金屬材料熱處理基礎(chǔ)知識(shí)

1、熱處理定義：鋼的熱處理就是利用鋼在固態(tài)范圍內(nèi)的加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織,從而獲得所需要的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能的一種操作。熱處理目的：1消除毛坯中的缺陷，改善工藝性能，為切削加工或熱處理做組織和性能上的準(zhǔn)備。2、提高金屬材料的力學(xué)性能，充分發(fā)揮材料的潛力，節(jié)約材料延長(zhǎng)零件使用壽命。 加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式是熱處理最重要的三個(gè)基本工藝因素。退火1定義：將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋３忠欢〞r(shí)間，然后緩慢 冷卻以達(dá)到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。2、目的：降低硬度，均勻化學(xué)成分、改善切削加工性能和冷塑性變形性能、消除或減少內(nèi) 應(yīng)力、為零件最終熱處理準(zhǔn)備合適的內(nèi)

2、部組織。3、分類球化退火：為使工件中的碳化物球狀化而進(jìn)行的退火。去應(yīng)力退火：為去除工件塑性變形加工、切削加工或焊接造成的內(nèi)應(yīng)力及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行退火。正火1定義：將鋼材或鋼件加熱到一定溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間，使之完全奧氏體化，然后在空氣 中冷卻，以得到珠光體組織的熱處理工藝。2、目的：改善切削性能，消除毛坯內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒、提高硬度、獲得比較均勻的組織和 性能。退火和正火的區(qū)別退火和正火屬于預(yù)備熱處理工藝，對(duì)于含碳量相同的工件，正火后的強(qiáng)度和硬度要高于的退火的。例如：含碳量大于 0.7%的碳鋼和合金鋼，為降低硬度便于切削加工采用退火處理；含碳量 低于0.3%的低碳鋼和低合金鋼，為避免硬度

3、過低切削時(shí)粘刀，而采用正火適當(dāng)提高硬度。一般用于鍛件、鑄件和焊接件。退火一般安排在毛坯制造之后，粗加工之前進(jìn)行。 滲碳1定義：為提高工件表層的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度，在滲碳爐中將低碳鋼在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使碳原子滲入工件表面，然后進(jìn)行淬火的化學(xué)熱處理工藝。2、 目的：使低碳鋼的表面層含碳量增加到 0.851.10%，然后再經(jīng)淬火、低溫回火處理以 消除應(yīng)力和穩(wěn)定組織，使鋼件表面層具有高硬度 （HRC5662），增加耐磨性及疲勞強(qiáng)度等。 而心部仍保持原有的塑性和韌性。3、 應(yīng)用：滲碳一般用于15Cr、20Cr等含碳量低的鋼種，滲碳層的深度是根據(jù)零件的要求不同，一般為0.22mm設(shè)計(jì)

4、時(shí)可根據(jù)工件尺寸和心部強(qiáng)度要求來選擇材料和滲碳層深度。滲碳層深的選擇要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，以節(jié)約成本。層深的增加意味著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，齒輪一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計(jì)層深。淬火1定義：將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間使其奧氏體化，以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻的工藝。2、淬火目的：提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具提高強(qiáng)韌性：軸類、桿件、銷、受力件提高彈性：各類彈簧提高耐蝕和耐熱性：耐熱鋼和不銹鋼3、淬火分類按加熱溫度：完全淬火、不完全淬火、循環(huán)加熱淬火按加熱介質(zhì)及熱源條件：鹽浴加熱淬火、火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火、高頻脈沖淬火、接觸電加熱淬火等按淬火部位：整體淬火、局部淬火、表面淬火等按冷卻方

5、式：?jiǎn)我捍慊?、雙液淬火、分級(jí)淬火、等溫淬火、預(yù)冷淬火等4、工藝過程：冷卻速度是鋼在淬火過程中最主要的因素，它直接影響淬火產(chǎn)物和性能。一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證全部得到馬氏體組織；另一方面冷卻應(yīng)盡量緩慢，以減少內(nèi)應(yīng)力，避免工件變形和開裂。為了解決上述矛盾，可以采用不同的冷卻介質(zhì)和冷卻方法，使淬火工件在奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)(650 C550C )快冷，超過臨界冷卻速度， 以防珠光體類型轉(zhuǎn)變發(fā)生；而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域范圍內(nèi)(300 C100C )，則冷卻減慢，以減少淬火工件產(chǎn)生的應(yīng)力。5、不同淬火溫度下的內(nèi)部組織在完全淬火時(shí)，鋼的淬火組織主要是由馬氏體組成在不完全淬火時(shí)亞共析鋼得到

6、馬氏體和鐵素體組成的組織當(dāng)奧氏體中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 0.5%時(shí)，淬火組織為馬氏體和殘余奧氏體。過共析鋼得到馬氏體和滲碳體的組織。亞共析鋼用不完全淬火是不正常的，因?yàn)檫@樣不能達(dá)到最高硬度。而過共析鋼采用不完全淬火則是正常的，這樣可使鋼獲得最高的硬度和耐磨性。在適宜的加熱溫度下， 淬火后得到的馬氏體呈細(xì)小的針狀；若加熱溫度過高，其形成粗針狀馬氏體，使材料變脆甚至可能在鋼中出現(xiàn)裂紋。表面淬火1定義：是成本最低的表面硬化處理方法，工藝簡(jiǎn)單而靈活，適合局部處理，特別適合于提高耐磨性的場(chǎng)合。由于只加熱表面層，心部強(qiáng)度保持著表淬前的狀態(tài)。3、目的：提高材料的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，而心部保持良好的塑性和韌性。表

7、面淬火后零件表面將產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，因而使材料的疲勞強(qiáng)度大大提高。但需要注意的是，表淬區(qū)域的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)下，此處的疲勞強(qiáng)度因此大大降低。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮殘余拉應(yīng)力不可留在齒根處、軸的過渡圓角處等零件應(yīng)力集中部位，以免工作應(yīng)力與殘余拉應(yīng)力疊加造成零件裂紋或斷裂。3、 工藝過程：表面淬火一般工藝是高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱或火焰加熱，噴水冷卻， 然后進(jìn)行低溫回火。4、 應(yīng)用：淬硬深度一般是：高頻淬火12mm中頻淬火26mm 般用于中碳以上結(jié)構(gòu)鋼 和合金鋼主軸、齒輪等零件。當(dāng)工件淬火后，表面硬度高，除磨削外，一般不能進(jìn)行其它切 削加工。因此工序應(yīng)盡量靠后，一般安排在半精加工之后，

8、磨削加工之前?；鼗?、定義：回火是將淬火后的鋼件加熱到指定的回火溫度，經(jīng)過一定時(shí)間的保溫后，空冷到 室溫的熱處理操作?；鼗饡r(shí)引起馬氏體和殘余奧氏體的分解。2、目的：減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止變形或開裂。獲得所需要的力學(xué)性能。淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調(diào)整硬度、韌性。穩(wěn)定尺寸。對(duì)于某些高淬透性的鋼，空冷即可淬火，如采用回火軟化既能降低硬度，又能縮短軟化周期。3、分類：鋼淬火后都需要進(jìn)行回火處理，回火溫度取決于最終所要求的組織和性能(工廠常根據(jù)硬度的要求)，通常按加熱溫度的高低，回火可分為以下三類。(1)低溫回火：加熱溫度為 150C250C。低溫回火組織為回火馬氏體，馬氏體內(nèi)析出碳化 物形

9、成回火馬氏體， 殘余奧氏體也轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。回火馬氏體易受侵蝕， 組織呈暗色針狀?；鼗瘃R氏體具有高的強(qiáng)度和硬度，而韌性和塑性較淬火馬氏體有明顯改善。其目的主要是降低淬火鋼中的內(nèi)應(yīng)力，減少鋼的脆性，同時(shí)保持鋼的高硬度和耐磨性。常用于高碳鋼制的切削工具、量具和滾動(dòng)軸承件及滲碳處理后的零件等。 中溫回火：加熱溫度為 350C500C。中溫回火組織為回火屈氏體，它是由鐵素體和粒狀滲碳體組成的極細(xì)密混合物?；鼗鹎象w有較好的強(qiáng)度，最高的彈性，較好的韌性。其目的主要是獲得高的彈性極限，同時(shí)有高的韌性。主要用于各種彈簧熱處理。 高溫回火：加熱溫度為 500C650C。高溫回火組織的回火索氏體，它是由粒狀滲

10、碳體 和等軸形鐵素體組成混合物?；鼗鹚魇象w具有強(qiáng)度、韌性和塑性較好的綜合機(jī)械性能。其目的主要是獲得既有一定的強(qiáng)度、硬度，又有良好的沖擊韌性的綜合機(jī)械性能。通常把淬火后加高溫回火的熱處理稱做調(diào)質(zhì)處理。主要用于處理中碳結(jié)構(gòu)鋼，即要求高強(qiáng)度和高韌性的機(jī)械零件，如軸、連桿、齒輪等。4、淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變階段隨溫度升高，淬火組織將發(fā)生五個(gè)階段變化： 馬氏體中碳原子偏聚（100C以下） 馬氏體的分解（100250 C） 殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（200300 C） 碳化物析出和轉(zhuǎn)變（250400 C）（5） a相狀態(tài)變化及碳化物聚集長(zhǎng)大（>400 C ）調(diào)質(zhì)1、 定義：工件淬火并高溫回火的復(fù)合熱處理工藝

11、，。2、目的：使材料獲得較好的強(qiáng)度、塑性和韌性等方面的綜合機(jī)械性能，用于各種中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金鋼。調(diào)質(zhì)一般安排在粗加工之后，半精加工之前，并為以后熱處理作準(zhǔn)備。大部分的零件都是通過調(diào)質(zhì)處理來提高材料的綜合機(jī)械性能，即提高拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、 斷面收縮率、延伸率、沖擊功。3、 應(yīng)用：調(diào)質(zhì)處理能大大提高材料的拉伸和屈服強(qiáng)度，提高屈強(qiáng)比和沖擊功，使材料具有強(qiáng)度和塑韌性的良好配合。一般來講調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)該為中碳鋼（C = 0 3%0. 6%）;碳鋼中像30、35、40、45、50等鋼種則既可以調(diào)質(zhì)處理又可以正回火使用；而對(duì)高碳鋼和低碳鋼則不宜采用調(diào)質(zhì)工藝4、 工藝過程：首先需要將零件加熱到材料的 Acl點(diǎn)

12、以上3050 C （800 950C ），保溫一定時(shí) 間，然后在油中或水中冷卻。冷卻后立即入爐進(jìn)行回火（500650C ）,以降低淬火應(yīng)力、調(diào) 整組織成份，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械性能要求。馬氏體：鋼中馬氏體的主要特性是高硬度和高強(qiáng)度。鐵素體：鐵素體的塑性、韌性很好，但強(qiáng)度、硬度較低。其力學(xué)性能幾乎與純鐵相同。奧氏體：奧氏體常存在于727C以上，是鐵碳合金中重要的高溫相，強(qiáng)度和硬度不高，但塑 性和韌性很好，易鍛壓成形。滲碳體：滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6.69%，熔點(diǎn)為1227 C，硬度很高，塑性和韌性極低，脆 性大。滲碳體是鋼中的主要強(qiáng)化相，其數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對(duì)鋼的性能影響很大。珠光體：存在于鋼

13、的退火或正火組織中，粒狀珠光體：在鐵素體基體上分布著粒狀滲碳體的兩相機(jī)械混合物稱為粒狀珠光體。粒狀珠光體一般經(jīng)球化退火而得到，也可以通過淬火加回火處理得到。各種組織的硬度性能指標(biāo)范圍如下：珠光體1020HRC索氏體2225HRC屈氏體3642HRC馬氏體6265HRC回火馬氏體約60HRC回火屈氏體4048HRC回火索氏體2535HRC氮化處理原則上講任何鋼種都可以進(jìn)行氮化處理，但是最常用的氮化鋼是 45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)等氮化是在氮化爐中進(jìn)行，因此變形小，氮化硬度要根據(jù)材質(zhì)而定。氮化后一般可不加工，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采用整體

14、氮化處理，因?yàn)榈瘜颖旧韺?duì)使用來說只有益處，沒必要加工處理掉。對(duì)必須進(jìn)行局部氮化的零件需要做局部保護(hù)，氮化后去掉或加工掉保護(hù)層，但是如此一來，需要額外的工作很多，增加了制造的復(fù)雜性和成本。此外，氮化前必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高心部的機(jī)械性能，為氮化做組織準(zhǔn)備。氮化工藝最大的特點(diǎn)是熱處理變形小，硬化層淺，特別適用于與調(diào)質(zhì)工藝相結(jié)合提高零件的疲勞強(qiáng)度、表面耐磨性、耐蝕性和改善零件的摩擦狀態(tài)，防止膠合。適用于在周期載荷下工作的零件，比如軸等。鋼的淬透性1、 淬透性：鋼在淬火時(shí)能夠獲得馬氏體的能力。其大小是用規(guī)定條件下淬硬層深度來表示。鋼材本身的固有屬性，與外部因素?zé)o關(guān)2、 淬硬層深度：由工件表面到半馬

15、氏體區(qū)的深度。工件的淬透深度取決于鋼材淬透性，還與冷卻介質(zhì)、工件尺寸等外部因素有關(guān)。3、影響淬透性的因素：臨界冷卻速度，取決于材料化學(xué)成分。一般而言，碳鋼的淬透性差，合金鋼的淬透性好，且合金元素含量越高，淬透性越好硬度硬度是指金屬材料抵抗比它硬的物體壓入其表面的能力。硬度越高，表明金屬抵抗塑性變形的能力越大。它是重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，它與強(qiáng)度、塑性指標(biāo)之間有著內(nèi)在的聯(lián)系。常用的硬度試驗(yàn)方法有：布氏硬度試驗(yàn)一一主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗(yàn)，也可用于退火、正火鋼鐵零件的硬度測(cè)定。所用設(shè)備為布氏硬度計(jì)。洛氏硬度試驗(yàn)一一主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品性能檢測(cè)。所用設(shè)備為洛氏硬度計(jì)。維氏硬度試驗(yàn)一

16、一主要用于薄板材或金屬表層的硬度測(cè)定，以及較精確的硬度測(cè)定。所用設(shè)備為維氏硬度計(jì)。顯微硬度試驗(yàn)一一主要用于測(cè)定金屬材料的組織組成物或相的硬度。所用設(shè)備為顯微硬度 計(jì)。布氏硬度試驗(yàn)用載荷為P的力，把直徑為D的淬火鋼球壓入金屬試件表面，并保持一定時(shí)間，而后卸除載 荷，測(cè)量鋼球在試件表面上所壓出的壓痕直徑d,據(jù)此計(jì)算出壓痕球面積 F,然后再計(jì)算出單位面積所受的力（P/F值），用此數(shù)字表示試件的硬度值，即為布氏硬度，用符號(hào)HB表示。布氏硬度試驗(yàn)原理如圖 3-11所示。設(shè)壓痕深度為h則壓痕球面積為圖3-4布氏硬度計(jì)試驗(yàn)原理示意圖d （毫米），通過計(jì)算或查表即可得試樣硬度值為：式中P施加的載荷，kg或N;

17、D壓頭（鋼球）直徑， mmd 壓痕直徑，mm2F壓痕面積，mm。布氏硬度值的大小就是壓痕單位面積上所承受的壓 力。單位為kg/mm2或N/mrn,但一般不標(biāo)出。 硬度值越高，表示材料越硬。實(shí)驗(yàn)室只要測(cè)出壓痕直徑 出HB值。布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：硬度值代表性全面，由于壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)材料的平均性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)。布氏硬度值和抗拉強(qiáng)度間存在一定的換算關(guān)系（見表3-4 ）。其換算式為經(jīng)驗(yàn)公式，知道硬度后可以粗略的估計(jì)其強(qiáng)度，但鑄鐵不能用此經(jīng)驗(yàn)公式。-O 與BH4 表系 關(guān) 的bb -oH-鋼Qb-o鋼571>Q b -o金 合 鋁 鑄-Q b -oQb-o同

18、青-Qb-o缺點(diǎn)：采用的壓頭是淬火鋼球，由于鋼球本身的變形和硬度問題，致使不能測(cè)試太硬的材料。一般在450HB以上就不能使用。由于壓痕較大，不適宜成品檢驗(yàn)。布氏硬度試驗(yàn)常用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等的原材料以及結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)后的硬 度。洛氏硬度試驗(yàn)洛氏硬度試驗(yàn)是目前應(yīng)用最廣的試驗(yàn)方法，和布氏硬度一樣，也是一種壓入硬度試驗(yàn)，但它不是測(cè)定壓痕的面積，而是測(cè)量壓痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗(yàn)的壓頭采用錐角為1200的金剛石圓錐頭或直徑為 1.588毫米（1/16英寸）的鋼球。載荷先后兩次施加，先加預(yù)載荷F0,然后加主載荷P1,在總載荷的作用下，將壓頭壓入金屬材料表面來進(jìn)行的硬度測(cè)定。其總載荷為P（ P=F0+P1）。金屬越硬，壓痕深度越??；金屬越軟，壓痕深度越大。為了適應(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，人為的規(guī)定，用一常數(shù)K減去壓痕深度h的值作為洛氏硬度的指標(biāo)，并規(guī)定每0.002毫米為一個(gè)洛氏硬度單位。用符號(hào)HR表示，則洛氏硬度值為：HR =（K h） /0.002此值為一無名數(shù)。并可從硬度計(jì)的表盤指示器上直接讀出。使用金剛石壓頭時(shí)，常數(shù) K為0.2毫米，黑色表盤刻度所示；使用鋼球壓頭時(shí)，常數(shù) K為0.26毫米，紅色表盤刻度所示。為了可以用一種硬度計(jì)測(cè)定出從軟到硬的金屬材料硬度，采用了不同的壓頭和總載荷，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)度，每一種標(biāo)度用