熱處理工藝課件

第1節(jié)熱處理工藝分類熱處理工藝分類:普通熱處理(整體熱處理）表面熱處理其他熱處理熱處理工藝1普通熱處理：退火、正火、淬火、回火特點：整體熱處理，在整個工件上得到一致的顯微組織。表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理特點：整體熱處理表面硬而耐磨，心部有良好的韌性和塑性其他熱處理：

形變熱處理等21退火退火：將鋼件加熱到一定的溫度，并保溫一定時間，然后，以相對緩慢的速度冷卻（隨爐或埋沙）到室溫，得到接近平衡狀態(tài)的顯微組織的熱處理。3普通熱處理退火在零件制造過程中的位置毛坯制造預(yù)備熱處理機(jī)加工1零件熱處理作用（退火或正火）退火的作用消除鋼工件的熱應(yīng)力；使顯微組織均勻化；細(xì)化顯微組織；降低硬度，提高機(jī)械加工性能。（鑄件或熱軋、鍛件）4完全退火工藝:1鋼的完全退火加熱溫度:Ac3+20--30℃;保溫時間:t=kD,其中k取1.5-2.0min/mm;冷卻方式:連續(xù)緩慢冷卻和等溫冷卻.完全退火組織:亞共析鋼：F+P56

鋼的完全退火1.鋼的鑄件組織粗大；組織不均勻(鑄錠的組織分區(qū):表面細(xì)晶區(qū)、中間柱狀晶區(qū)和中心細(xì)晶區(qū)）魏氏組織；消除熱應(yīng)力（冷卻不均勻或冷速不均勻）降低硬度，改善機(jī)加工性能。完全退火實例7鋼件鑄造鑄錠橫截面組織82.鋼的鍛、軋及焊件消除熱加工形成的帶狀組織均勻化整件的顯微組織消除加工應(yīng)力，改善加工性能完全退火實例9過共析鋼(Cr12)的熱加工件中的帶狀組織10將鋼加熱到兩相區(qū)→保溫→緩冷亞共析鋼在Ac1

~Ac3范圍加熱;過共析鋼在Ac1~

Acm

范圍加熱（球化退火）鋼的不完全退火不完全退火定義不完全退火組織:亞共析鋼：F+P11不完全退火特點及目的:將鋼加熱到兩相區(qū),先共析鐵素體（滲碳體）在熱處理過程中相對量、形態(tài)及分布基本不發(fā)生變化。熱處理加熱溫度低，節(jié)約能源，縮短工期，延長設(shè)備壽命。調(diào)節(jié)珠光體層間距,從而改善材料力學(xué)性能和機(jī)加工性能;降低材料的內(nèi)應(yīng)力.12亞共析鋼：只是硬度較高、不便于切削加工時，為了改善切削加工性能，采用不完全退火此時不完全退火的目的主要是適當(dāng)消除內(nèi)應(yīng)力和降低硬度不完全退火的選用:過共析鋼:

不能采用完全退火，因為完全退火會導(dǎo)致組織粗大和網(wǎng)狀碳化物的形成，使鋼的性能惡化只能采用不完全退火，特別是球化退火13

鋼的球化退火球化退火定義:將鋼中片狀或網(wǎng)狀的碳化物轉(zhuǎn)變成球狀或粒狀，得到鐵素體基體上分布著粒狀碳化物的顯微組織的熱處理工藝。過共析鋼在Ac1+20~

30℃

加熱→保溫→緩冷球化退火工藝:工藝特點：溫度不宜過高，保溫時間不宜過長以保證奧氏體內(nèi)存在成分不均勻和大量未溶解的細(xì)小、均勻分布的碳化物，作為球狀碳化物析出時的形核核心。主要：刀具、模具、量具、軸承。1415獲得均勻的顯微組織，減輕應(yīng)力集中，提高材料力學(xué)性能；降低材料的硬度，有效地改善材料的機(jī)加工性能作為最終熱處理的預(yù)備熱處理，避免最終熱處理過程中工件的變形和開裂

鋼的球化退火球化退火目的161、加熱溫度：低的加熱溫度有利于在鋼中的形成成分不均勻，和保持存在較多的未溶解的碳化物；2、加熱保溫時間：長時間保溫將會降低鋼中成分偏析程度；3、冷卻速度和等溫溫度：隨著等溫溫度的降低，碳化物間距減少，碳化物顆粒尺寸也減少。鋼的球化退火球化退火的影響因素:1718球化退火的實例一次球化退火工藝：將鋼加熱到Ac1+20~40℃，保溫一段時間，以20~40℃/h冷卻速度冷卻到室溫，或在600℃以下出爐空冷。特點：工藝簡單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高。缺點析出的粒狀碳化物層間距不一致，碳化物顆粒大小不均勻。19等溫球化退火工藝：將鋼加熱到Ac1+20~40℃，保溫一段時間，再在Ar1-20℃溫度下保溫2~4h，再隨爐冷卻至室溫，或在600℃以下出爐空冷。特點：析出的碳化物顆粒層間距一致，碳化物顆粒大小均勻缺點工藝時間較長此工藝是目前經(jīng)常使用的退火工藝球化退火的實例20循環(huán)球化退火工藝在一個周期內(nèi)，將鋼加熱到Ac1+20~40℃，保溫一段時間，再爐冷至Ar1-20℃溫度下并保溫一段時間，重復(fù)以上工藝多次。特點析出的碳化物顆粒大小均勻，球化程度良好缺點工藝時間長球化退火的實例2122

鋼的擴(kuò)散退火將鋼加熱到略低于固相線的溫度,并且長時間的保溫,然后隨爐冷卻至室溫的熱處理工藝,同時,也被稱為均勻化退火。擴(kuò)散退火定義:擴(kuò)散退火溫度一般為Ｔs－100~200℃取決于熱處理的鋼種：碳鋼擴(kuò)散退火溫度一般取1100~1200℃；合金鋼一般取1200~1300℃。擴(kuò)散退火的工藝特點:23

鋼的擴(kuò)散退火依靠原子在高溫下的充分運動擴(kuò)散，使鋼中原來存在的偏析減輕或消除，使之成分均勻化。擴(kuò)散退火的目的（作用）:Al-Cu合金等軸晶內(nèi)的Cu等濃度線大的鎮(zhèn)靜鋼錠中的偏析24加熱時應(yīng)正確選擇溫度，并準(zhǔn)確控制溫度，以避免工件過燒（晶界發(fā)生嚴(yán)重氧化或局部熔化的現(xiàn)象）擴(kuò)散退火后，晶粒粗大，力學(xué)性能低，往往需要進(jìn)行后續(xù)完全退火或正火處理，以消除粗大晶粒。擴(kuò)散退火時，加熱溫度高，能耗高，對設(shè)備的損害大，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本高。所以，此種工藝一般不應(yīng)用。只應(yīng)用于有些優(yōu)質(zhì)合金鋼或鑄造材料成分偏析嚴(yán)重的合金鋼鋼鑄件。鋼的擴(kuò)散退火注意:25將鋼加熱到A3以下溫度，一般的加熱溫度為200~700℃。保溫時間為：t=kD

鋼件k取3min/mm：鑄鐵件取k取6min/mm。

去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火定義（工藝特點）26鑄鋼缸套件的去應(yīng)力退火溫度為600~650°C；冷卷彈簧的去應(yīng)力溫度為250~300°C；焊接件的去應(yīng)力溫度也取低溫，以防止變形。注意：保溫完成后，緩慢冷卻以避免產(chǎn)生新的應(yīng)力。去應(yīng)力退火實例27將經(jīng)過冷變形的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使變形晶粒轉(zhuǎn)變成無變形或少變形晶粒，同時消除冷變形過程中產(chǎn)生的加工硬化和殘余內(nèi)應(yīng)力。

再結(jié)晶退火定義工藝特點加熱溫度高于Ｔ再作用消除加工硬化，提高塑性和韌性28注意：避免冷變形材料經(jīng)過臨界變形量變形后再進(jìn)行再結(jié)晶退火，產(chǎn)生粗大晶粒。

再結(jié)晶退火29

正火將鋼加熱到奧氏體區(qū)完全奧氏體化，然后出爐進(jìn)行空冷，以得到珠光體類型組織的熱處理正火的定義加熱溫度：Ac3或Accm+30~50°C；冷卻方式：一般采取在空氣中冷卻，或?qū)Υ笮土慵捎霉娘L(fēng)冷卻，或?qū)Ω邚?qiáng)度要求的采用熱水冷卻。正火的工藝30與退火相比較兩者的加熱溫度相當(dāng)，正火的冷卻速度快，正火工藝是一種簡單、經(jīng)濟(jì)的熱處理工藝鋼件材料內(nèi)的共析組織（珠光體）相對量多些，珠光體的層片間距小正火處理的材料的硬度和強(qiáng)度較高正火的特點31改善低碳鋼的切削加工性能對于低碳鋼（<0.25％C），若采用退火處理，此時材料的硬度太低，切削加工時容易發(fā)生“粘刀”，且被機(jī)加工材料的表面光潔度很差。如果改為正火處理，可以提高材料的硬度150－200HB，正好適合切削加工消除中碳鋼的熱加工缺陷中碳鋼鑄件、鍛件、軋制件以及焊接件，在經(jīng)過熱加工后容易出現(xiàn)魏氏組織、粗大晶粒等過熱缺陷正火的應(yīng)用32消除過共析鋼中的網(wǎng)狀碳化物過共析鋼在淬火之前需要進(jìn)行球化處理。然而，過共析鋼鑄造材料中容易出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，直接進(jìn)行球化處理不能達(dá)到需要的效果。這時，如果在球化處理之前加上一次正火預(yù)處理，則能夠有效地抑制網(wǎng)狀碳化物的析出，為球化處理作好組織準(zhǔn)備提高普通結(jié)構(gòu)件的材料的力學(xué)性能對于一些受力不大、力學(xué)性能要求不高的碳鋼或低合金鋼結(jié)構(gòu)件，可以采用正火處理作為最終熱處理，也可以獲得較好的綜合力學(xué)性能，滿足服役性能要求正火的應(yīng)用3334退火與正火工藝加熱溫度35退火與正火的冷卻正火：空冷退火：緩冷退火與正火的組織和性能亞共析鋼：正火：F+細(xì)P(P量多），硬度較高;退火：F+P，硬度低退火與正火的應(yīng)用低碳鋼（<0.25%C)：正火中碳鋼：完全退火/正火高碳鋼（>1.0%C)：正火→球化退火36

淬火熱處理的定義加鋼加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)進(jìn)行奧氏體化（亞共析鋼加熱到Ac3以上，過共析鋼加熱到Ac1以上），保溫一定時間，然后以大于臨界淬火速度的冷卻速度進(jìn)行冷卻，使奧氏體發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體等非平衡組織的熱處理工藝。37對于中、高碳鋼，通過淬火得到馬氏體或貝氏體等非平衡組織，從而使材料獲得高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性能。對于中碳鋼，通過淬火及其隨后的回火處理，可以使鋼獲得良好的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性配合，即得到良好的綜合力學(xué)性能。

——淬火使鋼得到馬氏體或下貝氏體

淬火熱處理的目的38淬火熱處理工藝加熱溫度39亞共析鋼加熱到Ac3+30～50℃：得到全奧氏體組織，避免殘余鐵素體對于亞共析鋼，得到全奧氏體組織，轉(zhuǎn)變成馬氏體后，得到的是力學(xué)性能較好的板條馬氏體或混合型馬氏體過共析鋼加熱到Accm+30～50℃：加熱，基體奧氏體化時，少量未完全溶解的、細(xì)小的滲碳體可以有效地阻止奧氏體晶粒長大；淬火后，得到馬氏體+細(xì)小碳化物，可以滿足過共析鋼的服役要求；防止得到過多、過大片狀馬氏體。加熱溫度40淬火加熱的方式在空氣中直接加熱；在還原性氣氛中加熱；在熔融鹽浴中加熱：氯化鹽；表面涂敷防止氧化的涂料。41淬火冷卻大于臨界淬火速度Vc的冷卻速度進(jìn)行冷卻，使奧氏體發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，得到馬氏體快速冷卻到350℃以下等溫保持，得到貝氏體T/℃A1MSMfA轉(zhuǎn)變產(chǎn)物M+A’時間/sMVC2142淬火處理的組織快冷到室溫（曲線1）亞共析鋼馬氏體+（殘余奧氏體）過共析鋼馬氏體+殘余奧氏體+滲碳體粒狀快速冷卻到350℃以下等溫保持（曲線2）貝氏體43鋼在淬火過程中時常發(fā)生變形和開裂，其原因就是淬火過程中產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力——淬火應(yīng)力。淬火應(yīng)力有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種熱應(yīng)力及其形成：鋼件在淬火加熱和冷卻過程中，由于不同部位的溫度差異，導(dǎo)致熱脹冷縮的不均勻性，從而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力組織應(yīng)力及其形成：鋼件在淬火過程中，由于組織轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時，引起嚴(yán)重的晶格畸變馬氏體比容與母體的巨大差異馬氏體切變相變時極快速率淬火處理的淬火應(yīng)力44淬透性定義鋼的淬火淬透性鋼件在淬火時獲得馬氏體的能力。它是鋼的本質(zhì)性能。通常用淬透層深度表示。淬透性表示

在一定條件下，鋼件淬火時獲得的淬透層的深度表示生產(chǎn)上常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性45鋼的淬透層深度:在標(biāo)準(zhǔn)實驗條件下，鋼在淬火時，表面至內(nèi)部馬氏體組織占50%處（半馬氏體層）的距離臨界淬火直徑指圓棒試樣在某介質(zhì)中淬火時所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。46半馬氏體硬度與鋼中含碳量的關(guān)系實線表示碳素鋼，陰影線表示中、低合金鋼47端淬實驗示意圖45鋼的淬透性帶淬透層深度48淬透性意義1）選材的依據(jù)根據(jù)鋼件有效尺寸大小，要求整個截面上淬透時，需要選用相應(yīng)的鋼材；40鋼的臨界淬透直徑￡35mm；45鋼的臨界淬透直徑￡37mm；40Cr鋼的臨界淬透直徑￡45mm；40CrMnMo鋼的臨界淬透直徑￡100mm；2)選擇冷卻方式根據(jù)鋼材淬透性，在保證滿足要求的前提條件下，盡量選取緩和的冷卻介質(zhì)。49淬硬性:指在淬火時，鋼件表面獲得的最高硬度。影響因素主要是鋼的含碳量淬硬層深度（淬透層深度）:指實際淬火條件下，鋼件獲得的淬透層深度；影響因素主要是合金化成分、加熱工藝、冷卻方式等。淬硬性和淬硬層深度50鋼的淬火冷卻介質(zhì)冷卻介質(zhì)的影響

淬火的目的是為了得到馬氏體，所以，淬火冷卻時冷卻速度應(yīng)該大于臨界冷卻速度（冷卻要快）冷速太快，鋼件中淬火應(yīng)力太大，易產(chǎn)生變形和開裂（冷卻要慢）理想的淬火冷卻速度51（1）水——最常用的冷卻介質(zhì)常用的冷卻介質(zhì)特點：在800－400℃，冷速較慢室溫以下的溫度，特別是進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)時，冷卻速度很快容易造成鋼件變形和開裂。適用于淬透性差、形狀簡單的鋼件。水的冷卻特性52（2）鹽、堿水溶液：在水中添加少量NaCl或NaOH特點：在800－400℃，加快水在高溫冷卻區(qū)的冷卻速度適用于淬透性很差、形狀十分簡單的鋼件常用的冷卻介質(zhì)（3）油：也是最常用的一種冷卻介質(zhì)優(yōu)點是低溫區(qū)冷卻速度比水小，有利于減輕馬氏體區(qū)冷卻轉(zhuǎn)變時鋼件的變形和開裂。缺點是，在高溫區(qū)的冷卻速度也較慢油廣泛地用于奧氏體穩(wěn)定性好的鋼件的淬火。與水相反，隨著溫度升高，油的冷卻速度反而增加。53淬火方法基本淬火方法冷卻曲線示意圖a.單液淬火冷卻b.雙液淬火冷卻c.分級淬火冷卻d.等溫淬火冷卻54

奧氏體化后的鋼件直接投入一種冷卻介質(zhì)中，使之連續(xù)冷卻至室溫。冷卻介質(zhì)可以是水、油、空氣（1）鋼的單液淬火法淬火方法主要應(yīng)用于淬透性差，需要快冷的鋼種。碳鋼采用水淬合金鋼水淬易開裂，并且，合金鋼具有良好的淬透性，常采用油淬。55單液淬火冷卻方式的特點：優(yōu)點：操作簡單，容易實現(xiàn)機(jī)械化和自動化缺點：缺點：淬火時，鋼件內(nèi)外溫差大，淬火應(yīng)力大，易導(dǎo)致變形或開裂。對于形狀復(fù)雜鋼件此種方法不太適合。（1）鋼的單液淬火法淬火方法561.雙液淬火法將奧氏體化鋼件先投入水中快冷至接近Ms點，然后立即轉(zhuǎn)入油中冷卻至室溫。（2）、鋼的雙液淬火法淬火方法57定義：將奧氏體化鋼件先淬入略高于或等于該鋼Ms點的熱浴液態(tài)介質(zhì)中冷卻停留一定時間，待鋼件各部分的溫度均勻一致后，取出空冷，在緩慢的冷卻條件下，完成馬氏體轉(zhuǎn)變。（3）分級淬火法淬火方法58特點：這種工藝可以有效地防止鋼件淬火時的變形和開裂，操作容易，簡單。但是，由于采用硝鹽或堿浴冷卻，冷卻速度不快，所以，此種方法只是適合小尺寸工件的淬火處理。特別適合于如刀具、量具和要求變形小的零件。（3）、分級淬火冷卻淬火方法59定義：將奧氏體狀態(tài)的鋼件淬入溫度稍高于Ms點的鹽浴中等溫，保持足夠長時間，使之轉(zhuǎn)變成為貝氏體組織，然后取出在空氣中冷卻的淬火工藝。（4）等溫淬火冷卻淬火方法特點：得到綜合性能較好的下貝氏體，也就是得到較好的強(qiáng)度、硬度和韌性配合。由于下貝氏體的比容比馬氏體小，轉(zhuǎn)變速率也較慢，所以，等溫淬火可以明顯地減小淬火鋼件的變形和開裂6061鋼的回火處理

將淬火鋼件重新加熱到Ac以下的溫度，保溫，然后冷卻的一種熱處理形式。

回火的定義消除或減少淬火鋼件的內(nèi)應(yīng)力；調(diào)整性能；穩(wěn)定組織和尺寸回火的目的621.

消除或減少淬火鋼件的內(nèi)應(yīng)力；淬火后回火處理，通過應(yīng)力松釋，消除應(yīng)力集中區(qū)；或碳化物的重新異位形核、長大消除微裂紋

回火的目的2.

穩(wěn)定組織和尺寸：消除內(nèi)應(yīng)力；降低正方度；促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變；633.

調(diào)整力學(xué)性能回火溫度與硬度的關(guān)系回火溫度與不同原始組織硬度的關(guān)系64

低溫回火（碳鋼）回火溫度：150～250℃之間回火目的：是降低應(yīng)力和脆性，使鋼具有高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性?；鼗鸾M織：回火馬氏體組織應(yīng)用：要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滾動軸承和滲碳件等。

中溫回火回火溫度：350～500℃之間回火組織：回火托氏體回火目的：內(nèi)應(yīng)力完全消除，具有高的彈性極限應(yīng)用：各種彈簧件

回火類別、組織65高溫回火

回火溫度：500～650℃之間組織：回火索氏體性能特點：工件的強(qiáng)度、塑性、韌性有較好地配合，即具有高的綜合力學(xué)性能。應(yīng)用中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機(jī)半軸、機(jī)床主軸及齒輪等重要機(jī)器零件。

淬火加高溫回火的熱處理稱為“調(diào)質(zhì)處理”。

回火類別、組織66合金化元素對回火的影響1.提高鋼的回火抗力：

合金化元素不會改變回火過程相變，然而，它們可以延緩回火時各種轉(zhuǎn)變，將其推向至高溫時發(fā)生，即提高回火抗力。2.延緩殘余奧氏體的分解碳鋼淬火中的殘余奧氏體在200－300°C分解；然而，合金鋼中的殘余奧氏體需要在更高的溫度下發(fā)生分解，即合金化元素提高了殘余奧氏體的穩(wěn)定性。671.定義：

淬火鋼回火時，在特定溫度下，韌性降低的現(xiàn)象?；鼗鸫嘈曰鼗饻囟葘︿摏_擊韌性的影響68低溫回火脆性（第一類回火脆性）

：定義：淬火鋼在250－400℃溫度范圍回火時，出現(xiàn)韌性降低的現(xiàn)象。形成原因：一般認(rèn)為，是由于回火時呈薄膜狀碳化物在馬氏體晶界或亞晶界上形成而造成的；也有人認(rèn)為是殘余奧氏體消失導(dǎo)致脆性。2.分類：

低溫回火脆性和高溫回火脆性69低溫回火脆性特點：與回火冷卻速度無關(guān)；不可逆回火脆性克服辦法：避免在此溫度范圍回火。70高溫回火脆性（第二類回火脆性）

定義淬火鋼在450－600℃溫度范圍回火時，出現(xiàn)低韌性的現(xiàn)象。形成原因：采用俄歇譜儀對發(fā)生回火脆性試驗的斷口表面（0.5－1nm）進(jìn)行成份分析，富集大量的有害雜質(zhì)元素（P、Sn、Sb、As）等。2.分類：

低溫回火脆性和高溫回火脆性71高溫回火脆性特點：出現(xiàn)與否與回火冷卻速度相關(guān)也稱作為可逆回火脆性；克服辦法：回火冷卻時采用快速冷卻合金元素W、Mo可減輕回火脆性72第3節(jié)鋼的表面處理3.1、鋼的表面淬火處理

一些鋼件（例如齒輪、曲軸、冷軋棍等）使用時，要求表面硬而耐磨，心部有良好的韌性和塑性。此時，可以采用表面強(qiáng)化，例如表面淬火僅在表面得到馬氏體的方法實現(xiàn)。1.鋼件表面淬火目的732.鋼件表面淬火方法（1)傳統(tǒng)方法：火焰表面加熱淬火方法它是利用氧－乙炔焰或者其他可燃?xì)怏w將鋼件表面迅速加熱然后噴溶液冷卻74特點