钢的热处理原理及四把火

钢的热处理钢的热处理：是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。

热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。

其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。

第一节钢的热处理原理热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺分类：（根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下）1、整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；2、表面热处理：包括表面淬火、物理和化学气相沉积等；3、化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

热处理的三阶段：加热、保温、冷却一、钢在加热时的转变加热的目的：使钢奥氏体化（一）奥氏体（ A）的形成奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则W c ＝0.0218％（体心立方晶格F）W c ＝6.69％（复杂斜方渗碳体）当T 上升到A c1 后W c ＝0.77％（面心立方的A）由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A的形成过程。

在铁素体和渗碳体的相界面上形成。

有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则，空位和位错密度高。

1、奥氏体长大由于铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，A晶核一方面不断向铁素体和渗碳体方向长大，同时自身也不断形成长大。

2、残余 Fe 3 C的溶解 A长大同时由于有部分渗碳体没有完全溶解，还需一段时间才能全溶。

（F比Fe 3 C先消失）3、奥氏体成分的均匀化残余Fe 3 C全溶后，经一段时间保温，通过碳原子的扩散，使A成分逐步均匀化。

（二）奥氏体晶粒的长大奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。

分为 00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的1~10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。

影响 A晶粒粗大因素1、加热温度越高，保温时间愈长，奥氏体晶粒越粗大。

因此，合理选择加热和保温时间。

以保证获得细小均匀的奥氏体组织。

（930～950℃以下加热，晶粒长大的倾向小，便于热处理）2、A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。

二、钢在冷却时的转变生产中采用的冷却方式有：等温冷却和连续冷却（一）过冷奥氏体的等温转变A在相变点A 1 以上是稳定相，冷却至A 1 以下就成了不稳定相，必然要发生转变。

1、奥氏体等温转变图：表示奥氏体过冷在不同温度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量的关系曲线图。

曲线形状与“C”字相似，所以又称C曲线。

2、共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能1）高温珠光体型转变： A 1 ~550℃（ 1）珠光体（P） A 1 ~650℃粗层状约0.3 μ m < 25HRC（ 2）索氏体（S） 650~600℃细层状 0.1~0.3 μ m 25~35HRC（ 3）托氏体（T） 600~550℃极细层状约0.1 μ m 35~40HRC2）中温贝氏体型转变： 550~Ms（ 1）上贝氏体（B 上） 550~350 ℃羽毛状 40~45HRC 脆性大，无使用价值（2）下贝氏体（B 下） 350~M S 黑色针状 45~55HRC 韧性好，综合力学性能好3）低温马氏体型转变： M s ~M f 当 A被迅速过冷至M S 以下时，则发生马氏体（M）转变，主要形态是板条状和片状。

（当 W C ＜ 0.2％时，呈板条状，当 W C ＞ 1.0％呈针片状，当 W C ＝ 0.2％～1.0％时，呈针片状和板条状的混合物）（二）过冷奥氏体的连续冷却转变1．奥氏体连续冷却转变图（共析钢的连续冷却转变如图）连冷却转变图是表示钢经A后，在不同冷却速度的连冷却条件下，过冷A转变开始及转变终了时间与转变温度之间的关系曲线图。

2．共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能（1）随炉冷 P 170~220HBS （700～650℃）（2）空冷 S 25~35HRC （650～600℃）（3）油冷 T＋M 45~55HRC 550℃（4）水冷 M+A ′ 55~65HRC3．马氏体转变当冷速 > V K 时，奥氏体发生M转变，即碳溶于α— F e 中的过饱和固溶体，称为 M（马氏体）。

（ V K ——马氏体临界冷却速度）1）转变特点： M 转变是在一定温度范围内进行（M s ～M f ） ,M 转变是在一个非扩散型转变（碳、铁原子不能扩散） ,M 转变速度极快（大于V k ） ,M 转变具有不完全性（少量的残A） ,M转变只有α－ Fe、γ－Fe 的晶格转变 .（2） M 的组织形态W C （％） M形态σ b /Mpa σs /MPa δ (%) Ak/J HRC0.1-0.25 板条状1020－1530 820－1330 9－17 60－180 30－500.77 片状2350 2040 1 10 66(3) M 的力学性能① M的强度与硬度 C的上升M的硬度、强度上升② M的塑性与韧性低碳板条状M良好板条状 M 具有较高的强度、硬度和较好塑性和韧性相配合的综合力学性能。

针片状 M 比板条 M具有更高硬度，但脆性较大，塑、韧性较差。

钢的退火与正火常用的热处理工艺分为两大类：预备热处理目的：消除坯料、半成品中的某些缺陷，为后续冷加工，最终热处理作组织准备。

最终热处理目的：使工件获得所要求的性能。

退火与正火的目的 : 消除钢材经热加工所引起的某些缺陷,或为以后的切削加工及最终热处理做好组织准备。

一、钢的退火1、概念：将钢件加热到适当温度 (Ac 1 以上或以下)，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。

2、目的：（ 1）降低硬度，提高塑性，（ 2）细化晶粒，消除组织缺陷（ 3）消除内应力（ 4）为淬火作好组织准备3、类型：(根据加热温度可分为在临界温度（Ac 1 或Ac 3 ）以上或以下的退火，前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火均匀化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。

)（1）完全退火：1）概念：将亚共析钢（ Wc＝0.3％~0.6％）加热到AC 3 +（30~50）℃，完全奥氏体化后，保温缓冷（随炉、埋入砂、石灰中），以获得接近平衡状态的组织的热处理工艺称为完全退火。

2）目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。

3）工艺：完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在 Ar1以下较主温度范围内转变为珠光体。

工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部看到均匀化的奥氏体，达到完全重结晶。

完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。

实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

4）适用范围：中碳钢和中碳合金钢的铸，焊，锻，轧制件等。

注意事项：低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。

低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。

过共析钢加热至 Ac cm 以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低。

（2）球化退火1）概念：使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火。

2）工艺：一般球化退火工艺Ａ c 1 +(1０~2０)℃随炉冷至500~600 ℃空冷。

3）目的：降低硬度、改善组织、提高塑性和切削加工性能。

4）适用范围：主要用于共析钢、过共析钢的刃具、量具、模具等。

过共析钢中有网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以进行切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。

为此，钢热加工后必须加一道球化退火，使网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗体发生球化，得到粒状珠光体。

冷却速度和等温温度也会影响碳化物获得球化的效果，冷却速度快或等温温度低，珠光体在较低温度下形成，碳化物颗粒太细，聚集作用小，容易形成片状碳化物，从而使硬度偏高。

如果冷却速度过慢或等温温度过高，形成碳化物颗粒较粗大，聚集作用也很强烈，易形成粗细不等的粒状碳化物，使硬度偏低。

（３）均匀化退火（扩散退火）1）工艺：把合金钢铸锭或铸件加热到 Ac 3 以上150~00℃，保温10~15h后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

2）目的：消除结晶过程中的枝晶偏析，使成分均匀化。

由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。

3）适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。

4）注意：高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。

只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。

对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。

（４）去应力退火1) 概念：为去除由于塑性变形加工 ,焊接等而造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火称为去应力退火。

（去应力退火不发生扭变）2) 工艺：将工件缓慢加热到 Ac 1 以下100~200℃（500~600℃）保温一定时间（1~3h）后随炉缓冷至200℃，再出炉冷却。

钢的一般在 500～600℃铸铁一般在 500～550℃超过550扣容易造成珠光体的石墨化。

焊接件一般为 500～600℃。

3）适用范围：消除铸、锻、焊件，冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。

二、钢的正火1、概念：将钢件加热到Ac 3 (或Ac cm )以上３０～５０℃，保温适当时间后；在静止空气中冷却的热处理工艺称为钢的正火。

2、目的：细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。

3、组织：共析钢 S 、亚共析钢F+S、过共析钢Fe 3 CⅡ＋S4、工艺：正火保温时间和完全退火相同，应以工件透烧，即心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。

正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。

对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。

5、应用范围：1）改善钢的切削加工性能。

碳的含量低于0.25％的碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由铁素体，获得细片状珠光体，使硬度提高，可以改善钢的切削加工性，提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。

2）消除热加工缺陷。

中碳结构钢铸、锻、轧件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。

通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。