熱處理部分修改

《以下資料，僅供參考》熱處理基礎(chǔ)知識(shí)山東海洋環(huán)保設(shè)備有限公司講稿人：遲金祥

2014年5月12日

熱處理基礎(chǔ)知識(shí)以上內(nèi)容由于本人水平有限，難免會(huì)出現(xiàn)不妥和錯(cuò)誤以及疏漏之處，歡迎大家提出，讓我們共同進(jìn)步。

熱處理是指通過對(duì)工件的加熱、保溫和冷卻，使金屬或合金的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而獲得預(yù)期的性能(如機(jī)械性能、加工性能、物理性能和化學(xué)性能等)的操作工藝稱為熱處理。工件熱處理的目的是通過熱處理這一重要手段，來改變(或改善)工件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要的性能并提高工件的使用壽命。

金屬熱處理工藝基本知識(shí)

熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過程，有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過程。這些過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一。熱處理工藝基本知識(shí)1.金屬熱處理工藝基本知識(shí)●熱處理過程中四個(gè)重要因素:

在熱處理時(shí)，因工件的大小不同，形狀不同，材料的化學(xué)成分不同，所以在具體熱處理過程中，要用不同的加熱速度、最高的加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。通常把加熱速度、最高加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度稱為工件熱處理的四個(gè)要素，也稱工藝參數(shù)。正確地確定和保證實(shí)施好工藝，就能獲得預(yù)期的效果，并將得到滿意的性能。

從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)看，熱處理的質(zhì)量是溫度和時(shí)間的函數(shù)，所以工件的熱處理工藝規(guī)范可用時(shí)間一溫度為坐標(biāo)表示出來，任何工件的熱處理，都應(yīng)包括：1.金屬熱處理工藝基本知識(shí)圖1熱處理規(guī)范示意圖（a）簡(jiǎn)單的熱處理規(guī)范（b)復(fù)雜的熱處理規(guī)范●都應(yīng)包括四個(gè)重要因素:

(1)加熱速度V；(2)最高加熱溫度T;(3)保溫時(shí)間h;(4)冷卻速度Vt.Fe-Fe3C相圖中鐵碳合金的分類按合金中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微組織的不同，鐵碳合金可分為三大類：1. 工業(yè)純鐵它是wc≤0.02%的鐵碳合金。2. 碳素鋼它是0.02%＜wc≤2.11%的鐵碳合金。按起室溫下先微組織的不同又分為三種：共析鋼：wc=0.77%

亞共析鋼：0.02%＜wc＜0.77%

過共析鋼：0.77%＜wc≤2.11%3.白口鑄鐵它是2.11%＜wc＜6.69%的鐵碳合金。按其室溫下顯微組織的不同又分為三種：共晶白口鑄鐵：wc=4.3%

亞共晶白口鑄鐵：2.11%＜wc＜4.3%

過共晶白口鑄鐵：4.3%＜wc＜6.69%1）鋼的退火與正火2.鋼的熱處理基本工藝及應(yīng)用●退火與正火的目的①調(diào)整硬度以便進(jìn)行切削加工②消除殘余應(yīng)力③細(xì)化晶粒，改善組織④為最終熱處理做好組織上的準(zhǔn)備●退火：將鋼加熱、保溫，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火工藝可分為完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火等，如圖所示。圖3箱式爐圖2各種退火及正火的加熱范圍●完全退火將亞共析鋼加熱到Ac3+30～50℃，保溫后緩冷的退火工藝稱為完全退火。目的：降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力?！竦葴赝嘶饘喒参鲣摷訜岬紸c3+30～50℃、過共析鋼加熱到Ac1+30～50℃，保溫后快冷到Ar1以下某一溫度保溫，然后出爐空冷。如圖是高速鋼等溫退火與普通退火的比較圖3高速鋼等溫退火與普通退火的比較

●

球化退火將共析鋼或過共析鋼加熱到Ac1+20～30℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為球化退火。

目的：降低硬度，改善切削加工性能；形成球狀珠光體，為后面的淬火作組織準(zhǔn)備。●擴(kuò)散退火

將工件加熱到略低于固相線溫度，保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為擴(kuò)散退火。

目的：消除成份偏析?！袢?yīng)力退火

將工件加熱到

Ac1以下某一溫度，保溫后隨爐冷卻的熱處理工藝稱為去應(yīng)力退火。

目的：消除鑄、鍛、焊的內(nèi)應(yīng)力。

●正火是將鋼加熱到

Ac3或Accm以上30～50℃，保溫后空氣中冷卻的熱處理工藝?！裾鹁哂幸韵聨追矫娴膽?yīng)用：

①含碳量≤0.25%經(jīng)正火后硬度提高，改善了切削加工性能。

②消除過共析鋼中的二次滲碳體。

③作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。●正火的冷卻速度稍快于退火，由C曲線可知，二者的組織是不一樣的。正火后的組織比退火細(xì)，如圖所示。圖3正火與退火后組織的比較重要構(gòu)件的焊接、合金鋼的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必須預(yù)熱。焊前預(yù)熱的主要作用如下：（1）預(yù)熱能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋。同時(shí)也減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。（2）預(yù)熱可降低焊接應(yīng)力。均勻地局部預(yù)熱或整體預(yù)熱，可以減少焊接區(qū)域被焊工件之間的溫度差（也稱為溫度梯度）。這樣，一方面降低了焊接應(yīng)力，另一方面，降低了焊接應(yīng)變速率，有利于避免產(chǎn)生焊接裂紋。（3）預(yù)熱可以降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，對(duì)降低角接接頭的拘束度尤為明顯，隨著預(yù)熱溫度的提高，裂紋發(fā)生率下降。焊后熱處理的目的有三個(gè)：消氫、消除焊接應(yīng)力、改善焊縫組織和綜合性能。焊后消氫處理，是指在焊接完成以后，焊縫尚未冷卻至100℃以下時(shí)，進(jìn)行的低溫?zé)崽幚?。一般?guī)范為加熱到200~350℃，保溫2-6小時(shí)。焊后消氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出，對(duì)于防止低合金鋼焊接時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋的效果極為顯著。在焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構(gòu)件本身產(chǎn)生拘束或外加拘束，在焊接工作結(jié)束后，在構(gòu)件中總會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力在構(gòu)件中的存在，會(huì)降低焊接接頭區(qū)的實(shí)際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的破壞消應(yīng)力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態(tài)下，其屈服強(qiáng)度下降，來達(dá)到松弛焊接應(yīng)力的目的。常用的方法有兩種：一是整體高溫回火，即把焊件整體放入加熱爐內(nèi)緩慢加熱到一定溫度然后保溫一段時(shí)間，最后在空氣中或爐內(nèi)冷卻。用這種方法可以消除80%-90%的焊接應(yīng)力。另一種方法是局部高溫回火，即只對(duì)焊縫及其附近區(qū)域進(jìn)行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應(yīng)力的峰值，使應(yīng)力分布比較平緩，起到部分消除焊接應(yīng)力的目的。有些合金鋼材料在焊接以后，其焊接接頭會(huì)出現(xiàn)淬硬組織，使材料的機(jī)械性能變壞。此外，這種淬硬組織在焊接應(yīng)力及氫的作用下，可能導(dǎo)致接頭的破壞。如果經(jīng)過熱處理以后，接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而改善了焊接接頭的綜合機(jī)械性能。消氫處理是在300～400度加熱溫度范圍內(nèi)保溫一段時(shí)間。目的是加速焊接接頭中氫的逸出，消氫處理效果比低溫后熱更好。焊接后及焊后熱處理，焊后及時(shí)后熱及消氫處理是防止焊接冷裂紋的有效措施之一，對(duì)于厚度超過100mm的厚壁壓力容器及其他重要的產(chǎn)品構(gòu)件，焊接過程中，為防止因厚板多道多層焊氫的積聚而導(dǎo)致的氫致裂紋，應(yīng)進(jìn)行2到3次中間消氫處理熱處理8.1成形受壓元件的恢復(fù)性能熱處理8.1.1鋼板冷成形受壓元件，當(dāng)符合下列a）～e）中任意條件之一，且變形率超過表4的范圍，應(yīng)于成形后進(jìn)行相應(yīng)熱處理恢復(fù)材料的性能。a)盛裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的容器；b)圖樣注明有應(yīng)力腐蝕的容器；c)對(duì)碳鋼、低合金鋼，成形前厚度大于16mm者；d)對(duì)碳鋼、低合金鋼，成形后減薄量大于10%者；e)對(duì)碳鋼、低合金鋼，材料要求做沖擊試驗(yàn)者。刪除

表4冷成形件變形率控制指標(biāo)

8.1.2分步冷成形時(shí)，若不進(jìn)行中間熱處理，則成形件的變形率為各分步成形變形率之和；若進(jìn)行中間熱處理，則分別計(jì)算成形件在中間熱處理前、后的變形率之和。8.1.3若需消除溫成形工件的變形殘余應(yīng)力，可參照8.1.1對(duì)冷成形工件的熱處理?xiàng)l件和要求進(jìn)行。8.1.4若熱成形或溫成形改變了材料供貨熱處理狀態(tài)，應(yīng)重新進(jìn)行熱處理，恢復(fù)材料供貨熱處理狀態(tài)。8.1.5當(dāng)對(duì)成形溫度、恢復(fù)材料供貨熱處理狀態(tài)的熱處理有特殊要求時(shí)，應(yīng)遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或設(shè)計(jì)文件的規(guī)定。8.2焊后熱處理(PWHT)容器及其受壓元件按材料、焊接接頭厚度（即焊后熱處理厚度，δPWHT）和設(shè)計(jì)要求確定是否進(jìn)行焊后熱處理。8.2.1焊接接頭厚度應(yīng)按下列規(guī)定確定：a)對(duì)等厚全焊透對(duì)接接頭為鋼材厚度；b)對(duì)于對(duì)接焊縫和角焊縫為焊縫厚度；c)對(duì)于組合焊縫為對(duì)接焊縫與角焊縫厚度中較大者；d)當(dāng)不同厚度元件焊接時(shí)：——不等厚對(duì)接接頭取較薄元件的鋼材厚度；——?dú)んw與管板、平封頭、蓋板及其他類似元件的B類焊接接頭，取殼體厚度；——接管與殼體焊接時(shí)，取接管頸厚度（刪除）殼體厚度、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度和連接角焊縫厚度中較大者；——接管與法蘭焊接時(shí)，取接頭處接管頸厚度；對(duì)于GB150.3-2011圖7-lg)所示結(jié)構(gòu)取法蘭厚度；——對(duì)于GB150.3-2011附錄D圖D．12b）所示內(nèi)封頭連接結(jié)構(gòu)取圓筒和封頭厚度的大者；——非受壓元件與受壓元件焊接時(shí)，取焊縫厚度8.2.2容器及其受壓元件符合下列條件之一者，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理應(yīng)包括受壓元件間及其與非受壓元件的連接焊縫。當(dāng)制訂熱處理技術(shù)要求時(shí)，滿足以下規(guī)定外，還應(yīng)采取必要的措施，避免由于焊后熱處理導(dǎo)致的再熱裂紋。8.2.2.1焊接接頭厚度符合表5規(guī)定者。

表5需進(jìn)行焊后熱處理的焊接接頭厚度8.2.2.2圖樣注明有應(yīng)力腐蝕的容器。8.2.2.3用于盛裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的碳素鋼、低合金鋼制容器。8.2.2.4當(dāng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或圖樣另有規(guī)定時(shí)。8.2.3對(duì)于異種（改為不同）鋼材之間的焊接接頭，按熱處理要求不同的，按高者確定是否進(jìn)行焊后熱處理。8.2.4當(dāng)需對(duì)奧氏體型不銹鋼、奧氏體一鐵素體型不銹鋼進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，按設(shè)計(jì)文件規(guī)定。8.2.5除設(shè)計(jì)文件另有規(guī)定，奧氏體型不銹鋼、奧氏體一鐵素體型不銹鋼的焊接接頭可不進(jìn)行熱處理。8.2.6焊后熱處理要求8.2.6.1制造單位應(yīng)按設(shè)計(jì)文件和標(biāo)準(zhǔn)的要求在熱處理前編制熱處理工藝。8.2.6.2不得使用燃煤爐進(jìn)行焊后熱處理。8.2.6.3熱處理裝置（爐）應(yīng)配有自動(dòng)記錄溫度曲線的測(cè)溫儀表，并能自動(dòng)繪制熱處理的時(shí)間與工件壁溫關(guān)系曲線。8.2.6.4整體焊后熱處理可以是爐內(nèi)整體加熱方法或容器內(nèi)部加熱方法。在可能情況下，應(yīng)優(yōu)先采用爐內(nèi)整體加熱方法；當(dāng)無法整體加熱時(shí)，允許分段加熱進(jìn)行。分段熱處理時(shí)，其重復(fù)加熱長(zhǎng)度應(yīng)不小于1500mm，且相鄰部分應(yīng)采取保溫措施，使溫度梯度不致影響材料的組織和性能。熱處理操作應(yīng)符合8.2.7的規(guī)定。8.2.6.5B、C、D、E類焊接接頭，球形封頭與圓筒連接接頭以及缺陷焊補(bǔ)部位，允許采用局部熱處理。局部熱處理有效加熱范圍應(yīng)符合下列規(guī)定：a）焊縫最大寬度兩側(cè)各加δPWHT

或50mm，取兩者較大值；b）返修焊縫端部方向上加δPWHT

或50mm，取兩者較大值；c）接管與殼體相焊時(shí)，應(yīng)環(huán)繞包括接管在內(nèi)的筒體全圓周加熱，且在垂直于焊縫方向上自焊縫邊緣加δPWHT

或50mm，取兩者較大值。局部熱處理的有效加熱范圍應(yīng)確保不產(chǎn)生有害變形，當(dāng)無法有效控制變形時(shí)，應(yīng)擴(kuò)大加熱范圍，例如對(duì)圓筒全周長(zhǎng)范圍進(jìn)行加熱；同時(shí)，靠近加熱區(qū)的部位應(yīng)采取保溫措施，使溫度梯度不致影響材料的組織和性能。8.2.6.6復(fù)合鋼板容器及其受壓元件熱處理時(shí)，應(yīng)采取措施保證容器（特別是覆層材料性能）滿足使用要求。8.2.7焊后熱處理操作8.2.7.1碳素鋼、低合金鋼的焊后熱處理操作應(yīng)符合如下規(guī)定：a）焊件進(jìn)爐時(shí)爐內(nèi)溫度不得高于400℃；b）焊件升溫至400℃后，加熱區(qū)升溫速度不得超過5500/δPWHT℃/h，且不得超過220℃/h，一般情況下不低于55℃/h；c）升溫時(shí)，加熱區(qū)內(nèi)任意4600mm長(zhǎng)度內(nèi)的溫差不得大于120℃；d）保溫時(shí)，加熱區(qū)內(nèi)最高與最低溫度之差不宜超過80℃；e）升溫及保溫時(shí)應(yīng)控制加熱區(qū)氣氛，防止焊件表面過度氧化；f）爐溫高于400℃時(shí)，加熱區(qū)降溫速度不得超過7000/δPWHT℃/h，且不得超過280℃/h，一般情況下不低于55℃/h；g）焊件出爐時(shí)，爐溫不得高于400℃，出爐后應(yīng)在靜止空氣中繼續(xù)冷卻。8.2.7.2對(duì)S11306、S11348鐵素體型不銹鋼的焊后熱處理按8.2.7.1的規(guī)定。其中，對(duì)于f)和g)，當(dāng)溫度高于650℃時(shí)，降溫速度不得大