材料与热处理(项目五)

项目五钢的整体热处理5.1钢的退火5.2钢的正火5.3钢的淬火5.4钢的回火5.1钢的退火退火是将钢件加热到适当温度、保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。下一页返回5.1钢的退火5.1.1退火的目的(1)降低钢件的硬度以利于切削加工。(2)消除残余应力，以防钢件变形与开裂。(3)细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做好组织准备。上一页下一页返回5.1钢的退火5.1.2退火的方法与应用根据钢的成分、退火的工艺与目的不同，退火常分为完全退火、等温退火、均匀化退火、球化退火和去应力退火几种。1.完全退火将钢件加热到完全奥氏体化Ae3+(30℃~50℃)以上，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。生产中为提高生产率，一般随炉缓冷至600℃左右，将工件出炉空冷。完全退火可降低钢的硬度，以利于切削加工;消除残余应力，稳定工件尺寸，以防变形或开裂;细化晶粒，改善组织，以提高力学性能和改善工艺性能，为最终热处理做好组织准备。完全退火所需时间很长，上一页下一页返回5.1钢的退火特别是对于某些合金钢往往需要数十数十小时，甚至数天时间，因此是一种费时的工艺。完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件等。不能用于过共析钢，因为加热到Accm温度以上，在随后缓冷过程时，会沿奥氏体晶界析出网状二次渗碳体，使钢的强度和韧性降低。等温退火的加热工艺与完全退火相同。但钢经奥氏体化后，等温退火以较快速度冷却到珠光体转变温度区间的某一温度，等温一定时间，使过冷奥氏体发生珠光体转变，然后以较快的速度(一般为空冷)冷至室温。图5-1所示为高速工具钢完全退火与等温退火工艺曲线。可见完全退火需要15-20h以上，而等温退火所需要的时间则明显缩短。上一页下一页返回5.1钢的退火3.球化退火将共析钢或过共析钢加热到Ac1，以上20℃~30℃，保温一定时间后，随炉缓冷至室温，或快冷到略低于Ar1温度，保温后出炉空冷，使钢中碳化物球状化的退火工艺。球化退火主要目的是降低共析钢或过共析钢硬度，提高塑性，改善切削加工性能、获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，为以后的淬火做好组织准备。球化退火主要用于共析钢或过共析钢工件的热加工之后，因为这些钢的组织中常出现粗片状珠光体和二次渗碳体，使钢的切削加工性能变差，且淬火时易产生变形和开裂。采用球化退火可使珠光体中的片状渗碳体和网状二次渗碳体球状化，上一页下一页返回5.1钢的退火变成球状(颗粒状)的渗碳体。这种在铁素体基体上均匀分布着球状渗碳体的组织，称为球状珠光体，如图5-2所示。对于存在有严重网状二次渗碳体的钢，可在球化退火前先进行一次正火处理，将渗碳体网破碎。4.均匀化退火（扩散退火）将铸锭、铸件或锻坯加热到Ae3+(150℃~200℃)以上，保温10~15h，然后再随炉缓冷至350℃，出炉空冷的工艺。均匀化退火主要用于优质合金钢的铸锭、铸件或锻坯，目的是使钢中成分能进行充分扩散而达到均匀化。均匀化退火因为加热温度高、加热时间长，造成晶粒粗大，所以随后往往还要进行一次完全退火来细化晶粒。上一页下一页返回5.1钢的退火5.去应力退火又称低温退火将工件缓慢加热到Ae1-(100℃~200℃)(一般为500℃~600℃)，保温一定时间，随炉缓冷至200℃出炉空冷的工艺。由于加热温度低于Ae1点，钢在去应力退火过程中不发生组织变化。其主要目的是消除工件在铸、锻、焊和切削加工过程中产生的内应力，稳定尺寸，减少变形。去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工工件中的残余应力。如果这些残余应力不消除，工件在随后的机械加工或长期使用过程中，将引起变形或开裂。上一页返回5.2钢的正火将钢件加热到Ae3(或Accm)+(30℃~50℃），完全奥氏体化后，再在空气中冷却以得到较细珠光体组织的热处理工艺。正火与退火的主要区别是正火的冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低。目前正火主要应用于以下几个方面。(1)作为普通结构零件的最终热处理。因为正火可消除铸造、锻造中产生的过热缺陷，细化组织，提高力学性能，能满足普通结构零件的使用性能的要求。(2)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能。正火后组织为细珠光体，其硬度提高，从而改善切削加工中的“黍占刀”现象，并使工件表面粗糙度值也提高。下一页返回5.2钢的正火(3)作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。通过正火可消除中碳结构钢热加工所造成的魏氏组织、晶粒粗大等过热组织缺陷，细化晶粒，均匀组织，消除内应力。(4)消除过析钢中的二次渗碳体网。主要是为球化退火做好组织准备。(5)特定情况下代替淬火、回火对某些大型的或较复杂的零件。当淬火有可能开裂或淬不透时，正火往往可以替代淬火、回火，而作为这类零件的最终热处理。钢的几种退火、正火加热温度范围与Fe-Fe3C相同的关系及热处理工艺曲线可由Fe-Fe3C相图选择得到，如图5-3所示。上一页返回5.3钢的淬火将钢件加热到Ae3(Ae1)+(30℃~50℃)，保温一定的时间使之奥氏体化后，以大于马氏体临界冷却速度快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。其主要目的是为了获得马氏体，与适当的回火工艺配合，以得到零件所要求的机械性能。这是强化钢材最重要的热处理工艺方法。下一页返回5.3钢的淬火5.3.1淬火工艺1.淬火加热温度钢的化学成分是决定其淬火加热温度的最主要因素。因此碳钢的淬火加热温度可利用FeFe3C相图来选择，如图5-4所示。其淬火加热温度原则为:亚共析钢一般加热到式Ae3+(30℃~50℃)进行完全淬火。这是因为亚共析钢如果在Ae1~Ae3加热，组织中必然有一部分先析相铁素体存在，淬火后由于铁素体不能转变而被保留在淬火组织中。块状的铁素体分布在马氏体中间，降低了钢的强度，同时还影响回火后的力学性能;淬火加热温度不能过高，否则，奥氏体晶粒粗化，钢的氧化脱碳严重。上一页下一页返回5.3钢的淬火淬火后会出现粗大的马氏体组织，使钢的性能变坏。共析钢、过共析钢一般加热到Ae1+(30℃~50℃)进行不完全淬火，淬火后得到细小的马氏体和少量残留奥氏体(共析钢)，或细小的马氏体、少量渗碳体和残留奥氏体。由于渗碳体的存在，钢的硬度与耐磨性得以提高。对于过共析钢而言，若加热温度高于Accm时，由于渗碳体全部溶于奥氏体中，奥氏体含碳量提高，Ms点降低，淬火后残留奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。此外，因温度高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，脆性增大。若加热温度低于Ac1点，组织没发生相变，达不到淬火目的。实际生产中，淬火加热温度的确定，尚需考虑工件形状尺寸、淬火冷却介质和技术要求等因素。上一页下一页返回5.3钢的淬火2.淬火加热时间淬火加热时间包括升温时间和保温时间。加热时间受工件形状尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等因素影响。一般用下述经验公式确定t=αD式中，t为加热时间，min;α为加热系数，min/mm;D为工件有效厚度，mm。加热系数与工件的有效厚度的数值可查阅有关资料。上一页下一页返回5.3钢的淬火3.淬火冷却介质工件进行快速冷却时所用的介质称为淬火介质。为保证工件淬火后得到马氏体，又要减小变形和防止开裂，必须正确选择冷却介质。由C形曲线可知，要得到马氏体，并不需要在整个冷却过程都进行快速冷却，理想淬火介质的冷却速度曲线如图5-5所示，在650℃以上由于过冷奥氏体比较稳定，冷却速度可慢些，以减小工件内外温差引起的热应力，防止变形;400℃~650℃范围内(C形曲线鼻尖附近)，过冷奥氏体最不稳定，应快速冷却，淬火冷却速度应大于:K，使过冷奥氏体不发生分解形成珠光体;在200℃~300℃范围内，过冷奥氏体已进入马氏体转变区，应缓慢冷却。上一页下一页返回5.3钢的淬火因为此时相变应力占主导地位，可防止内应力过大而使零件产生变形，甚至开裂。目前为止，符合这一特性要求的理想淬火介质还没有找到。生产中常用的淬火冷却介质有水、盐或碱的水溶液。(1)水及水溶液。在400℃~650℃范围内需要快冷时，水的冷却速度相对较小;200℃~300℃范围内需要慢冷时，其冷却速度又相对较大。但因水价廉安全，故常用于形状简单、截面较大的碳钢工件的淬火。淬火时随着水温升高，冷却能力降低，故使用时应控制水温低于40℃。为提高水在400℃~650℃范围内的冷却能力，常加入少量(5%~10%)的盐(或碱)制成盐(或碱)水溶液。碱水溶液对工件、设备及操作者腐蚀性大，主要用于易产生淬火裂纹工件的淬火。上一页下一页返回5.3钢的淬火(2)油。常用的有机油、变压器油、柴油等。油在200℃~300℃范围内的冷却速度比水小，有利于减小工件的变形和开裂，但油在400℃~650℃范围内冷却速度也比水小，因此只能用于低合金钢与合金钢的淬火，使用时油温应控制在40℃~100℃范围内。上一页下一页返回5.3钢的淬火5.3.2淬火方法为了保证淬火质量，除正确选用淬火冷却介质外，还应采用合理的淬火方法。生产中常用的淬火方法如下。1.单液淬火将奥氏体化的工件投入一种淬火冷却介质中，一直冷至室温的淬火，称为单液淬火，如图5-6中曲线①所示。例如，一般碳钢在水或水溶液中淬火，合金钢在油中淬火等均属单液淬火。2.双液淬火先把奥氏体化的工件投入冷却能力较强的介质中，冷却到稍高于Ms的温度，再立即投入另一冷却能力较弱的介质中，使之发生马氏体转变的淬火工艺，称为双液淬火，如图5-6中曲线②所示。上一页下一页返回5.3钢的淬火3.分级淬火把奥氏体化的工件投入温度稍高于或低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，待工件内外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法，称为分级淬火，如图5-6中曲线③所示。4.等温淬火把奥氏体化的工件投入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使其发生下贝氏体转变后取出空冷，这种工艺称为等温淬火，如图5-6中曲线④所示。上一页返回5.4钢的回火将淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。钢在淬火后一般都要进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和性能，因此回火是很重要的热处理工序。下一页返回5.4钢的回火5.4.1回火的目的(1)获得工件所要求的力学性能。工件经淬火后，具有高的硬度，但塑性和韧性却显著降低。为了满足各种工件的不同性能要求，可通过适当回火来改变淬火组织，获得所要求的力学性能。(2)稳定工件尺寸。淬火工件中的马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在室温下会自发的发生分解，从而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火使淬火组织转变为稳定组织，从而保证工件在以后的使用过程中不再发生尺寸和形状的改变。(3)消除或减少淬火内应力。工件淬火后存在很大的内应力，如不及时回火，往往会使工件发生变形甚至开裂。上一页下一页返回5.4钢的回火5.4.2淬火钢的回火转变淬火马氏体与残余奥氏体在回火过程中，会逐渐向稳定的铁素体和渗碳体(或其他结构碳化物)的两相组织转变。随着回火温度的不同，将发生以下转变。1.马氏体的分解(≤200℃)在80℃以下回火时，淬火钢中没有明显的组织转变，此时只发生马氏体中碳原子的偏聚。在80℃~200℃范围内回火时马氏体开始分解。马氏体中过饱和碳原子以亚稳定的碳化物(化学式Fe2C，称为碳化物)形式析出，故降低了马氏体中碳的过饱和度。由于这一阶段温度较低，从马氏体中仅析出上一页下一页返回5.4钢的回火了一部分过饱和碳原子，故它仍是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。析出的亚稳定碳化物(Fe2C极为细小并弥散于过饱和

固溶体相界面上，且与

α固溶体保持共格(即两相界面上的原子，恰好是两相晶格的共用结点原子)关系。这一阶段的回火组织是由过饱和的a固溶体与其晶格相联系的二碳化物所组成，这种组织称为回火马氏体(如图5-7)。由于该组织中二碳化物极为细小且弥散度极高，所以在小于200℃回火时，钢的硬度并不降低，但由于二碳化物的析出，晶格畸变程度降低，使淬火应力有所减小。2.残余奥氏体的分解(200℃~300℃)残余奥氏体本质上与原过冷奥氏体并无不同。上一页下一页返回5.4钢的回火在相同的等温温度下，残余奥氏体的回火转变产物与原过冷奥氏体的转变产物相同，即在不同温度下可转变为马氏体、贝氏体和珠光体。实验证明，当回火温度在200℃~300℃时，残余奥氏体发生明显转变，在此区间转变产物为下贝氏体。应当指出，在此温度范围内，马氏体分解可延续到350℃左右，因而淬火应力进一步减小，硬度无明显下降。3.碳化物转变(250℃~450℃)

250℃以上碳化物逐渐向渗碳体转变，到400℃全部转变为高度弥散分布的、极细小的渗碳体。因碳化物的不断析出，a固溶体的碳的质量分数已降到平衡成分，即实际上已转变成铁素体，但形态仍为针状。这时钢的组织由针状铁素体和上一页下一页返回5.4钢的回火高度弥散分布的、极细小的渗碳体组成，称为回火托氏体，如图5-8所示。这时钢的硬度降低，淬火应力基本消除。4.渗碳体的聚集长大和a相再结晶(450℃~700℃)450℃以上，高度弥散分布的、极细小的渗碳体逐渐球化成粒状渗碳体，并随温度升高，渗碳体颗粒逐渐长大。在渗碳体球化、长大的同时，铁素体在500℃~600℃发生再结晶，也就是铁素体由针状转变为多边形晶粒。这种在多边形铁素体基体上分布着粗粒状渗碳体的组织称为回火索氏体，如图5-9所示。如将温度进一步升高到650℃-A1温度区间，粒状渗碳体进一步粗化，这种由多边形铁素体和较大粒状渗碳体组成的组织称为回火珠光体。此时淬火应力完全消除，硬度明显下降。上一页下一页返回5.4钢的回火由上可知，淬火钢在回火时的组织转变，是在不同温度范围内进行的，但多半又是交叉重叠进行的，即在同一回火温度，可能进行几种不同的转变。淬火钢回火后的性能取决于组织的变化，随着回火温度的升高，强度、硬度降低，而塑性、韧性升高，如图5-10所示。温度越高，其变化越明显。为防止回火后重新产生应力，一般回火后采用空冷，冷却方式对回火后的性能影响不大。上一页下一页返回5.4钢的回火5.4.3回火的种类及应用根据对工件性能要求的不同，生产中按回火温度的高低可将回火分为以下三种。1.低温回火(150℃~250℃)低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为58~64HRC。上一页下一页返回5.4钢的回火2.中温回火(350℃~500℃)

中温回火所得组织为回火托氏体。其目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性。它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为35~50HRC。3.高温回火(500℃~650℃)高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上，将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。因此，广泛用于汽车、拖拉机、机床等的重要结构零件，如连杆、螺柱、齿轮及轴类。回火后硬度一般为200~330HBS。上一页下一页返回5.4钢的回火应当指出，钢经正火和调质处理后的硬度值很相近，但重要的结构零件一般都进行调质处理而不采用正火。这是由于调质处理后的组织为回火索氏体，其中渗碳体呈粒状，而正火得到的索氏体中渗碳体呈层片状。因此，钢经调质处理后不仅强度较高，而且塑性与韧性更显著地超过了正火状态。表5-1所示为45钢(20~40mm)经调质处理和正火后的力学性能比较。上一页下一页返回5.4钢的回火调质处理一般作为最终热处理，也可以作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。因为调质后钢的硬度不高，便于切削加工并能获得较好的表面光洁度。除了以上三种常用的回火方法外，某些高合金钢还在A1以下(20℃~40℃)进行高温软化回火。其目的是获得回火珠光体，以代替球化退火。必须指出，回火时间的确定是保证工件穿透加热，以及组织转变能够充分进行。实际上，组织转变所需时间一般不大于0.5h，而穿透加热时间则随温度、工件的有效厚度、装炉量及加热方式等的不同而波动较大，一般为1-3h。上一页下一页返回5.4钢的回火5.4.4回火脆性由如图5-11所示钢的冲击韧性与回火温度的关系曲线可见，淬火钢在某些温度区间回火时冲击韧度明显下降。这种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称为回火脆性。回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。由图5-11可知，工件淬火后在300℃