钢的热处理要点.docx

1、钢的热处理要点 钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。热处理的目的是提高工件的使用性能和寿命。 还可以作为消除毛坯如铸件、锻件等中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下： 钢在加热时的组织转变在相图中，共析钢加热超过线时，其组织完全转变为奥氏体。亚共析钢和过共析钢必须加热到线和线以上才能全部转变为奥氏体。相图中的平衡临界点、 、是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。 但在实际生产中， 加热和冷却并不是极其缓慢的。 加热转变在平衡临界点以上进行， 冷却转变在平衡

2、临界点以下进行。加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。为了区别于平衡临界点，通常将实际加热时各临界点标为、 、 ；实际冷却时各临界点标为、 、，任何成分的碳钢加热到相变点以上都会发生珠光体向奥氏体转变， 通常把这种转变过程称为奥氏体化。奥氏体的形成共析钢加热到 以上由珠光体全部转变为奥氏体第一阶段是奥氏体的形核与长大， 第二阶段是剩余渗碳体的溶解， 第三阶段是奥氏体成分均匀化。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢根本相同，不同处在于亚共析钢、过共析钢在 稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为 、以上。奥氏体晶粒的长大及影响因素钢在加热时，

3、奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。 加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织那么粗大。钢材晶粒细化，既能有效地提高强度，又能明显提高塑性和韧性，这是其它强化方法所不及的。 奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。（2、影响奥氏体晶粒度的因素1 加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长， A晶粒粗大。2加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。快速加热，短时保温高频感应淬火 .3、钢的成分阻碍奥氏体晶粒长大的元素： Ti 、V、Nb、 Ta、Zr 、 W、 Mo、Cr、Al 等，多为碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素： Mn、P、C、N。奥

4、氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。 钢在冷却时的组织转变钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种。 一种是等温冷却， 另一种是连续冷却。过冷奥氏体的等温转变奥氏体一旦冷却到临界温度以下， 那么处于热力学的不稳定状态， 称为“过冷奥氏体。 过冷奥氏体的等温转变曲线共析钢的奥氏体在 温度以下不同温度范围内会发生三种不同类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。 过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能 珠光体转变高温转变 在 温度区间，过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织， 都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混

5、合物。 奥氏体向珠光体转变是一种扩散型相变， 它通过铁、碳原子的扩散和晶格改组来实现。高温转变区虽然转变产物都是珠光体， 但由于过冷度不同， 铁素体和渗碳体的片层间距也不同。转变温度越低，即过冷度越大，片间距越小，其塑性变形抗力越大，强度、硬度越高。根据片间距的大小，将珠光体分为以下三种：珠光体 过冷奥氏体在之间等温转变， 形成粗片状 片间距珠光体，一般在光学显微镜下放大倍才能分辨出片层状特征，其硬度大约在左右，以符号表示。索氏体 过冷奥氏体在之间等温转变为细片状 珠光体，称为索氏体，以符号表示。它要在高倍倍以上显微镜下才能分辨出片层状特征， 硬度大约左右。屈氏体 过冷奥氏体在之间等温转变为极

6、细片状 珠光体，称为屈氏体，以符号表示。它只能在电子显微镜下放大倍以上才能分辨出片层状结构，硬度为左右。上述珠光体、索氏体、屈氏体三种组织，在形态上只有厚薄片之分，并无本质区别，统称为珠光体型组织。 贝氏体转变中温转变 共析成分的奥氏体过冷到 曲线“鼻端到线的区域，即的温度范围，将发生奥氏体向贝氏体转变。 贝氏体以符号表示。 贝氏体是由过饱和碳的铁素体与碳化物组成的两相机械混合物。奥氏体向贝氏体转变时，由于转变温度低，即过冷度较大， 此时铁原子已不能扩散， 碳原子也只能进行短距离扩散，结果一局部碳以渗碳体或碳化物的形式析出， 一局部仍留在铁素体中， 形成过饱和铁素体，即得到贝氏体。贝氏体转变属

7、于半扩散型转变，又称中温转变。常见的贝氏体组织形态有以下两种：上贝氏体上 过冷奥氏体在范围内的转变产物，在显微镜下呈羽毛状，称为上贝氏体上。它是由过饱和铁素体和渗碳体组成。其硬度约为，但强度低、塑性差、脆性大，生产上很少采用。下贝氏体下 过冷奥氏体在 温度范围内的转变产物为下贝氏体，在显微镜下呈暗黑色针状或竹叶状，称为下贝氏体下。它是由过饱和铁素体和碳化物组成。 下贝氏体具有高的强度和硬度 ，好的塑性、韧性。生产中采用等温淬火获得高强韧性的下贝氏体组织。 马氏体转变低温转变 奥氏体被迅速冷却至 温度以下便发生马氏体转变。马氏体以符号 表示。应指出，马氏体转变不属于等温转变，而是在极快的连续冷却

8、过程 亚共析钢与过共析钢的过冷奥氏体的等温转变亚共析钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前， 首先析出先共析相铁素体， 所以在曲线上还有一条铁素体析出线， 过共析钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前， 首先析出先共析相二次渗碳体，所以 曲线上还有一条二次渗碳体析出线。过冷奥氏体的连续冷却转变 连续冷却转变曲线在实际生产中， 过冷奥氏体大多是在连续冷却中转变的， 这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线，图即为共析钢连续冷却转变曲线，没有出现贝氏体转变区， 即共析钢连续冷却时得不到贝氏体组织。 连续冷却转变的组织和性能取决于冷却速度。 采用炉冷或空冷时， 转变可以在高温区完成， 得到的组织为珠光体和索氏体。采

9、用油冷时，过冷奥氏体在高温下只有一局部转变为屈氏体，另一局部却要冷却到 点以下转变为马氏体组织，即得到屈氏体和马氏体的混合组织。采用水冷时，因冷却速度很快，冷却曲线不能与转变开始线相交，不形成珠光体组织， 过冷到 点以下转变成为马氏体组织。 是奥氏体全部过冷到 点以下转变为马氏体的最小冷却速度， 通常叫作临界淬火冷却速度。 过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定困难，目前生产中，还常应用 _图是在共析钢的等温转变曲线上估计连续冷却时组织转变的情况。 冷却速度相当于炉冷，与等温冷却曲线约交于附近，可以判断是发生珠光体转变， 最终组织为珠光体， 其硬度；冷却速度相当

10、于空冷，大约在发生组织转变，可判断其转变产物是索氏体， 硬度； 冷却速度相当于油中淬火，一局部奥氏体转变为屈氏体，其余奥氏体在 点以下转变为马氏体，最终产物为屈氏体和马氏体， 其硬度为 左右。 冷却速度相当于水中淬火，冷却至 点以下转变为马氏体，其硬度为。马氏体转变当转变温度在 和 之间时，即有马氏体组织转变。马氏体的转变过冷度极大， 转变温度很低， 铁原子和碳原子的扩散被抑制， 奥氏体向马氏体转变时只发生 向 的晶格改组，而没有碳原子的扩散。因此，这种转变也称非扩散型转变。 马氏体的碳质量分数就是转变前奥氏体中的碳质量分数，那么马氏体实质上是碳在 中的过饱和固溶体。 马氏体的组织形态马氏体的

11、组织形态因其碳的质量分数不同而异。 通常有两种根本形态即片状马氏体与板条状马氏体。当奥氏体中，那么形成板条状马氏体低碳马氏体。当 ，那么为片状马氏体高碳马氏体。当 时，为板条状马氏体片状马氏体。 马氏体的性能马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。 随着马氏体中碳的质量分数增加，其强度与硬度也随之增加。 马氏体强化的主要原因是由于过饱和碳原子引起的晶格畸变， 即固溶强化。马氏体的塑性与韧性随碳的质量分数增高而急剧降低。板条状马氏体塑性、韧性相当好，是一种强韧性优良的组织。一般钢中，马氏体转变是在不断降温 中进行的，而且转变具有不完全性特点，转变后总有局部剩余奥氏体存在。钢的碳质量分数

12、越高，、 温度越低，淬火后剩余奥氏体越多。随着碳的质量分数或合金元素 除外增加，马氏体转变点不断降低，碳的质量分数大于的碳钢和许多合金钢的 都在室温以下。如果将淬火工件冷到室温后，又随即放到零下温度的冷却介质中冷却如干冰酒精、液态氧等，剩余奥氏体将继续向马氏体转变， 这种热处理工艺称冷处理。 冷处理可到达增加硬度、耐磨性与稳定工件尺寸的目的。 钢的退火与正火预先热处理是消除坯料、 半成品中的某些缺陷， 为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。最终热处理是使工件获得所要求的性能。 钢的退火 完全退火完全退火首先是把亚共析钢加热到 以上， 保温一段时间，随炉缓慢冷却随炉或埋入干砂、 石灰中，以获得接

13、近平衡组织的热处理工艺。完全退火主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸件、 锻件、焊接件等。 其目的是细化晶粒，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性能等。 球化退火球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。 一般球化退火是把过共析钢加热到以上， 保温一定时间后缓慢冷却到以下出炉空冷的一种热处理工艺。球化退火的目的是使二次渗碳体及珠光体中片状渗碳体球状化，从而降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好组织准备。假设钢原始组织中存在严重渗碳体网时，应采用正火将其消除后再进行球化退火。球化退火主要用于过共析成分的碳钢和合金工具钢。 均匀化退火均匀化退火是把合金钢铸锭或铸件加热到 以上，保温后缓慢冷却的热处理

14、工艺。 由于加热温度高、 时间长，会引起奥氏体晶粒的严重粗化。因此一般还需要进行一次完全退火或正火。目的：为了消除铸造结晶过程中产生的枝晶偏析，使成分均匀化。 去应力退火去应力退火是为了去除锻件、 焊件、铸件及机加工工件中内存的剩余应力而进行的退火。应力退火将工件缓慢加热到 以下，保温一定时间后随炉慢冷至， 再出炉冷却。去应力退火是一种无相变的退火。钢的正火将钢材或钢件加热到 或 以上，保温一定的时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火与退火的主要区别是：正火的冷却速度较快，过冷度较大，因此正火后所获得的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。正火是本钱较低和生产率较高的热处理工艺。在生

15、产中应用如下： 对于要求不高的结构零件，可作最终热处理正火可细化晶粒，正火后组织的力学性能较高。而大型或复杂零件淬火时，可能有开裂危险，所以正火可作为普通结构零件或大型、复杂零件的最终热处理。 改善低碳钢的切削加工性正火能减少低碳钢中先共析相铁素体，提高珠光体的量和细化晶粒。所以能提上下碳钢的硬度，改善其切削加工性。 作为中碳结构钢的较重要工件的预先热处理对于性能要求较高的中碳结构钢，正火可消除由于热加工造成的组织缺陷，且硬度还在范围内，具有良好的切削加工性，并能减少工件在淬火时的变形与开裂，提高工件质量。为此，正火常作为较重要工件的预先热处理。 消除过共析钢中二次渗碳体网 以上。正火可消除过

16、共析钢中二次渗碳体网，为球化退火作组织准备。 钢的淬火淬火是将钢件加热到 或 以上，保温一定时间，然后以大于淬火临界冷却速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是为了得到马氏体组织。再经回火后，使工件获得良好的使用性能，以充分发挥材料的潜力。钢的淬火工艺 淬火加热温度的选择碳素钢的淬火加热温度由 相图来确定。亚共析钢淬火加热温度为 以上。共析钢和过共析钢淬火加热温度为 淬火冷却介质目前常用的淬火冷却介质有水、油和盐浴。水是最廉价而且在范围内具有很大的冷却能力；但在时也能很快冷却，所以容易引起工件的变形与开裂，这是水的最大缺点，但目前仍是碳钢的最常用淬火介质。油也是最常用的淬火介质

17、，生产上多用各种矿物油。油的优点是在范围内冷却能力低，这有利于减少工件的变形。其缺点是在范围内冷却能力也低，不适用于碳钢，所以油一般只用作合金钢的淬火介质。为了减少工件淬火时变形， ，可采用盐浴作为淬火介质， 如熔化的 、 等。主要用于贝氏体等温淬火、马氏体分级淬火。其特点是沸点高，冷却能力介于水与油之间，常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。淬火方法常用淬火方法有： 单介质淬火将淬火加热后的钢件在一种冷却介质中冷却，称为单介质淬火，例如碳钢在水中淬火；合金钢或尺寸很小的碳钢工件在油中淬火。单介质淬火操作简单，易实现机械化、自动化，应用广泛。缺点是：水淬容易变形或开裂；油淬大型零件

18、容易产生硬度缺乏现象。 双介质淬火将淬火加热后的钢件先淬入一种冷却能力较强的介质中，在钢件还未到达该淬火介质温度前即取出，马上再淬入另一种冷却能力较弱的介质中冷却，称为双介质淬火，例如先水后油的双介质淬火法。双介质淬火法的目的是使过冷奥氏体在缓慢冷却条件下转变成马氏体，减少热应力与相变应力，从而减少变形、防止开裂。这种工艺的缺点是不易掌握从一种淬火介质转入另一种淬火介质的时间，要求有熟练的操作技艺。它主要用于中等形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。 马氏体分级淬火将淬火加热后的钢件， 迅速淬入温度稍高或稍低于 点的硝盐浴或碱浴中冷却，在介质中短时间停留，待钢中内外层到达介质温度后取出空冷，

19、以获得马氏体组织。这种工艺特点是在钢件内外温度根本一致时，使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而减少变形。这种工艺的缺点是由于钢在盐浴和碱浴中冷却能力缺乏，只适用尺寸较小的零件。 贝氏体等温淬火将淬火加热后的钢件迅速淬入温度稍高于 点的硝盐浴或碱浴中， 保持足够长时间，直至过冷奥氏体完全转变为下贝氏体，然后在空气中冷却，如图下贝氏体的硬度略低于马氏体，但综合力学性能较好，因此在生产中被广泛应用，如一般弹簧、螺栓、小齿轮、轴、丝锥等的热处理。 局部淬火对于有些工件，如果只是局部要求高硬度，可将工件整体加热后进行局部淬火。为了防止工件其他局部产生变形和开裂，也可局部进行加热淬火冷却。钢的回火将

20、淬火钢重新加热到 点以下的某一温度， 保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。一般淬火件必须经过回火才能使用。回火的目的 获得工件所要求的力学性能工件淬火后得到马氏体组织硬度高、 脆性大， 为了满足各种工件的性能要求，可以通过回火调整硬度、强度、塑性和韧性。 稳定工件尺寸淬火马氏体和剩余奥氏体都是不稳定组织，它们具有自发地向稳定组织转变的趋势，因而将引起工件的形状与尺寸的改变。通过回火使淬火组织转变为稳定组织，从而保证在使用过程中不再发生形状与尺寸的改变。 降低脆性，消除或减少内应力工件在淬火后存在很大内应力，如不及时通过回火消除，会引起工件进一步的变形与开裂。淬火钢在回火时组织的转变钢

21、经淬火后，获得马氏体与剩余奥氏体是亚稳定相。在回火加热、保温中，都会向稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两相组织转变。根据碳钢回火时变化的过程和形成的组织，一般回火分为四个转变。 马氏体分解淬火钢在以下， 内部组织的变化并不明显， 硬度根本上也不下降。当回火温度大于时， 马氏体开始分解， 马氏体中碳以 碳化物 形式析出，使马氏体中碳的过饱和度降低，晶格畸变度减弱，内应力有所下降，析出的 碳化物不是一个平衡相，而是向 转变的过渡相。这一转变的回火组织是由过饱和 固溶体与 碳化物所组成，这种组织称为回火马氏体。马氏体这一分解过程一直进行到约。马氏体中碳的质量分数越多， 析出碳化物越多。 对于 的低碳马

22、氏体，在这一阶段不析出碳化物，只发生碳原子在位错附近的偏聚。 剩余奥氏体的转变回火温度到达时，马氏体继续分解，剩余奥氏体也开始发生转变，转变为下贝氏体。下贝氏体与回火马氏体相似，这一转变后的主要组织仍为回火马氏体， 此时硬度没有明显下降， 但淬火内应力进一步减少。 碳化物的转变回火温度在时，因碳原子的扩散能力增大，碳过饱和 固溶体转变为铁素体， 同时 碳化物亚稳定相也转变为稳定的细粒状渗碳体，淬火内应力根本消除，硬度有所降低，塑性和韧性得到提高，此时组织由保持马氏体形态的铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成，称为回火屈氏体。 渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶回火温度大于时，渗碳体颗粒将

23、逐渐聚集长大，随着回火温度升到时，铁素体发生再结晶，使铁素体完全失去原来的板条状或片状，而成为多边形晶粒，此时组织由多边形铁素体和粒状渗碳体组成，称为回火索氏体。回火碳钢硬度变化的总趋势是随回火温度的升高而降低。回火种类与应用根据对工件力学性能要求不同，按其回火温度范围，可将回火分为三种。 低温回火淬火钢件在以下回火称低温回火。回火后组织为回火马氏体，基本上保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，淬火内应力有所降低。主要用于要求高硬度、高耐磨性的刃具、冷作模具、量具和滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和外表淬火的零件。回火后硬度为。 中温回火淬火钢件在之间回火称为中温回火。回火后组织为回火屈氏体。具有高的屈强比，

24、高的弹性极限和一定的韧性，淬火内应力根本消除。常用于各种弹簧和模具热处理，回火后硬度一般为。高温回火淬火钢件在回火称为高温回火。回火后组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。因此，广泛用于汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如连杆、齿轮、轴类、高强度螺栓等。回火后硬度一般为。生产中常把淬火高温回炽热处理工艺称为调质处理。调质处理后的力学性能强度、韧性比相同硬度的正火好，这是因为前者的渗碳体呈粒状，后者为片状。调质一般作为最终热处理，但也作为外表淬火和化学热处理的预先热处理。调质后的硬度不高，便于切削加工，并能获得较低的外表粗糙度值。除了以上三种常用回火方法外，

25、某些精密的工件，为了保持淬火后的硬度及尺寸的稳定性，常进行低温、长时间保温的回火，称为时效处理。 钢的外表淬火外表淬火是通过快速加热使钢表层奥氏体化，而不等热量传至中心，立即进行淬火冷却，仅使外表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。外表淬火不改变零件外表化学成分，只是通过外表快速加热淬火，改变外表层的组织来到达强化外表的目的。许多机械零件，如轴、齿轮、凸轮等，要求外表硬而耐磨，有高的疲劳强度，而心部要求有足够的塑性、韧性，采用外表淬火，使钢外表得到强化，能满足上述要求。碳的质量分数在的优质碳素结构钢最适宜于外表淬火。这是由于中碳钢经过预先热处

26、理正火或调质以后再进行外表淬火处理，即可以保持心部原有良好的综合力学性能， 又可使外表具有高硬度和耐磨性。外表淬火后，般需进行低温回火，以减少淬火应力和降低脆性。外表淬火方法很多，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。感应加热外表淬火感应加热外表淬火是利用感应电流通过工件外表所产生的热效应，使外表加热并进行快速冷却的淬火工艺。感应外表加热淬火法的原理，当感应圈中通入交变电流时，产生交变磁场，于是在工件中便产生同频率的感应电流。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件外表的电流，可使表层迅速加热到淬火温度，而心部温度仍接近室温，随后立即喷水合金钢浸油快速冷却，使工件外表淬硬。所用电流频率主要有三种：一种是高频感应加热，常用频率为，淬硬层为，适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸的轴类零件； 第二种是中频感应加热， 常用频率为，淬硬层深度为，适用于较大尺寸的轴和大、中模数的齿轮等；第三种是工频感应加热，电流颇率为，硬化层深度可达