汽车零件常用热处理

1.铁碳相图和铁碳合金
图1 铁碳双重相图
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横坐标为钢的含碳量；纵坐标为温度。 由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶 解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的 γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体 心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅 分别为0.0218%和0.09%。
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共晶转变发生在1148℃（水平线ECF）， 反应式为：


共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机 械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。 凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却 到1148℃时，都会发生共晶反应，形成 莱氏体。
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共析转变发生727℃（水平线PSK），反 应式为： 共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机 械混合物，称为珠光体，用字母P表示。 含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却 至727℃ 时，其中的奥氏体必将发生共 析转变，形成珠光体。
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图2 Fe-Fe3C相图
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单相区——5个 相图中有5个基本的相，相应的有5个相 区： 液相区(L)——ABCD以上区域 δ固溶体区——AHNA 奥氏体区(γ)——NJESGN 铁素体区(α)——GPQ以左 渗碳体区(Fe3C)——DFK直线
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4. 400℃以上渗碳体的聚集长大,在第 三阶段结束时,钢内形成了细粒状渗碳 体均匀分布在铁素体基体上的两相混合 物,随着回火温度的升高,渗碳体颗粒不 断聚集而长大.根据混合物中渗碳体颗 粒大小,可将回火组织分为二种:400500℃内形成的组织,渗碳体颗粒很细小, 称为回火屈氏体.温度升高到500-600℃ 时,得到细小的粒状渗碳体和铁素体的 机械混合物,称为回火索氏体 .
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根据Fe-Fe3C相图，共析钢从液态冷却 到室温要发生三次组织转变：匀晶转变 L→γ（奥氏体），共析转变 γ→(α+Fe3C)（珠光体P）,α中析出 三次渗碳体(Fe3CIII)。具体转变过程 见分解图4、5、6、7。室温下共析钢的 组织组成全部为珠光体（可以忽略 Fe3CIII）。图8是共析钢室温组织（珠 光体）的金相照片。
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PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。
727℃时铁素体中溶解的碳最多 (0.0218%)，而在200℃仅可以溶解 7×10-7%C。所以铁碳合金由727℃冷却 到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体 析出，这种渗碳体称为三次渗碳体 (Fe3CIII)。由于三次渗碳体沿铁素体 晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢 影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳 合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽 略不计。
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3.白口铁——含碳量2.11%～6.69%，特点是液态结 晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。但 是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。根据室温 组织不同，白口铁又分为： 亚共晶白口铁(Hypo-eutectic white iron)：含碳 2.11%～4.30%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C+莱氏体 Ld'。 共晶白口铁(Eutectic white iron)：含碳4.30%， 组织是莱氏体Ld'。 过共晶白口铁(Hyper-eutectic white iron)：含碳 4.3%~6.69%，组织是渗碳体Fe3C+莱氏体Ld'。
前言


汽车零件金属热处理工艺通常有五种方 法： 退火与正火 淬火 回火、时效和和调质处理 表面淬火 化学热处理
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钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最 广的金属材料，虽然它们的种类很多， 成分不一，但是它们的基本组成都是铁 (Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳 相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实 际问题是非常重要的。
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GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转
变的开始线；或者说是加热过程中，铁 素体向奥氏体转变的终了线（具有同素 异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同 素异晶转变，但其转变温度有变化）。
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根据铁碳合金的含碳量及组织的不同， 可以分为纯铁、钢和白口铁三类。

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图16 60钢的室温组织
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根据铁碳相图，共析钢加热到超过A1 温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析 钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上 才能获得单相奥氏体。 钢加热和冷却时发生相转变的温度。 α铁加热到910℃以上就变成为γ铁， 如果再冷却到910℃以下又变为α铁， 此转变温度称为A3转变温度，

两相区——7个 7个两相区分别存在于两个相应的单 相区之间： L+δ——AHJBA L+γ——BJECB L+ Fe3C——DCFD δ+γ——HNJH γ+α——GPSG γ+ Fe3C——ESKFCE α+ Fe3C——PQLKSP
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三相区——3个 包晶线——水平线HJB(L+δ+γ) 共晶线——水平线ECF(L+γ+Fe3C) 共析线——水平线PSK(γ+α+ Fe3C)
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Fe-Fe3C相图包含三个恒温转变：包晶、 共晶、共析。 包晶转变发生在1495℃（水平线HJB） 反应式为：


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式中 L0.53——含碳量为0.53%的液相； δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体； γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体， 即奥氏体，是包晶转变的产物。 含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷 却到1495℃时，均要发生包晶反应，形 成奥氏体。
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Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特 性线也是非常重要的，它们的含义简述 如下： ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。 奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可 以溶解2.11%的碳。而在727℃时，溶碳 量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的 合金，从1148℃冷到727℃的过程中， 将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体 称为二次渗碳体(Fe3CII)。

图3 Fe-Fe3C合金分类
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1.纯铁——含碳量<0.0218%，显微组织为铁素体。 2.钢——含碳量0.0218%～2.11%，特点是高温组织 为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。 根据室温组织的不同，钢又可以分为： 亚共析钢(Hypo-eutectoid steel)：含碳量 0.0218%~0.77%，具有铁素体α+珠光体P的组织，且 含碳量越高（接近0.77%）,珠光体的相对量越多， 铁素体量越少。 共析钢(Eutectoid)：含碳0.77%，组织是全部珠光 体P。 过共析钢(Hyper-eutectoid)：含碳量0.77%～2.11%， 组织是珠光体P+渗碳体Fe3C。
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Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多 种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划 分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和 FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相， 后面三部分相图实际上没有应用价值 （工业上使用的铁碳合金含碳量不超过 5％），因此，通常所说的铁碳相图就 是Fe-Fe3C部分。
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室温下45钢的组织为：铁素体α+珠光 体P（α+Fe3C）。45钢的实际室温组织 照片见图14。所有亚共析钢的室温组织 都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在 于相对量的差别：含碳量越高（越接近 0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的 量越少。
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钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体， 然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不 同的组织，得到钢的不同性能。因此掌 握热处理规律，首先要研究钢在加热时 的变化。
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钢淬火后的组织是马氏体及少量残余奥 氏体,它们都是不稳定的组织,都有向稳 定的组织(铁素体和渗碳体两相混合物) 转变的倾向.但在室温下,原子活动能力 很差,这种转变速度极慢.随着回火温度 的升高,原子活动能力加强,组织转变便 以较快的速度进行.由于组织的变化,钢 的性能也发生相应的变化.
汽车零件常用 热处理方法
知识讲座
目
录
1. 2. 3.
4.
前言 铁碳相图和铁碳合金 汽车零件常用金属热处理方法 有关硬度方面的常识 应用范例
前言

熟悉和了解汽车各种各样零件的不同热 处理工艺方法，对汽车制造业的质量控 制人员是至关重要的。为此，下面就一 些常用的热处理工艺知识做一介绍，可 能对大家的质检工作有所帮助。
1.铁碳相图和铁碳合金

图4
Baidu Nhomakorabea
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1.铁碳相图和铁碳合金
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即45号钢 45钢在液态到室温的冷却过程中将发生 以下转变： 匀晶转变L0.45→L0.53+δ， 包晶转变L0.53+δ→γ0.45， 同素异晶转变γ0.45→α+γ0.77， 共析转变γ0.77→(α+Fe3C)。转变过程 见分解图9、10、11、12、13。
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2. 200-300℃残余奥氏体分解,当钢加 热温度超过200℃时,马氏体继续分解, 同时,残余奥氏体也开始分解,转变为下 贝氏体或回火马氏体,到300℃时,残余 奥氏体的分解基本结束. 3. 300-400℃渗碳体的形成,钢在回火 的这一阶段,从过饱和固溶体中析出的 碳化物转变为颗粒状的渗碳体(Fe3C). 当温度达到400℃时,α固溶体中过饱和 的碳已基本完全析出,α-Fe晶格恢复正 常,由过饱和固溶体转变为铁素体.钢的 内应力基本清除.
2.汽车零件常用金属热处理方法
2.汽车零件常用金属热处理方法


2-1 退火处理
钢的退火 将钢加热到一定温度并保温一段时间，然 后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热 到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷 却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺 陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢 的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提 高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为 了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力， 又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处 理，又称预先热处理。
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按回火温度的不同,回火时淬火钢的组 织转变可分为四个阶段. 1. 80-200℃马氏体分解,当钢加热到约 80℃时,其内部原子活动能力有所增加, 马氏体中的过饱和碳开始逐步以碳化物 的形式析出,马氏体中碳的过饱和程度 不断降低,同时,晶格畸变程度也减弱, 内应力有所降低.这种出过饱和程度较 低的马氏体和极细的碳化物所组成的组 织,称为回火马氏体.
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化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)， 是一种亚稳定的化合物，在一定条件下 可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就 是石墨。因此，铁碳相图常表示为FeFe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。FeFe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图 则主要用于铸铁的研究 和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相 图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧
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对于碳含量小于0.77％铁碳合金，该 转变温度随碳含量的增加而降低；碳含 量为0.77％时的转变温度称为A1转变 温度；碳含量大于0.77％时的转变温 度称为Acm转变温度，该转变温度随碳 含量的增加而升高。AC1和AC3代表加 热时的转变温度，Ar1和Ar3代表冷却 时的转变温度。这些转变温度简称为临 界点，或叫临界温度。有时还把AC3称 为上临界点。