43金属材料热处理工艺

4.3金属材料热处理工艺HeatTreatmentMetallicMaterials4.3.1退火与正火（Annealingandnormalizing）4.3.2淬火与回火（Quenchingandtempering）4.3.3钢的淬透性（Thehardenabilityofsteel）本节授课的重点：1.各种普通热处理工艺（即退火、正火、淬火及回火）的类别，主要目的，适用材料及相应的组织状态（以自学为主）；2.淬透性的有关概念（学习重点与难点）（1）有关淬透性的概念；（2）淬透性对钢力学性能的影响；（3）影响淬透性的主要因素；（4）淬透性的表示方法；（5）淬透性的实际意义。4.3金属材料热处理工艺Heattreatmentprocessofmetallicmaterials强化4.3.1退火与正火(Annealingandnormalizing)1.定义、目的把工件加热至临界点Ac1(或Accm)以上或以下，保温一定时间后，使其缓慢冷却(生产中随炉冷却)以获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为退火。而正火(常化)是将钢件加热至Ac3(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上30～50℃，经保温后在空气中冷却的热处理工艺。正火与退火的主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较快，得到的组织较细，硬度、强度、韧性等也较高。当碳钢中W(C)＜0.6%时，正火后的组织为F+S;当W（C）=0．6%～1．4%时，正火后组织为S(伪共析组织)。4.3.1退火与正火(Annealingandnormalizing)1.定义、目的退火和正火的目的大致可归纳为如下几点:（1）调整硬度以便进行切削加工。因为工件经铸造或锻造等热加工后，硬度常偏高或偏低而且不均匀，严重影响切削加工。而经适当退火或正火后可使钢件的硬度调整至170～250HBW（2）消除残余内应力，以防钢件在淬火时产生变形或开裂。（3（4）为最终热处理(淬火、回火)作好组织上的准备。4.3.1退火与正火(Annealingandnormalizing)2.退火与正火的种类、工艺特点及适用范围4.3.1退火与正火(Annealingandnormalizing)2.退火与正火的种类、工艺特点及适用范围图4.35（a）各种退火与正火工艺的加热温度4.3.2.淬火与回火(Quenchingandtempering)淬火工艺是将钢加热至临界点(Ac3或Ac1)以上，保温后以大于VKC的速度冷却，使A转变为M(或B下)的热处理工艺;而回火则系指将淬火后的钢加热至A1以下的某一温度后进行冷却的热处理工艺。一般淬火工件必经过回火后方能使用。淬火与回火总是经常配合使用的两种应用最广且最重要热处理工艺。淬火的目的就是为了获得M(或B下)，以提高钢的力学性能。淬火钢件回火的目的在于:(1)降低脆性，减少或消除内应力，防止变形开裂;(2)调整淬火钢的组织与性能，用不同的回火温度配合，获得工件使用要求的性能;(3)稳定工件尺寸，以保证工件在使用过程中不发生尺寸和形(4)对某些高淬透性合金钢，空冷便可淬成M，如采用退火软化，则周期很长。此时可用高温回火，使K聚集长大，降低硬度，以利切削加工，同时可缩短软化周期。对有色金属、A不锈钢等，固溶处理习惯称淬火。图4.21共析碳钢的CCT曲线1.（１）淬火加热温度的选择其主要原则是获得均匀细小的A组织。一般规定淬火加热温度在临界点以上30～50℃。对于亚共析碳钢，淬火加热温度为Ac3+30～50℃，淬火组织为M。当Wc＞0.5%时淬火组织中还有少量Ar;对于共析钢和过共析碳钢，淬火加热温度为Ac1+30～50℃，淬火后的组织为M+Fe3C+Ar，分散分布的未溶颗粒状渗碳体对钢的硬度和耐磨性有利。图4.＃碳钢的淬火加热温度范围图4.＃奥氏体的碳含量对M转变温度（a）及AR量（b）的影响→1.（2）淬火冷却介质合理选择淬火冷却介质是淬火工艺的重要问题。为保证得到M组织，淬火冷却速度必须大于VKC，但快冷不可避免地会造成很大内应力，往往会引起工件变形和开裂。要想既得到M又避免变形开裂，理想的淬火冷却曲线如右图4-36所示。即在C曲线拐点附近其V冷＞VKC。而在拐点以下，MS点附近，则应尽量慢冷，以减少M转变时产生的内应力。工业上常用的淬火冷却介质是水、盐水、油等。图4.36淬火时的理想冷却曲线示意图←表4.＃常用淬火介质及其冷却特性1.（3）淬火方法目前还没有理想的淬火介质，在实际生产中应根据淬火件的具体情况采用不同的淬火方法，以尽量取得好的淬火效果。常用淬火方法的冷却方式与特点等如图4-37及表4-6所示。表4-6常用淬火方法的种类、冷却特点和应用图4.37各种淬火冷却曲线示意图2.回火的种类及适用范围回火温度对50钢力学性能的影响图（a）wC＝0.82％的钢（b）wC＝0.2％的钢钢的力学性能与回火温度的关系图2.回火的种类及适用范围←图4.30钢的冲击韧度与回火温度关系2.回火的种类及适用范围表4.7回火种类、温度范围、组织形态、性能特点及应用[例题4-1]共析碳钢在例题图４.１所示方法冷至室温后的转变组织为何？i.分析本题旨在检查是否正确掌握利用C曲线来近似分析不同热处理工艺（冷却）条件下获得转变产物（组织）的方法。冷却速度①条件下，由于冷速缓慢，当缓冷至点i时，A’开始转变为A’+P组织，继续缓冷至点ii以下时，会得到全部P组织。冷却速度②，表面观察该冷却速度曲线似乎已切割了C曲线。但仔细分析，在临界点以上的那一段缓慢冷却实属保温时间，此时该合金的组织仍为稳定A，它如同仍在左上角O点一样，此时A并不会发生分解。只有继续快速冷却，当其实际V＞VKC时，就一定会获得M组织。现可从O点作V2的平行线V4，并判断其V4是否大于VKC。很显然此处V4＞VKC，故V2下最终的组织为M+AR。在冷却速度③曲线的中下方有一水平台阶，它相当于等温冷却，此冷却线与A’等温冷却转变开始线的下半部分相交，说明会产生部分B下转变，当又继续快速冷却时，剩余的A’将转变为M+AR。在冷却速度④条件下，由于其冷速大于VKC，故所获得组织应为M+AR。例题图4.1C曲线的应用[例题4-1]共析碳钢在例题图４.１所示方法冷至室温后的转变组织为何？ii.解答①获得组织：P；②M+AR；③B下+M+AR;④M+AR。iii.归纳初学者易产生的错误可概括为：③只获得B下；②下，获得P或P+M。这说明仅从形式上认识冷却速度曲线与C曲线关系是远远不够。对于②，开始的近乎水平似的冷却可看成是保温，因而就如同从O点开始一样，如再做一条平行线④平行于②，就很容易看出只能会得到M+AR组织。对于③，当A’在等温冷却阶段仅有部分转变为B下，继续快速冷却时尚未转变的A’随即又转变为M+AR，这里关键是应明确钢的冷却转变实质上是A’的转变，当A’遇到第一条C字时即开始发生B下转变，但还未与第二条C字相遇，这说明仍有部分A’，因而在快速冷却时会继续转变。该题所反映出来的问题是大多数初学者都会遇到的普遍性问题，它说明对于C、CCT曲线的含义还未真正搞清。另外，冷却速度曲线与不同热处理工艺相对应，掌握它更具实际应用意义。这亦需要引起学习者足够重视。iv.请思考：若要获得T+M+AR组织，请在图中绘出所选择的相应冷却速度曲线？例题图4.1C曲线的应用[例题4-2]在分析共析钢正火作用时，应根据Ｃ曲线、ＣＣＴ曲线还是Ｆe－Ｆe3Ｃ相图？i.分析本题旨在检查正火的定义是否真正理解。所谓正火，即把钢件加热至Ac3或Accm以上，经一定时间保温后取出空冷，以期获得索氏体组织的一种热处理工艺操作。从定义的叙述中，可体会到正火包含加热过程，保温，冷却过程。加热，就需要确定具体的加热温度范围，这就需要借助于变化了的Ｆe－Ｆe3Ｃ相图；冷却过程是在空气中进行的，那就需要根据CCT曲线来分析了，但由于C曲线和CCT曲线存有共同的理论基础，如果手头没有CCT曲线（因其测定较困难），因而可根据C曲线近似地估计正火连续冷却时的转变产物。[例题4-2]在分析共析钢正火作用时，应根据Ｃ曲线、ＣＣＴ曲线还是Ｆe－Ｆe3Ｃ相图？ii.解答在分析共析钢的正火作用时，确定正火的加热温度范围时应依据变化了的Fe-Fe3C相图；当判断正火的冷却组织时则应依据CCT曲线来分析。若查不到有关CCT曲线的资料时，则可利用C曲线近似地估计正火冷却时的组织。iii.归纳正火的定义可能人人都会背，但深入理解正火的作用并非易事，决不能只知其一就算了事。既要考虑加热温度范围，又要分析冷却过程中的变化，还要与该钢的C、CCT曲线结合起来综合考虑。对于其它的热处理工艺亦是一样。iv.请思考：若45钢，T12钢正火处理后，分别将获得何种类型的组织呢？请带着以下问题学习“钢的淬透性”：1.有关淬透性的概念（1）何谓淬透性？（2）淬透性大小是如何确定的？（3）确定淬硬层深度的组织标准是什么？（4）淬透性与淬硬性、淬硬层深度的区别又是什么？2.淬透性对钢力学性能产生如何影响？（1）强度（σb、σs）、硬度（HBS）与塑、韧性（αK）等（2）疲劳强度（σ-1）与屈强比（σs/σb）3.影响淬透性的决定性因素与主要因素分别是什么？（1）决定性因素——VKC（2）钢的化学成分——碳含量与合金元素含量（3）钢的奥氏体化条件4.淬透性的表示方法是什么？（1）末端淬火法（J）；（2）临界直径法（DC）5.淬透性的实际意义又在何处？4.3.3钢的淬透性（Thehardenabilityofsteel）网带式淬火炉淬透性是钢的主要热处理工艺性能，它对合理选材及正确制订热处理工艺，具有十分重要的意义。4.3.3钢的淬透性（Thehardenabilityofsteel）现有一φ60mm的45钢坯棒料，加热到奥氏体化温度水淬，击断后观察其断口，可看到沿外表面一圈呈脆性的细瓷状和心部呈韧性的纤维状的双层结构；若将断口磨平依次测量硬度，可以发现试棒表面硬度高（压痕小而浅）而心部硬度低（压痕大而深），如左下图所示。观察其断口金相组织，发现试棒表面是M组织，靠内是T组织，从表面至心部其M数量是逐渐减少的，如右下图所示。45钢未淬透断口及沿断面硬度压痕大小断面上M的分布情况（金相组织及分布曲线）4.3.3钢的淬透性（Thehardenabilityofsteel）由于工件截面中心的冷却速度＞钢的VKC，工件就会淬透。而工件淬火时表面冷速最大，心部冷速最小，由表面至心部冷速逐渐降低（见右图所示）。只有冷速＞VKC的工件外层部分才能得到M（右图中阴影部分），这就是工件的淬透层。而冷速＜VKC的心部只能获得非M组织，这就是工件的未淬透区。图4.＃工件截面不同冷速（a）与未淬透区（b）示意图1.有关淬透性的概念图4.＃M量和硬度随深度的变化所谓淬透性系指钢在淬火时获得淬透层深度的能力，是钢材本身固有属性。其大小通常以规定条件（指规定尺寸和形状的钢试样，在规定淬火冷却条件下淬火）下淬透层的深度来表示。对结构钢：淬透层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的垂直距离。注意区分淬透性与淬硬性淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.它主要取决于马氏体的碳含量。注意区分淬透性与具体淬火条件下的淬透层深度淬透性与淬透层深度的关系同一材料的淬透层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬透层深度就要大。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬透层深度来确定的。2.淬透性对钢力学性能的影响钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能。图4-38所示为淬透性不同的三种钢材，经调质处理后其力学性能的比较。由图可知，三种钢的硬度虽然相同，但淬透性低的钢，心部的力学性能低、特别是冲击韧度aK值更低，截面愈大其影响愈显著。图4.38淬透性不同的钢在调质处理后力学性能对比2.淬透性对钢力学性能的影响淬火组织中M量多少还会影响钢的屈强比(σs/σb)和疲