热处理

钢的热处理是将钢在固态下加热到一定温度进行必要的保温，然后以适当的冷却速度冷却以改变钢的组织和结构，从而获得所需要机械性能的方法。通过热处理，可以提高钢的强度和硬度，改善钢的塑性和韧性等。因此，许多重要零件要进行热处理。例如，机床上有80%左右的零件要进行热处理，刀具、量具和模具全部要进行热处理。热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的。因此，热处理工艺过程可用“温度—时间”为坐标的曲线图表示，此曲线称为热处理工艺曲线。第四章钢的热处理第四章钢的热处理钢材整个生产过程中的热处理，包括钢锭的热处理，压力加工过程中的和成品的热处理。钢锭的热处理主要是不同温度下的退火。钢材的热处理可依工艺性能和使用性能要求不同而异。例如各种钢材常须进行正火处理，以获得细而均匀的组织和较好的综合机械性能。高强度调质钢材则常进行淬火回火处理，以保证达到要求的机械性能。不锈钢板与钢带，大多数进行固镕处理以改善其耐蚀性。热锻（轧)钢材可根据用户的要求来决定产品的热处理工艺。冷拉(轧)钢材需进行坯料热处理、中间热处理和成品热处理。第四章钢的热处理热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火感应加热淬火表面淬火化学热处理氮化碳氮共渗及其它渗碳火焰加热淬火第四章钢的热处理Fe—Fe3C状态图A1、A3、Acm线是反映不同碳的质量分数的钢在缓慢冷却时的相变温度，在实际生产中，加热和冷却不能很缓慢，总有不同程度的相变滞后现象，即加热时实际转变温度高于平衡温度，冷却时实际转变温度又低于平衡温度（过冷、过热）。通常用Ac1、Ac3和Accm表示加热时滞后的转变温度；用Ar1、Ar3和Arcm表示冷却时滞后的转变温度。第一节钢在加热和冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变由Fe—Fe3C状态图可知，钢加热至稍高于727°C(PSK线或A1线)时，将发生珠光体向奥氏体的转变。这种转变过程伴随着铁原子和碳原子的扩散，所以其转变过程属于一种扩散型的转变。以共析钢为例，分析奥氏体形成的过程。其基本过程可描述为四个步骤⒈奥氏体晶核的形成奥氏体晶核易于在铁素体与渗碳体的交界面形成⒉奥氏体的长大由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体相差很大，故在铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解。随着时间的延长，残余渗碳体继续向奥氏体中溶解，直至完全消失。⒊残余渗碳体的溶解奥氏体晶核形成后，它一方面与渗碳体相接，另一方面与铁素体相接，奥氏体中的含碳量是不均匀的，存在着碳的浓度梯度。随着碳的扩散，铁素体向奥氏体转变，渗碳体不断溶解。⒋奥氏体的均匀化渗碳体刚刚消失时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。原来渗碳体处的含碳量高，而原来铁素体处的含碳量低，需要一定的保温时间，通过碳原子的进一步扩散，才能使奥氏体中含碳量逐渐均匀。第一节钢在加热和冷却时的组织转变当珠光体向奥氏体转变刚刚完成时，奥氏体的晶粒是比较小的。这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多，有利于形成数目众多的奥氏体晶核。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大，它是通过晶粒之间的相互吞并来完成的。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大。钢在具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体的实际晶粒。其大小对冷却转变后钢的性能有明显的影响。因此，钢在加热时，为了获得细小而均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间。第一节钢在加热和冷却时的组织转变第一节钢在加热和冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变钢经加热获得奥氏体组织后，如在不同的冷却条件下冷却，最后可使钢获得不同的力学性能。例如用45钢制造的直径为15mm的轴，经840°C加热后，若在空气中冷却，其表面硬度小于HBS209；若在油中冷却，其表面硬度可达HRC45左右；若在水中冷却，其表面硬度可达HRC65左右。为了解这些差别的原因，必须了解奥氏体在冷却过程中的组织变化规律。⒈两种冷却方式①连续冷却使加热到奥氏体的钢在温度连续下降的过程中发生组织转变。第一节钢在加热和冷却时的组织转变•②等温冷却使加热到奥氏体的钢，先以较快的速度冷却到A1(727°C)线以下一定温度，这时奥氏体尚未转变，成为过冷奥氏体，然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变，转变完成后，再冷却到室温。•过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中转变温度、转变时间与转变产物（转变开始及终了）的关系曲线图称为等温转变图，也称为C曲线或TTT曲线图。在C曲线上可以了解到不同温度下的转变产物，因此，它是一种用来研究冷却过程中奥氏体不平衡转变的重要工具。第一节钢在加热和冷却时的组织转变第一节钢在加热和冷却时的组织转变⒉共析钢过冷奥氏体等温转变产物①高温转变产物共析钢奥氏体过冷到727~550°C之间等温转变产物属于珠光体型组织，都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物。过冷度越大，片层越薄，硬度也越高。珠光体(P)—过冷到727~650°C之间的转变产物索氏体(S)—过冷到650~600°C之间的转变产物屈氏体(T)—过冷到600~550°C之间的转变产物②中温转变产物产物共析钢奥氏体过冷到650℃~600℃之间等温转变产物,属于贝氏体型组织(B),是由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成。贝氏体比珠光体具有更高的硬度。第一节钢在加热和冷却时的组织转变过冷到550℃~350℃之间的转变组织为上贝氏体半扩散型（Ｂ上），Fe不扩散，羽毛状碳化物分布在F间，韧性差，过冷到350℃~MS之间的转变组织为下贝氏体（Ｂ下），C原子有一定的扩散能力，针状碳化物分布在F内，韧性高，综合机械性能好。③低温转变产物共析钢奥氏体过冷到Ms230℃~Mf-50℃之间的转变产物,马氏体（M）组织。是含碳过饱和的α—固溶体。由于马氏体中溶入过多的碳使晶格严重扭曲，从而增加了变形抗力，所以马氏体具有很高的硬度。含碳量越高其硬度越大。马氏体是单相亚稳定的组织。第一节钢在加热和冷却时的组织转变第一节钢在加热和冷却时的组织转变马氏体转变的特点：MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，属于非扩散型转变。马氏体转变速度及快，转变时体积发生膨胀（马氏体的比容比奥氏体的比容大），因而产生很大内应力。a.A过冷→M+A'残余b.转变产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。C%0.23%，板条状MC%1.0%，针状，马氏体c.实质：转变温度低——C无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和C的铁素体。550℃~350℃上贝氏体半扩散型，Fe不扩散羽毛状碳化物在F间，韧性差350℃~MS下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好w（3）低温区转变——马氏体转变，MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，离于非扩散型转变。a.A过冷→M+A'残余b.转变产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。C%0.23%，板条状MC%1.0%，针状，马氏体c.实质：T低——C无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和C的铁素体。d.M转变的特征，①无扩散性②瞬时性③存在Ms,Mf④不完全性⑤体积膨胀3．共析钢等温转变组织——性能的关系（1）珠光体型转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性提高（2）贝氏体B上：强度、韧性差B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能（3）马氏体硬度高C%↑→HRC↑针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差板条状，强度高，塑性，韧性好4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线全屏显示第一节钢在加热和冷却时的组织转变第一节钢在加热和冷却时的组织转变第一节钢在加热和冷却时的组织转变3．共析钢等温转变组织——性能的关系（1）珠光体型转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性提高（2）贝氏体B上：强度、韧性差B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能（3）马氏体硬度高C%↑→HRC↑针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差板条状，强度高，塑性，韧性好第一节钢在加热和冷却时的组织转变第二节钢的退火和正火一、退火将工件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，然后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却的热处理工艺。目的：降低硬度，以利于切削加工；细化晶粒，改善组织，提高机械性能；消除内应力，为下面的淬火工序做准备；提高钢的塑性和韧性，便于进行压力加工（冲压、锻压、拉拔等）。1．完全退火加热温度：Ac3以上20-30°C；组织：P+F目的：①使粗大、不均匀组织均匀化，细化晶粒，提高机械性能；②接近平衡组织——调整（降低）硬度→切削性↑③消除内应力应用范围：亚共折钢，共析钢和合金钢的铸件、锻件等，不适用于过共析钢。第二节钢的退火和正火2．球化退火（不完全退火）加热温度：Ac1以上20-30°C（随炉冷却600°C左右出炉在空气中冷却）应用范围：过共析的碳钢和合金钢组织：球状P（F+球状渗碳体）目的：①将过共析钢经轧制、锻造空冷后使出现的片层状珠光体和网状二次渗碳体都发生球化，→HRC↓，韧性↑→切削性↑②为淬火作准备（减少工件变形和开裂的倾向）球化退火前，若钢的原始组织中有明显网状渗碳体时，应先进行正火处理。第二节钢的退火和正火3．去应力退火将工件缓慢加热到500-650℃，保温一定时间，随炉温缓慢冷却至室温。由于去应力退火加热温度低于A1，故钢在去应力退火过程中并无组织变化。去应力退火的主要用于消除铸件、锻件及焊接结构件的残余应力，以及冷加工后的加工应力。以防止工件变形和开裂。4．再结晶退火加热温度：Ac1以下50-150℃，或再结晶温度以上30-50℃，保温一定时间，随炉温缓慢冷却至室温。目的：消除加工硬化第二节钢的退火和正火5．扩散退火（均匀化退火）加热温度：1050-1150℃，保温时间10-20h,组织：P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（应用完全退火消除）二、正火将钢材或钢件加热到AC3或Accm以上30-50℃，保温适当的时间后，出炉在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火与退火的主要区别是冷却速度较快，同一种钢正火后的珠光体片层较薄，晶粒较细，强度和硬度较高，韧度也较好。第二节钢的退火和正火正火后的组织：S+（F或Fe3C）正火的应用：（1）作最终热处理，普通结构钢零件目的：a.细化A晶粒，组织均匀化，b.减少了亚共析钢中F%→P%↑，细化→强度，韧性，硬度↑（2）预先热处理a.消除亚共析钢中的魏氏组织，带状组织；细化组织→为淬火、调质作准备魏氏组织：片状F的析出当转变温度较低，A中成分均匀，晶粒粗大时，F向与其有位向关系的A中长大，就使得同一晶粒中F呈片状且相互平行。通常将这种先共析铁素体称为魏氏组织铁素体b.使过共析钢中Fe3CII↓→使其不形成连续网状，为球化作准备（3）改善切削加工性能（针对低碳钢）第二节钢的退火和正火5、扩散退火第三节钢的淬火和回火一、淬火淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上30~50°C，保温一定时间后，在油中或水中快速冷却的一种热处理工艺。淬火的目的是为了获得高硬度的马氏体组织。⒈淬火冷却其始温度的选择①亚共析钢在Ac3以上30~50°C，这是为了得到细晶粒的奥氏体，以便在冷却时获得细小的马氏体。②过亚共析钢在Ac1以上30~50°C，淬火后形成在细小马氏体基体上均匀分布细小渗碳体组织。这种组织不仅耐磨性好，而且脆性也小。第三节钢的淬火和回火第三节钢的淬火和回火•2．淬火介质•常用的淬火介质有水、水溶液盐类、熔盐、空气等。•为了保证钢中的奥氏体转变为马氏体，而不出现非马氏体组织，对临界冷却速度大的碳钢常采用淬火冷却烈度大的水或水溶液为淬火介质；而合金钢一般用油作为淬火介质。•⒊淬火方法•①单液淬火法将钢奥氏体化后，在单一淬火介质中冷却到室温的处理，称为单液淬火。•②双液淬火法将钢奥氏体化后，先侵入一种冷却能力强的介质中，在钢的组织还未转变时迅速取出，马上侵入另一种冷却能力弱的介质中，缓冷至室温。第三节钢的淬火和回火双液淬火的优点是内应力小，变形及开裂少，缺点是操作困难，不易掌握，主要应用于