第4章金属材料热处理

第4章金属材料热处理金属材料热处理是金属材料在固态下，通过适当的方式进行加热、保温和冷却，改变材料内部组织结构，从而改善材料性能的一种工艺方法，也称之为金属材料的改性处理。热处理工艺按其工序位置可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理可以改善金属材料的加工工艺性能，为后续工序作好组织和性能准备，从而提高生产率和加工质量。最终热处理可以提高金属材料的使用性能，充分发挥金属材料的性能潜力，保证产品质量，延长零件使用寿命。根据热处理的目的要求和工艺方法的不同，热处理可分为三大类：1．普通热处理：退火、正火、淬火、回火。2．表面热处理：⑴表面淬火。⑵化学热处理：渗碳、渗氮、渗金属。3．其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理。§4．1退火与正火退火与正火常作为预备热处理。铸造、锻造和焊接后的毛坯件在热加工过程中不仅组织粗大，成分不均匀，而且存在残余应力，这些缺陷使材料力学性能变差，影响切削加工性能，易使零件产生变形。经过退火或正火后，可以使毛坯件组织细化，成分均匀，消除内应力，改善力学性能和切削加工性能，减少零件产生变形和裂纹的倾向。对于一些不重要或受力不大的零件，退火和正火也可作为最终热处理。4.1.1退火退火是将钢加热到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却（通常随炉冷却），获得接近于平衡组织的热处理工艺。退火的目的：⑴降低硬度，改善切削加工性。⑵消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与开裂倾向。⑶细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。1．完全退火完全退火是将钢加热到Ac3以上30-50℃，保温一定时间后随炉冷却到500℃以下，再出炉空冷的热处理工艺。完全退火主要适用于亚共析钢和铸件、锻件及焊接件等，将其加热到Ac3以上使钢材完全奥氏体化，缓慢冷却后获得接近于平衡状态的珠光体组织，使热加工过程中造成的粗大不均匀组织均匀细化，降低硬度，提高塑性，改善加工性能，消除内应力。完全退火的过程所需时间较长，长达几十小时以上，生产率低。2．等温退火等温退火是将钢加热到Ac3以上30-50℃，保温一定时间后，快冷至珠光体形成温度等温保温，使过冷奥氏体全部转变为珠光体后，空冷至室温。等温退火与完全退火目的相同，但所需时间可缩短一半，组织也较均匀。3．球化退火球化退火是将钢加热到Ac1以上10-30℃，保温较长时间后以极其缓慢的速度冷却到600℃以下，再出炉空冷的热处理工艺。球化退火主要适用于共析钢和过共析钢及合金工具钢的退火，使钢中的网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球化，降低材料硬度，改善切削加工性，并可减小最终淬火变形和开裂为以后的热处理作准备。4．扩散退火（均匀化退火）扩散退火加热温度高，一般在Ac3以上150-200℃，长时间保温（10-15h）后随炉缓冷。扩散退火适用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般扩散退火后仍需进行完全退火或正火，以细化扩散退火中因高温和长时间保温所产生的粗大组织。5．去应力退火去应力退火加热温度低于Ac1以下，一般为500-650℃，充分保温后缓慢冷却至200℃出炉空冷。去应力退火加热温度低，在退火过程中无组织变化，适用于铸、锻、焊件及经过切削加工的零件，目的是为了消除毛坯和零件中的残余应力，稳定工件尺寸及形状，减少零件在切削加工和使用过程中的变形和开裂倾向。4.1.2正火正火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（共析钢和过共析钢）以上30-50℃，保温适当时间后在静止空气中冷却的热处理工艺。（完全奥氏体化，伪共析转变。）正火的目的：⑴对普通碳素钢、低合金钢和力学性能要求不高的结构件，可作为最终热处理。⑵对低碳钢用来调整硬度，避免切削加工中粘刀现象，改善切削加工性。⑶对共析、过共析钢用来消除网状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备。正火比退火加热温度高，冷却速度快，冷却后组织中铁素体量少，索氏体组织细，具有较高的力学性能。而且正火生产周期短、生产率高、操作简便、经济性好。§4．2

钢的淬火淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50℃，经过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。淬火可以使钢件获得马氏体或贝氏体组织，以提高钢的力学性能。淬火是强化钢件的最主要而且是最常用的热处理方法。4.2.1淬火加热温度和加热时间亚共析钢的淬火加热温度为Ac3+（30-50）℃，淬火后的组织为均匀细小的马氏体。过共析钢的淬火加热温度为Ac1+（30-50）℃，淬火后的组织为均匀细小的马氏体和粒状二次渗碳体，有利于增加钢的硬度和耐磨性。如果加热温度过高，则二次渗碳体将全部溶入奥氏体，使马氏体转变温度降低，淬火组织中残余奥氏体增多，粒状渗碳体减少，使钢的硬度和耐磨性降低，同时由于加热温度高，晶粒粗大，使钢的脆性增大，并增加变形和开裂倾向。合金钢的淬火加热温度相应要高些，一般高于临界点50-100℃，这是因为合金钢中大多数合金元素难溶于奥氏体，为了使奥氏体成分均匀，提高合金钢的淬火效果，须适当提高加热温度，但对含有促进奥氏体晶粒长大的少数合金元素（如Mn）的合金钢，则加热温度相应要低些。加热时间太短会使奥氏体成分不均，甚至奥氏体转变不完全，淬火后零件出现软点淬不硬。加热时间过长，将助长氧化、脱碳和晶粒粗大的倾向。4.2.2淬火冷却介质冷却是决定钢的淬火质量的关键。根据C曲线可知，冷却速度必须大于临界冷却速度vc才能全部进行马氏体转变。但冷却速度过快又不可避免地造成很大的内应力，使工件产生变形和开裂。理想的冷却曲线是：在650℃以上，在保证不出现珠光体组织的前提下，冷却速度可慢些；在650-400℃之间，为了避开C曲线的鼻尖，避免奥氏体分解，冷却速度尽可能快些；在400℃以下冷却速度可减慢，特别是在发生马氏体转变时（300-200℃）更应缓慢冷却，以减少内应力的产生，避免变形和裂纹，并能完全保证获得马氏体组织。但是目前还没有发现完全具有这种冷却能力的淬火冷却介质。使零件获得某种冷却速度的介质称为淬火冷却介质，最常用的淬火冷却介质分为水、盐（碱）和油三类。水最廉价，冷却能力很强，特点是在650-500℃时冷却能力强，对保证工件淬硬十分有利。但在300-200℃时冷却速度亦大，容易使工件严重变形和开裂，主要应用于过冷奥氏体稳定性较差的碳素钢。盐（碱）水冷却能力比水强，因为在淬火时，水中的盐或碱晶体在工件表面析出并气化爆裂，有效地破坏了包围在工件表面起隔热作用的蒸汽膜，使冷却速度加快，同时也破坏加热时在工件表面上形成的氧化皮，促使其剥落。因此淬火后的工件硬度高而均匀，表面光洁。但在低温时冷却能力大，极易产生变形和开裂。因此盐（碱）水常用于形状简单、淬硬层要求较深、硬度高而均匀、表面要求光洁、必须要求不严、截面尺寸较大的碳钢零件。油类淬火冷却介质主要是矿物油，常用的是10号机油。油的粘度大，流动性差，冷却能力低，对300-200℃时马氏体转变有利，可以有效地减少变形和开裂，但在650-500℃时冷却能力差，所以主要应用于过冷奥氏体比较稳定的合金钢淬火冷却。4.2.3淬火冷却方法1．单介质淬火法，如碳钢水冷、合金钢油冷、大型碳钢件盐水冷却等。2．双介质淬火法：将奥氏体的钢件先浸入冷却能力强的冷却介质中，冷却至300℃左右，立即取出浸入另一种冷却能力弱的冷却介质中冷却，如先水冷后油冷，或先水冷后空冷。这种方法是马氏体转变在冷却能力弱的介质中进行，产生的内应力小，减少变形和开裂，缺点是不易掌握在两种介质中的转换时间。3．马氏体分级淬火法：将奥氏体化的钢件先浸入温度在Ms点附近的盐浴（或碱浴）中，短时间停留，待表面与心部温差减小后取出空冷。这种方法使工件内外温度基本一致，马氏体转变是在空气中缓慢进行，有效地减小内应力，减少变形和开裂，而且硬度比较均匀，所以特别适用于形状复杂的工件。4．贝氏体等温淬火法：将奥氏体化的钢件浸入温度在贝氏体转变温度区间（260-400℃）的盐浴（碱浴）中等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体，然后进行空冷。等温淬火不仅可以使钢件减少变形、组织均匀，而且具有较高的强度、硬度和韧性，适用于尺寸较小、形状复杂，硬度、强度较高且有较高韧性要求的工、模具和耐磨件。5．冷处理：钢件淬火冷却到室温后，继续在0℃以下的介质中冷却的热处理工艺，目的是为了尽量减少钢中残余奥氏体而获得最大数量的马氏体，有利于提高钢的硬度和耐磨性，稳定工件尺寸，适合于要求高硬度、高耐磨性及对精度要求高的零件、模具和量具的处理。§4．3

钢的表面淬火对于承受弯曲、扭转等交变载荷及冲击载荷并在摩擦条件下工作的零件，如齿轮、轴类、轧辊等，不但要求表面有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，还要求零件心部有足够的塑性和韧性，使零件的表面和心部实现良好的性能配合。表面淬火方法是将淬火零件表层金属迅速加热至相变温度以上，而心部未被加热，然后迅速冷却，使零件表层获得马氏体而心部仍为原始组织的外硬内韧状态。表面淬火法所用零件材料的含碳量在0.40%-0.50%为宜。含碳量过高，会增加表面淬硬层的脆性，易开裂，而心部塑性、韧性也较差。含碳量过低，表面淬硬层的硬度和耐磨性不足，不能满足要求。为了保证心部较好的塑性和韧性，在表面淬火前应进行正火或调质处理。4.3.1感应加热表面淬火优点是加热速度快，生产率高，工件表面氧化脱碳少、变形小，表面质量高。奥氏体在较大的过热度下进行，转变速度快，晶粒细小，淬火后获得细小隐晶马氏体，表面硬度比一般淬火高2-3HRC，耐磨性高，脆性小。此外，表层存在较大残余压应力，可提高工件疲劳强度。淬火加热温度及淬硬层深度容易控制，便于实现机械化和自动化。缺点是设备昂贵，调整和维修较复杂。4.3.2火焰加热表面淬火设备简单、操作方便，成本低，适用于单件、小批量生产的大型零件和需要局部淬火及外型复杂的工具和零件。§4．4

钢的回火回火就是把经过淬火的零件重新加热到低于Ac1的某一温度，适当保温后，冷却到室温的热处理工艺。4.4.1回火目的钢在淬火后一般很少直接使用，因为淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，马氏体虽然强度、硬度高，但塑性差，脆性大，在交变载荷作用下极易断裂；此外，淬火后组织不稳定，在室温下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。回火的目的是：⑴消除或降低内应力，降低脆性，防止变形和开裂。⑵稳定组织，稳定尺寸和形状，保证零件使用精度和性能。⑶通过不同回火方法，来调整零件的强度、硬度，获得所需的韧性和塑性。4.4.2回火组织转变及性能变化1．钢在回火时的组织转变⑴马氏体的分解（200℃以下）：钢的体积产生收缩，固溶在马氏体中的过饱和的碳以ε碳化物弥散析出使马氏体过饱和度减小。这种弥散的ε碳化物和与它保持共格联系的低碳马氏体称为回火马氏体（M回）。⑵残余奥氏体分解（200-300℃）：由于温度升高，碳原子的扩散速度加快和马氏体不断分解，造成体积缩小，减少了对残余奥氏体的压力，促使残余奥氏体发生分解。200-300℃是贝氏体转变温度范围，残余奥氏体转变为与回火马氏体近似的下贝氏体。α固溶体中仍含有0.15%-0.20%C。⑶渗碳体的形成（250-400℃）：由于碳原子析出、扩散能力增强，过饱和α固溶体含碳量下降至正常含碳量，由体心正方晶格变为体心立方晶格，即铁素体。亚稳定状态的ε碳化物逐渐转变为稳定的细颗粒状的渗碳体，并与母相失去共格关系，α固溶体与Fe3C各形成自己的界面导致内应力大量消除。此阶段所形成的组织为铁素体与极细粒状渗碳体的混合物——回火托氏体（T回）。⑷渗碳体聚集长大（400℃以上）：回火托氏体中的铁素体晶体内位错密度很高，还没有完全失去其马氏体形态。当温度继续升高，内部组织发生回复和再结晶转变时，产生位错密度较低的铁素体等轴晶粒，而渗碳体也不断聚集长大，固溶强化作用逐渐减弱。回火温度越高，渗碳体质点越大，弥散度越小，则钢的硬度和强度越低，塑性、韧性越高。此时的组织是回火索氏体（S回）。2．回火后的组织和性能⑴回火马氏体（250℃以下）：是由淬火马氏体分解的极细小的高度弥散的ε碳化物分布在针状的低过饱和α固溶体基体上，并保持共格关系，强度略有下降。⑵回火托氏体（350-450℃）：是由高度弥散的渗碳体分布在铁素体基体上，由于渗碳体聚集长大，弥散强化逐渐减弱，硬度下降较快。⑶回火索氏体（500-650℃）：是由较细的渗碳体颗粒分布在铁素体基体上，由于在较高温度下，渗碳体聚集长大，颗粒比回火托氏体大，弥散强化进一步减弱，内应力完全消失，硬度明显下降。淬火钢在回火时，其硬度和强度随回火温度升高而下降，其塑性和韧性随回火温度升高而提高。其原因是由于回火温度的提高，产生马氏体分解，渗碳体析出和聚集长大，固溶强化消失，弥散强化减弱，内应力消除的过程而形成。回火组织与过冷奥氏体直接分解的组织相比，均具有较优的性能。在硬度相同时，回火托氏体与回火索氏体比托氏体、索氏体具有较高的强度、塑性和韧性。其主要原因是过冷奥氏体直接分解出来的渗碳体是片状渗碳体，而回火组织转变的是颗粒状渗碳体。片状渗碳体在受力时容易产生应力集中，形成裂纹和具有较大的脆性，所以受交变应力和冲击作用的重要零件应采用淬火和高温回火处理，以获得较高的力学性能。4.4.3回火工艺及应用1．低温回火回火温度范围为150-250℃，回火组织是回火马氏体，硬度为55-64HRC。低温回火的主要目的是降低钢的淬火应力和减少脆性，并保持高硬度和高耐磨性，适用于刃具、量具、模具、滚动轴承及渗碳、表面淬火的零件。2．中温回火回火温度范围为350-500℃，回火组织是回火托氏体，硬度为35-45HRC。中温回火的目的是获得高的弹性极限和屈服强度，并具有一定的韧性和抗疲劳能力。适应于各种弹簧、锻模。3．高温回火回火温度范围为500-650℃，回火组织是回火索氏体，硬度为25-35HRC。高温回火的目的是获得较高强度的同时，还有较好的塑性和韧性。广泛适应于处理各种重要的零件，特别是受交变载荷和冲击作用力的连杆、曲轴、齿轮和机床主轴等。也常作为精密零件和模具、量具的预备热处理，以获得均匀组织、减小淬火变形，为后续的表面淬火、渗氮作好组织准备。生产中常把淬火和高温回火相结合的热处理方法称为调质处理。4.4.4回火脆性淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象，即在此温度区间产生的组织，其冲击韧性反而显著降低，这种现象称为回火脆性。第一类回火脆性（不可逆回火脆性、低温回火脆性）：是淬火钢在300℃左右回火时所产生的回火脆性。产生的主要原因是：钢在此温度范围内，碳化物沿马氏体的晶界析出并不断增厚，形成脆性薄壳，降低了基体断裂强度。低温回火脆性不易消除，应避免在此温度区间回火。第二类回火脆性（可逆回火脆性、高温回火脆性）：是含有铬、锰、镍等元素的合金钢淬火后，在脆化温度区（400-550℃）回火，或经更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区所产生的脆性。这种脆性可通过高于脆化温度的再次回火后快冷消除，消除后如再次在此回火温度区回火，或更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区，则重复出现。产生的主要原因是钢中铬、锰、镍等元素本身在回火时易产生晶界偏析，而且还促使其他杂质元素偏聚在晶界，造成高温回火脆性。防止和减弱第二类回火脆性的方法有：⑴上述合金钢材回火时，提高加热温度到500-650℃，回火后快冷，抑制偏析和偏聚。⑵大型合金钢材零件无法实现快冷时，可向钢中添加钼、钨、铌等合金元素，可消除或延缓杂质元素在晶界的偏聚，减轻回火脆性。⑶尽量提高合金的纯度，减少氮、氧、磷等杂质元素的含量。⑷采用变形热处理或二次淬火，改善杂质元素的分布状态，避免偏聚。§4．5

钢的淬透性4.5.1钢的淬透性钢的淬透性是在规定的淬火条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。通常用在规定的淬火条件下（工件尺寸、淬火介质）所能获得的淬硬层深度来表示。淬硬层深度是从淬硬的工件表面量至规定硬度值处的垂直距离。而规定硬度值处是指马氏体和非马氏体组织各占50%的半马氏体区。钢的淬透性是钢材本身所固有的属性，它不受其他外部工艺条件的影响，而钢的淬硬层深度虽然取决于钢的淬透性，但规定条件如果改变，淬透性高的钢材淬硬层深度不一定深。钢的淬硬性是指钢在淬火时所能获得的最高硬度，淬硬性大小主要决定于马氏体的含碳量。马氏体含碳量越高则淬硬性越高。在马氏体含碳量相同的条件下，马氏体量越多，则淬硬性越高。淬硬性是反映钢材在淬火时的硬化能力。影响钢的淬透性主要是钢的临界冷却速度，临界冷却速度越小，钢的淬透性越大。影响临界冷却速度的原因主要是：⑴钢的含碳量：越远离共析成分，临界冷却速度越大，钢的淬透性越小。⑵合金元素：大多数合金元素都能增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，使钢的淬透性明显提高。⑶钢中未溶物质：钢中形成的碳化物、氧化物和其他非金属夹杂物等未溶入奥氏体的物质，有促进奥氏体分解的作用，使临界冷却速度增大，钢的淬透性降低。4.5.2淬透性的测试方法1．临界直径法：是钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部或50%马氏体组织的最大直径（称为临界直径）的方法。2．端淬试验法：是用标准尺寸的端淬试样（Ф25×100mm），经奥氏体化后，在专用设备上对其一端面喷水冷却。冷却后将试样沿轴线方向磨出一个纵向小平面，从淬火端开始，每隔一定距离测一次硬度，将硬度变化与距水冷端面距离绘成曲线，此曲线称为淬透性曲线。45钢半马氏体区至端面的距离大约是3mm，而40Cr钢是10.5mm。该距离越大，淬透性越大。因而40Cr钢的淬透性大于45钢。由于钢材化学成分和晶粒度的波动，手册上所查各钢种的淬透性曲线是一个范围，这种波动曲线的范围称为淬透性带。淬透性带越窄，表明钢的性能越稳定。4.5.3淬透性与选材的关系⑴在承受交变载荷和动载荷下，整体截面均匀受力、应力状态复杂的大型重要零件，要求零件表面和心部力学性能一致。如：连杆、锻模、锤杆等零件，应选用淬透性高的钢材。⑵受交变应力和振动的弹簧类零件，不允许在工作时产生塑性变形，要求较高的屈强比和疲劳强度，也应选用淬透性好的钢材。⑶受弯曲或扭转应力的轴类零件，受力时应力分布不均匀，最大应力集中在表层，心部受力很小。如汽车半轴、机床主轴、发电机转子轴等，只要保证淬透零件半径或厚度的1/3即可，可以选用较低淬透性的钢。⑷工具类工件，特别是各种刃具，为保证刃具的强度、硬度均匀一致，要求选用高强度、高硬度、高耐磨性、高淬透性的材料。根据淬透性选择材料时必须考虑工件的尺寸效应。§4．6

固溶热处理与时效强化固溶热处理是将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的工艺。时效处理是合金工件经固溶热处理后在室温或稍高于室温保温，以达到沉淀硬化的目的，这时在金属的过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化，提高材料的性能。奥氏体不锈钢的固溶热处理是将钢加热到1050-1150℃，使碳化物全部溶解到奥氏体中，然后水淬快冷，阻止冷却过程中碳化物和铁素体的析出，并且使其不发生相变过程，保证室温下仍为单相奥氏体状态。经固溶热处理后的奥氏体不锈钢材料软化，强度降低而塑性提高。§4．7

钢的化学热处理钢的化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。可分为：渗碳、渗氮、碳氮共渗（氰化）、渗铝、渗硼、渗硫等。4.7.1渗碳为了增加钢件表层的含碳量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳处理广泛应用于表层要求高硬度、高耐磨性及疲劳强度，而心部要求一定强度和高韧性的零件，如：汽车主轴和变速齿轮。渗碳材料是低碳钢和低合金钢，渗碳后经淬火、低温回火来满足性能要