金屬熱處理知識

1、,金屬材料與金屬熱處理,熱處理是指通過對工件的加熱、保溫和冷卻，使金屬或合金的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而獲得預期的性能(如機械性能、加工性能、物理性能和化學性能等)的操作工藝稱為熱處理。 工件熱處理的目的是通過熱處理這一重要手段，來改變(或改善)工件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要的性能并提高工件的使用壽命。,熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一。,1 金屬熱處理工藝基本知識,熱處理過程中四個重要因素: 在熱處理時，因工件的大小不同，形狀不同，材料的化學成分不同，所以在具體熱處理過程中，要用不同的加熱速度、最高的

2、加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。通常把加熱速度、最高加熱溫度、保溫時間和冷卻速度稱為工件熱處理的四個要素，也稱工藝參數(shù)。正確地確定和保證實施好工藝，就能獲得預期的效果，并將得到滿意的性能。 從數(shù)學的觀點看，熱處理的質(zhì)量是溫度和時間的函數(shù)，所以工件的熱處理工藝規(guī)范可用時間一溫度為坐標表示出來，任何工件的熱處理，都應包括：,1 金屬熱處理工藝基本知識,圖1 熱處理規(guī)范示意圖 （a）簡單的熱處理規(guī)范 （b)復雜的熱處理規(guī)范,都應包括 四個重要因素:(1)加熱速度V； (2)最高加熱溫度T; (3)保溫時間h; (4)冷卻速度Vt.,2 鋼的組織,六種組織（相） (1)鐵素體(ferrite，縮寫：FN

3、) 即-Fe和以它為基礎的固溶體，具有體心立方點陣。 純鐵在912以下為具有體心立方晶格（注1）的-Fe。碳溶于-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體，以符號F表示。由于-Fe是體心立方晶格結(jié)構(gòu)，它的晶格間隙很小，因而溶碳能力極差，在727時溶碳量最大，可達0.0218,隨著溫度的下降溶碳量逐漸減小，在600時溶碳量約為0.0057，在室溫時溶碳量幾乎等于零。因此其性能幾乎和純鐵相同，其數(shù)值如下： 抗拉強度 180280MN/平方米 、延伸率 30-50 、硬度 HB 5080 由此可見，鐵素體的強度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性。 （2）滲碳體（cementite）鐵碳合金按亞穩(wěn)定平衡系統(tǒng)凝固和

4、冷卻轉(zhuǎn)變時析出的Fe3C型碳化物。 滲碳體是碳鋼中主要的強化相，它的形狀與分布對鋼的性能有很大的影響。同時 Fe3C 又是一種介（亞）穩(wěn)定相，在一定條件下會發(fā)生分解。,2 鋼的組織,它的含碳量為6.69；熔點為1227左右；不發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變；但有磁性轉(zhuǎn)變，它在230以下具有弱鐵磁性，而在230以上則失去鐵磁性；其硬度很高（相當于HB800），而塑性和沖擊韌性幾乎等于零，脆性極大。 (3)奧氏體：是碳溶解在Fe（面心立方晶格）中的間隙固溶體，常用符號A表示。它仍保持Fe的面心立方晶格。其溶碳能力較大，在727時溶碳為c 0.77,1148時可溶碳2.11。奧氏體是在大于727高溫下才能穩(wěn)定存在

5、的組織。奧氏體塑性好，是絕大多數(shù)鋼種在高溫下進行壓力加工時所要求的組織。奧氏體是沒有磁性的。 （4） 馬氏體（M）是碳溶于-Fe（體心立方晶格）的過飽和的固溶體，是奧氏體通過無擴散型相變轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)定相。其比容大于奧氏體、珠光體等組織，這是產(chǎn)生淬火應力，導致變形開裂的主要原因。 馬氏體最初是在鋼（中、高碳鋼）中發(fā)現(xiàn)的：將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。,2 鋼的組織,(5)珠光體是u體/氏體是碳溶解在Fe中的間隙u體/生共析轉(zhuǎn)變所形成的u體/u體/析體。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間,強韌性較好.其抗拉強度為750 900MPa,1

6、80 280HBS,伸長率為20 25%,沖擊功為24 32J.力學性能介于鐵素體與滲碳體之間,強度較高,硬度適中,塑性和韌性較好b=770MPa,180HBS,=20%35%,AKU=2432J). （6）索氏體 （sorbite ） 鋼經(jīng)正火或等溫轉(zhuǎn)變所得到的鐵素體與滲碳體的機械混合物。索氏體組織屬于珠光體類型的組織，但其組織比珠光體組織細。索氏體具有良好的綜合機械性能?；鼗鹚魇象w中的碳化物分散度很大，呈球狀。故回火索氏體比索氏體具有更好的機械性能。這就是為什么多數(shù)結(jié)構(gòu)零件要進行調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）的原因。 索氏體的定義及組織特征。索氏體，是在光學金相顯微鏡下放大600倍以上才能分辨

7、片層的細珠光體(GB/T7232標準)。其實質(zhì)是一種珠光體，是鋼的高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，是片層的鐵素體與滲碳體的雙相混合組織，其層片間距較?。?080nm），碳在鐵素體中已無過飽和度，是一種平衡組織。,四把火：退火、正火、淬火、回火 1） 鋼的退火與正火,3 鋼的熱處理基本工藝及應用, 退火與正火的目的 調(diào)整硬度以便進行切削加工 消除殘余應力 細化晶粒，改善組織 為最終熱處理做好組織上的準備,退火：將鋼加熱、保溫，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。 退火工藝可分為完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火、再結(jié)晶退火等，如圖所示。,圖3 箱式爐,圖2 各種退火及正火的加熱范圍, 完全退火 將亞共析鋼加熱到Ac3

8、+3050，保溫后緩冷的退火工藝稱為完全退火。 目的：降低硬度，消除內(nèi)應力。 等溫退火 將亞共析鋼加熱到 Ac3 +3050、過共析 鋼加熱到Ac1+3050， 保溫后快冷到Ar1以下 某一溫度保溫，然后出 爐空冷。如圖是高速鋼 等溫退火與普通退火的 比較,圖3 高速鋼等溫退火與普通退火的比較, 球化退火 將共析鋼或過共析鋼加熱到 Ac1 +2030，保溫適當時間后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為球化退火。 目的：降低硬度，改善切削加工性能；形成球狀珠光體，為后面的淬火作組織準備。, 擴散退火 將工件加熱到略低于固相線溫度，保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為擴散退火。 目的：消除成份偏析。,去應力退火 將

9、工件加熱到 Ac1以下某一溫度，保溫后隨爐冷卻的熱處理工藝稱為去應力退火。 目的：消除鑄、鍛、焊的內(nèi)應力。,正火是將鋼加熱到 Ac3或 Accm以上3050，保溫后空氣中冷卻的熱處理工藝。,正火具有以下幾方面的應用： 含碳量0.25%經(jīng)正火后硬度提高，改善了切削加工性能。 消除過共析鋼中的二次滲碳體。 作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。,正火的冷卻速度稍快于退火，由C曲線可知，二者的組織是不一樣的。正火后的組織比退火細，如圖所示。,圖3 正火與退火后組織的比較,2） 鋼的淬火,淬火是將鋼加熱到臨界點以上，保溫后以大于Vk的速度冷卻的熱處理工藝。 目的：為了獲得馬氏體，提高鋼的力學性能。 淬火溫度

10、選擇淬火溫度的原則是 獲得均勻細小的奧氏體。 如圖所示，一般淬火溫度 在臨界點以上。,圖4 碳鋼的淬火溫度范圍, 對亞共析鋼，淬火溫度為Ac3+3050，淬火組織為馬氏體，如圖所示。, 亞溫淬火：加熱溫度在Ac1 Ac3之間，淬火組織為馬氏體加鐵素體，如圖所示。亞溫淬火也是一種強韌化處理方法。,圖6 馬氏體加鐵素體,圖5 馬氏體,圖7, 對共析鋼和過共析鋼 淬火溫度為Ac1+3050， 組織為細馬氏體加顆粒狀 滲碳體和少量殘余奧氏體， 如圖所示。,對合金鋼，一般淬火溫度為臨界點以上50100。提高淬火溫度有利于合金元素在奧氏體中充分溶解和均勻化。,3) 淬火介質(zhì),為了保證得到馬氏體組織，淬火速

11、度必須大于臨界冷卻速度Vk，但往往會引起工件變形和開裂。 要想既得到馬氏體又避免變形和開裂，理想的淬火冷卻曲線如圖所示。, 最常用的淬火介質(zhì)是水和油。,圖8 理想的淬火冷卻曲線, 水是經(jīng)濟且冷卻能力較強的淬火介質(zhì)。如表所示：, 油主要用于合金鋼或小尺寸碳鋼工件的淬火。, 熔融狀態(tài)的鹽也常用作淬火介質(zhì)，稱作鹽浴。這類介質(zhì)只適用于形狀復雜和變形要求嚴格的小件的分級淬火和等溫淬火。 近年來出現(xiàn)聚乙烯醇水溶液、三乙醇銨水溶液、高濃度硝鹽水溶液等淬火介質(zhì)。,表1,4） 淬火方法,常用淬火方法如圖所示。,圖9 各種淬火方法示意圖, 單液淬火法 將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法，如水淬

12、、油淬等。,將加熱的工件放入一種冷卻能力較強的介質(zhì)中冷卻，然后轉(zhuǎn)入另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)冷卻的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。雙液淬火主要用于形狀復雜的高碳鋼工件及大型合金鋼工件。, 雙液淬火法, 分級淬火法,將加熱的工件在Ms點附近的鹽浴或堿浴中淬火，然后取出緩冷的淬火方法。其特點是顯著減少淬火變形與開裂，是用于截面尺寸較小淬透性較高的鋼件。, 等溫淬火,將加熱工件在稍高于Ms點附近溫度的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠時間而獲得下貝氏體組織的淬火方法。其特點是工件具有良好的綜合力學性能，一般不必回火。多用于形狀復雜和要求較高的小件。,5) 鋼的淬透性, 淬透性 淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層深

13、度的能力。一般規(guī)定由工件表面到半馬氏體區(qū)的深度作為淬硬層深度。, 淬透性對鋼力學性能的影響:鋼的淬透性直接影響其熱處理后的力學性能。,圖10, 淬透性高的鋼，其力學性能沿截面均勻分布, 淬透性低的鋼，其截面心部的力學性能低, 淬透性的測定及其表示方法, 測定鋼的淬透性最常用的方法是末端淬火法。 將25100mm的標準試樣經(jīng)奧氏體化后，對末端進行噴水冷卻。如圖所示。,圖11 末端淬火法, 按規(guī)定方法測定硬度值，作出淬透性曲線；, 利用鋼的半馬氏體區(qū)硬度與鋼的含碳量關系圖，和淬透性 曲線圖可找出其淬透性的大小。, 淬透性的表示方法,淬透性值可用 表示。其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距離，H

14、RC為該處測得的硬度值。,鋼的淬透性還可用鋼在某種冷卻介質(zhì)中完全淬透的最大直徑，即臨界直徑D0表示。, 淬透性的應用: 對于截面尺寸較大和形狀較復雜的重要零件以及要求機械性能均勻的零件，應選用高淬透性的鋼制造。 對于承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的軸類、齒輪類零件，可選用低淬透性的鋼制造。 在設計和制造零件時，必須考慮鋼的熱處理尺寸效應。,6) 鋼的回火, 回火的目的 降低脆性，減少或消除內(nèi)應力 獲得工藝所要求的力學性能 穩(wěn)定工件尺寸 對某些高淬透性的合金鋼，可降低硬度，以利加工, 淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變 回火時的組織轉(zhuǎn)變 淬火鋼組織發(fā)生以下四階段的變化：, 馬氏體分解：主要發(fā)生在100200， 馬氏體中的碳以

15、碳化物（Fex）的形式析出，析出的碳化物以極小片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱為回火馬氏體，用“M回”表示。如圖所示。,圖12 回火馬氏體,圖14, 殘余奧氏體分解 主要發(fā)生在200300，殘余奧氏體分解 為碳化物和過飽和，但組織仍是回火馬氏體。, 碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3 主要發(fā)生 在250400，此時回火馬氏體轉(zhuǎn) 變?yōu)樵诒３竹R氏體形態(tài)的鐵素體基 體上分布著細粒狀滲碳體的組織， 稱為回火屈氏體，用“T回”表示。圖13, 滲碳體的聚集長大及相再結(jié)晶 主要發(fā)生在400以上,此時 形成顆 粒狀滲碳體，鐵素體由針片狀轉(zhuǎn)變 為多邊形，這種組 織稱為回火索氏 體，用“S回”表示。如圖所示。,回火過程中的性能

16、變化,總的規(guī)律是：隨回火溫度升高，強度、硬度下降，塑性、韌性上升。如圖為硬度與回火溫度的關系。, 回火溫度在200以下,鋼的硬度不降低,對高碳鋼，甚至略有升高。 回火溫度在200300,高碳 鋼的硬度再次升高,中、低碳鋼 硬度緩慢降低。 回火溫度300以上，鋼的硬 度呈直線下降。 注意：回火屈氏體、回火索氏 體和球狀珠光體與過冷奧氏體直 接分解得到的屈氏體、索氏體和珠光體的力學性能有 顯著區(qū)別。,圖15, 回火的種類, 中溫回火（350500） 組織為回火索氏體，具有較高彈性和一定韌性，主要 用于彈簧的處理。 高溫回火（500650） 組織為回火索氏體，具有良好的綜合機械性能。習慣上將淬火加高

17、溫回火相結(jié)合的熱處理稱作調(diào)質(zhì)處理，簡稱“調(diào)質(zhì)”。調(diào)質(zhì)廣泛用于處理重要的結(jié)構(gòu)零件，如軸、齒輪等。, 低溫回火（150250） 組織為回火馬氏體，能降低內(nèi)應力和脆性，并保持高硬 度和耐磨性。用于工具、模 具、軸承、滲碳件及經(jīng)表面淬火的工件。,圖16, 淬火鋼出現(xiàn)沖擊韌性顯著下降的現(xiàn)象稱為“回火脆性”，如圖, 回火脆性, 在250350回火時出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性。一般不在此溫度范圍內(nèi)進行回火。 高溫回火脆性 在500650回火時出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性。主要發(fā)生在含Cr、Ni、Mn等合金元素的結(jié)構(gòu)鋼中。 快冷可防止高溫脆性，在鋼中加入（約1%）o（約0.5%）等合金元素可有效抑制這類脆性的產(chǎn)

18、生。,圖17, 淬火回火的工藝缺陷, 硬度不足 是由淬火加熱溫度低、表面脫碳、冷速不夠、鋼材淬透性低等原因造成的?？刹捎孟鄳胧┘右苑乐?。 硬度不均勻 是由原始組織粗大且不均勻、冷卻不均勻等原因造成的?？赏ㄟ^正火后重新淬火來消除。 過熱和過燒 過熱組織可通過重新淬火來消除；工件一旦過燒則只能報廢。,7) 鋼的表面淬火, 利用快速加熱將表面層奧氏體化后進行淬火，以強 化零件表面的熱處理方法。, 表面淬火用材料含碳量為0.40.5%的中碳鋼及鑄鐵。 預備熱處理預備熱處理為表面淬火作準備，以獲得最終的心部組織。方法有調(diào)質(zhì)和正火等。 表面淬火后的組織表層組織為回火馬氏體，心部組織為回火索氏體(調(diào)質(zhì)）或

19、鐵素體加索氏體（正火）。, 感應加熱表面淬火, 感應加熱的基本原理 感應加熱表面淬火的裝置如圖。, 交變磁場使工件內(nèi)部感生出巨大的渦流。 感應電流在工件表層密度最大，而心部密度為零，這種現(xiàn)象稱為集膚效應。 電流透入的深度與感應電流的頻率有關。 電流頻率越高，感應電流透入深度越淺。,圖18 感應加熱表面淬火的裝置, 高頻感應加熱 電流頻率范圍250300kHz，淬硬層深度為0.52.0mm，適用于中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類零件。 中頻感應加熱 電流頻率范圍2500800kHz，淬硬層深度210mm，適用于較大的軸和大中模數(shù)齒輪。 工頻感應加熱 電流頻率50Hz，淬硬層深度可達1015mm，適

20、用 于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件如軋輥、火車車輪的表面淬火。 感應加熱表面淬火后的回火 一般只進行低溫回火，回火溫度一般不高于200。, 感應加熱的分類, 加熱溫度高。 感應加熱表面淬火后工件表層硬度高，脆性較低。 工件表面質(zhì)量好。 生產(chǎn)效率高。, 感應加熱表面淬火的特點, 特點及應用： 設備簡單、成本低、靈活性大，但淬火質(zhì)量較難控制。主要用于單件小批量生產(chǎn)件及大型零件的表面淬火。,圖20,圖19,火焰加熱表面淬火, 電接觸加熱的原理如圖。, 電接觸加熱表面淬火, 特點及應用： 工件變形小，工藝簡單，不需回火，但硬化層薄。形狀復雜的工件不宜采用。,圖21,4 鋁合金熱處理的特點,與鋼比較具有如下特點 1 、強化形式不同 鋼淬火屬于非擴散型的，組織不擴散，而形成高強度、低塑性的過飽和固溶體馬氏體。 而鋁合金是擴散強化淬火+時效，淬火時，因固溶體分解被阻止，而得到形成低強度、高塑性的過飽和固溶體。時效時內(nèi)部組織擴散而形成許多強化相微粒，彌散于固溶體基體上，使合金強化，稱為彌散強化。,4 鋁合金熱處理的特點,2 、淬火后的鋁合金，時效時有孕育期，在孕