钢的热处理(车间培训)

钢的热处理前言热处理及目的

第一节铁碳相图第二节钢在加热时的组织转变第三节钢在冷却时的组织转变第四节退火与正火第五节淬火第六节回火

第七节常见热处理缺陷及措施

◆钢的热处理

以适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。

◆热处理的目的

1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，

为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。

2、提高金属材料的力学性能，充分发挥

材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。

◆热处理的应用热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。

◆热处理特点热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。◆热处理适用范围只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。第一节铁碳相图铁工业纯铁<0.0218wt%C铁素体，或铁素体+三次渗碳体钢亚共析钢0.0218-0.77wt%C先共析铁素体+珠光体共析钢0.77wt%C珠光体过共析钢0.77-2.11wt%C先共析二次渗碳体+珠光体铸铁亚共晶铸铁2.11-4.30wt%C珠光体+二次渗碳体+莱氏体由先共晶γ相得到共晶以后析出（变态）共晶铸铁4.30wt%C莱氏体（变态）过共晶铸铁4.30-6.69wt%C一次渗碳体+莱氏体(变态)【相变点】金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点。在铁碳合金状态图中，A1、A3、Acm

是任一碳含量的碳钢在平衡条件下其固态组织转变的临界点。实际加热时的临界点标注为：

Ac1、Ac3、Accm实际冷却时的临界点标注为：

Ar1、Ar3、Arcm

第二节钢在加热时的组织转变大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间，使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织，然后采用适当的冷却方法，获得所需要的组织结构。【奥氏体化】将共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热至A1、A3、Acm线以上时，都完全转化为单相奥氏体，这种加热转变称为奥氏体化。一、奥氏体的形成

(以共析钢为例)1.奥氏体化的转变

共析钢在室温的平衡组织是珠光体，即铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物。

共析钢加热到A1点（727℃）以上：珠光体→奥氏体转变•在加热过程中，珠光体向奥氏体转变是由化学成分和晶格类型都不相同的两相转变为另一种化学成分和晶格类型的相的过程。•在转变过程中必须进行渗碳体的溶解和铁的晶格类型的转变。

①加热到Ac1时，A晶核形成；②A晶核长大；Fe3C溶解；

③残余Fe3C溶解；④A化学成分的均匀化。2

奥氏体的形成是通过奥氏体形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体转变可以分为四个阶段：

温度——温度越高，原子扩散能力越大，加速奥氏体形成。

原始组织——原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就愈多，碳原子的扩散距离也越短，加速奥氏体形成。

钢的成分——含碳量增加，F和Fe3C相界面越多，加速奥氏体形成。

加入合金元素后不改变A形成的基本过程，但会减缓A的形成速度。3影响奥氏体形成的因素

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程基本上与共析钢相同，不同之处是在加热时有过剩相出现。

二奥氏体晶粒长大及其控制措施

◆

生产中常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的长大。

1）合理选择加热温度和保温时间

2）选用含有合金元素的钢——大多数合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、等，在钢材中均可以形成难溶于奥氏体的碳化物，分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒长大。3）

合理选择钢的原始组织

◆

奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，其性能也较好；反之，转变产物的晶粒则粗大，其性能则较差。◆

将钢加热到临界点以上时，刚形成的奥氏体晶粒都很细小。如果继续升温或延长保温时间，便会引起奥氏体晶粒长大。

第三节钢在冷却时的组织转变

在一定冷却速度下进行冷却时，奥氏体要过冷到A1温度以下才能完成转变。

在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体，它有较强的相变趋势。

钢在冷却时，可以采取两种冷却转变方式：等温转变和连续冷却转变。【连续冷却转变】

工件奥氏体化后以不同冷却速度连续冷却时过冷奥氏体发生的相变。

【等温转变】

工件奥氏体化后，冷却到临界点以下的某一温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生的相变。

采用不同的冷却方法，冷却速度不同，奥氏体在不通过冷度下转变后的组织和性能不同。

退火与正火是钢材常用的两种基本热处理工艺方法，主要用来热处理钢制毛坯件，为以后切削加工和最终热处理做组织准备，因此，退火与正火通常又称为预备热处理。对一般铸件、焊件以及性能要求不高的工件来讲，退火和正火也可作为最终热处理。第四节退火和正火

退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

目的是消除钢材内应力；降低钢材硬度，提高钢材塑性；细化钢材组织，均匀钢材成分，为最终热处理做好组织准备。

根据钢材化学成分和退火目的不同，退火通常分为：完全退火、球化退火、去应力退火、扩散退火和再结晶退火等。一、退火

【工艺】

加热到Ac3以上20~30℃，保温适当时间，随炉冷至500℃以下，空冷至室温。

【目的】细化晶粒，均匀组织，消除内应力。

【组织】P＋F

【用途】主要用于亚共析钢制作的铸件、锻件、焊件等。1、完全退火

是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。

【工艺】

把钢加热到Ac1线以上20～30℃，保温一定时间，随炉缓慢冷却。

【目的】

使片状或网状渗碳体转变成颗粒球状（颗粒状）降低钢材硬度，改善钢材切削加工性，并为淬火作组织准备。

2球化退火

球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火，所得到的室温组织为铁素体基体上均匀分布着球状(粒状)渗碳体，即球状珠光体组织。

【组织】

P＋Fe3C（球状）

【用途】主要用于过共析钢和共析钢制造的刃具、量具、模具等零件。3、去应力退火

►去应力退火是为去除工件塑性形变加工、切削加工或焊接加工过程中造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。

►

钢材在去应力退火的加热及冷却过程中无相变发生。

【工艺】

加热到Ac1以下的500~650℃，

保温，缓冷至室温。

【目的】

消除铸件、锻件、焊接件等的

残余内应力，稳定工件尺寸。

【用途】主要用于消除钢制工件在切削

加工、铸造、锻造、热处理、焊接等过程

中产生的残余应力并稳定其尺寸。

二、正火

【工艺】将钢加热到Ac3

线以上30～50℃

（亚共析钢）或Accm线以上30～50℃

（过共析钢），保温后在空气中冷却，得到细珠光体组织（索氏体或托氏体）。

【组织】

亚共析钢

S＋F

过共析钢

S＋Fe3C（粒）【目的】

细化晶粒，提高钢材硬度，消除钢材中的网状渗碳体，并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。【应用】

1）对于含碳量0.3～0.5％的钢件，用正火代替退火；含碳量低于0.3％的钢件，采用正火，能提高硬度利于切削。

2）用于普通结构件的最终热处理；

3）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备。

4）用于淬火返修件，消除应力，细化组织，防止重新淬火时产生变形与开裂。从切削性能考虑从零件的结构形状考虑从经济性考虑退火与正火的选用

淬火是指工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。淬火时的临界冷却速度是指钢材获得马氏体的最低冷却速度。

马氏体是碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高,用符号M表示。马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。马氏体中由于溶入过多的碳原子，使α-Fe晶格发生畸变，增加其塑性变形抗力，故马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。第五节

淬火

一、淬火的目的

淬火的目的主要是使钢件得到马氏体(或贝氏体)组织，提高钢件的硬度和强度，与回火工艺合理配合，更好地发挥钢材的性能潜力。1．淬火加热温度

亚共析钢淬火加热温度为Ac3线以上30℃～50℃。

共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac1线以上30℃～50℃。

2．淬火介质

常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、碱水等。

二、淬火加热温度与淬火介质

►

一般过共析钢，淬火前需要正火或球化退火，消除网状渗碳体。

第六节

回火

【回火】是指工件淬硬后，加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

【目的】

①降低材料的脆性、消除内应力，稳定组织。

②调整性能以获得较好的强度和韧性配合。

③稳定工件尺寸。

【特点】

淬火钢随着回火温度的升高，硬度、强度下降，塑性韧性升高。

一、钢在回火时的组织和性能的变化

1T≤

200℃→马氏体分解

2

T=200～300℃→残余奥氏体分解3

T=250～400℃

→碳化物转变

4

T≥400℃→碳化物的聚集长大；铁素体的再结晶

淬火钢随着回火温度的升高，硬度、强度下降，塑性韧性提高。二、回火方法及其应用

1.低温回火

•

低温回火温度范围是在250℃以下。

•

经低温回火后组织为回火马氏体（M′）。

•

低温回火后硬度一般为58～62HRC。

•

主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等。

2.中温回火

•

中温回火温度范围是在250℃～450℃。

•淬火钢经中温回火后组织为回火托氏体（T′）。

•中温回火后硬度一般为35～50HRC。

•主要用于处理弹性元件，如各种卷簧、板簧、弹簧钢丝等。3.高温回火

•

高温回火温度范围是在500℃以上。

•

淬火钢经高温回火后组织为回火索氏体（S′）。

•回火后硬度一般为200～330HBW。

•

钢件淬火加高温回火的复合热处理工艺又称为调质处理，它主要用于处理轴类、连杆、螺栓、齿轮等工件。

◆调质处理一般作为最终热处理，但由于调质处理后钢的硬度不高，便于切削加工，并能得到较好的表面质量，故也作为表面淬火和化学热处理的预备热处理。一般说来，回火钢的性能只与加热温度有关，而与冷却速度无关。第七节

常见热处理缺陷及措施

1、粗晶：材料内部晶粒粗大。材料的基本组成是晶粒，一般来说，晶粒越细，材料的强度、韧性越好。如果锻件内部晶粒粗大，会导致材料的