金属学与热处理第十章(1)

第十章钢的热处理工艺：通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结果以获得工件所要求性能的一种热加工工艺根据加热、冷却方式和获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为：普通热处理（退火、正火、淬火、回火）；表面热处理（表面淬火、化学热处理）；形变热处理等按照在零件整个生产工艺过程的位置和作用的不同，分为：预备和最终热处理 退火：将钢加热至临界点A c1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺退火目的：均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能退火工艺种类：根据加热温度分，临界温度（A c1或A c3）以上退火（完全、不完全、均匀、球化），临界温度以下退火（再结晶、应力）；根据冷却方式分，等温和连续冷却分类 特点 对象完全退火 加热至Ac3以上20-30℃，使组织完全奥氏体化 共析钢不完全退火 加热至Ac1~Ac3或Ac1~Ac cm，获得平衡组织 亚共析钢、过共析钢球化退火 使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体 共析钢、过共析钢、合金工具钢 均匀化退火 加热至固相线温度下，消除化学不均匀现象 钢锭、铸件、锻坯去应力退火 加热到Ac1以下，消除残留内应力 铸件、锻件、焊接件、机械加工工件冷变形后金属再结晶退火 加热至再结晶温度以上，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，消除加工硬化和残留内应力正火：将钢加热至Ac3（或Ac cm）以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织正火的实质：完全奥氏体化+伪共析转变正火的目的：作为预备热处理，为机械加工提供适宜硬度，细化晶粒、消除应力、消除魏氏组织和带状组织为最终热处理提供合适组织状态；作为最终热处理为某些受力较小、性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适力学性能；正火消除钢的网状碳化物，为球化退火作好组织准备正火应用 对象改善低碳钢的切削加工性能 w c＜0.25%的碳素钢和低合金钢消除碳钢的热加工缺陷 中碳结构钢铸件、锻、轧件和焊接件消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火 过共析钢提高普通结构件的力学性能 受力小、性能要求不高的碳钢和合金钢构件 退火正火的选用w c＜0.25% 正火代替退火 较快冷却速度防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件冷变形性能，正火可以提高其硬度，改善其切削加工性能0.25%＜w c＜0. 5% 正火代替退火 硬度偏高，尚能进行切削加工，正火成本低效率高 0.5%＜w c＜0.75% 完全退火 硬度过高，难以进行切削加工，采用退火降低硬度 w c＞0.75% 球化退火 球化退火作为预备热处理，如有网状二次渗碳体，还应用正火先消除由于正火比退火生产周期短，操作简便，工艺成本低。

因此，在钢的使用性能和 工艺性能能满足的条件下，应尽可能用正火代替退火。

淬火能显著提高钢的强度和硬度，而配以回火又能消除淬火钢的残留应力淬火：将钢加热至Ac3或A c1以上的一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）淬火目的：使奥氏体化后的工件获得尽可能多的马氏体，然后配以不同温度的回火得到各种需要的性能例如：淬火+低温回火，提高工具、轴承、渗碳零件或其他高强度耐磨件的硬度 和耐磨性；淬火+高温回火，得到强韧结合的优良综合力学性能；淬火+ 中温回火，提高弹簧钢的弹性极限淬火工艺：必须将钢加热到临界点（Ac3或A c1）以上获得奥氏体组织，其后的 冷却速度必须大于临界淬火冷却速度（v c）,以得到全部马氏体（含残留奥氏体）淬火内应力：主要有热应力和组织应力淬火应力超过材料屈服强度，产生塑性变形；淬火应力超过材料抗拉强度，开裂 热应力：工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力 由热应力引起的残留应力，表面受压应力，心部受拉应力组织应力：工件冷却过程中，由于内外温差造成组织转变不同时，引起内外比体积的不同变化而产生的内应力钢中各组织的比体积：奥氏体＜珠光体＜贝氏体＜马氏体由组织应力引起的残留应力，表面受拉应力，心部受压应力淬火加热温度选择原则：以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后得到细小的马氏体组织淬火温度确定：主要根据钢的临界点确定亚共析钢加热至Ac3+30~50℃，共析钢和过共析钢加热至Ac1+30~50℃淬火介质：钢从奥氏体状态冷却至M s以下所用的冷却介质理想淬火介质：650℃以上缓慢冷却，降低淬火热应力；650~400℃快速冷却，通过奥氏体最不稳定区域，避免发生珠光体或贝氏体转变；400℃以下，缓慢冷却，减少马氏体转变产生的组织应力淬火方法：单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法、等温淬火单液淬火法：将加热至奥氏体状态的工件放入某种淬火介质中，连续冷却至介质温度的方法；适用于小尺寸且形状简单的工件双液淬火法：将加热至奥氏体状态的工件先在冷却能力较强的淬火介质中冷却至接近M s点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变（水+油；水+空气）分级淬火法：将奥氏体状态工件先淬入温度略高于钢的M s点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变；适用与尺寸小的工件等温淬火：将奥氏体化工件淬入M s点以上某温度盐浴中，等温保温足够长时间，使其转变为下贝氏体组织，然后取出在空气中冷却；适用形状复杂、小尺寸工件一定尺寸和化学成分钢件在某种介质中淬火能否得到全部马氏体取决于淬透性淬透性：奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小以钢在一定条件下淬火获得而得淬透层深度和硬度分布来表示（反映钢的过冷奥氏体稳定性，与钢的临界冷却速度有关）淬硬性：表示钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示 （取决于马氏体中的含碳量）淬透性的测定方法：末端淬火法回火：将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方 式冷却到室温的工艺过程回火目的：减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足工件性能要求决定回火后组织和性能的最重要的因素是回火温度低温回火 中温回火 高温回火150~250℃ 350~500℃ 500~650℃回火马氏体 回火托氏体 回火索氏体刀具、量具、滚动轴承 弹簧零件、热锻模具 中碳结构钢、低合金结构钢 调质处理：习惯上将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理 回火转变程度：生产上常用硬度来衡量钢的回火转变程度淬火工件的过热和过烧：淬火加热时，由于温度过高或时间过长造成的奥氏体晶粒粗大的缺陷叫过热 （轻微过热延长回火时间补救，严重的需进行一次细化晶粒退火再重新淬火） 淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象叫过烧 （过烧无法补救）淬火加热时的氧化和脱碳：钢件在加热时，钢中碳与气氛中的O2、H2O、CO2及H2等发生化学反应，形成的含碳气体逸出钢外，使钢件表面含碳量降低的现象称为脱碳（防止脱碳和氧化的根本办法是真空加热或可控气氛加热）形变热处理：将塑性变形和热处理有机结合在一起的一种复合工艺（提高钢的强韧性重要手段之一）高温形变热处理：将钢加热至Ac3以上，在稳定奥氏体温度范围内进行变形，然后立即淬火，使之发生马氏体转变并回火以获得需要的性能（形变温度和行变量显著影响高温形变热处理的强化效果） 低温形变热处理：将钢加热至奥氏体状态，迅速冷却至Ac1以下、M s以上过冷奥氏体亚稳温度范围进行大量塑性变形，然后立即淬火并回火至所需的性能；（强化原因是亚晶细化，位错密度大大提高，强化了马氏体；奥氏体晶粒细化，进而细化了马氏体片）表面淬火：将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组 织的热处理方法（表硬心韧）感应加热表面淬火：利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法 集肤效应/表面效应：涡流在被加热工件中的分布由表面至心部呈指数衰减，涡流主要分布在工件表面，而工件内部几乎没有电流的现象 感应加热表面淬火分类 常用电流频率 获得硬化层深度 适用高频 80~1000kHz 0.5~2mm 中小模数齿轮和小轴中频 2000~8000Hz 3~6mm 要求淬硬层较深的零件工频 50Hz 10~15mm 大直径钢材的穿透加热感应加热表面淬火的特点1.由于集肤效应，工件表面在极短时间达到Ac3以上很高温度，而工件心部仍处 于相变点之下（中碳钢高频淬火由外到里，马→马+铁+索→铁+珠/回火索）2.加热升温速度快，保温时间极短3.工件表层强度高，马氏体转变，体积膨胀，表层产生很大残留压应力，可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性4.工件耐磨性比普通淬火高5.冲击韧度与淬硬层深度和心部原始组织有关，深度相同，调质态比正火态高；原始组织相同，深度增加，冲击韧度降低6.一般没有氧化和脱碳问题（加热速度快，无保温时间），变形小（内部未加热）7.生产率高，易于控制化学热处理：将金属工件放入含某种活性原子的化学介质中，加热使介质中原子扩散到工件一定深度表层，改变其化学成分和组织，获得与心部不同的性能 （与表层淬火相比，不仅有组织变化，还有成分变化）化学热处理过程：分解→吸附→扩撒，三个基本过程分解：在一定温度下从渗剂中分解出含有被渗元素“活性原子”的过程（[C]/[N]）吸附：分解出的高能状态活性原子，冲入铁晶格表面原子引力场范围内，被铁表面晶格捕获并溶解的过程（吸附能力与钢件表面活性有关）扩散：钢件表面吸收并溶解被渗原子后，由于造成表面和心部浓度差而发生被渗元素原子由高浓度表面向内部定向迁移的现象渗碳：将低碳钢件放入渗碳介质中，900~950℃加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面并获得高碳渗层的方法（固体渗碳、气体渗碳、离子渗碳）渗碳获得组织（由外到里）：珠光体+二次渗碳体的过共析组织→共析和亚共析组 织的过渡区→原始组织，渗碳层深度按（过共析层+共析层+1/2过渡区）计渗碳件经淬火并低温回火后的组织：表层组织：高碳细针状回火马氏体组织加细粒状渗碳体及少量残留奥氏体 心部组织：低碳钢淬透性差（铁素体+珠光体）低合金钢淬透性好（低碳回火马氏体+少量铁素体）渗氮/氮化：向钢件表面渗入氮元素，形成富氮硬化层的化学热处理 （和渗碳相比，有更高的表面硬度和耐磨性）碳氮共渗/氰化：向钢件表层同时渗入碳和氮的过程渗硼：用活性硼原子渗入钢件表层并形成铁的硼化物的化学热处理工艺。