金屬工藝學（第3版）課件 單元二 鋼的熱處理

金屬工藝學單元二鋼的熱處理熱處理概述熱處理是采用適當的方式對金屬材料或工件進行加熱、保溫和冷卻以獲得預期的組織結構與性能的工藝。熱處理工藝過程由加熱、保溫、冷卻三個階段組成。常用的熱處理加熱設備有箱式電阻爐、鹽浴爐、井式爐、火焰加熱爐等。常用的冷卻設備有水槽、油槽、鹽浴、緩冷坑、吹風機等。

表2-1熱處理工藝分類及名稱

。

模塊一

鋼在加熱時的組織轉變

金屬材料在加熱或冷卻過程中，發(fā)生相變的溫度稱為臨界點（或相變點）。鋼鐵材料的理論臨界點是A1、A3、Acm。鋼鐵材料實際加熱時的臨界點標注是Ac1、Ac3、Accm。鋼鐵材料實際冷卻時的臨界點標注是Ar1、Ar3、Arcm。

一、奧氏體的形成奧氏體的形成是通過形核和核長大過程來實現(xiàn)的。珠光體向奧氏體的轉變可以分為四個階段：奧氏體形核、奧氏體核長大、殘余滲碳體繼續(xù)溶解和奧氏體化學成分均勻化。二、奧氏體晶粒長大及其控制措施

生產中常采用以下措施來控制奧氏體晶粒的長大。

1．合理選擇加熱溫度和保溫時間

2．選用含有合金元素的鋼●碳與一種或數種金屬元素所構成的金屬化合物（或稱為碳化物）。大多數合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等，在鋼中均可以形成難溶于奧氏體的碳化物，如Cr7C3、W2C、VC、Mo2C、VC、TiC、NbC、ZrC等，這些碳化物彌散分布在晶粒邊界上，可以阻礙或減慢奧氏體晶粒的長大。

一、冷卻方式鋼鐵材料在冷卻時，可以采取兩種轉變方式：等溫轉變和連續(xù)冷卻轉變。在共析溫度A1以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體，也稱亞穩(wěn)奧氏體。二、過冷奧氏體的等溫轉變過冷奧氏體的等溫轉變是指工件奧氏體化后，冷卻到臨界點（Ar1或Ar3）以下的某一溫度區(qū)間內等溫保持時，過冷奧氏體發(fā)生的相變。1．過冷奧氏體等溫轉變曲線共析鋼的冷奧氏體轉變開始曲線和過冷奧氏體轉變終止曲線象英文字母“C”，故又稱為C曲線。2．過冷奧氏體等溫轉變產物和性能根據轉變產物的組織特征，可劃分為高溫轉變區(qū)（珠光體型轉變區(qū)）、中溫轉變區(qū)（貝氏體型轉變區(qū)）和低溫轉變區(qū)（馬氏型轉變區(qū)）。表2-3共析鋼過冷奧氏體等溫轉變溫度與轉變產物的組織和性能。三、過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變是指工件奧氏體化后以不同冷速連續(xù)冷卻時過冷奧氏體發(fā)生的轉變。1．過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線共析鋼在連續(xù)冷卻轉變過程中，只發(fā)生珠光體轉變和馬氏體轉變，沒有貝氏體轉變。珠光體轉變區(qū)由三條線構成：Ps線是過冷奧氏體向珠光體轉變開始線；Pf線是過冷奧氏體向珠光體轉變終了線；K線是過冷奧氏體向珠光體轉變終止線，它表示冷卻曲線碰到K線時，過冷奧氏體向珠光體轉變即停止，剩余的過冷奧氏體一直冷卻到Ms線以下時會發(fā)生馬氏體轉變。如果冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中不發(fā)生分解而全部過冷到馬氏體區(qū)的最小冷卻速度是ｖK，則稱ｖK是獲得馬氏體組織的臨界冷卻速度。鋼在淬火時的冷卻速度必須大于ｖK。2．過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變產物采用連續(xù)冷卻轉變時，由于連續(xù)冷卻轉變是在一個溫度范圍內進行，其轉變產物往往不是單一的，根據冷卻速度的變化，轉變產物有可能是P＋S、S＋T或T＋M等。金屬工藝學單元二鋼的熱處理模塊三退火與正火一、退火退火是將工件加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的目的是消除鋼鐵材料的內應力；降低鋼鐵材料的硬度，提高其塑性；細化鋼鐵材料的組織，均勻其化學成分，并為最終熱處理做好組織準備。根據鋼鐵材料化學成分和退火目的不同，退火通常分為：完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火、均勻化退火等。一、退火

1.完全退火完全退火是將工件完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火。完全退火主要用于亞共析鋼（0.0218%≤WC＜0.77%）制作的鑄件、鍛件、焊件等，其加熱溫度是AC3以上30～50℃。2.球化退火球化退火是使工件中碳化物球狀化而進行的退火。球化退火的加熱溫度在AC1上下20～30℃溫度區(qū)間交替加熱及冷卻或在稍低于AC1溫度保溫，然后緩慢冷卻。球化退火的主要目的是使碳化物（或滲碳體）球化，降低鋼材硬度，改善鋼材切削加工性，并為淬火作組織準備。球化退火主要用于過共析鋼和共析鋼制造的刃具、量具、模具、軸承鋼件等。3．等溫退火等溫退火是指工件加熱到高于Ac3（或Ac1）的溫度，保持適當時間后，較快地冷卻到珠光體轉變溫度并等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w類組織后在空氣中冷卻的退火。亞共析鋼的加熱溫度是：Ac3+（30～50）℃；共析鋼和過共析鋼的加熱溫度是：Ac1+（20～40）℃。等溫退火的目的與完全退火相同，其應用也與完全退火和球化退火相同。一、退火

4.去應力退火去應力退火是為去除工件塑性形變加工、切削加工或焊接造成的內應力及鑄件內存在的殘余應力而進行的退火。去應力退火的加熱溫度是AC1以下溫度區(qū)間，其主要目的是消除工件在切削加工、鑄造、鍛造、熱處理、焊接等過程中產生的殘余應力，減小工件變形，穩(wěn)定工件形狀尺寸。去應力退火主要用于去除鑄件、鍛件、焊件及精密加工件中的殘余應力。5．均勻化退火均勻化退火是以減少工件化學成分和組織的不均勻程度為主要目的，將工件加熱到高溫并長時間保溫，然后緩慢冷卻的退火。加熱溫度是：Ac3+（150～200）℃，一般在（1050～1150）℃進行加熱。均勻化退火的目的是減少鋼的化學成分偏析和組織不均勻性，其主要應用于質量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件和鍛坯等。

二、正火正火是指工件加熱奧氏體化后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的目的是細化晶粒，提高鋼鐵材料硬度，消除鋼鐵材料中的網狀碳化物（或滲碳體），并為淬火、切削加工等后續(xù)工序作組織準備。正火主要應用于以下場合：（1）用于改善鋼鐵材料的切削加工性能。（2）用于消除鋼中的網狀碳化物，為球化退火作組織準備。（3）用于普通結構零件或某些大型非合金鋼工件的最終熱處理，代替調質處理。（4）用于淬火返修件，消除淬火應力，細化組織，防止工件重新淬火時產生變形與開裂。第四節(jié)淬火淬火是指工件加熱奧氏體化后以適當方式冷卻獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。馬氏體是碳或合金元素在α-Fe中的過飽和固溶體，是單相亞穩(wěn)組織，用符號M表示。一、淬火的目的淬火的主要目的是使鋼鐵材料獲得馬氏體(或貝氏體)組織，提高鋼鐵材料的硬度和強度，并與回火工藝合理配合，獲得需要的使用性能。二、淬火加熱溫度與淬火介質1．淬火加熱溫度亞共析鋼的淬火加熱溫度是Ac3以上30℃～50℃。共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度是Ac1以上30℃～50℃。2．淬火介質常用的淬火冷卻介質有：油、水、鹽水、硝鹽浴、堿浴和空氣等。

三、淬火方法常用的淬火方法有：單液淬火、雙液淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火1．單液淬火單液淬火是將已奧氏體化的鋼件在一種淬火介質中冷卻的方法。單液淬火方法主要應用于形狀簡單的鋼件。。三、淬火方法2．雙液淬火雙液淬火是將工件加熱奧氏體化后先浸入冷卻能力強的介質中，在組織即將發(fā)生馬氏體轉變時立即轉入冷卻能力弱的介質中冷卻的方法。雙液淬火主要適用于中等復雜形狀的高碳鋼工件和較大尺寸的合金鋼工件。3．馬氏體分級淬火馬氏體分級淬火是指工件加熱奧氏體化后浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的鹽浴或堿浴中，保持適當時間，在工件整體達到冷卻介質溫度后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法。馬氏體分級淬火適用于尺寸較小、形狀復雜的由高碳鋼或合金鋼制作的工模具。4．貝氏體等溫淬火貝氏體等溫淬火是指工件加熱奧氏體化后快冷到貝氏體轉變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)樨愂象w的淬火方法。貝氏體等溫淬火用于處理由各種中碳鋼、高碳鋼和合金鋼制造的尺寸較小的形狀復雜的模具與刃具等工件。三、淬火方法2．雙液淬火雙液淬火是將工件加熱奧氏體化后先浸入冷卻能力強的介質中，在組織即將發(fā)生馬氏體轉變時立即轉入冷卻能力弱的介質中冷卻的方法。雙液淬火主要適用于中等復雜形狀的高碳鋼工件和較大尺寸的合金鋼工件。3．馬氏體分級淬火馬氏體分級淬火是指工件加熱奧氏體化后浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的鹽浴或堿浴中，保持適當時間，在工件整體達到冷卻介質溫度后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法。馬氏體分級淬火適用于尺寸較小、形狀復雜的由高碳鋼或合金鋼制作的工模具。4．貝氏體等溫淬火貝氏體等溫淬火是指工件加熱奧氏體化后快冷到貝氏體轉變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)樨愂象w的淬火方法。貝氏體等溫淬火用于處理由各種中碳鋼、高碳鋼和合金鋼制造的尺寸較小的形狀復雜的模具與刃具等工件。四、冷處理冷處理是指鋼件淬火冷卻到室溫后，繼續(xù)在一般致冷設備或低溫介質中冷卻，使殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的工藝。采用冷處理可以消除和減少鋼中的殘余奧氏體數量，使鋼件獲得更多的馬氏體，提高鋼件硬度與耐磨新，穩(wěn)定鋼件尺寸，如量具、精密軸承、精密絲杠、精密刀具、槍桿等要求形狀精確和尺寸穩(wěn)定的工件，均應在淬火之后進行冷處理，以消除或減少殘余奧氏體數量，穩(wěn)定鋼件的尺寸。五、淬透性與淬硬性

淬透性是指以規(guī)定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。以鋼在理想條件下淬火所能達到的最高硬度來表征的材料特性稱為淬硬性。六、淬火缺陷

1．過熱與過燒工件加熱溫度偏高，而使晶粒過度長大，以致力學性能顯著降低的現(xiàn)象稱為過熱。工件加熱溫度過高，致使晶界氧化和部分熔化的現(xiàn)象稱為過燒。2．氧化與脫碳工件加熱時，介質中的氧、二氧化碳、水蒸汽等與之反應生成氧化物的過程稱為氧化。工件加熱時介質與工件中的碳發(fā)生反應，使表層碳的質量分數降低的現(xiàn)象稱為脫碳。3．硬度不足和軟點鋼件淬火后較大區(qū)域內硬度達不到技術要求的現(xiàn)象，稱為硬度不足。鋼件淬火硬化后，其表面許多小區(qū)域存在硬度偏低的現(xiàn)象稱為軟點。4．變形和開裂變形是淬火時鋼件產生形狀或尺寸偏差的現(xiàn)象。開裂是淬火時鋼件表層或內部產生裂紋的現(xiàn)象。熱應力是指鋼件加熱和(或)冷卻時，由于不同部位出現(xiàn)溫差而導致熱脹和(或)冷縮不均所產生的內應力。相變應力是熱處理過程中，因鋼件不同部位組織轉變不同步而產生的內應力。金屬工藝學單元二鋼的熱處理模塊五回火一、回火概述回火是指工件淬硬后，加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。一般來說，隨著回火溫度的升高，淬火組織將發(fā)生一系列變化，回火時的組織轉變過程一般分為四個階段：第一階段（≤200℃）——馬氏體分解，淬火組織經過回火，轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體組織；第二階段（200～300℃）——殘余奧氏體分解，淬火組織經過回火，轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體組織；第三階段（250～400℃）——碳化物析出，淬火組織經過回火，形成回火托氏體組織；第四階段（＞400℃）——碳化物聚集長大與鐵素體的再結晶，淬火組織經過回火，最終形成回火索氏體組織。二、回火方法及其應用

根據鋼材在回火時的加熱溫度不同，可將回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。1.低溫回火低溫回火的溫度范圍是250℃以下。淬火鋼經低溫回火后，獲得的組織為回火馬氏體（M1）。淬火鋼經低溫回火后，鋼的硬度一般為58～62HRC。低溫回火主要用于由高碳鋼、合金工具鋼制造的刃具、量具、冷作模具、滾動軸承及滲碳件、表面淬火件等。2.中溫回火中溫回火的溫度范圍是250℃～450℃。淬火鋼經中溫回火后，獲得的組織為回火托氏體（T1）。淬火鋼經中溫回火降低了淬火應力，鋼的硬度一般為35～50HRC。中溫回火主要用于處理鋼制彈性元件，如各種卷簧、板簧、彈簧鋼絲等。3.高溫回火高溫回火的溫度范圍是500℃以上。淬火鋼經高溫回火后，獲得的組織為回火索氏體（S1）。淬火鋼經高溫回火后，鋼的硬度一般為200～330HBW。高溫回火主要用于處理軸類、連桿、螺栓、齒輪等工件。模塊六

金屬的時效

●固溶處理是指工件加熱至適當溫度并保溫，使過剩相充分溶解，然后快速冷卻以獲得過飽和固溶體的熱處理工藝。●金屬材料經過冷加工、熱加工或固溶處理后，在室溫下放置或適當升溫加熱時，發(fā)生力學性能和物理性能隨著時間而變化的現(xiàn)象，稱為時效。常用的時效方法主要有：自然時效、熱時效、變形時效、振動時效和沉淀硬化時效等。

模塊六

金屬的時效一、自然時效●自然時效是指金屬材料經過冷加工、熱加工或固溶處理后，在室溫下發(fā)生性能隨著時間而變化的現(xiàn)象。例如，鋼鐵鑄件、鍛件、焊接件等在室溫下長時間（半年或幾年）在戶外或室內堆放，就是自然時效。二、熱時效●熱時效是指隨著溫度的不同，α-Fe中碳的溶解度發(fā)生變化，使鋼的性能發(fā)生改變的過程稱為熱時效。例如，低碳鋼在室溫放置過程中，由于碳的溶解度較低，碳以Fe3CIII的形式，具有從過飽和的固溶體中析出使鋼的硬度和強度上升，而塑性和韌性下降。三、變形時效●變形時效是指鋼在冷變形后進行的時效。變形時效也降低鋼（尤其是汽車用板材）的鍛壓加工性能。四、振動時效●振動時效是指通過機械振動（如超聲波）的方式來消除、降低或均勻工件內殘余應力的工藝，又稱為振動消除應力法。振動時效工藝適用于重要的鑄件、鍛件和焊接件等，在國內外已獲得廣泛應用。五、沉淀硬化時效●沉淀硬化時效是在過飽和固溶體中形成或析出彌散分布的強化相而使金屬材料硬化的熱處理工藝。它是不銹鋼、高溫耐熱合金、高強度鋁合金等的重要強化方法。模塊七

表面熱處理與化學熱處理一、表面熱處理

表面熱處理是為改變工件表面的組織和性能，僅對其表面進行熱處理的工藝。1．表面淬火和回火表面淬火是指僅對工件表層進行淬火的工藝。表面淬火不改變工件表面化學成分，而是采用快速加熱方式，使工件表層迅速奧氏體化，使心部仍處于臨界點Ac1以下，并隨之淬火，從而使工件表面硬化。按加熱方法的不同，表面淬火方法主要有：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、接觸電阻加熱表面淬火及電解液加熱表面淬火等。

（1）感應加熱表面淬火。利用感應電流通過工件所產生的熱效應，使工件表面、局部或整體加熱并進行快速冷卻的淬火工藝稱為感應加熱表面淬火。①感應加熱基本原理。②感應加熱表面淬火的特點。感應加熱表面淬火具有工件加熱速度快、時間短，變形小，基本無氧化和無脫碳特點；工件表面經感應加熱淬火后，在淬硬的表面層中存在較大的殘余壓應力，可以有效地提高工件的疲勞強度；生產率高，易實現(xiàn)機械化、自動化，適于大批量生產。③感應加熱表面淬火的應用。感應加熱表面淬火主要用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的工件，如40鋼、45鋼、40Cr鋼、40MnB鋼等。根據交流電流頻率不同，感應加熱表面淬火分為高頻感應加熱表面淬火、中頻感應加熱表面淬火和工頻感應加熱表面淬火三類。（2）火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是利用乙炔一氧或其它可燃氣燃燒的火焰對工件表層進行加熱，隨之快速冷卻的淬火工藝?；鹧婕訜岜砻娲慊鸩僮骱啽?，不需要特殊設備，生產成本低，主要用于單件或小批量生產的各種齒輪、軸、軋輥等。2．氣相沉積氣相沉積是利用氣相中發(fā)生的物理、化學過程、改變工件表面成分，在工件表面形成具有特殊性能的金屬或化合物涂層的表面處理技術。氣相沉積按照過程的本質可分為化學氣相沉積和物理氣相沉積兩大類。

（1）化學氣相沉積?；瘜W氣相沉積是利用氣態(tài)物質在一定的溫度下，在固體表面上進行化學反應，并在其表面上生成固態(tài)沉積膜的過程?；瘜W氣相沉積在硬質合金刀具涂層、鋼制模具涂層以及耐磨件涂層等方面得到應用，而且其使用壽命較未涂層前提高3～10倍。（2）物理氣相沉積。物理氣相沉積是通過真空蒸發(fā)、電離或濺射等過程，產生金屬離子并沉積在工件表面，形成金屬涂層或與反應氣體反應生成化合物涂層的過程。物理氣相沉積適用于鋼鐵材料、非鐵金屬、陶瓷、玻璃、塑料等。物理氣相沉積方法有真空蒸鍍、真空濺射和離子鍍三類。

二、化學熱處理化學熱處理是將工件置于適當的活性介質中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入到它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W熱處理與表面淬火相比，其特點是表層不僅有組織的變化，而且還有化學成分的變化。

化學熱處理方法很多，通常以滲入元素來命名工藝名稱，如滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硅、滲金屬等?；瘜W熱處理由分解、吸收和擴散三個基本過程組成。1．滲碳為提高工件表層碳的質量分數并在其中形成一定的碳含量梯度，將工件在滲碳介質中加熱、保溫，使碳原子滲入的化學熱處理工藝稱為滲碳。滲碳所用鋼種一般是碳的質量分數為0.10%～0.25%的低碳鋼和低合金鋼，如15鋼、20鋼、20Cr鋼、20CrMnTi鋼等。根據滲碳介質的物理狀態(tài)不同，滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。

二、化學熱處理2．滲氮在一定溫度下于一定滲氮介質中，使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝稱為滲氮。滲氮的目的是為了提高工件表層的硬度、耐磨性、熱硬性、耐腐蝕性和疲勞強度。滲氮處理廣泛用于各種高速傳動的精密齒輪、高精度機床主軸、受循環(huán)應力作用下要求高疲勞強度的零件(如高速柴油機曲軸)以及要求變形小和具有一定耐熱、抗腐蝕能力的耐磨零件(如閥門)等。3．碳氮共滲在奧氏體狀態(tài)下同時將碳、氮原子滲入工件表層，并以滲碳為主的化學熱處理工藝稱為碳氮共滲。根據共滲溫度不同，可分為低溫(520℃～580℃)、中溫(760℃～880℃)和高溫(900℃～950℃)碳氮共滲。碳氮共滲的目的主要是提高工件表層的硬度和耐磨性，廣泛應用于自行車、縫紉機、儀表零件，齒輪、軸類、模具、量具等表面處理。模塊八

熱處理新技術簡介一、形變熱處理●形變熱處理是將塑性變形與熱處理工藝結合，以提高工件力學性能的復合工藝。工件經形變熱處理后，可以獲得形變強化和相變強化綜合效果。