金属热处理知识

前言金属热处理涉及1.金属材料学/工程材料学；2.热能（简称为热加工）。热处理加工的重要性1.热处理是机械工业的重要组成部分；2.现代制造业生产链上不可或缺的极其重要环节;3.是促进金属材料潜力充分发挥、提高机械零件内在质量和使用寿命的关键加工工序，是制造业的基础技术。第一章要了解热处理加工技术--------首先要了解金属材料一、金属材料相关定义1.金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。2.合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。3.相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。4.固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。5.固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。6.化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。7.机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。一、金属材料相关定义8.铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。9.奥氏体：碳在g-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。10.渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。11.珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c含碳0.8%）。12.莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）。13.马氏体：是黑色金属材料的一种组织名称。马氏体马氏体（M）是碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。其比容大于奥氏体、珠光体等组织，这是产生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。一、金属材料相关定义14.Ac1：加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度。15.Ac3：加热时先共析铁素体全部转变成奥氏体的终了温度。16.Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度。17.Ar3：铁碳合金冷却时自A（奥氏体）中开始析出F的临界温度线。18.Ms：马氏体转变开始温度。19.Mf：马氏体转变终了温度。二、金属材料分类在机械、工程等工业领域中，采用的金属材料种类及品种繁多，其分类如下：金属材料黑色金属有色金属铁碳钢合金钢轻有色金属重有色金属稀土金属二、金属材料分类•黑色金属–通常以铁、锰、铬为基础的合金称黑色金属。以铁为基的合金称为钢。•有色金属–以其余合金为基的合金称有色金属。有色金属通常按其元素名称命名。如铝及铝合金，铜及铜合金。二、金属材料分类•按化学成分(黑色金属）–碳素钢分为：•普通碳素钢、优质碳素钢和高级碳素钢。–合金钢分为：•低合金钢、中合金钢和高合金钢。三、金属材料牌号金属材料牌号的表示方法往往是根据其含碳量、合金元素含量、强度级别、汉语拼音来表示。汉语拼音一般表示材料的名称、用途、特性和工艺方法。三、金属材料牌号例：不锈钢–当含碳量上限大于0.1％时，以一位数字表示C含量，其余合金元素按合金结构钢表示方法表示。如1Cr18Ni9Ti–含碳量上限不超过0.08％时，前面加0，如：0Cr18Ni9Ti–当含碳量上限不超过0.03％时，牌号前加00，如00Cr17Ni14Mo2（316L）。–含碳量上限没有规定时，采用阿拉伯数字表示含碳量上限，如2Cr13。四、金属元素的作用•碳（C）：•钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。典型的例子是低碳钢、高碳钢、高碳钢力学性能变化。四、金属元素的作用•铬(Cr)•铬能增加钢的淬透性并有二次硬化作用。可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；含量超过12%时。使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用。还增加钢的热强性，铬为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。•铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度。降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时，强度和硬度将下降，伸长率和断面收缩率则相应地有所提高。含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。•铬在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性。使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。四、金属元素的作用•钼(Mo)•钼在钢中能提高淬透性和热强性。防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性。•在调质钢中，钼能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除（或降低）残余应力，提高塑性。•在渗碳钢中钼除具有上述作用外，还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中残留奥氏体，相对地增加了表面层的耐磨性。•在锻模钢中，钼还能保持钢有比较稳定的硬度，增加对变形、开裂和磨损等的抗力。•在不锈耐酸钢中，钼能进一步提高对有抗酸（如蚁酸、醋酸、草酸等）以及过氧化氢、硫酸，亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白粉液等的抗蚀性。特别是由于钼的加入，防止了氯离子存在所产生的点腐蚀倾向。四、金属元素的作用•锰(Mn)•锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般都含有一定量的锰，它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。•锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。锰在钢中由于降低临界转变温度。起到细化珠光体的作用。也间接地起到提高珠光体钢强度的作用；锰稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，也强烈增加钢的淬透性。已用含量不超过2%的锰与其他元素配合制成多种合金钢。•锰具有资源丰富、效能多样的特点，获得了广泛的应用，如含锰较高的碳素结构钢、弹簧钢。•在高碳高锰耐磨钢中。锰含量可达10%一14%，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性。四、金属元素的作用•钒(V)•钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。在热处理应用中有二次硬化功能，抗回火回火能力好，红硬性好。四、金属元素的作用•硅(Si)•硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于磷，较锰、镍、铬、钨、钼和钒等元素强。但含硅超过3%时,将显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等,这是硅或硅锰钢可作为弹簧钢种的缘故。•硅能降低钢的密度、热导率和电导率。能促使铁素体晶粒粗化。降低矫顽力。有减小晶体的各向异性倾向，使磁化容易，磁阻减小，可用来生产电工用钢，所以硅钢片的磁滞损耗较低，硅能提高铁素体的磁导率，使硅钢片在较弱磁场下有较高的磁感强度。•含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。•硅能促使铸钢中的柱状晶成长，降低塑性。硅钢若加热或冷却较快，由于热导率低，钢的内部和外部温差较大，因而易裂。四、金属元素的作用•磷(P)•磷在钢中固溶强化和冷作硬化作用强，作为合金元素加入低合金结构钢中，能提高其强度和钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能。磷与硫和锰联合使用，能增加钢的被切削性能，增加加工件的表面质量，用于易切钢，所以易切钢含磷也较高。磷溶于铁素体，虽然能提高钢的强度和硬度，最大的害处是偏析严重，增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，也即所谓”冷脆”现象。磷对焊接性也有不良影响。磷是有害元素，应严加控制，一般含量不大于0.030%-0.040%。四、金属元素的作用•硫(S)•提高硫和锰的含量，可改善钢的被切削性能，在易切削钢中硫作为有益元素加入。硫在钢中偏析严重，恶化钢的质量。在高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素，它以熔点较低的FeS的形式存在；单独存在的FeS的熔点只有1190℃，而在钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低，只有988℃，当钢凝固时，硫化铁析集在原生晶界处。钢在1100-1200℃进行轧制时，晶界上的FeS就将熔化，大大地削弱了晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现象。因此对硫应严加控制，一般控制在0.020%-0.050%。为了防止因硫导致的脆性，应加入足够的锰，使其形成熔点较高的MnS。第二章金属热处理加工----简称热加工热处理过程通俗讲就是加热、保温及冷却过程一、热处理相关定义1.淬火：是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。2.回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。3.正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。一、热处理相关定义4.退火：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。5.球化退火：将钢加热到Ac1以上20～40℃，保温一段时间，然后缓慢冷却到略低于Ac1的温度，并停留一段时间，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。（主要用于高C钢）6.固溶处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。一、热处理相关定义7.时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。8.调质处理：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。■淬火的目的获得金属材料内部马氏体或贝氏体组织。■回火的目的①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。④调整淬火硬度。■回火的种类①低温回火：工件在250℃以下进行的回火。②中温回火：工件在250～500℃之间进行的回火。③高温回火：工件500℃以上进行的回火。■正火的目的（1）对于力学性能要求不高的碳钢、低合金钢结构件，可作最终热处理。（2）对于低碳钢可用来调整硬度，避免切削加工中的粘刀现象，改善切削加工性。（3）对于共析、过共析钢，正火可消除网状二次渗碳体，为球化退火作准备。■退火的目的（1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。（2）细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的的热处理做准备。（3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。二、金属热处理的种类■整体热处理：零件整体硬化。淬火/正火/调质/固溶/时效/退磁等。■表面热处理：表面强化。高中频淬火/火焰淬火/高束能淬火/激光淬火等。■化学热处理：发黑/渗碳/氮化/碳氮共渗/氧化/电镀/涂层等。二、金属热处理的种类■钎焊加工：焊接加工铜基钎焊/银基钎焊/镍基钎焊等■真空烧结：PM/MIM粉末冶金主要应用于复杂精密小零件粉末成型后烧结加工。三、MJ热处理制程应用■机械零件的淬火■淬火零件整体回火■消除应力回火■正火加工■退火加工■固溶■时效■T6■退磁处理：磁性材料■真空钎焊■真空烧结：铁基/铜基/镍基■调质处理■TD处理■氮化处理■渗碳/碳氮共渗四、金属热处理过程•热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。•这些过程互相衔接，不可间断，连续作业。•加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，