第04章金属材料热处理

第四章金属材料热处理

金属材料的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。

金属材料的热处理4.1退火与正火在机械零件或工具的加工制造过程中，退火与正火常作为预备热处理。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。作用：

4.1.1退火退火是将钢加热到预定温度，保温一定时问后缓慢冷却(通常随炉冷却)，获得接近于平衡组织的热处理工艺。目的：(I)降低硬度，改善切削加工性。(2)消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与开裂倾向。(3)细化品粒，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℃，保温一定时问后随炉冷却到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铁素体和珠光体组织。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。等温退火亚共析钢加热到Ac3+30~50℃,共析、过共析钢加热到Ac1+30~50℃，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢.

2.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和过共析钢及合金工具钢的退火。目的：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，改削切削加工性，并可减小最终淬火变形和开裂。球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体,用P球表示。球状珠光体对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状.3.扩散退火（均匀化退火）扩散退火的特点是，加热温度高，一般在Ac3或Accm以上150～200℃（1050～1150℃），长时间保温（10～15h以上），随炉冷却。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。4.去应力退火

将工件随炉缓慢加热至500～650℃，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。在退火过程中无组织变化目的是为了消除毛坯和零件中的残余应力加热温度低冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒。目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。特点：加热温度通常比理论再结晶温度高100~150℃，通常在去应力退火温度之上。5.再结晶退火4.1.2正火

正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(共析和过共析钢)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。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。

正火的目的：(1)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。（提高强度）(2)对低碳素钢用来调整硬度，避免切削加工中“粘刀”现象，改善切削加工性。(3)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上的准备。要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火.4.2钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50度，经过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。加热温度类似退火（完全、球化）目的：淬火可以使钢件获得马氏体和贝氏体组织，以提高钢的力学性能。淬火是强化钢件的最主要的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加热到Ac3以上30~50度。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以上30~50度，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。合金钢的淬火加热温度相应要高些，一般高于临界点50—100度。加热时间(包括零件的升温时间和保温时间)也是影响淬火质量的因素之一。4.2.2淬火冷却介质

冷却是决定钢的淬火质量的关键。根据过冷奥氏体等温转变曲线可知，冷却速度必须大于临界冷却,才能全部进行马氏体转变。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一般分为水、盐(碱)水和油三类。水、盐(碱)水和油冷却介质有不同的特点2.淬火冷却介质理想淬火曲线示意图MsMf常用淬火介质是水和油.水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。淬火方法采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。1、单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。各种淬火方法示意图1—单液淬火法2—双液淬火法3—分级淬火法4—等温淬火法2、双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷.优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。3、分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。马氏体可减少内应力，用于小尺寸工件。4、等温淬火法将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.适用于形状复杂及要求较高的小型件。5．冷处理钢件淬火冷却到室温后，继续在0度以下的介质中冷却的热处理工艺．称为冷处理。4.3钢的表面淬火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．而心部末被加热．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:0.40％—0.50％。中碳钢：表面淬火前应进行正火或调质处理

外硬内韧4.3.1感应加热表面淬火

感应加热是将钢件置于通人交变电流的线圈中，由于电磁感应，钢件产生频率相同、方向相反的交变电流。由于集肤效应，集中在钢件表层的高密度电流．在具有较大电阻的钢件表层呈涡旋流动并产生热效应，将钢件表层迅速加热至淬火温度．而钢件中心电流几乎为零．温度变化很小，这时经喷水冷却．钢件表面快冷淬火，得到一定深度的马氏体层。160-200℃低温回火，提高韧性，降低淬火残余应力。感应加热分为：①高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm②中频感应加热频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm③工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度10-15mm各种感应器4.3.2火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火法是用乙炔—氧或其他可燃气体燃烧时形成的高温火焰将工件表面加热到相变温度以上，然后立即喷水淬火冷却的方法。特点：①操作简单，无需特殊设备②淬硬层一般为2-6mm③淬火质量不易稳定④适于单件或小批量生产激光热处理:

利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。激光表面热处理激光表面淬火淬火引起的变形组织应力热应力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(1)消除或降低内应力，降低脆性，防止变形和开裂。(2)稳定组织．稳定尺寸和形状，保证零件使用精度和性能。(3)通过不同回火方法，来调整零件的强度、硬度，获得所需要的韧性和塑性。钢在淬火后一般很少直接使用未经淬火的钢回火无意义。钢经淬火后应立即进行回火。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(1)马氏体的分解(200℃以下)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。(2)残余奥氏体分解(200~300℃)回火马氏体(3)渗碳体的形成(250~400℃)由体心正方晶格变为体心立方晶格，即铁素体。碳化物也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。回火托氏体。(4)渗碳体聚集长大(400℃以上）主要是回火索氏体2.回火后的组织和性能

(1)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固溶体基体上，并保持共格关系。(2)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

(3)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

回火组织与过冷奥氏体直接分解约组织相比，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。

回火组织与过冷奥氏体直接分解的组织相比有何区别？调质处理其主要原因是过冷里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。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。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，并保持其高硬度和高耐磨性．适用于刃具、量具、模具、滚动轴承及渗碳、表面淬火的零件。

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。适应于各种弹簧和锻模等。

2.中温回火

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。

3．高温回火淬火和高温回火相结合的热处理方法称为调质处理。

广泛适应于处理各种重要的零件，特别是受交变裁荷和冲击作用力的连秆、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、渗氮等作好组织准备。根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。●淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质.广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。应用获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。

提高e及s，同时使工件具有一定韧性。在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力。

回火目的S回

T回

M回

回火组织500-650℃350-500℃150-250℃回火温度高温回火中温回火低温回火适用于弹簧热处理回火脆性淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称回火脆性。

回火脆性

第一类回火脆性又称为不可逆回火脆性或低温回火脆性，是淬火钢在250-350℃回火时所产生的回火脆性。低温回火脆性不易消除，应避免在此温度区回火。

第二类回火脆性，又称为可逆回火脆性或高温回火脆性。是含有铬、锰、铬—镍等元素的合金钢淬火后，在脆化温度区(500～650℃)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。

这种脆性可通过以下消除：高于脆化温度的再次回火后快冷；加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。（大截面的零部件）

4.5钢的淬透性

钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）表示4.5.1钢的淬透性淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。淬透层的深度（有效淬硬深度）

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。钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。钢的淬硬性钢的淬透性的影响因素

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：(1)钢的含碳量(2)合金元素(3)钢中未溶物质工件的截面尺寸和淬火的冷却速度影响淬透性的因素1）含碳量亚共析钢，含碳量增加，奥氏体的稳定性增大，Ｃ曲线右移，淬透性提高过共析钢，随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，Ｃ曲线左移，淬透性降低(未溶渗碳体促进奥氏体分解)2）合金元素除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使Ｃ曲线右移，形状也可能会发生改变，使淬透性提高3）加热温度和保温时间随加热温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性，使Ｃ曲线右移，提高了钢的淬透性4）钢中未溶第二相未溶第二相越多，作为结晶核心，使奥氏体不稳定，C曲线左移，淬透性下降4.5.3淬透性与选材的关系选择机械零件的材料时主要考虑材料的力学性能，钢的淬透性是选择材料的重要根据之一.(1)在承受交变载荷和动载荷下，整体截面均匀受力、应力状态较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。(2)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。(3)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，只要保证淬进零件半径或厚度的1／3—1／2即可，可以选用较低淬透性的钢。(4)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，要求高强度、高硬度、高耐磨性、高淬透性的材料。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，以达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和稍高于室温保温，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非铁金属．可以充分利用时效强化的作用，提高力学性能。4.7钢的化学热处理

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。①化学介质的分解即活性原子的产生；②活性原子被钢件表面吸收和溶解；③活性原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。化学热处理基本过程：分解→吸收→扩散化学热处理的基本过程:4.7.1渗碳将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。应用：汽车主轴和变速齿轮等。渗碳材料是低碳钢和低合金钢注意和表面淬火的区别经渗碳的机车从动齿轮1．渗碳方法

常用的渗碳方法是气体渗碳和固体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。气体渗碳是将工件放人井式气体渗碳炉内进行。密封后通人渗碳气体，如煤气、液化石油气等，或者是易分解的液体有机物，如煤油、甲醇等，这些渗碳介质在高温发生分解，生成活性碳原子。活性碳原子被工件表面吸收、扩散，形成渗碳层。渗碳时，加热温度为900度并保温，气体渗碳时间短，生产效率高，质量好，渗碳过程容易控制，是应用最普遍的渗碳方法。固体渗碳2C+O2

→2CO2CO→[C]+CO22．渗碳工艺参数渗碳时主要工艺参数是加热温度和保温时间。加热温度高可以使渗碳速度加快，但温度过高会使钢件品粒粗大，渗碳温度一般在900～950度。而渗碳后零件表面含碳量最好在0.85％～1．05％范围内。渗碳后的组织常用于渗碳的钢为合金渗碳钢含碳量0.15～0.25％之间的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体+Fe3CⅡ）、共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体+铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织（F+P少量）。注意和渗碳后的热处理－－淬火＋低温回火的联系3.渗碳后的热处理

渗碳后的工件表面为过共析钢组织，其硬度和耐磨性满足不了零件要求，必须进行淬火和低温回火。细化晶粒和消除网状渗碳体渗碳件在淬火后必须要进行低温回火，回火温度为150～200度，以减少应力和脆性。回火后零件表面组织为回火马氏体和渗碳体渗碳后的热处理淬火+低温回火,回火温度为160-180℃。淬火方法有：1.直接淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。2.一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。3.二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透时）渗碳淬火后的表层组织M+F一般渗