第4章 退火与正火

1、第二章 退火和正火n教学目的：掌握退火和正火的热处理工艺、目的等。n主要内容：退火和正火的基本含义、特点、目的、工艺原理、工艺的选择等。n重点内容：退火和正火的热处理工艺、目的、原理。前 言n金属热处理工艺： 将工件放在一定的介质中加热、保温、冷却，通过改变金属及合金表面或内部的组织结构来控制其性能的工艺方法。n金属热处理工艺学： 在一般固态相变原理基础上，着重研究钢铁热处理工艺、原理对组织性能的影响规律。不同冷却速率对45钢力学性能的影响 冷却方式 力 学 性 能 b（MPa）s（MPa）（%）（%）硬度（HRC）随炉冷却51927232.54915-18空气冷却657-70633315-1

2、845-5018-24油冷却88260818-204840-50水冷却10787067-812-1452-60一 确定加热规范的一般原则n热处理基本工艺参数热处理基本工艺参数：加热温度、加热速度、保温时间、冷却介质。它们决定了加热后金属的内部组织结构及各相成分。n工件热处理加热规范：工件热处理加热规范：由所选定的材料及工件的形状、尺寸决定，同时还与所采用的加热装置的功率、加热方式、装炉数量、热处理工艺要求等因素有关。1、加热温度的确定、加热温度的确定（1）确定加热温确定加热温度的依据度的依据： 金属及合金的状态图，具体材料的热处理工艺可查有关手册。（2）加热温度的确定：n理论依据：相变临界点、

3、再结晶温度。n具体依据：工件的热处理目的，并受工件的原材料、尺寸、加工过程等的影响。n选择加热温度是一个较复杂的多因素问题，如图1-1中的程序方框图。（3 3）加热温度不当导致的热处理缺陷）加热温度不当导致的热处理缺陷n过烧：过烧：在粗大晶粒的晶界上出现局部熔化或氧化现象。如在粗大晶粒的晶界上出现局部熔化或氧化现象。如高速钢，过烧会在晶界上产生莱氏体共晶，极易导致淬火高速钢，过烧会在晶界上产生莱氏体共晶，极易导致淬火开裂。开裂。n过热过热：加热温度过高或保温时间过长将导致奥氏体晶粒剧：加热温度过高或保温时间过长将导致奥氏体晶粒剧烈长大，在以后的退火或正火过程中形成粗大的铁素体、烈长大，在以后的

4、退火或正火过程中形成粗大的铁素体、马氏体等，晶间存在着明显的显微裂纹，易导致淬火开裂。马氏体等，晶间存在着明显的显微裂纹，易导致淬火开裂。且晶粒粗化使材料的韧性、强度降低。且晶粒粗化使材料的韧性、强度降低。n欠热欠热：加热不足时，未充分奥氏体化，钢中的第二相未能：加热不足时，未充分奥氏体化，钢中的第二相未能完全溶解、冶炼或热加工过程中的缺陷不能完全消除，会完全溶解、冶炼或热加工过程中的缺陷不能完全消除，会发生淬火软点、硬度不均或不足、红硬性下降等。发生淬火软点、硬度不均或不足、红硬性下降等。T12钢 过烧 晶粒粗大，晶界氧化，部分晶界熔化形成裂纹2、加热速度的确定n依据依据：主要由被加热工件在

5、单位时间内、单位面积上所接：主要由被加热工件在单位时间内、单位面积上所接受的热能来确定。且受材料的成分、工件的尺寸、以及热受的热能来确定。且受材料的成分、工件的尺寸、以及热处理工艺要求的不同所制约。处理工艺要求的不同所制约。钢在加热时加热速度越快，相变临界点的温度提高越多，钢在加热时加热速度越快，相变临界点的温度提高越多，奥氏体形成的各个阶段均移向较高的温度，完成奥氏体化的奥氏体形成的各个阶段均移向较高的温度，完成奥氏体化的时间越短。并使奥氏体形成时的起始晶粒细化，随之淬火可时间越短。并使奥氏体形成时的起始晶粒细化，随之淬火可使工件具有高的表面硬度、强度、耐磨性，塑韧性也较高。使工件具有高的表

6、面硬度、强度、耐磨性，塑韧性也较高。但快速加热产生的热应力大，易产生变形、扭曲、开裂。但快速加热产生的热应力大，易产生变形、扭曲、开裂。（1 1）允许的加热速度：允许的加热速度：与钢的化学成分、工件尺寸及加热与钢的化学成分、工件尺寸及加热的温度范围有关。可用传热学公式进行预测计算，并考虑的温度范围有关。可用传热学公式进行预测计算，并考虑塑性的影响。塑性的影响。（2 2）可能的加热速度可能的加热速度：取决于加热设备的热量、加热介质：取决于加热设备的热量、加热介质的类型、加热方式等。的类型、加热方式等。 加热方式加热方式：随炉加热、预热加热、到温入炉加热、高温入：随炉加热、预热加热、到温入炉加热、

7、高温入炉加热。四种方式加热速度不同。炉加热。四种方式加热速度不同。（3 3）快速加热：直径）快速加热：直径700mm700mm适用快速加热。对于大型工适用快速加热。对于大型工件，在件，在700700 C C以下时采用低的加热速度（以下时采用低的加热速度（20 0.5%）。n获得均匀组织，改善热处理工艺性能。因为：工具钢要求淬火前的原始组织为球状珠光体，以减少淬火加热时的变形开裂等。1.原始组织为球状珠光体时，经淬火、回火后能获得良好的综合力学性能。片状珠光体的球化过程片状珠光体的球化过程n将片状珠光体加热到略高于A1温度保温，将使片状珠光体球化，获得球状珠光体的热处理过程称为球化退火。n片状渗

8、碳体球化过程及原因：第二相颗粒在其基体中的溶解度和其曲率半径有关。n加热温度：把退火钢加热到低于Ac1点1030C，n保温时间：长时间保温，使碳化物由片状变成球状，即片状渗碳体球状化。几十到100小时。n冷却速度：A cm高温固溶处理，高温固溶处理，A1高温回火，高温回火，得完全均匀的球化组织。得完全均匀的球化组织。n定义：将金属铸锭、铸件或锻坯，在略低于固相线的温度下长期加热，消除或减少化学成分偏析及显微组织的不均匀性，以达到均匀化目的，然后以一定的速度冷却的热处理工艺。n目的：消除或减少在冶金过程中形成的化学成分偏析及显微组织的不均匀性，避免轧制时的带状偏析。改善合金钢的切削加工性能。n应

9、用：优质合金钢、重要铸钢件及偏析现象较为严重的合金。n特点：高温下长时间保温，缓慢冷却到室温。过程进行的很慢，消耗能量多，生产率低，需长程扩散，只有在必要时才应用。 钢件扩散退火工艺：n温度：Ac3、Accm以上150250C，碳钢一般为11001200C，合金钢一般为12001300Cn加热速度：100120C/hn保温时间：按工件的有效截面厚度计算23min/mm，一般不超过15h 。n冷却速度：碳钢随炉冷却到600C以下时出炉空冷。高合金钢及高淬透性钢随炉冷却到350C左右出炉。 n组织：扩散退火后晶粒粗大，细晶方法：亚共析钢补充一次完全退火，选择合适的冷却速度，避免魏氏组织出现；过共析

10、钢进行球化退火，消除网状渗碳体；压力加工细碎晶粒。六、再结晶退火和消除应力退火六、再结晶退火和消除应力退火n再结晶退火再结晶退火：经过冷变形后的金属加热到再结晶：经过冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温一定时间，使形变晶粒重新转变温度以上，保温一定时间，使形变晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。的热处理工艺。n形变强化：形变强化：材料在外力作用下因塑性变形而产生材料在外力作用下因塑性变形而产生的加工硬化现象的加工硬化现象 。n再结晶退火的目的：消除冷作硬化，提高塑性，再结晶退火的目的：消除冷作硬化，提高塑性，降低硬度

11、，改善切削加工性能及延展性。降低硬度，改善切削加工性能及延展性。冷变形金属在随后的加热过程中的组织和性能的变化冷变形金属在随后的加热过程中的组织和性能的变化1.硬度硬度 2.抗拉强度抗拉强度 3.屈服强度屈服强度 4.内应力内应力 5.延伸率延伸率 6.断面收缩率断面收缩率 7.再结晶晶粒大小再结晶晶粒大小C0.1% 钢形变及再结晶退火后的组织变化钢形变及再结晶退火后的组织变化n再结晶退火在高于再结晶温度进行。再结晶退火在高于再结晶温度进行。n临界变形量：为产生再结晶所需的最小变形量，临界变形量：为产生再结晶所需的最小变形量，钢一般为钢一般为610%，再结晶温度随变形量的增加，再结晶温度随变形

12、量的增加而降低。而降低。n去应力退火去应力退火：为去除由于形变加工、锻造、焊：为去除由于形变加工、锻造、焊接等所引起的、或铸件内存在的残余应力而进接等所引起的、或铸件内存在的残余应力而进行的退火。行的退火。n应用：各类铸件在机械加工前应进行消除应力应用：各类铸件在机械加工前应进行消除应力的退火，并缓慢冷却，以免产生新的应力。的退火，并缓慢冷却，以免产生新的应力。第二节 钢的正火n定义：将钢加热到临界点以上适当温度，保温一定时间，进行完全奥氏体化(铸铁：部分奥氏体化)，以较快速度冷却，以获得珠光体类组织的热处理工艺。n要求： 加热温度足够高，一般要求获得均匀的单相奥氏体组织。工件透烧均温后再于空

13、气中自然冷却。n组织转变：伪共析或平衡转变。n正火目的及应用：n细化晶粒，均匀组织，消除过热缺陷。n过共析钢正火可消除网状渗碳体组织(C=0.6-1.4%)。n低碳钢(C0.3%)：正火可提高硬度，改善切削加工性能。n消除某些热处理缺陷。如粗大铁素体、魏氏组织等。n可作预先热处理：为下续热处理提供适宜的组织；如为过共析钢的球化退火提供细片状珠光体。n可作最终热处理：提供较好的综合力学性能。n只适用于碳素钢，低、中合金钢;不适于高合金钢。1.不太重要的工件，可在正火态使用。工艺参数：n加热温度：低碳钢：Ac3+（100150）C； 中碳钢：Ac3+（50100）C； 高碳钢： Ac3+（3050

14、）C；n保温时间： 电炉和火焰反射炉中：取决于工件透烧时间和完成组织转变所需时间。一般：8.5+Q/4(h)， Q装炉量。 亚共析钢的锻轧件：（34）+（0.40.5）Q(h)， 在盐炉中的时间为0.5min/mm。合金钢在此基础上增加2030%的时间。n冷却速度：一般在静止的空气中冷却，为了提高硬度也可在流动的空气中冷却。n正火时应考虑的问题：1）低碳钢正火的目的之一是为了提高切削性能。含碳量小于0.2%的钢，应提高加热温度、增大冷却速度，可获得较细的珠光体和分散度较大的铁素体，以提高硬度。2）中碳钢正火的目的是为了改善切削性能。3）高碳钢正火的目的是为了消除网状碳化物，所以应采用较大的冷速

15、以获得伪共析组织。n双重正火：1）第一次正火在高于Ac3点以上150200C，以消除粗大组织。2）第二次正火以普通条件进行，以细化组织。第三节第三节 退火、正火后钢的组织和性能退火、正火后钢的组织和性能组织：都是铁素体和渗碳体的机械混合物。n正火后的珠光体片间距较小、珠光体团直径小、且可抑制过共析钢中网状渗碳体析出（伪共析）。n亚共析钢：正火析出的先共析F较少，P较多。性 能：n40Cr钢正火和退火后的力学性能：正火的强度和韧性较高，塑性变化不大。n过共析钢：完全退火后有网状渗碳体存在，其强度、硬度、韧性均低于正火。n球化退火：得球状珠光体，综合性能优于正火。退火、正火工艺的选用退火、正火工艺

16、的选用n0.25%C以下的钢，可用正火提高强度硬度；0.2%C以下的钢采用高温正火，形状复杂的大型铸件，用退火消除铸造应力。n0.250.35% C的钢，采用正火以获得好的切削性能； 0.350.5% C的钢，采用正火以提高生产率，合金钢采用完全退火（因C曲线右移）。n含碳量0.500.75%的钢，含碳量较高，正火后硬度太高，采用完全退火后的硬度正好适宜于切削加工，此类钢的热处理及加工工艺为： 完全退火切削加工(球化退火)淬火回火n含碳量0.751.0%的钢： 弹簧钢：完全退火得S，作预备热处理，冷拔 工具钢：球化退火作预备热处理+淬火 或正火+不完全退火+淬火n含碳量大于1.0%的钢，球化退

17、火作预备热处理。n上述原则不适用于高合金钢。合金钢需用高温回火降低硬度，便于切削加工。退火、正火处理应用小结退火、正火处理应用小结n主要用于共析和过共析钢的预先热处理。n主要用于含碳大于0.6%的各种高碳工模具钢、轴承钢等。为淬火做好组织准备。n工具钢原始组织为球状珠光体时，经淬火、回火后能获得良好的综合力学性能。n使片状珠光体球化，以降低硬度，改善切削性能。含碳量高的钢容易获得球状珠光体。n淬火马氏体球化：淬火+高温回火，球化速度快，球化组织均匀。 球化处理球化处理完全退火完全退火n主要用于亚共析钢。n细化晶粒、增加塑性；消除内应力；n降低硬度、改善切削性能；n使原始组织完全改变，重新结晶，

18、改善金相组织，为下一步淬火做准备；n用来处理中小型铸钢件、锻件和热轧钢件，以消除其粗大晶粒和魏氏组织，细化晶粒。 不完全退火不完全退火n用于锻造组织较好的钢件的退火，消除内应力，降低硬度以利于切削；n只改善珠光体组织的片间距及晶粒度；n可细化晶粒，但效果不如完全退火的好。n亚共析钢只是使珠光体部分再进行一次重结晶，退火后珠光体片间距增大，硬度降低，内应力降低。过共析钢实质上是球化退火。正火处理正火处理n当退火前的原始组织要求为细片状珠光体时，一般要先进行一次正火处理。n过钢析钢中的二次碳化物呈网状时很难球化，可在球化退火前进行一次正火处理或高温固溶处理。n为过共析钢的球化退火提供细片状珠光体。

19、n消除过共析钢及合金钢的网状渗碳体组织。n消除某些处理缺陷。如消除粗大铁素体、魏氏组织等。n可作预先热处理：为下续热处理提供适宜的组织；n可作最终热处理：提供合适的力学性能。n中、低碳钢可用正火改善切削加工性能。n所有的钢铁材料通过正火均可使铸、锻件的过热晶粒细化，消除内应力。n正火后组织较细，比退火具有较好的综合力学性能，且工艺简单。nC=0.40.7%的钢件可在正火状态下使用。nC0.4%的钢，往往用正火代替完全退火。n铸件：正火可以改善铸件中的粗大晶粒，使之细化，并消除由于截面尺寸不同在结晶过程中产生的显微组织的不均匀性。n含碳量小于0.2%的钢，应提高加热温度、增大冷却速度，可获得较细的珠光体和分散度较大的铁素体，以提高硬度。正火处理正火处理第四节 退火、正火缺陷1、过烧：加热温度过高，使晶界氧化或局部熔化，工件报废。2、黑脆：硬度虽低但脆性