金属热处理知识.

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1、 金属材料与金属热处理 热处理是指通过对工件的加热、保温和冷却，使 金属或合金的组织结构发生变化，从而获得预期的性 能(如机械性能、加工性能、物理性能和化学性能等) 的操作工艺称为热处理。 工件热处理的目的是通过热处理这一重要手段， 来改变(或改善)工件内部组织结构，从而获得所需要 的性能并提高工件的使用寿命。 热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过 程，有时只有加热和冷却两个过程。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。 1 金属热处理工艺基本知识 热处理过程中四个重要因素: 在热处理时，因工件的大小不同，形状不 同，材料的化学成分不同，所以在具体热处理过 程中，要用不同

2、的加热速度、最高的加热温度、 保温时间和冷却速度。通常把加热速度、最高加 热温度、保温时间和冷却速度称为工件热处理的 四个要素，也称工艺参数。正确地确定和保证实 施好工艺，就能获得预期的效果，并将得到满意 的性能。 从数学的观点看，热处理的质量是温度和 时间的函数，所以工件的热处理工艺规范可用时 间一温度为坐标表示出来，任何工件的热处理， 都应包括： 1 金属热处理工艺基本知识 图1 热处理规范示意图 （a）简单的热处理规范 （b)复杂的热处理规范 都应包括 四个重要因素: (1)加热速度V； (2)最高加热温度T; (3)保温时间h; (4)冷却速度Vt. 2 钢的组织 六种组织（相） (1

3、)铁素体(ferrite，缩写：FN) 即-Fe和以它为基础的固溶体，具有体心立方点阵。 纯铁在912以下为具有体心立方晶格（注1）的-Fe。碳溶于-Fe中的 间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。由于-Fe是体心立方晶格结构，它 的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727时溶碳量最大，可达0.0218 ,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600时溶碳量约为0.0057，在室 温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同，其数值如下： 抗拉强度 180280MN/平方米 、延伸率 30-50 、硬度 HB 5080 由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。 （2）渗碳体（cem

4、entite）铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变 时析出的Fe3C型碳化物。 渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布 对钢的性能有很大的影响。同时 Fe3C 又是一种介（亚）稳定相，在一定条 件下会发生分解。 2 钢的组织 它的含碳量为6.69；熔点为1227左右；不发生同素异晶转变；但有磁性 转变，它在230以下具有弱铁磁性，而在230以上则失去铁磁性；其硬度 很高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。 (3)奥氏体：是碳溶解在Fe（面心立方晶格）中的间隙固溶体，常用符 号A表示。它仍保持Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727时溶 碳为c 0.77,114

5、8时可溶碳2.11。奥氏体是在大于727高温下才 能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工 时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。 （4） 马氏体（M）是碳溶于-Fe（体心立方晶格）的过饱和的固溶体，是 奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。其比容大于奥氏体、珠光体等 组织，这是产生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。 马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥 氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。 2 钢的组织 (5)珠光体是u体/氏体是碳溶解在Fe中的间隙u体/生共析转变所形成的 u体/u体/析体。珠光体的性能介

6、于铁素体和渗碳体之间,强韧性较好.其抗拉 强度为750 900MPa,180 280HBS,伸长率为20 25%,冲击功为24 32J.力 学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好 b=770MPa,180HBS,=20%35%,AKU=2432J). （6）索氏体 （sorbite ） 钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。索氏体组 织属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。索氏体具有良好的综 合机械性能。回火索氏体中的碳化物分散度很大，呈球状。故回火索氏体比 索氏体具有更好的机械性能。这就是为什么多数结构零件要进行调质处理（ 淬火+高温回火）的

7、原因。 索氏体的定义及组织特征。索氏体，是在光学金相显微镜下放大600倍 以上才能分辨片层的细珠光体(GB/T7232标准)。其实质是一种珠光体，是钢 的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较 小（3080nm），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。 四把火：退火、正火、淬火、回火 1） 钢的退火与正火 3 钢的热处理基本工艺及应用 退火与正火的目的 调整硬度以便进行切削加工 消除残余应力 细化晶粒，改善组织 为最终热处理做好组织上的准备 退火：将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工 艺。 退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火 、去应力退火、再结晶退火等，

8、如图所示。 图3 箱式炉 图2 各种退火及正火的加热范围 完全退火 将亚共析钢加热到Ac3+3050，保温后缓冷 的退火工艺称为完全退火。 目的：降低硬度，消除内应力。 等温退火 将亚共析钢加热到 Ac3 +3050、过共析 钢加热到Ac1+3050， 保温后快冷到Ar1以下 某一温度保温，然后出 炉空冷。如图是高速钢 等温退火与普通退火的 比较 图3 高速钢等温退火与普通退火的比较 球化退火 将共析钢或过共析钢加热到 Ac1 +2030，保温 适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。 目的：降低硬度，改善切削加工性能；形成球状 珠光体，为后面的淬火作组织准备。 扩散退火 将工件加热到略低

9、于固相线温度，保温后缓慢冷 却的热处理工艺称为扩散退火。 目的：消除成份偏析。 去应力退火 将工件加热到 Ac1以下某一温度，保温后随炉冷却 的热处理工艺称为去应力退火。 目的：消除铸、锻、焊的内应力。 正火是将钢加热到 Ac3或 Accm以上3050，保 温后空气中冷却的热处理工艺。 正火具有以下几方面的应用： 含碳量0.25%经正火后硬度提高，改善了切削 加工性能。 消除过共析钢中的二次渗碳体。 作为普通结构零件的最终热处理。 正火的冷却速度稍快于退火，由C曲线可知，二者 的组织是不一样的。正火后的组织比退火细，如图所 示。 图3 正火与退火后组织的比较 2） 钢的淬火 淬火是将钢加热到临

10、界点以上，保温后以大于 Vk的速度冷却的热处理工艺。 目的：为了获得马氏体，提高钢的力学性能。 淬火温度 选择淬火温度的原则是 获得均匀细小的奥氏体。 如图所示，一般淬火温度 在临界点以上。 图4 碳钢的淬火温度范围 对亚共析钢，淬火温度为Ac3+3050，淬火 组织为马氏体，如图所示。 亚温淬火：加热温度在Ac1 Ac3之间，淬火组织 为马氏体加铁素体，如图所示。亚温淬火也是一种强 韧化处理方法。 图6 马氏体加铁素体图5 马氏体 图7 对共析钢和过共析钢 淬火温度为Ac1+3050， 组织为细马氏体加颗粒状 渗碳体和少量残余奥氏体， 如图所示。 对合金钢，一般淬火温度为临界点以上50100

11、。 提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和 均匀化。 3) 淬火介质 为了保证得到马氏体 组织，淬火速度必须大 于临界冷却速度Vk，但 往往会引起工件变形和 开裂。 要想既得到马氏体又 避免变形和开裂，理想 的淬火冷却曲线如图所 示。 最常用的淬火介质是水和油。 图8 理想的淬火冷却曲线 水是经济且冷却能力 较强的淬火介质。如表 所示： 油主要用于合金钢 或小尺寸碳钢工件的 淬火。 熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。这类 介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级 淬火和等温淬火。 近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高 浓度硝盐水溶液等淬火介质。 表1 4） 淬火方法

12、 常用淬火方法如图所示 。 图9 各种淬火方法示意图 单液淬火法 将加热的工件放入一 种淬火介质中连续冷却 至室温的操作方法，如 水淬、油淬等。 将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却 ，然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方 法。如水淬油冷或油淬空冷。双液淬火主要用于形状 复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。 双液淬火法 分级淬火法 将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火 ，然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬 火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的 钢件。 等温淬火 将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱 浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬 火方法。

13、其特点是工件具有良好的综合力学性能， 一般不必回火。多用于形状复杂和要求较高的小件 。 5) 钢的淬透性 淬透性 淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。 一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬 层深度。 淬透性对钢力 学性能的影响: 钢的淬透性直接 影响其热处理后 的力学性能。 图10 淬透性高的钢 ，其力学性能沿 截面均匀分布 淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低 淬透性的测定及其表示方法 测定钢的淬透性 最常用的方法是末 端淬火法。 将25100mm的 标准试样经奥氏体 化后，对末端进行 喷水冷却。如图所 示。 图11 末端淬火法 按规定方法测定硬度值，作出淬透性曲线； 利用钢的

14、半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图，和 淬透性 曲线图可找出其淬透性的大小。 淬透性的表示方法 淬透性值可用 表示。其中J表示末端淬透性 ，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值 。 钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的 最大直径，即临界直径D0表示。 淬透性的应用: 对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及 要求机械性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造 。 对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选 用低淬透性的钢制造。 在设计和制造零件时，必须考虑钢的热处理尺寸效 应。 6) 钢的回火 回火的目的 降低脆性，减少或消除内应力 获得工艺所要求的力学性能 稳定工件尺寸 对某些

15、高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工 淬火钢在回火时的转变 回火时的组织转变 淬火钢组织发生以下四阶段的变化： 马氏体分解：主要发生在 100200， 马氏体中的碳以 碳化物（Fex）的形式析出 ，析出的碳化物以极小片状分 布在马氏体基体上，这种组织 称为回火马氏体，用“M回”表 示。如图所示。 图12 回火马氏体 图14 残余奥氏体分解 主要发生在200300，残余奥 氏体分解 为碳化物和过饱和，但组织仍是回火马 氏体。 碳化物转变为Fe3 主要发生 在250400，此时回火马氏体转 变为在保持马氏体形态的铁素体基 体上分布着细粒状渗碳体的组织， 称为回火屈氏体，用“T回”表示。图13 渗碳体的聚集长大及相再结晶 主要发生在400以上,此时 形成颗 粒状渗碳体，铁素体由针片状转变 为多边形，这种组 织称为回火索氏 体，用“S回”表示。如图所示。 回火过程中的性能变化 总的规律是：随回火温度升高，强度、硬度下