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1、3金属热处理教学基本要求：1基本知识了解热处理的基本原理和基本工艺方法、种类、目的和应用。了解常用的热处理设备。了解布氏硬度和洛氏硬度的试验原理与方法。了解金相显微镜的构造和金相试样的制备过程。了解常用碳钢的平衡状态组织形态。2基本技能能进行试样的淬火操作过程。会使用洛氏硬度试验机进行试样硬度测定。能调整金相显微镜观察金相试样，能对照金相照片判断所观察试样的组织。3操作实践进行试样的淬火操作。对试样进行硬度测定。进行铁碳合金的显微组织观察。3.1 概述3.1.1 热处理的特点及应用金属机器零件在制造过程中要经过冷、热加工等多道工序，其间经常要穿插热处理工序。热处理是通过加热、保温和冷却，改变固
2、态金属的组织，以得到所需要的组织结构和性能的一种工艺。热处理工艺过程可用“温度时间”为坐标的曲线图表示，如图3-1所示，此曲线称为热处理工艺曲线。热处理与切削加工、铸造、锻压、焊接等方法不同，它只改变材料的使用性能和工艺性能，而不改变零件的形状和尺寸。在机械零件制造过程中，钢材被广泛应用。钢制零件的热处理在机械制造生产中具有非常重要的地位。如汽车、拖拉机生产中有三分之二以上的零件要进行热处理；锯条、铰刀、钻头、冲模等工、模具零件，要具有高硬度和耐磨性，才能保持锋利，达到加工金属并保持较久的使用寿命，除了选择合适的材料外，还必须进行热处理才能够满足性能要求；车床的主轴、某些齿轮等零件，其局部表面
3、要求有高的硬度和耐磨性，其它部位要求有足够的强度和高的韧性，这只有通过热处理才能在同一个零件上达到不同的性能要求。此外，热处理还可以改善材料的工艺性能，如改善材料的切削加工性能，使切削时省力、轻快，加工效率高，刀具磨损减少；改善材料的成形性能，使材料在冷变形加工中具有良好的变形能力而不破裂。因此，热处理是保证产品质量、提高加工效率等方面不可或缺的工序。图3-1 热处理工艺曲线 图3-2 钢在加热和冷却时在Fe-Fe3C相图上各临界点的位置示意图3.1.2 钢的热处理原理钢的热处理理论基础是铁的同素异构转变。铁的同素异构转变导致钢在加热和冷却过程中内部组织发生变化。钢的热处理原理主要研究钢在加热
4、和冷却时内部组织转变的基本规律，从而确定钢的加热温度、保温时间等工艺参数和冷却介质，制定热处理工艺规范。3.1.2.1 钢加热时的组织转变Fe-Fe3C相图是钢进行热处理的依据。由Fe-Fe3C相图可知，A1、A3、Acm 是钢在平衡相变时的临界点。由于实际生产中加热或冷却速度较快，钢的组织转变有滞后现象，加热时温度要高于临界点，冷却时温度要低于临界点。为了区别，把加热时的各临界点用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的各临界点用Ar1、Ar3、Arcm表示。图3-2是这些临界点在Fe-Fe3C相图上的位置示意图。当加热温度稍高于Ac1 时，钢中的珠光体就转变为奥氏体。共析钢组织全部是珠光体，
5、只需加热到稍高于Ac1 时，就能获得完全的奥氏体组织；亚共析钢组织是铁素体和珠光体，铁素体要加热到Ac3 以上时，才能全部转变为奥氏体组织；过共析钢组织是渗碳体和珠光体，渗碳体要加热到Accm以上时才能全部转变为奥氏体组织。不论原来钢中组织晶粒是粗还是细，加热温度超过实际临界温度不多时，得到的奥氏体晶粒是细小的。但随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。加热温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒愈粗大。钢在实际加热条件下获得的奥氏体晶粒的大小，称为奥氏体的实际晶粒，其大小对冷却时组织转变产物的组织和性能有很大影响：晶粒细小而成分均匀的奥氏体，冷却后的组织晶粒也细小，强度、塑性、
6、韧性均比粗晶粒的组织高；晶粒粗大的奥氏体在冷却过程中还易引起工件的较大变形，甚至开裂。因此，钢在加热时，要得到晶粒细小而成分均匀的奥氏体，必须严格控制加热温度和保温时间。奥氏体晶粒的细化是钢强韧化的有效途径。3.1.2.2 钢在冷却时的组织转变钢经加热获得奥氏体组织后，在不同的冷却条件下，得到的冷却产物和性能是不同的。为了了解奥氏体组织在冷却过程中组织变化规律，常采用奥氏体的等温转变方式。以下以共析钢为例，介绍冷却方式对钢的组织及性能的影响。（1）过冷奥氏体的等温转变产物 奥氏体在临界点以下是不稳定的，会发生组织转变。但并不等于冷却到A1 温度下就发生转变，在A1 温度下存在的奥氏体称为过冷奥
7、氏体。将钢经奥氏体化后在A1 温度以下的温度区间内等温，使过冷奥氏体发生组织转变称为等温转变。过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程中，转变温度、转变时间与转变产物间的关系曲线图叫等温转变图，如图3-3所示。该曲线又称C曲线或S曲线，TTT曲线。由共析钢等温转变图可知：在A1 以上是奥氏体稳定区；纵坐标与转变开始线间的时间段称为孕育期；转变开始线和转变终了线间是转变进行区；转变终了线的右方是转变产物区；Ms称为上马氏体点，Mf称为下马氏体点；Ms与Mf两线间是马氏体转变区。孕育期最短处，过冷奥氏体最不稳定，最易发生转变，对于碳素钢而言，该处的温度约为550。从等温转变图可以了解钢在不同温度下的
8、转变产物。a珠光体转变 A1 550温度区间，过冷奥氏体等温分解为铁素体和渗碳体的片状混合物珠光体，即过冷奥氏体转变成珠光体。在珠光体转变区内，转变温度愈低，得到的珠光体片愈细：在A1680间，得到正常的珠光体（用P表示），硬度约170230HBS；在680600间，得到细珠光体，称为索氏体（用S表示），硬度约230320HBS；在600550间，得到极细的珠光体，称为屈氏体（用T表示），硬度约330400HBS。珠光体的片层越小，其强度和硬度越高，同时塑性和韧性略有下降。b贝氏体转变 550Ms温度区间，过冷奥氏体等温分解为贝氏体（用B表示）。贝氏体组织仍然是铁素体和渗碳体的混合物。由于转变
9、温度较低，原子活动能力较弱，铁素体中的碳超过了正常的溶解度。贝氏体的形态主要决定于转变温度：550350间，得到的是上贝氏体，组织呈羽毛状，硬度4048HRC；350Ms间，得到的是下贝氏体，组织呈针状，硬度4855HRC。上贝氏体脆性较大，基本无实用价值；而下贝氏体具有较高的强度和硬度，同时塑性和韧性也较好，所以热处理时可用等温淬火的方法以获得下贝氏体组织。c马氏体转变 MsMf区间，过冷奥氏体转变为马氏体（用M表示）。马氏体实际上是碳在-Fe中的过饱和固溶体，具有很高的硬度，可达6065HRC，但脆性很大，冲击韧性很低，塑性很小。（2）过冷奥氏体的等温转变图的应用 在生产中，过冷奥氏体大多
10、是在连续冷却过程中转变的。因为连续冷却转变图的测定较困难，常采用等温转变图近似分析连续冷却转变的过程。将连续冷却曲线叠加到等温转变图上，根据它们同C曲线相交的位置，就能大致知道其冷却的产物和性能。连续冷却曲线又称CCT曲线，如图3-4所示。图3-3 共析钢等温转变图 图3-4 在共析钢等温转变图上估计 连续冷却时的组织转变图图3-4中，v1、v2、v3、v4、vk分别代表不同的冷却速度。当共析钢以v1速度从高温连续冷却时，相当于随炉冷却，则奥氏体将转变为正常的珠光体组织，热处理中称为退火；当共析钢以v2速度从高温连续冷却时，相当于在空气中冷却，则奥氏体将转变为细珠光体，即索氏体组织，热处理中称
11、为正火；当共析钢以v3速度从高温连续冷却时，相当于在油中冷却，它只与组织转变开始线相交，一部分奥氏体将转变为屈氏体，剩余的奥氏体转变为马氏体，最后得到屈氏体和马氏体的混合组织；当共析钢以v4速度从高温连续冷却时，相当于在水中冷却，它不与C曲线相交，奥氏体将转变为马氏体，最后得到马氏体和残留奥氏体的混合组织。当共析钢以vk速度从高温连续冷却时，它与C曲线相切，奥氏体不分解为珠光体组织，将转变为马氏体，它是共析钢淬火时为遏制非马氏体组织转变的最小冷却速度。vk又称为临界冷却速度。vk的大小与C曲线的位置相关，除了Co元素外，大多数合金元素（包括金属及C、N等非金属元素）能使C曲线右移，使vk降低，
12、故合金钢一般采用油冷即可得到马氏体组织。3.2 热处理设备热处理设备可分为主要设备和辅助设备两大类。主要设备用来完成热处理主要操作加热和冷却；辅助设备用来完成各种辅助工序、生产操作、动力供应及保证安全生产等任务。热处理常用设备有热处理加热设备、冷却设备、测、控温仪表和硬度计等。3.2.1 热处理加热设备热处理常用的加热设备按能源分有燃料加热设备和电加热设备；按工作温度可分为高温炉（1000）、中温炉（6501000）和低温炉（650）。生产上常用的加热设备有电阻炉、浴炉、气体渗碳炉、高频感应加热设备等。3.2.1.1 电阻炉电阻炉是利用电流通过电热元件产生的电阻热加热工件，用热电偶及动圈式温度
13、指示调节仪等电热仪表控制炉内温度，炉子结构紧凑，热效率高，操作控制方便，易于实现自动化、机械化，劳动条件优越。其结构形式有箱式电阻炉（图3-5）和井式电阻炉（图3-6）。电阻炉可用于工件的退火、正火、淬火、回火及固体渗碳等热处理的加热。电阻炉在使用前，须检查其电源接头及电源线的绝缘是否良好；炉体及控温系统应保持清洁，控温系统要定期检验；炉内氧化皮要经常清理干净，以防引起电热元件短路；装炉时工件不得随意抛撒，不得撞击炉衬；进出料时，必须切断电源，保证安全生产。3.2.1.2 浴炉浴炉是利用熔融液体介质加热工件，加热速度较快，氧化脱碳较轻，而且便于局部淬火、等温淬火及多种化学热处理，因此应用较广。
14、浴炉依热源可分为燃料加热浴炉、电阻加热浴炉、电极加热浴炉和感应加热浴炉等，其中以电加热浴炉应用最广。图3-5 箱式电阻炉的结构1-炉门 2-炉体 3-炉膛 4-炉底板 5-电热元件6-被加热件 7-热电偶 8-温控仪表图3-6 井式电阻炉的结构1-炉盖启闭装置 2-炉盖 3-风扇 4-被加热件 5-炉体 6-炉膛 7-电热元件 8-料筐电阻加热浴炉用电热元件加热浴剂，主要用于中温及低温，供小型工件淬火、回火加热、等温淬火冷却以及液体化学热处理等操作。电极加热浴炉借助于盐浴本身的电阻产生热能，炉体结构简单，热效率高，工作温度范围广，坩埚尺寸不受限制，加热迅速均匀，并可防止氧化、脱碳等缺陷，在热处
15、理中应用广泛。浴炉常用的浴盐为NaCl、KCl、BaCl、CaCl、NaNO3、KNO3等；其它的浴剂有汽缸油、铅及铝等。浴炉通常须设置炉盖和通风罩，使用时要采用强力抽风，工作人员必须穿防护服，配戴手套和防护眼镜；工件和浴盐等须烘干后才能入炉，并定期对盐浴脱氧、捞渣和添加新盐或更换新盐；严格按操作规程操作，保证安全生产。3.2.1.3 气体渗碳炉气体渗碳炉以井式炉最常见，炉内有铬锰氮系耐热钢或高硅球墨铸铁铸造的炉罐，以及使气氛在炉罐内强制循环用的风扇。为防止跑气，炉盖和风扇轴处有密封装置；炉盖上还有通气的管路和吊放检测试样的开口。这类炉子可供零件及工具的气体渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理之用。3.2.1.4 高频感应加热设备高频感应加热设备是利用大功率的电子管自激振荡器，将50Hz的工频电源转换为200300kHz的高频交流电源；将高频交流电源接上加热感应圈的两端，使感应圈周围产生强大的交变磁场；将工件放入感应圈内，工件内就会产生与感应圈电流频率相同、方向相反的感应电流，即“涡流”；涡流有“集肤效应”，即
