第四章、钢的热处理

第四章钢的热处理

热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。

热处理工艺方法较多，但其过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成，如图4--1

热处理的分类见表4--1。

第一节钢在加热时的组织转变

大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间，使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织，然后采用适当的冷却方法，获得所需要的其它组织结构，如马氏体、贝氏体等。

金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点，如图4—2。

在铁碳合金状态图中，A

1、A

3

、A

c m

是平衡条件下的临界点；

实际加热时的临界点标为A

c1、A

c3

、A

c c m

；

冷却时的临界点标为A

r1、A

r3

、A

r c m

。

一、奥氏体的形成

以共析钢为例来分析共析钢奥氏体的形成过程。珠光体向奥氏体的转变，是由化学成分和晶格都不相同的两相，转变为另一种化学成分和晶格的过程，因此，在转变过程中必须进行碳原子的扩散和铁原子的晶格重构，即发生相变。

研究发现：奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体转变可以分为四个阶段：①奥氏体晶核形成；②奥氏体晶核长大；③残余渗碳体溶解；④奥氏体化学成分的均匀化，如图4—3。

钢在热处理时之所以需要一定的保温时间，不仅是为了把零件热透，而且也是为了获得化学成分均匀的奥氏体，以便在冷却时得到良好的组织和性能。

由铁碳合金状态图可以看出，亚共析钢需加热到A

c3

以上，并保温适当时

间，才能得到化学成分均匀单一的奥氏体组织；过共析钢需加热到A

c c m

以上，并保温适当时间，才能得到化学成分均匀单一的奥氏体组织。

二、奥氏体晶粒长大及其控制措施

钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，其性能也较好；反之，转变产物的晶粒则粗大，其性能则较差。

1．合理选择加热温度和保温时间

2．选用含有合金元素的钢

第二节钢在冷却时的组织转变

实践证明：同一化学成分的钢，加热到奥氏体状态后，若采用不同的冷却方法和冷却速度进行冷却，将得到形态不同的各种组织，从而获得不同的性能。

♦在一定冷却速度下进行冷却时，奥氏体要过冷到A1温度以下才能完成转变。在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体，它有较强的相变趋势。

钢在冷却时，可以采取两种冷却转变方式：等温转变和连续冷却转变。

♦等温转变是指工件奥氏体化后，冷却到临界点以下的某一温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生的相变。

♦连续冷却转变是指工件奥氏体化后以不同冷速连续冷却时过冷奥氏体发生的相变。

采用等温转变可以获得单一的珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体组织。而采用连续冷却转变时，由于连续冷却转变是在一个温度范围内进行，其转变产物往往不一定是单一的，根据冷却速度的变化，有可能是P＋S、S＋T或T＋M等。

第三节退火与正火

钢的退火与正火是常用的两种基本热处理工艺方法，主要用来处理工件毛坯，为以后切削加工和最终热处理做组织准备，因此，退火与正火通常又称为预备热处理。对一般铸件、焊接件以及性能要求不高的工件来讲，退火和正火也可作为最终热处理。

一、钢的退火

将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺过程叫钢的退火，其目的是消除钢的内应力；降低硬度，提高塑性；细化组织，均匀成分，以利于后续加工，并为最终热处理做好组织准备。

根据钢的化学成分和退火目的不同，退火常分为：完全退火、球化退火、去应力退火、扩散退火和再结晶退火等，如图4—5，图4—6.

1.完全退火

♦完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。

完全退火后所得到的室温组织为铁素体和珠光体。

完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件等。

2.球化退火

球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火。

球化退火得到的室温组织为铁素体基体上均匀分布着球状(粒状)渗碳体，即球状珠光体组织。

球化退火主要用于过共析钢和共析钢制造的刃具、量具、模具等零件。

3.去应力退火

去应力退火是为去除工件塑性形变加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。

钢件在去应力退火的加热及冷却过程中无相变发生。

去应力退火主要用于消除钢件在切削加工、铸造、锻造、热处理、焊接等过程中产生的残余应力并稳定其尺寸。

二、钢的正火

指工件加热到奥氏体化后在空气中缓慢冷却的热处理工艺过程叫正火。

正火的目的是细化晶粒，提高硬度，消除网状渗碳体，并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。

生产中正火主要应用于如下场合：

（1）改善切削性能。低碳钢和低合金钢退火后铁素体所占比例较大，硬度偏低，切削加工时有“粘刀”现象，而且表面粗糙度值较大。通过正火能适当提高硬度，改善切削加工性。

（2）消除网状碳化物，为球化退火作组织准备。

（3）用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理，以代替调质处理，如铁道车辆的车轴。

（4）用于淬火返修件，消除应力，细化组织，防止重新淬火时产生变形与开裂。

小结与作业

第四节淬火

把工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺过程叫钢的淬火。

马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高，用符号M表示。

马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。马氏体中由于溶入过多的碳原子，从而使α-Fe晶格发生畸变，增加其塑性变形抗力，故马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。

一、淬火

(一)淬火的目的

淬火的目的主要是使钢件得到马氏体(和贝氏体)组织，提高钢的硬度和强度，与适当的回火工艺相配合，更好地发挥钢材的性能潜力。

(二)淬火工艺

1．淬火加热温度的确定

以上30℃～50℃。

亚共析钢淬火加热温度为Ac

3

以上30℃～50℃。

共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac

1

2．淬火介质

常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、硝盐浴和空气等。

3．淬火方法

(1)单液淬火。

将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法。例如，低碳钢和中碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火等。

单液淬火方法主要应用于形状简单的钢件。

(2)双液淬火。

将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法，称为双液淬火。例如，先在水中冷却后在油中冷却的双液淬火。

双液淬火主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。

(3)马氏体分级淬火

工件加热奥氏体化浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法，称为马氏体分级淬火。马氏体分级淬火能够减小工件中的热应力，并缓和相变过程中产生的组织应力，减少淬火变形。

马氏体分级淬火适用于尺寸比较小、形状复杂的工件的淬火。