金属学与热处理(哈工大版)第3版“四把火”

一、退火1、退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺（1）相变重结晶退火：临界温度（AC1或AC3）以上（2）再结晶退火：临界温度以下（3）连续退火和等温退火（4）正火2、完全退火：将钢加热到AC3以上，保温足够长时间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺（1）目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力和热加工缺陷，降低硬度，改善切削加工性能和冷塑性变形性能。（2）加热温度：AC3以上20~30℃退火保温时间：工件透烧时间、组织转变所需时间（钢材化学成分、工件形状和尺寸、加热设备类型、装炉量以及装炉方式）冷却速度：缓慢，保证奥氏体在Ar1温度以下不大的过冷条件下进行P转变（避免硬度过高）（3）等温退火：奥氏体化后很快降至稍低于Ar1温度等温一段时间，可缩短退火时间3、不完全退火：将钢加热至AC1~AC3或AC1~Accm之间，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺（1）组织：仅是P发生相变重结晶转变为A，基本上不改变先共析F或Fe3C形态和分布（2）优点：加热温度低，工艺周期短，消耗热量少，成本低，生产率高4、球化退火：使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺（不完全退火）（1）目的：降低硬度，改善切削加工性能，获得均匀组织，改善热处理工艺性能（为淬火作组织准备）（2）加熱溫度：AC1以上20~30℃，随炉加热保温时间：不能太长（2~4h）冷却方式：炉冷，或在Ar1以下20℃左右进行长时间等温处理（3）关键：使A中保留大量未溶碳化物质点，造成A中碳浓度分布不均匀性（4）一次球化退火等温球化退火（广泛应用）往复球化退火5、扩散退火（均匀化退火）：将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度，长时间保温，然后随炉缓慢冷却（1）目的：消除晶内偏析，使成分均匀化（2）实质：使钢中各元素的原子在A中充分扩散——温度高时间长（3）退火加热温度：AC3或Accm以上150~300℃保温时间：根据钢件最大截面积厚度计算（4）组织：A晶粒十分粗大→进行一次完全退火或正火细化晶粒、消除过热缺陷（5）缺点：生产周期长，热能消耗大，设备寿命短，生产成本高，工件烧损严重6、去应力退火：（精加工或淬火之前）将工件加热至AC1以下某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（1）目的：消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机械加工工件中的残余内应力，提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂（2）退火加热温度：宽泛，根据具体情况而定（500~650℃）保温时间：根据工件的截面尺寸或装炉量冷却速度：保温后缓慢冷却，200~300℃后出炉空冷至室温7、再结晶退火（中间退火）：将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温适当时间后，使变形晶粒重新转变为新的等轴晶粒，同时消除加工硬化和残余内应力的热处理工艺（1）退火温度：高于再结晶温度（与金属化学成分和冷变形量有关）（2）一般钢材650~700℃，1~3h，空冷（3）临界变形度→正火或完全退火代替再结晶退火二、正火1、正火：将钢加热到AC3或Accm以上适当的温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，得到P类型组织的热处理工艺（1）加热温度与时间：与完全退火相同（AC3或Accm以上30~50℃）冷却速度：较快亚共析钢正火组织析出的F较少，P较多且间距小转变温度：较低过共析钢正火可抑制先共析网状渗碳体的析出冷却方式：工件从炉中取出后空冷，大件可采用鼓风或喷雾等方式（2）实质：完全奥氏体化加伪共析转变（3）适用对象：碳素钢及低、中合金钢（4）应用：改善低碳钢的切削加工性能；消除中碳钢热加工缺陷；消除过共析钢的网状碳化物（增加材料脆性，降低强度，降低零件疲劳寿命）；提高普通结构件的机械性能三、淬火1、淬火：将钢加热到临界点AC3或Accm以上一定的温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺（1）实质：奥氏体化后进行马氏体转变（或贝氏体转变）（2）组织：马氏体（或下贝氏体），少量残余A及未溶的第二相（3）特点：提高工件的强度、硬度和耐磨性结构钢：淬火和高温回火（调制），获得较好的强度和塑性、韧性配合弹簧钢：淬火和中温回火，获得很好的弹性极限工具钢、轴承钢：淬火和低温回火，获得高硬度和高耐磨性2、淬火应力：热应力和组织应力（1）热应力：工件在加热或冷却过程中，由于不同部位的温度差异，导致热胀冷缩的不一致而产生的应力→快速冷却时工件截面上温差造成的快速冷却，表层先冷中心后冷，表层冷却快中心冷却慢冷却初期，表层冷却快、温度低、收缩量大，表层产生拉应力、心部产生压应力冷却后期，心部体积继续收缩，表层产生压应力、心部产生压应力（2）组织应力：工件在冷却过程中，由于温差造成的不同部位组织转变不同时性而引起的内应力→与钢在M转变温度范围的冷却速度、工件尺寸、钢的导热性、A的屈服强度，钢的含碳质量分数、M的比热容及钢的淬透性有关淬火初期，表层发生M转变体积膨胀，表层产生压应力、心部产生拉应力继续冷却，心部发生M转变体积膨胀，表层产生拉应力、心部产生压应力组织应力引起的残余应力与热应力恰好相反3、淬火加热：加热温度、加热时间、加热方式、选择介质（1）加热温度：根据钢的临界点确定，以得到均匀细小的A晶粒为原则、以便淬火后获得细小M组织亚共析钢：AC3+（30~50℃）共析钢和过共析钢：AC1+（30~50℃）低合金钢：根据临界点AC1或AC3、合金元素的作用确定，AC1或AC3+（50~100℃）（2）过热：工件在淬火加热时。由于温度过高或时间过长，造成A晶粒粗大的缺陷进行一次细化晶粒的退火或正火，然后按工艺规程进行淬火（3）过烧：工件在淬火加热时，温度过高，使A晶界发生氧化或者出现局部融化（4）氧化：淬火加热时工件和加热介质相互作用，使工件尺寸减小、表面粗糙度降低、影响淬火冷却速度（5）脱碳：工件在加热过程中，钢中的C与炉中O2、H2O、CO2及H2发生化学反应，生成含碳气体逸出钢外，是工件表面含碳质量分数降低的过程盐浴加热、保护气氛加热、真空加热或装箱加热3、淬火冷却：冷却速度必须大于临界冷却速度；适当的淬火介质（水、油）4、淬火方法（1）单液淬火法：将加热至A状态的工件，淬入某种淬火介质中，连续冷却至介质温度的淬火方法操作简单，容易实现机械化、自动化在M转变区冷却速度较快，易产生加大的组织应力，增大工件变形、开裂的倾向（2）双液淬火法：将加热至A状态的工件先在冷却能力较强的淬火介质中快速冷却至接近Ms的温度（避免过冷A发生P和B的转变），然后再转入冷却能力较弱的淬火介质中继续冷却，使过冷A在缓慢冷却条件下转变成M水-油双液淬火法：中、高碳钢工件和合金钢制大型工件油-空气双液淬火法：合金钢工件（3）分级淬火法：将加热至A状态的工件先淬入高于Ms的热浴中停留一定时间，待工件各部分与热浴温度一致后，取出空冷至室温，在缓慢冷却的条件下完成M抓变的淬火方法（4）等温淬火法：将加热至A状态的工件淬入温度稍高于Ms的盐浴中等温，保持足够长时间，使之转变成下B，然后取出空冷的淬火方法4、钢的淬透性：钢在淬火时获得马氏体的能力，是钢的固有属性（1）淬透层深度：由表面至半M区的深度（2）影响因素：钢的临界冷却速度，过冷A的稳定性（3）淬硬性：钢淬火后形成M组织所达到的硬度→取决于M中含碳质量分数（4）测定方法：末端淬火法（端淬法）；端淬曲线；dHRCJ，d的单位为mm四、回火1、回火：将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度，保温一段时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却至室温的一种热处理工艺（1）目的：稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求（2）回火温度：低温、中温和高温回火低温回火：150~250℃，淬火高碳钢和淬火合金钢→回火M（强度、硬度、耐磨性）中温回火：350~500℃，各种弹簧零件和热锻模具→回火T（弹性极限）高温回火：500~650℃，中碳结构钢和低合金结构钢→回火S（综合力学性能）（3）回火保温时间：保证工件各部分温度均匀和组织转变充分进行，降低或消除内应力（4）回火后的冷却：空冷；高温回火后油冷或水冷（抑制回火脆性）2、回火转变：（1）M中碳的偏聚→金相方法不可见，电阻法和内耗法可测得（2）M的分解：回火温度越高，M的碳浓度越低，c越小、a越大；回火时间影响小回火M：高碳钢在350℃以下回火时，M分解成α相和弥散ε--碳化物组成的复相组织易腐蚀，金相显微镜下呈黑色针状组织（3）残余A的转变：残余A与过冷A无本质区别；P与B两种转变之间有稳定区残余A向B转变速率加快，而向P转变速度减慢回火M或下B：淬火碳钢在200~300℃回火时，残余A分解成α相和碳化物的机械混合物（4）碳化物的转变：回火时间延长，碳化物转变温度逐渐降低回火T：由针状α相和其它无共格联系的细小颗粒与片状Fe3C组成的机械混合物（5）Fe3C的聚集长大和α相回复、再结晶回火S：F与粗粒状Fe3C的机械混合物3、淬火钢回火时的机械性能变化：（1）硬度：回火温度升高，硬度下降（弥散强化引起硬度小幅上升）合金元素：强碳化物形成元素在高温回火时弥散强化使钢的硬度显著上升（二次硬化）（2）强度和韧性：强度指标σb和σs不断下降，塑性指标δ、ψ不断上升4、回火脆性：在某些温度区间内回火，可能出现冲击韧性显著降低的现象（1）第一类回火脆性（低温回火脆性）：所有钢中都会出现（不可逆回火脆性）M分解时沿M条或片的边界析出断续的薄壳状碳化物，降低晶界的断裂强度合金元素一般不能抑制，但Si、Mn等可提高脆化温度避免在脆化温度范围内回火（2）第二类回火脆性（高温回火脆性）：合金结构钢（可逆回火脆性）Cr、Mn、P、As、Sb、Sn等合金元素使第二类回火脆性增大将脆化状态的钢重新回火，然后快速冷却即可消除高温回火后快速冷却；提高钢的纯度；形变热处理