热处理讲义.docx

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热处理讲义

热处理培训教材

一、钢铁的组成和分类

1．钢铁的组成：

铁和碳是组成钢铁材料的两个最根本的元素，其中铁元素是主要成分。

2．根据碳在钢铁中的含量分类：

含碳量小于等于2.11%的钢铁材料称为钢，含碳量大于2.11%的钢铁材料称为铸铁。

3．按钢材的用途、化学成分和质量的不同，可将钢分为许多类：

⑴按用途分类

按钢材的用途可分为三大类：

结构钢，工具钢，特殊性能钢。

结构钢：

①用作各种机器零件的钢。

它包括渗碳钢〔如20CrMnTi〕、调质钢〔如45和40Cr〕、弹簧钢〔如65Mn〕及滚动轴承钢（如Gr15）。

②用作工程结构的钢。

它包括碳素结构钢〔如Q235A，旧牌号为A3〕和低合金高强度钢〔如Q345，旧牌号为16Mn〕。

工具钢：

用来制造各种工具的钢。

它分为刃具钢、模具钢与量具钢。

特殊性能钢：

具有特殊物理化学性能的钢。

它分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。

⑵按化学成分分类

按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。

碳素钢：

按钢的含碳量可分为低碳钢〔含碳量≤0.25%〕，如20号钢，表示平均含碳量为0.20%的钢；中碳钢〔0.30～0.55%C〕，如45号钢，表示平均含碳量为0.45%的钢和高碳钢〔≥0.60%C〕，如T12，表示平均含碳量为1.20%的钢等。

合金钢：

按合金元素含量又可分为低合金钢〔合金元素总含量≤5%〕；中合金钢〔合金元素总含量=5～10%〕；高合金钢〔合金元素总含量＞10%〕。

⑶按质量分类

按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢〔磷、硫含量均≤0.050%〕；优质钢〔磷、硫含量均≤0.040%〕；高级优质钢〔磷含量≤0.035%，硫含量≤0.035%〕。

钢的命名，常常将用途、成分和质量结合起来。

如将钢称为优质碳素结构钢〔如20和45〕、碳素工具钢〔如T12〕、高级优质碳素工具钢〔如T12A〕、合金结构钢〔如40Cr和20CrMnTi〕、合金工具钢〔如9SiCr和高速钢W18Cr4V〕等。

另外，对应变形钢，还有铸钢，如我公司常用的一般工程用碳素铸钢ZG310-570〔旧牌号ZG45〕，合金铸钢ZG40Cr和ZG35CrMo等。

二、铁-渗碳体相图

Fe和Fe3C是组成Fe-Fe3C相图的两个根本组元。

1，根本概念

铁素体：

以F表示。

组成：

碳溶于α-Fe中的间隙固溶体。

铁素体是铁碳合金根本相之一。

性能：

具有良好的塑性和韧性。

奥氏体：

以A表示。

组成：

碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体。

奥氏体是铁碳合金根本相之一。

性能：

硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。

渗碳体：

以Fe3C表示。

组成：

具有复杂结构的间隙化合物。

渗碳体是铁碳合金根本相之一。

性能：

硬度很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。

珠光体：

以P表示。

组成：

铁素体（F）+渗碳体（Fe3C）。

性能：

介于铁素体和渗碳体之间。

高温莱氏体：

以Ld表示。

组成：

奥氏体（A）+渗碳体（Fe3C）。

低温莱氏体：

以Ld’表示。

组成：

珠光体（P）+渗碳体（Fe3C）。

贝氏体：

以B表示。

组成：

含碳过饱和的铁素体（F）+渗碳体（Fe3C）。

性能：

具有较高的强度、硬度、塑性与韧性相配合的综合机械性能。

马氏体：

以M表示。

组成：

碳溶于α-Fe中的过饱和固溶体。

性能：

硬度和强度高。

2.铁-渗碳体相图分析

铁-渗碳体相图中各点、线含义

A点：

温度1538℃，C%=0，纯铁的熔点

C点：

温度1148℃，C%=4.3，共晶点

D点：

温度1227℃，C%=6.69，渗碳体的熔点

E点：

温度1148℃，C%=2.11，碳在奥氏体中的最大溶解度

F点：

温度1148℃，C%=6.69，渗碳体的成分

G点：

温度912℃，C%=0，α-Fe和γ-Fe转变点

K点：

温度727℃，C%=6.69，渗碳体的成分

P点：

温度727℃，C%=0.0218，碳在铁素体中的最大溶解度

S点：

温度727℃，C%=0.77，共析点

Q点：

温度600℃，C%=0.0057，碳在铁素体中的溶解度

AC线：

液相线，液态金属开始结晶出奥氏体

CD线：

液相线，液态金属开始结晶出渗碳体

AE线：

固相线，奥氏体的结晶终了线

ECF线：

固相线，液态金属开始结晶出高温莱氏体的转变线〔称为共晶线〕

GS线：

奥氏体转变为铁素体的开始线，又称A3线，线上的点为A3点

GP线：

奥氏体转变为铁素体的终了线

ES线：

碳在奥氏体中溶解度线，又称Acm线，线上的点为Acm点

PQ线：

碳在铁素体中溶解度线

PSK线：

奥氏体开始析出珠光体的转变线〔称为共析线〕，又称A1线，线上的点为A1点

三、钢的热处理

1．热处理的定义和分类

钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。

根据加热和冷却方法的不同，热处理方法大致可分为普通热处理和外表热处理。

普通热处理又可分为退火、正火、淬火和回火。

外表热处理又可分为外表淬火〔包括感应加热淬火和火焰加热淬火〕和化学热处理〔包括渗碳、氮化、碳氮共渗等〕。

2．钢在加热时的组织转变

3．钢在冷却时的组织转变

4．钢的退火和正火

㈠退火或正火的目的：

⑴降低钢件硬度，以利于随后的切削加工。

⑵消除剩余应力，以稳定钢件尺寸并防止其变形和开裂。

⑶细化晶粒，改善组织，以提高钢的机械性能。

⑷．最终热处理〔淬火、回火〕作好组织上的准备。

㈡退火

完全退火：

将钢加热到临界点Ac3以上，保温一定时间，随炉缓慢冷却到600℃以下，再出炉在空气中冷却。

它主要用于铸钢件和锻钢件，退火时间较长。

等温退火：

将钢加热到临界点Ac3以上，保温一定时间，再以较快速度冷却到临界点Ar1以下，等温一定时间，然后出炉在空气中冷却。

它可缩短退火时间，代替完全退火；还可作为渗碳钢零件淬火前的预先热处理，以消除渗碳件的外表网状碳化物，防止出现磨削裂纹。

去应力退火：

又称低温退火，将工件缓慢加热到临界温度Ac1以下，保温一定时间（3min/mm），然后随炉缓慢冷却〔≤100℃/h〕至200℃再出炉冷却。

它主要用于消除焊接件、冷冲压件和机加工件中的剩余应力，防止工件的变形和开裂。

㈢正火

正火就是将钢加热到临界点〔Ac3、Acm〕以上，保温一定时间（1min/mm），然后在空气中冷却。

正火主要用与以下几个方面：

1．作为普通结构零件的最终热处理。

2．改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性〔提高硬度〕。

3．作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。

4．消除高碳钢中的网状二次渗碳体，可作为渗碳钢零件淬火前的预先热处理。

5．对一些大型的或形状较复杂的零件，淬火可能有开裂危险时，正火也往往代替淬火、回火处理，而作为这类零件的最终热处理。

5．钢的淬火

㈠淬火的定义：

将钢加热到临界点以上，保温一定时间，然后在水中或盐水或油中〔一般常用钢〕快速冷却的热处理工艺，称为淬火。

淬火的目的是为了获得马氏体组织。

㈡常用淬火方法：

⑴单液淬火法

把加热的工件投入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温的淬火，称为单液淬火法。

例如，45钢在水或盐水溶液中淬火，40Cr在油中淬火等均属单液淬火法。

单液淬火示意如下：

⑵双液淬火法

先把加热的工件投入一种冷却能力较强的介质中冷却到稍高于Ms点温度〔即马氏体转变温度〕，短暂停留后，再立即转入另一种冷却能力较弱的介质中，以获得马氏体组织的淬火，称为双液淬火法。

例如，20CrMnTi十字轴渗碳后先水淬后油淬就属双液淬火。

双液淬火示意如下：

⑶局部淬火法

工件如果只是局部要求高硬度，可对工件全部加热或局部加热后进行局部淬火。

上海泓阳螺杆头球部的淬火属于局部淬火。

6．钢的回火

㈠回火的定义：

将淬火钢重新加热到临界点A1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。

它是紧接淬火的一道热处理工序。

钢在淬火后一般都要进行回火处理。

㈡回火的目的：

⑴获得工件所需的组织，以改善性能。

⑵稳定工件尺寸。

⑶消除淬火内应力。

㈢回火的种类和应用：

按回火温度范围，可将回火分为：

⑴低温回火〔150℃～250℃〕

低温回火组织为回火马氏体。

目的是在保持钢的硬度的同时，降低其淬火内应力和脆性。

回火后的硬度一般为HRC58-64。

例如，我公司零件十字轴和轴承套〔渗碳钢20CrMnTi〕的回火处理即为低温回火。

⑵中温回火〔350℃～500℃〕

中温回火组织为回火屈氏体。

目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性。

回火后的硬度一般为HRC58-62。

例如弹簧钢65Mn的回火处理。

⑵高温回火〔500℃～650℃〕

高温回火组织为回火索氏体。

目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合机械性能。

回火后的硬度一般为HB200-330。

习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。

例如，我公司零件叉头〔ZG35CrMo〕和花键轴及花键套（40Cr）的回火即属于高温回火，图纸技术要求栏注明为调质处理，硬度为HB255-286。

㈣回火脆性：

⑴第一类回火脆性〔低温回火脆性〕：

钢的回火一般不在250℃～350℃温度范围内进行回火，因为淬火钢在这个温度范围内回火时要发生回火脆性，即钢的冲击韧性不仅没有提高，反而显著降低。

⑵第二类回火脆性〔高温回火脆性〕：

合金钢不仅有第一类回火脆性，而且有第二类回火脆性，即合金钢在450℃～650℃温度范围内回火后缓冷，会出现脆性。

减轻或消除第二类回火脆性的方法有：

①提高钢的纯度，减少杂质元素的含量；②小截面工件在脆化温度回火后可采用快冷〔油冷或水冷〕；③大截面工件那么采用含有钨〔≈1%〕钼〔≈0.5%〕的合金钢，即使在回火后缓冷也不产生脆性。

7．钢的淬透性

㈠淬透性的意义

钢的淬透性表示钢在淬火时所能获得淬硬层深度的一种性质。

形状和尺寸相同的不同钢种在同样条件下淬火，淬透性好的钢淬硬层较深，淬透性差的钢淬硬层较浅。

一般规定：

由工件外表向里得到半马氏体组织〔即组织由50%马氏体和50%非马氏体组织〕的距离作为淬硬层深度〔也称为淬透层深度〕。

实际工作中，由于半马氏体硬度与钢的含碳量有关系，因此可用测量硬度的方法来确定淬硬层深度。

㈡淬透性与钢的机械性能的关系

淬透性对钢的机械性能的影响很大。

例如用淬透性不同的两种钢材制成直径相同的轴，进行调质处理，其中一种钢材的淬透性好，使轴的整个截面都能淬透，另一种钢材的淬透性较差，使轴未能淬透。

其机械性能比拟如下图。

由图可见，二者硬度虽然相同，但机械性能却有明显差异，尤其冲击韧性差异较大。

8．钢的外表淬火

钢的外表淬火是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织的局部热处理方法。

它是通过快速加热使钢表层奥氏体化，而不等热量传至中心，立即予以淬火冷却，其结果是表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持着原有塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。

根据加热方法的不同，外表淬火方法较多，目前生产中应用最广泛的是感应加热外表淬火，其次是火焰加热外表淬火。

㈠感应加热的分类和特点

在生产中，根据外表淬火淬硬层深度的要求，感应加热一般分为：

1．高频感应加热：

常用频率200-300KHz，淬硬层深度0.5～2mm。

2．中频感应加热：

常用频率为2500Hz和8000Hz，淬硬层深度2～8mm。

3．工频感应加热：

采用工业频率50Hz，淬硬层深度可达10～15mm以上。

感应加热的特点：

1．感应加热速度极快，外表淬火温度比普通加热淬火高几十度。

2．感应加热时间很短，工件表层硬度较普通淬火时硬度高2-3HRC，且具有较低的脆性和较高的疲劳极限。

3．由于工件表层存在剩余压应力，也提高了疲劳极限。

4．工件外表不易氧化和脱碳，耐磨性好，而且工件变形也小。

5．生产率高，适于大批量生产。

目前适用于万向轴产品的有花键轴高频淬火，国外大型十字轴中频感应淬火等。

㈡火焰加热外表淬火

火焰加热外表淬火是以