鋼鐵材料熱處理知識(shí)

01鋼的退火和正火

退火和正火都是將鋼件加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后以較慢速度冷卻的熱處理工藝方法。兩者的不同之處主要在于退火一般為隨爐冷卻，正火是在空氣中冷卻。1.1退火退火是將鋼件加熱到一定溫度，并保溫一定時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻的熱處理工藝。（1）退火的目的

①降低硬度，改善工件的切削加工性能；

②消除殘余應(yīng)力，防止工件的變形與開裂；

③細(xì)化晶粒，改善組織，以提高鋼的力學(xué)性能，并為最終熱處理做好組織上的準(zhǔn)備。（2）退火的分類與應(yīng)用

根據(jù)鋼的化學(xué)成分和退火目的不同，退火常分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火等。①完全退火

完全退火是將鋼件加熱到完全奧氏體化溫度（Ac3以上30℃~50℃）后，保溫一段時(shí)間，然后隨爐緩冷至550℃以下出爐空冷，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。

完全退火主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結(jié)構(gòu)件的熱處理，過共析鋼不宜采用，因?yàn)閷⑦^共析鋼件加熱到Accm以上溫度進(jìn)行完全奧氏體化后，在隨后的緩冷過程中，會(huì)沿奧氏體晶界析出網(wǎng)狀的二次滲碳體，使鋼的強(qiáng)度和韌性降低。

②等溫退火

等溫退火是將鋼件加熱到Ac3（或Ac1）以上溫度，保溫一定時(shí)間后，以較快的速度冷卻到Ar1以下某一溫度并進(jìn)行等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。

等溫退火與完全退火的目的相同，但等溫退火可以通過控制等溫溫度，獲得所需組織和性能。等溫退火一般應(yīng)用于奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼退火，與完全退火相比，等溫退火可以大大縮短退火時(shí)間，而且退火效果也比完全退火好得多。下圖為高速鋼完全退火與等溫退火工藝的比較，可以看出等溫退火時(shí)間明顯縮短。③球化退火

球化退火是將共析鋼或過共析鋼加熱到Ac1以上20℃～30℃，保溫一定時(shí)間后，隨爐緩冷至550℃以下出爐空冷，以獲得顆粒狀碳化物的熱處理工藝。

球化退火主要用于共析或過共析成分的碳鋼及合金鋼。因?yàn)檫@些鋼經(jīng)熱軋、鍛造后，組織中常出現(xiàn)粗片狀的珠光體和二次滲碳體，使鋼的切削加工性能變差，且淬火時(shí)易發(fā)生變形和開裂。采用球化退火可使珠光體中的片狀滲碳體和網(wǎng)狀的二次滲碳體球化，變成顆粒狀的滲碳體。這種在鐵素體基體上均勻分布著顆粒狀滲碳體的組織，稱為球狀珠光體。對(duì)于存在嚴(yán)重網(wǎng)狀二次滲碳體的鋼，可先進(jìn)行一次正火處理，將滲碳體網(wǎng)顆?；龠M(jìn)行球化退火處理。

④均勻化退火

均勻化退火又稱擴(kuò)散退火，它是將鑄錠、鑄件或鍛坯加熱到固相線溫度以下100℃~200℃，保溫10~15h，然后緩慢冷卻，以獲得成分均勻組織的熱處理工藝。均勻化退火耗能多，成本高，主要用于優(yōu)質(zhì)合金鋼的鑄錠、鑄件或鍛坯的熱處理，目的是使鋼中元素能進(jìn)行充分?jǐn)U散而達(dá)到均勻化。但均勻化退火后，鋼件的晶粒粗大，所以還要通過一次完全退火或正火來細(xì)化晶粒。

⑤去應(yīng)力退火

又稱低溫退火，它是將工件加熱到Ac1以下100℃～200℃（一般為500℃～600℃），保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩冷的熱處理工藝。由于加熱溫度低于A1點(diǎn)，因此鋼在去應(yīng)力退火過程中不發(fā)生相變。

去應(yīng)力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機(jī)加工工件中的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，減小變形，避免在隨后的機(jī)械加工或使用過程中因應(yīng)力而引起工件的變形及開裂。1.2正火正火是將鋼件加熱到Ac3（或Accm）點(diǎn)以上30℃～50℃，完全奧氏體化后，再在空氣中冷卻以獲得較細(xì)珠光體組織的熱處理工藝。當(dāng)鋼的含碳量小于0.6%時(shí)，正火后的組織為鐵素體+索氏體；當(dāng)鋼的含碳量大于0.6%時(shí)，正火后的組織為索氏體。

正火與退火的主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，得到的組織較細(xì)小，強(qiáng)度和硬度有所提高，操作簡便，生產(chǎn)周期較短。正火主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。

（1）改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性能

正火后的組織為細(xì)珠光體，其硬度有所提高，從而減少切削加工中的“粘刀”現(xiàn)象，降低工件的表面粗糙度。

（2）消除網(wǎng)狀滲碳體

對(duì)于過共析鋼或滲碳件表層中嚴(yán)重的網(wǎng)狀滲碳體，可以通過正火方法消除。

（3）作為中碳鋼零件的預(yù)先熱處理

通過正火可以消除鋼中粗大的晶粒組織，消除內(nèi)應(yīng)力，為最終熱處理做好組織上的準(zhǔn)備。

（4）作為普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理

對(duì)某些大型或較復(fù)雜的普通零件，當(dāng)淬火有可能產(chǎn)生裂紋時(shí)，往往用正火代替淬火、回火作為這類零件的最終熱處理。

02鋼的淬火將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上30℃～50℃，保溫一定的時(shí)間，然后以大于馬氏體臨界冷卻速度的冷速快速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝，稱為淬火。2.1

淬火的目的淬火的主要目的是為了獲得馬氏體，并配合適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に嚕垣@得零件所需力學(xué)性能，充分發(fā)揮鋼的潛力。淬火是目前強(qiáng)化鋼鐵材料最重要的熱處理工藝方法。2.2

淬火工藝（1）淬火加熱溫度

鋼的化學(xué)成分是決定淬火加熱溫度的最主要因素，選擇淬火加熱溫度的原則是要獲得均勻細(xì)小的奧氏體組織。碳鋼的淬火加熱溫度可根據(jù)Fe-Fe3C相圖來選擇，如下圖所示。一般淬火加熱溫度選擇的范圍是：

亞共析鋼：T=Ac3+（30～50）℃共析鋼、過共析鋼：T=Ac1+（30～50）℃

亞共析鋼一般加熱到Ac3以上進(jìn)行完全奧氏體化，淬火后可得到均勻細(xì)小的馬氏體組織。如果亞共析鋼在Ac1～Ac3之間加熱，此時(shí)組織為鐵素體+奧氏體，淬火后的組織為鐵素體+馬氏體，由于鐵素體的存在，不僅降低了淬火后工件的硬度，而且回火后鋼的強(qiáng)度也較低，故一般不宜采用。如果淬火加熱溫度過高，將會(huì)出現(xiàn)粗大的奧氏體晶粒，淬火后會(huì)出現(xiàn)粗大的馬氏體組織，降低鋼的韌性，同時(shí)鋼的氧化脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重，影響零件的表面質(zhì)量。

過共析鋼必須在Ac1～Accm之間進(jìn)行加熱，進(jìn)行不完全奧氏體化，使淬火后的組織中保留一定數(shù)量的細(xì)小彌散的碳化物顆粒，從而提高零件的硬度與耐磨性。如果加熱溫度高于Accm，淬火后會(huì)得到粗大的馬氏體組織和較多的殘余奧氏體，反而降低了零件的硬度和耐磨性，同時(shí)氧化脫碳嚴(yán)重，淬火應(yīng)力增大，容易使零件產(chǎn)生變形和開裂。

（2）淬火加熱保溫時(shí)間

淬火加熱保溫時(shí)間是指從爐溫指示儀表達(dá)到規(guī)定溫度至工件出爐之間的時(shí)間。保溫時(shí)間與工件形狀、尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型、爐溫和加熱介質(zhì)等因素有關(guān)，一般用經(jīng)驗(yàn)公式確定。

t=αD

式中：t——加熱時(shí)間，min；α——加熱系數(shù)，min/mm；D——工件的有效厚度，mm。加熱系數(shù)的數(shù)據(jù)與工件有效厚度的計(jì)算可查閱有關(guān)資料。

（3）淬火介質(zhì)

工件進(jìn)行快速冷卻時(shí)所用的介質(zhì)稱為淬火介質(zhì)。為保證工件淬火后得到馬氏體組織，避免淬火過程中零件的變形和開裂，必須正確選擇淬火冷卻介質(zhì)。由C曲線可知，過冷奧氏體在不同溫度下的孕育期是不同的，淬火后要得到馬氏體組織，并不需要在整個(gè)冷卻過程都進(jìn)行快速冷卻，只是需要在“鼻尖”附近快冷，在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域盡量緩慢冷卻。理想的淬火冷卻曲線應(yīng)如下圖所示，由于過冷奧氏體在650℃以上比較穩(wěn)定，冷卻速度可慢些，以減小工件內(nèi)外溫差引起的熱應(yīng)力，防止零件變形；在650℃～500℃內(nèi)（C曲線鼻尖附近），過冷奧氏體最不穩(wěn)定，應(yīng)快速冷卻，淬火冷卻速度應(yīng)大于VK，使過冷奧氏體不發(fā)生分解；在300℃～200℃內(nèi)，過冷奧氏體已進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，應(yīng)緩慢冷卻，以防止相變應(yīng)力過大而使零件產(chǎn)生變形和開裂。但是到目前為止，符合這一特性要求的理想淬火冷卻介質(zhì)還沒有找到。目前生產(chǎn)中常用的淬火冷卻介質(zhì)有水及水溶液、油、堿浴、鹽浴等。

①水及水溶液

水在650℃～500℃內(nèi)需要快冷時(shí)，冷卻速度相對(duì)較??；而在300℃～200℃內(nèi)需要慢冷時(shí)，其冷卻速度又相對(duì)較大，容易引起零件的變形和開裂。但因水價(jià)廉安全，故常用于形狀簡單、截面較小的碳鋼工件的淬火。水溫對(duì)冷卻能力影響較大，隨著水溫的升高，水的冷卻能力降低，故使用時(shí)應(yīng)避免水溫過高。為提高水在650℃～500℃內(nèi)的冷卻能力，常在水中加入5%～10%的鹽（或堿）制成鹽（或堿）的水溶液。鹽水淬火件容易出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，淬火后必須清洗干凈，鹽水主要用于形狀簡單、截面尺寸較大的碳鋼工件的淬火；堿水溶液對(duì)工件、設(shè)備及操作者腐蝕性大，主要用于易產(chǎn)生淬火裂紋工件的淬火。

②油

常用的淬火油有機(jī)械油、變壓器油、柴油和植物油等。油在300℃～200℃內(nèi)的冷卻速度比水小，有利于減小工件的變形和開裂，但油在650℃～500℃內(nèi)冷卻速度也比水小，因此一般用于合金鋼工件的淬火，使用時(shí)的油溫應(yīng)低于閃點(diǎn)60℃以上，以避免淬火過程中油槽著火。為了減小零件淬火時(shí)的變形，也可采用硝鹽浴或堿浴作為淬火冷卻介質(zhì)，它們的冷卻能力介于水和油之間。2.3

淬火方法由于沒有理想的淬火介質(zhì)，在生產(chǎn)中為了保證淬火質(zhì)量，須根據(jù)淬火件的具體情況采用不同的淬火方法，以獲得理想的淬火效果。生產(chǎn)中常用的淬火方法如下。（1）單介質(zhì)淬火

將奧氏體化的工件投入一種淬火冷卻介質(zhì)中，一直冷卻到室溫的淬火方法，稱為單介質(zhì)淬火，如上圖中曲線1所示。例如，一般碳鋼在水或水溶液中淬火、合金鋼在油中淬火等均屬單介質(zhì)淬火。

（2）雙介質(zhì)淬火

先把奧氏體化的工件投入冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中，待零件冷卻到稍高于Ms的溫度時(shí)，再立即投入到另一冷卻能力較弱的介質(zhì)中，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火工藝，稱為雙介質(zhì)淬火，如曲線2所示。如生產(chǎn)中高碳鋼淬火時(shí)用的水-油淬火、合金鋼淬火時(shí)用的油-空氣淬火等。雙介質(zhì)淬火能有效防止淬火變形和裂紋，但要求操作工人具有較高的技術(shù)水平。

（3）分級(jí)淬火

把奧氏體化后的工件投入溫度稍高于或稍低于Ms的鹽浴或堿浴中，保持適當(dāng)時(shí)間，待工件內(nèi)外層都達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法稱為分級(jí)淬火，如曲線3所示。分級(jí)淬火比雙介質(zhì)淬火容易控制，能有效減小工件的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，減少淬火件的變形和開裂。分級(jí)淬火主要適用于截面尺寸較小、形狀較復(fù)雜工件的淬火處理。

（4）等溫淬火

把奧氏體化后的工件投入溫度稍高于Ms的鹽浴或堿浴中，保溫一定時(shí)間，使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝，稱為等溫淬火，如曲線4所示。等溫淬火時(shí)淬火應(yīng)力及變形較小，工件具有較高的綜合力學(xué)性能，但生產(chǎn)周期長，效率低。因此等溫淬火主要用于要求變形小、韌性高的小型復(fù)雜零件的熱處理。2.4鋼的淬透性和淬硬性（1）淬透性的概念

鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力。它是鋼本身固有的屬性。其大小通常用規(guī)定條件下淬硬層的深度來表示。淬硬層越深，表明其淬透性越好，一般規(guī)定由工件表面到半馬氏體區(qū)（即馬氏體和珠光體型組織各占50%的區(qū)域）的深度作為淬硬層深度。淬透性與淬硬性是兩個(gè)不同的概念。所謂淬硬性是指鋼在淬火后所能達(dá)到最高硬度的能力。淬硬性主要取決于馬氏體的含碳量，合金元素對(duì)淬硬性沒有顯著影響，但對(duì)鋼的淬透性卻有很大影響，因此，淬透性好的鋼，其淬硬性不一定高。

（2）淬透性的應(yīng)用

鋼的淬透性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員和熱處理工藝人員合理選材及制訂熱處理工藝時(shí)的主要依據(jù)。如果鋼的淬透性較高，工件能被淬透，回火后在工件的整個(gè)截面上的力學(xué)性能均勻一致；如果鋼的淬透性較低，則工件不容易被淬透，回火后工件表層和心部的組織及性能存在較大差異，特別是心部的屈服點(diǎn)和韌性顯著降低。在機(jī)械制造中許多大截面工件和在變動(dòng)載荷下工作的重要零件，常要求零件表面和心部的力學(xué)性能一致，故應(yīng)選用淬透性好的鋼制作；對(duì)于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的零件（如軸類）以及表面要求耐磨并承受一定沖擊載荷的模具（如冷鍛模），因應(yīng)力主要集中在工件表層，心部應(yīng)力較小，可選用淬透性較低的鋼；焊接件一般選用淬透性較低的鋼，否則容易在焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)淬火組織，導(dǎo)致焊接件的變形和開裂。

（3）影響淬透性的因素

鋼的淬透性與馬氏體臨界冷卻速度有關(guān)，過冷奧氏體的穩(wěn)定性越高，臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性越好，因此，凡是影響過冷奧氏體穩(wěn)定性的因素都會(huì)影響到鋼的淬透性。

在熱處理生產(chǎn)中，常用臨界淬透直徑（Dc）來衡量鋼的淬透性。臨界淬透直徑是指工件在某種介質(zhì)中淬火后，心部得到全部馬氏體或半馬氏體組織時(shí)的最大直徑（Dc）。直徑越大，鋼的淬透性越好。下表為幾種常用鋼的臨界淬透直徑。鋼的淬透性與具體淬火條件下實(shí)際工件的淬硬層深度是有區(qū)別的。淬透性是鋼本身固有的屬性，在相同的奧氏體化條件下，同一種鋼的淬透性是相同的，但它的淬硬層深度會(huì)由于工件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)的變化而不同。例如同一種鋼在相同的奧氏體化條件下，水淬要比油淬的淬硬層深度大；小件要比大件的淬硬層深度大。但不能認(rèn)為，同一種鋼水淬要比油淬的淬透性好，小件要比大件的淬透性好。所以，只有在其他條件都相同的情況下，才可按淬硬深度來判定鋼的淬透性高低。03鋼的回火

將淬火后的工件重新加熱到A1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。淬火后的鋼件不宜直接使用，必須進(jìn)行回火處理，回火決定了鋼的組織和性能，是重要的熱處理工序。3.1回火的目的（1）獲得工件所需力學(xué)性能

工件經(jīng)淬火后，硬度高，塑性和韌性較低。為了滿足各種零件不同的性能要求，可通過適當(dāng)回火來改變淬火組織，調(diào)整零件硬度，降低脆性，以獲得工件所需要的力學(xué)性能。

（2）穩(wěn)定工件尺寸

工件淬火后獲得的馬氏體和殘余奧氏體都是不穩(wěn)定的組織，在使用過程中會(huì)自發(fā)分解，從而引起工件尺寸和形狀的改變。通過回火可以使淬火組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織，從而保證工件在以后的使用過程中不再發(fā)生尺寸和形狀的改變。

（3）減小或消除淬火內(nèi)應(yīng)力

工件淬火后存在著很大的內(nèi)應(yīng)力，如不及時(shí)進(jìn)行回火消除，往往會(huì)使工件發(fā)生變形甚至開裂。3.2淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變淬火馬氏體與殘余奧氏體都是亞穩(wěn)相，從室溫到A1進(jìn)行回火時(shí)將分解成鐵素體和碳化物。根據(jù)回火溫度的不同，淬火組織將發(fā)生以下轉(zhuǎn)變。

（1）馬氏體的分解（≤200℃）

在80℃以下回火時(shí)，淬火鋼中沒有明顯的組織轉(zhuǎn)變，只發(fā)生馬氏體中碳原子的偏聚。在80℃～200℃內(nèi)回火時(shí)馬氏體開始分解，馬氏體中的碳原子以ε碳化物（化學(xué)式為Fe2.4C）的形式析出，從而降低了馬氏體中碳的過飽和度，其正方度也隨之減小。由于回火溫度較低，從馬氏體中僅析出了一部分過飽和的碳原子，故這一階段的馬氏體仍是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。析出的ε碳化物極為細(xì)小并彌散分布在過飽和α固溶體的相界面上，與α固溶體保持著共格（即兩相界面上的原子，恰好是兩相晶格的共用結(jié)點(diǎn)原子）關(guān)系。

這一階段的回火組織是由過飽和度較低的α固溶體和ε碳化物組成的，這種組織稱為回火馬氏體，高碳鋼的回火馬氏體組織如下圖所示。由于該組織中ε碳化物極為細(xì)小彌散度極高，所以在小于200℃回火時(shí)，鋼的硬度并不降低，但由于ε碳化物的析出，晶格畸變程度降低，使淬火應(yīng)力有所減小，故鋼的塑性、韌性有所提高。（2）殘余奧氏體的分解（200℃～300℃）

殘余奧氏體本質(zhì)上與過冷奧氏體相同，因此在相同的溫度條件下，殘余奧氏體的回火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物相同，即在不同溫度下可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體和珠光體組織。

當(dāng)鋼的回火溫度在200℃～300℃時(shí)，馬氏體繼續(xù)分解，殘余奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織（200℃～300℃屬下貝氏體相變區(qū)）。在此溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，淬火應(yīng)力進(jìn)一步減小，硬度沒有明顯下降。

（3）碳化物的轉(zhuǎn)變（250℃～450℃）

250℃以上回火時(shí)，因碳原子擴(kuò)散能力的增加，ε碳化物將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體組織，到450℃時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葟浬⒎植嫉臐B碳體。由于碳原子的不斷析出，α固溶體中的含碳量已降到平衡含量而成為鐵素體，但其形態(tài)仍為針狀。這種由針狀鐵素體和高度彌散分布的滲碳體組成的組織，稱為回火托氏體，45鋼的回火托氏體組織如下圖所示。這時(shí)鋼的硬度降低，韌性、塑性進(jìn)一步提高，淬火應(yīng)力基本消除。（4）滲碳體的聚集長大和鐵素體的再結(jié)晶（450℃～700℃）

450℃以上，高度彌散分布的滲碳體逐漸球化成細(xì)粒狀的滲碳體，并隨著溫度的升高，滲碳體顆粒逐漸長大。在滲碳體球化、長大的同時(shí)，鐵素體在500℃～600℃開始再結(jié)晶，由板條狀或針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅尉Я！?/p>

這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織稱為回火索氏體如果將溫度進(jìn)一步提高到650℃～A1進(jìn)行回火，粒狀滲碳體將進(jìn)一步粗化，形成由多邊形鐵素體和較大顆粒狀滲碳體組成的組織，這種組織稱為回火珠光體。

由以上分析可知，淬火鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變是在不同溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，即使在同一回火溫度，也有可能進(jìn)行幾種不同形式的轉(zhuǎn)變。淬火鋼回火后的性能取決于組織的變化，隨著組織的不同，鋼的力學(xué)性能也發(fā)生相應(yīng)的變化。其一般規(guī)律是：隨著回火溫度的升高，強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性上升，溫度越高，其變化越明顯。3.3回火的種類及應(yīng)用決定鋼組織和性能的主要因素是回火溫度。根據(jù)回火溫度和組織的不同，可將回火分為以下三種。

（1）低溫回火（150℃～250℃）

低溫回火得到的組織為回火馬氏體。低溫回火的目的是在保持淬火鋼高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，提高