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30~50℃，保溫后在淬火介質中快速冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。目的：為了提高鋼的硬度和耐磨性

。例：共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變

馬氏體轉變：A→Mγ-Fe→α-Fe馬氏體組成：碳在α-Fe中的過飽和固溶體形態(tài)：低碳M（C<0.2%）——

板條M

高碳M(C>1.0%)

——

片狀M冷卻速度極快，則奧氏體僅能發(fā)生同素異構轉變，而不能析出碳原子（以Fe3C形式)。硬度：主要取決于馬氏體的含碳量（即母相奧氏體的含碳量）低碳M（板條M）——強而韌高碳M（片狀M）——硬而脆塑性和韌性：低碳M——塑性、韌性好高碳M——塑性、韌性差。馬氏體性能：低碳板條狀馬氏體組織金相圖高碳針片狀馬氏體組織金相圖關于加熱溫度亞共析鋼必須加熱到Ac3以上，進行完全淬火。這是因為亞共析鋼如果在Ac1~Ac3之間加熱，淬火時必然有一部分鐵素體保留在淬火組織中，粗大且較軟的鐵素體塊分布在強硬的馬氏體基體上，嚴重降低了鋼的強度和韌性。而過共析鋼必須在Ac1~Accm之間加熱，進行不完全淬火，使淬火組織中保留一定數(shù)量的細小彌散的碳化物顆粒，以提高耐磨性。當加熱溫度高于Accm時，淬火會得到粗大馬氏體和過量殘余奧氏體，這反而降低硬度和耐磨性，增大脆性和淬火應力，使工件變形甚至開裂。關于保溫時間保溫時間（包括零件的升溫時間和保溫時間）也是影響淬火質量的因素之一。保溫時間的確定受到加熱速度、加熱溫度、鋼材成分、零件形狀和尺寸、裝爐方式的影響。在生產上有許多計算加熱時間的方法，其中較常用的一種方法是當爐溫到達淬火溫度時，按工件單位有效厚度的保溫時間乘上工件的有效厚度來計算。例如：在箱式爐中，單位有效厚度的保溫時間：碳鋼為1-1.3min/mm；合金鋼為1.5-2min/mm。關于淬火（冷卻）介質生產中常用的冷卻介質分為是水、鹽（堿）溶液和油。

（1）水的冷卻能力很大，但易使工件變形和開裂，主要用于奧氏體穩(wěn)定性較差的碳鋼。

（2）鹽（堿）水的冷卻能力比水強，淬火后的工件硬度高而均勻、表面光潔，但極易使工件變形和開裂且銹蝕。常用于形狀簡單、硬度要求高、尺寸變形要求不嚴的碳鋼零件。

（3）油冷卻速度遠小于水，有利于減少工件的變形與開裂；但在650～500℃冷卻能力差，容易造成碳素鋼中奧氏體分解而淬不透。所以，油類冷卻介質主要應用于過冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼淬火。

常用淬火介質冷卻能力比較淬火冷卻介質冷卻能力（oC/S）650~500oC300~200oC水（18oC）600270水（50oC）100270WNaCl10%的鹽水溶液（18oC）1100300WNaOH10%的鈉水溶液（18oC）1200300肥皂水30200礦物機油（10號機油）15030淬火冷卻方法常用的淬火方法有單介質淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火法、貝氏體等溫淬火法、冷處理等。馬氏體分級淬火法是將奧氏體化的鋼件先浸入溫度在馬氏體點附近的鹽浴或堿浴中，待其表面與心部溫差減小后再取出空冷。所以此方法特別適用于形狀復雜、尺寸比較小的工件淬火。淬火冷卻方法貝氏體等溫淬火法將奧氏體化的鋼件浸入溫度在貝氏體轉變溫度區(qū)間（260-400℃）的鹽（堿）浴中等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)橄仑愂象w，然后進行空冷。冷處理是鋼件淬火冷卻到室溫后，繼續(xù)在0℃以下的介質中冷卻的熱處理工藝。

二、回火淬火鋼一般不能直接使用。鋼的淬火組織是淬火馬氏體和殘余奧氏體，都是不穩(wěn)定組織，而淬火馬氏體又極脆，并存在很大的內應力，若不及時回火，會使工件發(fā)生變形甚至開裂?；鼗鹗菍⒋慊痄撝匦录訜岬紸c1點以下某一溫度，保溫后再冷卻至室溫的熱處理工藝。回火的目的（1）消除或降低內應力，降低脆性，防止變形和開裂。（2）穩(wěn)定組織，穩(wěn)定尺寸和形狀，保證零件使用精度和性能。（3）通過不同的回火工藝，來調整零件的強度、硬度，獲得所需要的韌性和塑性?；鼗鸸に嚰皯酶鶕鼗饻囟鹊牟煌?，回火方法主要有下列三種：1）低溫回火（150～250℃）：組織為回火馬氏體，其目的是降低淬火應力和脆性，保持高硬度（56～64HRC）和高耐磨性。常用于處理各種工模具以及滲碳淬火或表面淬火的工件。回火馬氏體是淬火馬氏體內脫溶沉淀析出高度彌散的碳化物質點。此時，碳已經部分的從固溶體中析出并形成了過渡碳化物，其α固溶體仍有一定的碳的過飽和度，仍是一種亞穩(wěn)組織?；鼗瘃R氏體仍保持針（條）狀特征。2）中溫回火（350～500℃）：組織為回火托（屈）氏體，硬度35～50HRC。中溫回火的目的是具有較高的彈性極限和屈服極限，并有一定的韌性和抗疲勞性，多用于各種彈簧和鍛模等。

回火托氏體是鐵素體與滲碳體的混合物，在鐵素體基體中彌散分布著微小顆粒狀滲碳體?；鼗鹜惺象w中的鐵素體仍然基本保持原來針狀馬氏體的形態(tài)，滲碳體則呈細小的顆粒狀?；鼗鹜惺象w具有很高的彈性極限，同時有一定的塑性。

回火工藝及應用3）高溫回火（500～650℃）：組織為回火索氏體，硬度20～35HRC。特點是在保持較高強度的同時，具有較好的塑性和韌性。（回火索氏體組織是鐵素體+細粒狀滲碳體的混合物）調質處理：淬火加高溫回火的熱處理又稱為調質處理，廣泛用于處理各類重要零件，例如軸、齒輪、連桿、螺栓等?；鼗鹚魇象w是在充分發(fā)達的等軸鐵素體中彌散分布著已經聚集長大了的球狀滲碳體。回火索氏體中的鐵素體已不呈針狀形態(tài)而呈等軸狀。

回火索氏體比正火索氏體組織具有適中的強度和優(yōu)異的沖擊韌性，這就是為什么多數(shù)結構零件要進行調質處理（淬火+高溫回火）的原因。第四節(jié)表面淬火和化學熱處理在生產中，許多機械零件如軸、齒輪、凸輪等，要求表面有較高的耐磨性，而心部則要求有足夠的塑性和韌性。表面淬火就是通過快速將零件表面加熱使鋼表層奧氏體化，而心部未被加熱，然后淬火冷卻，使表層獲得馬氏體組織，而心部組織并未發(fā)生變化，達到“外硬內韌”狀態(tài)。生產中應用最多的是感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。

感應加熱表面淬火將工件至于通過交變電流的線圈中，由于電磁感應和集膚效應，將鋼件表層迅速加熱至淬火溫度，而心部電流幾乎為零、溫度變化很小，這時經噴水冷卻，鋼件表層快冷淬火，得到一定深度的馬氏體層。感應加熱表面淬火感應加熱淬火的淬硬層深度與電流頻率有關——電流頻率越高，淬火后工件淬硬層越薄。根據所用電流頻率，感應加熱分為三種：①高頻感應加熱常用頻率200～300kHz，脆硬層深度0.5～2.5mm，適用于中小尺寸軸類零件及中小模數(shù)的齒輪等。②中頻感應加熱常用頻率2500～8000Hz，脆硬層深度3～8mm，適用于較大尺寸的軸和大中模數(shù)的齒輪等。③工頻感應加熱電流頻率50kHz，脆硬層深度10～20mm，適用于大直徑軋輥、火車車輪等的表面淬火。火焰加熱表面淬火用乙炔－氧火焰對工件表面進行快速加熱，當達到淬火溫度時立即噴水冷卻，其淬硬層深度一般為2～6mm。

火焰表面淬火

優(yōu)點：操作簡單、不需要特殊設備、成本低、靈活性大，可適合各種生產場合。缺點：加熱溫度不易控制，工件表面易過熱，淬火質量不夠穩(wěn)定，對工人的技術水平要求較高。適用：單件小批量生產以及大型零件（如大型軸類、大模數(shù)齒輪等）的表面淬火和需要局部淬火及外形復雜的零件?；瘜W熱處理鋼的化學熱處理是將工件置于特定介質中加熱和保溫，使一種或幾種元素滲入工件表面，以改變表層的化學成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W熱處理不僅可以使工件表面硬度、耐磨性提高，還可以使工件表面獲得一些特殊性能，如耐蝕性等?；瘜W熱處理一般以滲入的元素來命名，如滲碳、氮化、碳氮共滲。滲碳滲碳是為了增加鋼件表層的含碳量和使其具有一定的碳濃度，向低碳鋼（0.1～0.25%C）或低合金鋼的表層滲入碳原子的化學熱處理工藝。滲碳處理廣泛用于表層要求高硬度、高的耐磨性及疲勞強度，而心部要求一定強度和高韌性的零件，如汽車主軸和變速齒輪等。滲碳后的工件表層為過共析鋼組織，其硬度和耐磨性滿足不了零件要求，必須進行淬火和低溫回火處理。常用的滲碳方法是氣體滲碳和固體滲碳。滲氮滲氮是向鋼的表面層