工程材料论文

工程材料论文：
热
处
理
的
具
体
过
程
及
实
例
学了一学期的工程材料，对材料的选择处理应用有了进一步的了解。

尤其是对热处理这一部分，十分感兴趣。

什么是热处理？热处理的步骤有哪些？抱着疑问我查阅了资料，总结如下。

钢在固定下采用适当方式进行加热、保温、并以一定的冷却速度冷却到室温, 改变钢的组织从而改变其性能的一种工艺方法, 称为钢的热处理。

钢的热处理方式有以下几种:
(1)淬火。

将钢加热到临界点AC3 或AC1 以上某一温度, 保温一定时间, 使钢的组织全部转变为奥氏体, 然后以适当速度冷却(在水、油中冷却)获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。

淬火的目的是大大提高钢材的硬度。

理论上, 任何材料都可以进行淬火处理, 但实际上, 如低碳钢为了进行淬火, 其冷却速度需达到2 000 ℃/s, 目前生产中尚无这样的制冷剂可以达到如此高的冷却速度, 所以通常认为低碳钢不能进行淬火处理。

(2)退火。

将钢加热到适当温度, 保持一定时间, 然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。

退火的目的是细化晶粒, 使组织均匀化, 降低硬度, 提高塑性和消除内应力。

(3)正火。

将钢加热到临界点AC3 或AC cm 以上30～50 ℃, 保温一定时间后, 在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。

正火能细化晶粒, 提高钢的冲击韧度和综合力学性能。

(4)回火。

将淬火钢重新加热到临界点AC1 以下的某一温度, 保温一定时间, 然后在空气或油中冷却到室温的热处理工艺, 称为回火。

回火的目的是稳定组织、稳定零件在使用中的性能和尺寸; 消除内应力; 提高塑性和韧性。

根据加热温度的不同, 回火可分为高温回火(400℃以上)、中温回火(250～400 ℃)和低温回火(150～250 ℃)。

对于重要的焊接结构经常采用高温回火来消除结构中的残余焊接应力。

钢经淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理,调质处理后可得到强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。

钢铁材料在国民经济中占有十分重要的地位。

它们的应用非常广泛。

在实际使用或生产加工过程中。

人们对钢铁材料提出了各种不同的性能要求。

单凭原始材料的性能已经满足不了工程技术上的要求。

例如：为了便于切削加工就要求材料的硬度适当降低。

以节约机械加工时的刀具消耗和提高劳动生产率：为使零件耐磨损，延长使用寿命，就要求其具有较高的硬度；为使零件能在有腐蚀性气体的环境中长期工作，就要求其具有一定的耐腐蚀性等。

为满足这些性能要求，除了合理地选用材料外，还要进行热处理。

如此才能充分发挥钢铁材料的性能特点。

由此可知。

热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。

热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却。

以获得所需要的组织结构与性能的工艺。

热处理之所以能使钢的性能发生变化，是由于钢在固态下随温度的变化，其内部组织发生改变。

不同的加热温度、不同的冷却速度会得到不同的组织，因而可以得到不同的性能。

与其他加工工艺相比。

热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分．而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

其特点是改善工件的内在质量。

1 热处理工艺过程
热处理工艺过程一般包括加热、保温、冷却三个过程，这些过程互相衔接，不可间断。

加热是热处理的重要工序之一。

钢在高温状态时得到的组织。

其晶粒大小、成分及其均匀程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。

高温组织的晶粒细小，冷却后的产物组织也细小。

细晶粒组织不仅强度、塑性比粗晶粒高，而且冲击韧性也有明显的提高。

因此．钢在加热时为了得到细小而均匀的晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间。

钢经加热和保温后，在不同的冷却条件下冷却，可使钢得到不同的组织，获得不同的力学性能。

如45钢制造的直径为够15 mm的轴，经840℃加热后。

在空气中冷却，其表面硬度小于209HBS：在油中冷却，其表面硬度可达45HRC左右；在水中冷却，其表面硬度则可达56HRC左右。

2热处理工艺方法
钢的热处理工艺方法主要有退火、正火、淬火、回火以及钢的表面热处理。

（1）退火与正火
退火是将钢件加热到适当温度．根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却(一般是随炉冷却)的一种热处理t艺。

退火的特点是缓慢地冷却。

正火是将钢件加热到适当温度。

经过规定的保温时间，在空气中冷却的工艺方法。

正火的冷却速度较快。

退火与正火的目的基本相同，主要有三方面：一是降低．钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；二是细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备；三是消除钢中的残余应力，以防止变形和开裂。

以机械零件的加工为例。

其加工路线一般为：经锻造或铸造一退火或正火_切削加工等工序。

退火或正火为什么要安排在锻造或铸造之后，切削加工之前呢?这是因为：(1)在锻造或铸造以后，钢件中不但常残留有锻造或铸造应力。

而且在成分上及组织上往往都是很不均匀的，这样不仅使它的力学性能较低，而且淬火时会造成变形与裂纹。

经过退火或正火，便可得到细而均匀的织并消除了应力。

(2)经过退火或正火以后，钢所得到的是接近于平衡的组织，硬度较低，有利于下一步的切削加工或冷变形加工。

如果零件的性能要求不高的话，它们仅以退火或
正火作为其最终热处理。

如果是比较重要的零件。

它们常常是在锻造以后首先以退火或正火作为其预先热处理，在经过机械加工以后。

再进行淬火回火、渗碳淬火或表面淬火等最终热处理。

其工艺路线为：锻造_退火或正火_粗加工一淬火及回火一精加工。

此时的退火或正火除了为达到上述两个目的外。

还为最终热处理作好了组织上的准备。

如上所述．正火与退火的目的基本相同，但工艺有所不同。

主要区别在于冷却速度的快慢，正火的冷却速度较快，过冷度大，因而得到的转变产物组织比较细小。

其力学性能较高，而且正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下，应优先采用正火。

但在零件形状较复杂时，由于正火的冷却速度较快，有引起开裂的危险。

则采用退火为宜。

（2）淬火
淬火是将钢件加热到适当温度。

经过规定的保温时间后。

在油、水、盐水、碱水等冷却介质中快速冷却的一种热处理工艺。

淬火的主要目的是为了提高钢的强度和硬度。

淬火时首先要合理选择加热温度，是为了得到细晶粒的高温组织。

例如亚共析钢的淬火加热温度应选择在临界点Ac3以上30℃一50℃．过共析钢应选择在临界点Acl以上30℃～50℃。

其次要合理选择冷却介质，常用的冷却介质有油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依次增加。

盐水在650℃～550℃范围内冷却速度快，在300℃一200℃的温度范围内冷却速度仍然很快．容易引起开裂．所以常用作形状简单的碳钢零件的淬火。

油在300℃．200℃的温度范围内冷却速度比较慢。

但在650℃一500℃温度范围内冷却速度过慢，一般用于临界冷却速度较小的合金钢零件的淬火。

（3）回火
将淬火后的钢。

再加热到临界点Acl以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。

淬火后的钢件必须进行回火，这是因为钢经淬火后虽然强度和硬度得到了提高，但其塑性、韧性很差；淬火后零件处于内应力很高的状态，这种内应力必须予以消除；淬火后组织是不稳定的，如不进行回火，在使用过程中由于组织变化造成零件性能及尺寸的变化。

这对要求较高的零件是不允许的；通过选择不同的回火温度可以获得不同的性能．即达到调整钢件性能的目的。

回火基本上是热处理的最后一道工序。

而且对钢的性能影响很大，因此。

回火操作决定了零件的使用性能和寿命。

回火时，决定钢件的组织和性能的主要因素是回火温度。

回火温度可根据工件要求的力学性能来选择。

用于刀具、量具、冷冲压模具及其他要求硬而耐磨的零件时应选择低温回火(150℃一250℃)；用于弹性零件及热锻模具等零件时应选择中温回火(350℃～500℃)；对零件要求具有良好的综合力学性能(足够的强度与高韧性相配合)时应选择高温回火(500℃～650℃)。

生产中常把淬火及高温回火的
复合热处理工艺称为“调质”。

调质处理广泛用于受力构件，如螺栓、
连杆、齿轮、曲轴等。

（4）表面热处理
在机械制造中，有很多零件是在冲击载荷和摩擦条件下工作的，它要求其表面具有高硬度和耐磨性，而心部具有足够的塑性和韧性。

例如汽车、拖拉机的传动齿轮，为了保证表面有高的耐磨性，，要求其硬度为58HRC一64HRC。

而为使心部有足够的屈服强度和韧性，又要求其硬度为33HRC_48HRC；又如精密镗床主轴，为了保证高精度，要求其与滑动轴承配合部分的表面硬度大于850HV一900HV，而为了保证心部有足够的强度和韧性，又要求其硬度为248HBS 一286HBS。

在
上述情况下，单纯从选材方面去考虑是无法解决的。

若选用高碳钢淬火，硬度高，表面耐磨性好，但心部韧性差；若选用低碳钢淬火，心部韧性好，但表面硬度低，耐磨性差。

解决上述问题的正确途径是采用表面热处理。

常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。

表面淬火是仅对工件表层进行淬火的一种工艺。

表面淬火一般不改变钢表层化学成分。

而是通过快速表面淬火一般不改变钢表层化学成分。

而是通过快速加热和冷却改变钢的表层组织。

目的是使钢件表层获得硬而耐磨的组织。

而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。

采用表面淬火的钢材，其含碳量不能过高或过低，一般适用于中碳钢和中碳合金钢。

表面淬火的方法主要有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。

化学热处理是指将工件置于_定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

与其它热处理工艺相比，化学热处理的主要特点是不仅改变钢表层的组织，而且表层的化学成分也发生了变化，因而使工件表面具有某些特殊的力学或物理化学性能。

如高硬度、耐磨性、耐腐蚀性及疲劳强度等。

化学热处理的方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。

热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一，它不仅能提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命，而且还可改善工件的工艺性能，提高加工质量。

减小刀具磨损，因而热处理工艺广泛应用于机械制造业中。