材料熱處理之認識

材料熱處理之認識互動討論題1以同學(xué)們現(xiàn)有的經(jīng)驗與知識，在選擇某種材料來制造某個機械零件時，應(yīng)該考慮哪些因素？性能：能否滿足使用要求制成零件的難易程度經(jīng)濟：材料是否容易獲得材料價格及運輸?shù)瘸杀举Y源環(huán)境：材料是否可以再生產(chǎn)材料生產(chǎn)及使用對環(huán)境的影響互動討論題2在上述必須考慮的因素中，首先要考慮的關(guān)鍵因素是什么？A、材料的性能B、材料的成本C、材料對資源與環(huán)境的影響材料的性能使用性能：工藝性能：力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能冷加工性能熱加工性能熱處理性能

定義：

鋼的熱處理是將固態(tài)鋼材采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。

應(yīng)用：

是改善鋼材性能的重要工藝措施，在機械制造中應(yīng)用廣泛。第一節(jié)鋼的熱處理原理

熱處理工藝分類：整體熱處理：表面熱處理：化學(xué)熱處理：退火、正火、淬火、回火等表面淬火、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等滲碳、滲氮、碳氮共滲等

熱處理的工藝要素：溫度、時間

熱處理工藝曲線：加熱保溫冷卻時間溫度一、鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變

鋼的臨界點：平衡臨界點：加熱臨界點：冷卻臨界點：A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、ArcmAr1Ar3ArcmA3A1AcmAc3Ac1AccmWc(%)溫度名詞解釋固溶體：組成合金的組元，在固態(tài)時相互溶解，所形成的單一均勻的物質(zhì)。金屬化合物：合金組元之間發(fā)生相互作用而生成的晶格類型和性能不同于任一組元的物質(zhì)。鐵素體：碳溶于α-Fe中形成的固溶體。奧氏體：碳溶于γ-Fe中形成的固溶體。滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物Fe3C。珠光體：鐵素體和滲碳體組成的兩相混合物。萊氏體：奧氏體和滲碳體組成的兩相混合物。Fe3CⅠ：從液體金屬中直接結(jié)晶出的滲碳體稱為一次滲碳體.Fe3CⅡ：從奧氏體中析出的滲碳體稱為二此滲碳體.Fe3CⅢ：由鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體.亞共析鋼:含碳量為0.028℅─2.11℅之間的室溫組織為F+P的鋼.共析鋼:含碳量為0.77℅、室溫組織為P的鋼.過共析鋼:含碳量大于0.77℅、室溫組織為P+Fe3CⅡ的鋼。（一）A的形成

以共析鋼為例：

將共析鋼加熱至Ac1時，發(fā)生P—A轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變過程是一個形核和長大的過程。P—A轉(zhuǎn)變分4個階段進行：1、A晶核形成2、A晶核長大3、殘余Fe3C溶解4、A成分均勻化Ac1以下FFe3CA未溶Fe3CA晶粒A晶界

對于亞共析鋼：若加熱至Ac1溫度以上Ac3溫度以下，只能使P—A，得到A+F組織；稱之為不完全A化。

對于過共析鋼：若加熱至Ac1溫度以上Accm溫度以下，只能使P—A，得到A+Fe3C

ⅱ組織。

上述情況稱為不完全A化。（二）A晶粒的長大

1、當(dāng)P向A轉(zhuǎn)變剛完成時，最初獲得的A晶粒是很細小的。

為什么？

減少系統(tǒng)能量，使系統(tǒng)趨向更穩(wěn)定。但在A后的繼續(xù)加熱保溫過程中，A晶粒會繼續(xù)長大：

加熱溫度越高、保溫時間越長，A晶粒越粗大。

舉例：

玻璃板上的小水珠長大

根據(jù)熱力學(xué)定律：一切自發(fā)的運動（變化）總是朝著減少能量的方向進行的。

自由落體運動；

水的自然流動；

晶粒長大正是一個減少表面能的過程。

2、晶粒大小對性能的影響

金屬材料的晶粒大小對性能有很大影響：

在常溫下，金屬的晶粒越細小，強度越高、塑性韌性越好。晶粒粗大會導(dǎo)致性能惡化。

因此，生產(chǎn)中總希望獲得均勻細小的晶粒。

理論和實踐都表明：

因為鋼在加熱時獲得的A晶粒大小，直接影響冷卻后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒大小。（組織遺傳）

A晶粒大小對性能有很大影響。討論：A只是一種高溫組織，其晶粒大小對性能是否會有影響？

為什么？

因此，A晶粒大小是評定熱處理生產(chǎn)中加熱質(zhì)量的主要指標之一。

在熱處理生產(chǎn)中，總是希望在加熱時獲得均勻細小的奧氏體組織，以確保金屬材料在冷卻后得到細小的晶粒組織。

3、怎么評定A晶粒大??？

A晶粒大小用A晶粒度來評定。

根據(jù)國家標準GB6394-86《金屬平均晶粒度測定法》：

標準晶粒度分為12級：

00,0,1,2,3,4,

5,6,7,8,9,10粗晶粒細晶粒超細晶粒

4、熱處理生產(chǎn)，在加熱時怎樣才能獲得均勻細小的A晶粒？A晶粒大小與加熱溫度和保溫時間有關(guān)。

P向A轉(zhuǎn)變剛完成時，最初獲得的A晶粒是很細小的。但隨著加熱的繼續(xù)，晶粒會自發(fā)長大。

加熱溫度越高，保溫時間越長，A晶粒就越粗大。

因此，在熱處理生產(chǎn)中，首先必須合理選擇加熱溫度和保溫時間，并在生產(chǎn)中予以嚴格控制。

加熱是熱處理生產(chǎn)的第一道工序，也是重要的一道工序。二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變

冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序。

為什么？

先看一個實驗：

將5個同尺寸的45鋼試樣加熱至840℃保溫相同時間，然后分別以不同冷卻速度冷卻，再測定它們的力學(xué)性能。

結(jié)果如下表：冷卻方法力學(xué)性能硬度HRCb/MPas/MPa/%/%爐冷51927232.54915~18空冷657~70633315~1845~5018~24油冷88260818~204840~50水冷10787067~812~1452~6015%NaCl水溶液冷卻57~62

由此可見：

冷卻條件不同，鋼的性能不同。

因此，有必要掌握鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。

生產(chǎn)中常用冷卻方式有等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種。時間溫度A1等溫冷卻連續(xù)冷卻（一）過冷A的等溫轉(zhuǎn)變

什么叫過冷A？A在A1溫度以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1溫度以下就成了不穩(wěn)定相，必然要發(fā)生轉(zhuǎn)變。

但A并不是一冷卻至A1溫度以下需停留一定時間（孕育）才能發(fā)生轉(zhuǎn)變。

我們把在A1溫度以下暫時沒有轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定A稱為過冷A。

把A在A1溫度以下發(fā)生轉(zhuǎn)變前停留的那段時間稱為過冷A轉(zhuǎn)變的孕育期。

為研究過冷A轉(zhuǎn)變規(guī)律，我們需要用到A等溫轉(zhuǎn)變圖。A1Ms溫度時間A等溫轉(zhuǎn)變圖的建立：A1AA—PA—BA’MSA’+PA’+BPSTBM+A’Mf溫度時間HRC1.共析鋼A等溫轉(zhuǎn)變圖（C曲線）2.過冷A等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能：

過冷A等溫轉(zhuǎn)變的溫度不同，發(fā)生的轉(zhuǎn)變不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能也不同，如下表：等溫轉(zhuǎn)變溫度℃組織名稱組織形態(tài)層間距?m分辨所需放大倍數(shù)硬度HRCA1~650珠光體P粗大層片狀~0.3<500<25650~600索氏體S細小層片狀0.1~0.31000~150025~25600~550托氏體T極細層片狀~0.110000~10000035~40550~350上貝氏體B上羽毛狀_>40040~45350~Ms下貝氏體B下黑色針狀_>40045~55（二）過冷A的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變A等溫轉(zhuǎn)變圖反映了在等溫冷卻條件下，等溫溫度與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能之間的關(guān)系。

但是，在實際熱處理生產(chǎn)中，更多的是連續(xù)冷卻。

問？在連續(xù)冷卻條件下，過冷A的轉(zhuǎn)變規(guī)律是否相同呢？

基本相同，但有區(qū)別。因此，要研究A在連續(xù)冷卻條件下的轉(zhuǎn)變規(guī)律，有必要引入A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖。1、共析鋼A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖溫度時間A1MsMfPSPfPkV1(爐冷）V2(空冷）Vk’V3(油冷）V4(水冷）Vk2、過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

通過A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，我們可以很方便地了解過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能。

但是，A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖測定較困難。生產(chǎn)中常借用同種鋼的A等溫轉(zhuǎn)變圖分析過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能。

下面以共析鋼為例，用A等溫轉(zhuǎn)變圖來分析過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能：A1APsA’MSPSTBMf溫度，℃時間HRCV4(M+A’）V3(M+T）V2(S）V1(P）-50230共析鋼過冷A連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能冷卻速度冷卻方法轉(zhuǎn)變產(chǎn)物硬度v1隨爐冷卻珠光體P170~220HBSv2空氣冷卻索氏體S25~35HRCv3油中冷卻托氏體+馬氏體T+M45~55HRCv4水中冷卻馬氏體+殘余奧氏體M+AR55~65HRC第二節(jié)鋼的退火與正火

熱處理工藝分類：整體熱處理：表面熱處理：化學(xué)熱處理：退火、正火、淬火、回火等表面淬火、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等滲碳、滲氮、碳氮共滲等按目的分類：預(yù)備熱處理：最終熱處理：為消除鋼材經(jīng)熱加工后引起的某些缺陷，或為以后的加工做準備的熱處理。退火正火為滿足零件最終使用性能而進行的熱處理。淬火、回火表面熱處理化學(xué)熱處理一、鋼的退火定義：目的：將鋼件加熱到適當(dāng)溫度保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。1、降低硬度，提高塑性；2、細化晶粒，消除組織缺陷；3、消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性；

為以后的加工做準備。

為以后淬火做組織準備。

穩(wěn)定尺寸，防止變形開裂。工藝：完全退火球化退火去應(yīng)力退火擴散退火（一）完全退火定義：工藝：將鋼件加熱完全A化后保持一定時間，然后緩慢冷卻，獲得接近平衡的熱處理工藝。1、加熱溫度：2、保溫時間：3、冷卻；

Ac3+30~50℃

按鋼件有效厚度計算。

爐冷至500~600℃后出爐空冷。工藝曲線：溫度時間500~600℃Ac3Ac1爐冷空冷應(yīng)用：主要用于中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛件和軋制件。對于過共析鋼，因緩冷時沿晶界析出網(wǎng)狀二次滲碳體，會顯著降低鋼的塑性和韌性，并給以后的切削加工和淬火帶來不利影響。因此，過共析鋼不宜采用完全退火。注意：（二）球化退火定義：工藝：使鋼中碳化物球狀化的退火工藝稱為球化退火。1、加熱溫度：2、保溫時間：3、冷卻；

Ac1+20~30℃

同上普通球化退火：等溫球化退火：爐冷至500~600℃后出爐空冷。普通球化退火：等溫球化退火：先在Ar1以下20℃等溫足夠時間后，爐冷至500~600℃后出爐空冷。工藝曲線：溫度時間500~600℃Ac3Ac1爐冷空冷爐冷普通球化退火等溫球化退火討論1：

為什么球化退火能使鋼中碳化物球狀化？1、片狀球化能減少表面能量，使系統(tǒng)更穩(wěn)定；2、球化退火冷卻條件為碳化物球化提供了外界條件。

與層片狀珠光體相比，球狀珠光體硬度低、塑性好，有利于切削加工；并在以后的淬火過程中，A晶粒不容易長大，冷卻時產(chǎn)生變形和裂紋的傾向也較小。討論2：

為什么要使鋼中碳化物球狀化？應(yīng)用：主要用于共析鋼和過共析鋼的鍛軋件。如果原始組織中存在較多的滲碳體網(wǎng)，應(yīng)先進行正火消除滲碳體網(wǎng)后，再進行球化退火。注意：討論3：為什么亞共析鋼不進行球化退火？亞共析鋼球化退火后硬度太低。（三）去應(yīng)力退火定義：工藝：為去除因塑性變形、焊接等而造成的應(yīng)力熱處理工藝。1、加熱溫度：2、冷卻；500~600℃

爐冷至室溫應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機加工件中的殘余應(yīng)力。討論：去應(yīng)力退火過程中是否有相變發(fā)生？

沒有。因為加熱溫度在A1以下。目的：穩(wěn)定鋼件尺寸，減少變形，防止開裂。二、鋼的正火定義：目的：將鋼件加熱到Ac3(或Accm)溫度以上30~50℃，保持一定時間，然后在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。與完全退火相似。1、細化晶粒；3、調(diào)整硬度。2、均勻組織；工藝曲線：溫度時間Ac3AccmAc1空冷應(yīng)用：1、消除過共析鋼的碳化物網(wǎng)，為球化退火做好組織準備；2、對低、中碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，作為消除應(yīng)力，細化組織，改善切削加工性能和為淬火做組織準備的預(yù)備熱處理；3、用于某些碳鋼、低合金鋼工件在淬火返修時，消除應(yīng)力，細化組織，以防止重新淬火時產(chǎn)生變形和開裂。4、對于某些力學(xué)性能要求不是很高的普通結(jié)構(gòu)件，正火也可取代調(diào)質(zhì)處理作為最終熱處理使用。各種退火、正火工藝曲線：溫度時間500~600℃Ac3Ac1完全退火球化退火正火去應(yīng)力退火擴散退火Ac3+150~200℃Ac3+30~50℃Ac1+20~30℃三、退火和正火的選擇

（完全）退火和正火都屬于預(yù)備熱處理。

完全退火和正火的工藝相似。

完全退火和正火的作用也基本相同。討論1：

完全退火和正火能否相互替代？

有時相互替代，有時不能替代。討論2：

在實際生產(chǎn)中，退火和正火怎么選用？

1、從切削加工性考慮最宜切削加工的硬度：170~260HBS因此對Wc<0.50%的結(jié)構(gòu)鋼：預(yù)備熱處理宜采用正火。對Wc>0.50%的結(jié)構(gòu)鋼：預(yù)備熱處理宜采用完全退火。對高碳工具鋼：預(yù)備熱處理宜采用球化退火。

2、從零件的結(jié)構(gòu)形狀考慮

3、從經(jīng)濟性考慮

對形狀復(fù)雜或尺寸較大的零件：

預(yù)備熱處理宜采用完全退火而不用正火，以減少應(yīng)力和變形。

正火生產(chǎn)周期短，成本低，操作簡單。因此，在可能條件下盡量采用正火，以降低生產(chǎn)成本。定義：

將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上溫度保持一定時間，然后以適當(dāng)速度冷卻，獲得M或B下的熱處理工藝稱為淬火。第三節(jié)鋼的淬火與回火

鋼件淬火后，再加熱到A1以下某一溫度保持一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。注意：

淬火回火工藝通常配合在一起使用，是強化鋼材、發(fā)揮鋼材性能潛力、提高機械零件使用壽命的重要手段。

通過淬火與一定溫度的回火相配合，可以獲得各種不同的組織和性能，滿足各類零件和工具對使用性能的不同要求。因此：淬火回火是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的熱處理工藝一、鋼的淬火工藝淬火加熱溫度加熱保溫時間淬火冷卻介質(zhì)淬火加熱溫度

碳鋼：根據(jù)Fe-Fe3C確定：

亞共析鋼：Ac3+30~50℃共析鋼過共析鋼：Ac1+30~70℃

合金鋼：根據(jù)相變臨界點確定，

可適當(dāng)提高。加熱保溫時間=KDK——裝爐系數(shù)（1~1.5）

——加熱系數(shù)，D——鋼件有效厚度.淬火冷卻介質(zhì)A1MSMf溫度時間鋼件淬火時理想的冷卻曲