金屬學(xué)第二章課件

1、第一節(jié)概述一、熱處理在金屬制造業(yè)中的作用 為了使金屬材料的力學(xué)性能得到提高，充分發(fā)揮材料的潛力或者使材料獲得一些特殊性能，以滿足各種使用條件下對(duì)材料的要求，在金屬制造業(yè)中，改善金屬材料性能的途徑主要有兩種：一種是改善金屬的化學(xué)成分，通過金屬的熔化結(jié)晶過程來實(shí)現(xiàn)，如采用鑄造、焊接等工藝方法；另一種是改變金屬材料的內(nèi)部組織，通過控制金屬的加熱、冷卻過程來實(shí)現(xiàn)，如采用軋制、鍛造、熱處理等工藝方法?？梢?，金屬材料的熱處理是金屬加工過程的重要工序，它對(duì)改善材料的性能起著重要作用，是工程材料研究和應(yīng)用的主要方法之一。 可以看出由于熱處理的方法不同，其性能差別很大。又如工具鋼在未經(jīng)淬火和回火之前，硬度很低，

2、根本不能用作工具使用，但經(jīng)淬火和低溫回火之后，硬度可高達(dá)60HRC以上，具有很高的耐磨性，能制作多種刃具、模具和量具使用；大型、重要的焊接件焊后若不進(jìn)行消除應(yīng)力退火，就會(huì)產(chǎn)生裂縫而使焊件報(bào)廢造成重大經(jīng)濟(jì)損失。二、熱處理的實(shí)質(zhì)及分類 熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，并在此溫度保持一定的時(shí)間，然后以預(yù)定的冷卻方式和速度冷卻，以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的一種工藝方法。 熱處理與其他加工工藝(鍛壓、焊接、切削加工)不同，它不改變零件的形狀和尺寸，而是通過改變內(nèi)部組織進(jìn)而改變其性能。 熱處理方法很多，但任何一種熱處理方法都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段所組成。圖2-1就是最基本的熱處理

3、工藝曲線。因此，要了解各種熱處理方法對(duì)鋼的組織與性能改變的道理，就必須研究鋼在加熱(包括保溫)和冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律。第二節(jié)鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 大多數(shù)機(jī)械零件的熱處理都需要加熱到臨界點(diǎn)以上，使其全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，以便采用適合的冷卻方式獲得所需組織。 加熱時(shí)，要略高一些，冷卻時(shí)，要略低一些。隨著加熱和冷卻速度增加，滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。為區(qū)別實(shí)際加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)，把加熱時(shí)臨界點(diǎn)標(biāo)以符號(hào)Ac1、Ac3、Accm；冷卻時(shí)臨界點(diǎn)標(biāo)以符號(hào)Ar1、Ar3、Arcm等，如圖2-2所示。通常將鋼加熱時(shí)獲得奧氏體的組織轉(zhuǎn)變過程，稱為“奧氏體化”。一、奧氏體的形成與長大 以共析鋼為例，當(dāng)溫度加熱到Ac1

4、線時(shí)，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，這一過程同樣是由形核及晶核長大兩個(gè)基本過程來實(shí)現(xiàn)的。它的轉(zhuǎn)變?nèi)^程，可分為下列幾個(gè)階段，如圖2-3所示。(1)奧氏體形核實(shí)驗(yàn)證明，奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體和滲碳體的相界面上形成。這是因鐵素體和Fe3C兩相中碳的濃度差很大，相界面處原子排列較不規(guī)則，位錯(cuò)、空位密度較高，晶核形成所需功小，為奧氏體形核在濃度和結(jié)構(gòu)方面提供了有利條件。(2)奧氏體長大奧氏體的晶核生成后，依靠鐵素體和滲碳體的不斷溶入，開始長大。由于鐵素體晶格改組比滲碳體的溶解快，所以，鐵素體消失后，仍有部分剩余的滲碳體。(3)剩余滲碳體溶解鐵素體消失后，隨著保溫時(shí)間的延長，滲碳體相繼溶入奧氏體中。(4)奧氏體均

5、勻化剩余滲碳體的溶解完畢后，奧氏體中碳的濃度還是不均勻的，在原先是滲碳體的地方，碳的濃度較高；原先是鐵素體的地方，碳的濃度較低。為此，必須繼續(xù)保溫，通過原子擴(kuò)散才能取得均勻化的奧氏體。(5)奧氏體晶粒的長大已經(jīng)形成的奧氏體晶粒，若溫度繼續(xù)升高或保溫時(shí)間的延長，就會(huì)迅速長大，特別是加熱溫度比保溫時(shí)間影響更大。 影響奧氏體化的主要因素是加熱溫度和加熱速度。這種影響在珠光體向奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的曲線上看得非常清楚，如圖2-4所示。 由圖可見，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，要在A1點(diǎn)以上溫度才能進(jìn)行。當(dāng)加熱到A1點(diǎn)以上某一溫度時(shí)珠光體并不立即轉(zhuǎn)變，而要經(jīng)過一段時(shí)間才開始轉(zhuǎn)變，這段時(shí)間稱為“孕育期”。加熱溫度越高，則

6、孕育期越短，轉(zhuǎn)變所需時(shí)間也越短，即奧氏體化速度越快。同樣，加熱速度越快，轉(zhuǎn)變開始溫度和終了溫度越高，轉(zhuǎn)變所需時(shí)間越短。圖中加熱速度v2v1，其v2所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變開始溫度和終了溫度均高于后者。二、奧氏體晶粒的大小及控制措施 奧氏體晶粒的大小對(duì)鋼熱處理后的力學(xué)性能有很大影響，如加熱得到細(xì)小而均勻的奧氏體晶粒，則冷卻時(shí)，奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織也均勻細(xì)小，其強(qiáng)度、塑性、韌性都比較高；反之，則都差。故加熱時(shí)總是希望得到細(xì)小均勻的奧氏體晶粒。在生產(chǎn)中常采用以下措施來控制奧氏體晶粒的長大。1.合理選擇加熱溫度與保溫時(shí)間 奧氏體形成后，隨著加熱溫度的升高，保溫時(shí)間的延長，奧氏體晶粒將會(huì)長大。特別是加熱溫度對(duì)其影

7、響較大，這是因?yàn)榫ЯｉL大是通過原子擴(kuò)散進(jìn)行的，原子擴(kuò)散速度隨著溫度的升高而急劇增加。2.選用含有合金元素的鋼 碳與一種或多種金屬元素構(gòu)成的化合物，稱為碳化物。大多數(shù)合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等，在鋼中可以形成難溶于奧氏體的碳化物，分布在晶粒的邊界，將阻礙奧氏體晶粒長大。第三節(jié)鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 鋼經(jīng)加熱、保溫得到奧氏體，創(chuàng)造了實(shí)現(xiàn)熱處理目的的先決條件，但是最終的性能主要決定于奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變后的組織。冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，由表2-1可見，45鋼奧氏體化后采用不同的冷卻方法，轉(zhuǎn)變后產(chǎn)物的性能差別很大。 因此，我們可以通過改變奧氏體的冷卻方式和冷卻速度，從而控制過冷奧氏體(

8、即低于A1溫度的奧氏體)的轉(zhuǎn)變，以獲得所需組織和性能。 在科學(xué)研究和實(shí)際生產(chǎn)中奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變方式有以下兩種： (1)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變把加熱到奧氏體狀態(tài)的鋼從高溫到低溫不停留地連續(xù)冷卻到室溫，奧氏體在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成轉(zhuǎn)變，如圖2-5b所示，如退火工藝的隨爐緩冷、正火工藝的空冷(包括風(fēng)冷)、淬火工藝的水中冷卻及油中冷卻等。 (2)等溫冷卻轉(zhuǎn)變將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到Ar1以下某一溫度，并保溫，使過冷奧氏體在此溫度下停留并完成轉(zhuǎn)變，而后再冷卻到室溫，如圖2-5a所示。 實(shí)現(xiàn)等溫冷卻轉(zhuǎn)變的具體操作方法是：將試樣或工件(小件)奧氏體化后，快速淬入(轉(zhuǎn)入)導(dǎo)熱性很好并保持某一恒定溫度的介質(zhì)中，使試樣或工

9、件溫度迅速降到與介質(zhì)相同的溫度，并在恒溫介質(zhì)中保持一定時(shí)間，使其完成轉(zhuǎn)變，然后再取出冷卻到室溫。通常采用的冷卻介質(zhì)有液態(tài)金屬鉛、熔融的硝鹽浴和堿浴等。一、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 奧氏體在臨界冷卻溫度A1以下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必然要發(fā)生轉(zhuǎn)變，但并不是一旦冷卻到A1溫度以下就會(huì)立即發(fā)生轉(zhuǎn)變，而是在轉(zhuǎn)變前尚需停留一段時(shí)間，這一時(shí)間稱為“孕育期”。在孕育期中暫時(shí)存在但處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為“過冷奧氏體”。 將鋼奧氏體化后迅速冷卻到低于A1的某一溫度，并等溫保持，使過冷奧氏體在此溫度下轉(zhuǎn)變。1.奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖是通過多種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定的。圖2-6即為共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖。 在圖2-6中

10、，A1為奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的臨界溫度，a1 a5是過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變線，其左方為過冷奧氏體區(qū)。b1b5是轉(zhuǎn)變終了線，其右方為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。在開始轉(zhuǎn)變線和轉(zhuǎn)變終了線之間是過冷奧氏體與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存的過渡區(qū)。 在曲線下方，水平線MS為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開始溫度，稱為“上馬氏體點(diǎn)”，共析鋼上馬氏體點(diǎn)約230。水平線Mf為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的終止溫度，又稱“下馬氏體點(diǎn)”，約為-50。2.奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能 奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變溫度不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同，在MS水平線以上，可發(fā)生如下兩種類型的轉(zhuǎn)變。(1)珠光體轉(zhuǎn)變 從A1至等溫轉(zhuǎn)變圖鼻尖區(qū)間的高溫轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是珠光體，故又稱為

11、珠光體轉(zhuǎn)變。在此溫度區(qū)間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物(即珠光體)。(2)貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)诘葴剞D(zhuǎn)變圖鼻尖以下部分，大約在550MS溫度范圍內(nèi)，因?yàn)檗D(zhuǎn)變溫度較低，原子活動(dòng)能力較差，過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與珠光體型組織明顯不同。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)只有碳原子擴(kuò)散而無鐵原子擴(kuò)散，所以過冷奧氏體雖然仍分解為鐵素體和碳化物的機(jī)械混合物，但鐵素體中溶解的碳超過了正常的溶解度。轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定的過飽和程度的鐵素體和細(xì)小彌散的碳化物所組成的混合組織，稱為貝氏體。 1)在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的上半部(550350)，由過冷奧氏體轉(zhuǎn)變而成的貝氏體稱為上貝氏體，用B上表示。其典型形態(tài)是一束相間大致平行

12、的，含碳稍微過飽和的鐵素體板條，并在諸板條晶界間夾著斷斷續(xù)續(xù)的滲碳體組織。因其在顯微鏡下的形態(tài)呈羽毛狀，故又稱為羽毛狀貝氏體。其顯微組織如圖2-10所示，其硬度為4050HRC。 2)在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的下半部(350MS)，由過冷奧氏體轉(zhuǎn)變而成的貝氏體稱為下貝氏體，用符號(hào)B下表示。其典型形態(tài)是雙凸透鏡狀(粗略地說是片狀)、含碳過飽和的鐵素體，并在其內(nèi)分布著單方向排列的碳化物小薄片，如圖2-11所示。 共析碳鋼的上、下貝氏體形成溫度界限約為350。從性能上來說，上貝氏體的脆性大，基本上無使用價(jià)值。而下貝氏體則是韌性較好的組織，在實(shí)際生產(chǎn)中，常用等溫淬火工藝獲得下貝氏體組織來改善工件的力學(xué)性能

13、。亞共析鋼在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w之前，首先會(huì)析出鐵素體，所以在等溫轉(zhuǎn)變圖左上方多了一條鐵素體析出線，如圖2-12所示。類似地，在過共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖上亦多出一條二次滲碳體析出線。 (3)馬氏體轉(zhuǎn)變奧氏體化后的鋼，被直接迅速冷卻到MS溫度以下，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，也叫做低溫轉(zhuǎn)變。 由于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低，因此馬氏體是碳在-Fe中的過飽和固溶體，用符號(hào)M表示。它是一種單相的亞穩(wěn)定組織。 1)馬氏體特征。研究發(fā)現(xiàn)，馬氏體的形態(tài)特征主要有兩種基本類型：一種是片狀馬氏體；一種是板條馬氏體。2)馬氏體的性能。隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及形態(tài)的不同，馬氏體的性能有很大差異，馬氏體的強(qiáng)度和硬度主要取決于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如圖2

14、-15所示。隨著馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其強(qiáng)度、硬度隨之增大。但當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.6以上時(shí)，其強(qiáng)度、硬度的增大漸趨平緩。 馬氏體的塑性和沖擊韌度會(huì)隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而急劇降低。表2-2為含wC=0.10%0.25和0.77的碳鋼淬火后獲得馬氏體組織的性能比較。可見馬氏體的力學(xué)性能還與馬氏體的形態(tài)有關(guān)，片狀馬氏體硬而脆，低碳的板條馬氏體具有較高的強(qiáng)度，且兼有較高的沖擊韌度，因此，獲得低碳的板條馬氏體也是提高鋼強(qiáng)韌性的重要途徑 3)馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn)。馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)(MSMf)連續(xù)冷卻時(shí)進(jìn)行的。馬氏體的數(shù)量隨著溫度的下降而不斷增多，如果冷卻中斷，則奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變也就停

15、止，即馬氏體轉(zhuǎn)變必須在不斷降溫下才能進(jìn)行。 馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，形成一片馬氏體僅需10-7s，且轉(zhuǎn)變時(shí)伴隨產(chǎn)生體積的膨脹，因而轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。 馬氏體轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，即使過冷到Mf以下溫度，仍有少量奧氏體存在，這部分未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為殘余奧氏體。 馬氏體轉(zhuǎn)變溫度MS和Mf主要決定于溶入奧氏體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wC越高，MS和Mf越低。因此，高碳鋼就有較多的殘余奧氏體(圖2-16)，而一般中低碳鋼淬火后沒有殘余奧氏體。二、過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 等溫轉(zhuǎn)變圖是反映過冷奧氏體在不同溫度等溫冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變規(guī)律。但在生產(chǎn)中大多數(shù)熱處理工藝，如鋼的退火、正火和普通淬火以及鑄件、鍛件和焊件

16、的焊接接頭組織，可以說都是在連續(xù)冷卻條件下形成的。過去人們都用等溫冷卻轉(zhuǎn)變圖去定性地說明連續(xù)冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變情況，然而這種分析只能是近似和粗略的估計(jì)，不能定量說明轉(zhuǎn)變情況，有時(shí)還可能得出錯(cuò)誤的結(jié)果。如焊縫結(jié)晶及以后的冷卻轉(zhuǎn)變中，因?yàn)楹附尤鄢販囟雀?，冷卻快，其轉(zhuǎn)變過程和組織與等溫冷卻轉(zhuǎn)變圖差別更大。因此，學(xué)會(huì)使用奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，用以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐有重要意義。1.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖分析 圖2-17中出現(xiàn)珠光體區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，而沒有出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。由圖可知，上部珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)由珠光體轉(zhuǎn)變開始線和終了線組成。圖中AB線表示珠光體轉(zhuǎn)變中止線。應(yīng)用連續(xù)轉(zhuǎn)變圖分析鋼在不同冷速下的轉(zhuǎn)變過程和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物時(shí)

17、，應(yīng)沿著冷卻曲線由左上方向右下方看?？稍诶鋮s曲線上清楚地看出過冷奧氏體在各種冷速下將發(fā)生哪些轉(zhuǎn)變，以及各種相變進(jìn)行的溫度、時(shí)間和轉(zhuǎn)變量。 先看冷速為5.6/s的轉(zhuǎn)變情況。當(dāng)冷卻曲線與珠光體轉(zhuǎn)變開始線相交時(shí)，便開始珠光體轉(zhuǎn)變；當(dāng)與終了線相交時(shí)，轉(zhuǎn)變即結(jié)束，形成全部珠光體組織。當(dāng)冷速增大到33.3/s時(shí)，仍得到全部珠光體組織，轉(zhuǎn)變過程相同。 亞共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖與共析剛差別較大，如圖2-18所示。圖中出現(xiàn)先共析鐵素體析出區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。從冷卻曲線可看出，連續(xù)冷卻過程中，先析出先共析鐵素體，再轉(zhuǎn)變成珠光體，先共析鐵素體的析出量隨冷速增大而不斷減少。在一定冷速范圍內(nèi)連續(xù)冷卻時(shí)，可形成貝氏體。在貝

18、氏體形成區(qū)出現(xiàn)MS溫度下降情況，即圖中MS線。2.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖與等溫轉(zhuǎn)變圖的比較 現(xiàn)以共析碳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖與等溫轉(zhuǎn)變圖作比較，如圖2-19所示。圖中虛線代表等溫轉(zhuǎn)變圖，實(shí)線代表連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖。由于溫度和時(shí)間坐標(biāo)相同，可以將兩類圖疊放在同一坐標(biāo)圖上。由圖可見，圖位于等溫轉(zhuǎn)變圖右下方，這表明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中，過冷奧氏體在較低溫度和經(jīng)過較長時(shí)間才開始轉(zhuǎn)變，亦即連續(xù)冷卻在較大過冷度和較長孕育期下發(fā)生轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)證明，共析碳鋼以外的其他鋼種也有這種現(xiàn)象。3.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的應(yīng)用(1)確定全部淬成馬氏體的臨界冷卻速度由圖2-17可知當(dāng)vc=138.8/s時(shí)，冷卻曲線與珠光體開始轉(zhuǎn)變線相切而不相交，

19、此時(shí)，不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。 (2)預(yù)計(jì)鋼在連續(xù)冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能將實(shí)測(cè)估算的連續(xù)冷卻曲線，按坐標(biāo)關(guān)系重疊在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖上，根據(jù)它與轉(zhuǎn)變圖上曲線的相交位置，可確定轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織組成、相對(duì)量和硬度。由上述分析可以看出，對(duì)亞共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)冷卻速度越快，先共析鐵素體越少。2)珠光體轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。3)鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中，雖也能得到羽毛狀的上貝氏體和竹葉狀的下貝氏體，但卻大多與托氏體、馬氏體呈混合組織出現(xiàn)，很難得到單一的貝氏體組織。 上述分析表明，對(duì)同一牌號(hào)的鋼，奧氏體化后以不同冷卻方式和冷卻速度冷下來所得到的組織是不同的，因此，它們的性能也就大不相同。4.魏氏組織

20、 魏氏組織亦稱魏氏體是一種過熱缺陷組織。當(dāng)奧氏體晶粒比較粗大，冷卻速度又較快時(shí)，先共析鐵素體呈針片狀析出，并與原奧氏體晶粒保持嚴(yán)格的取向關(guān)系，這種組織即為魏氏組織。其組織特征如圖2-20所示。第四節(jié)退火與正火 生產(chǎn)中常把熱處理分為預(yù)備熱處理和最終熱處理兩類。最終熱處理是為了滿足成品的使用性能；預(yù)備熱處理是為了消除前道工序產(chǎn)生的某些組織缺陷，為隨后的切削加工和最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。 退火與正火主要用于鋼的預(yù)備熱處理，對(duì)于某些不太重要的工件，也可作為最終熱處理 工序。一、鋼的退火 將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝，叫做退火。退火的目的主要是：1)降低

21、硬度，改善切削加工性，鋼經(jīng)過適當(dāng)退火處理后，一般硬度在200250HBW，切削加工性較好。2)消除殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定工件尺寸，并防止變形和開裂。3)細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能。1.完全退火 這種退火主要用于亞共析成分的碳鋼和合金鋼鑄件、鍛件及熱軋型材，有時(shí)也用于焊接結(jié)構(gòu)件。 完全退火工藝是將鋼件加熱到Ac3以上2060，保溫一定時(shí)間，隨爐緩慢冷卻至600以下，再出爐在空氣中冷卻到室溫。工藝曲線如圖2-22所示。 在奧氏體化過程中，殘余應(yīng)力被消除，粗大晶粒、帶狀組織或魏氏組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的奧氏體晶粒，而后在隨爐緩冷中轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏胶鉅顟B(tài)的均勻組織。故完全退火，屬于重結(jié)晶退火。2.球化退火 球

22、化退火主要用于共析或過共析成分的碳鋼和合金鋼。其目的是將片層狀的滲碳體改變?yōu)榍驙顫B碳體，以降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火工序作好組織準(zhǔn)備。 過共析鋼主要用來制作工具，經(jīng)過熱軋、鍛造后，組織中出現(xiàn)的片狀珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體會(huì)使鋼的硬度增高，切削困難；而淬火時(shí)，易產(chǎn)生變形和開裂。球化退火可使其改變?yōu)殍F素體基體上均勻分布著球狀碳化物組織，稱為球狀珠光體，如圖2-23所示。球狀珠光體的硬度約為170HBW，這個(gè)硬度最適合切削加工。 一般球化退火是把鋼加熱到Ac1以上的2040，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻至600以下再出爐空冷，如圖2-24曲線a所示，也常采用如圖2-24曲線b所示的等溫球化工

23、藝。3.去應(yīng)力退火 去應(yīng)力退火又稱為低溫退火，它主要用于消除鑄件、焊接件、沖壓件及機(jī)加工件的殘余應(yīng)力。如果這些殘余應(yīng)力不予消除，工件在隨后機(jī)械加工或以后的長期使用中將引起變形或開裂。 去應(yīng)力退火的工藝是將工件緩慢加熱到600650，保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩冷(100/h)至200再出爐冷卻。它之所以能夠消除應(yīng)力，是因在加熱和保溫中進(jìn)行的回復(fù)，甚至發(fā)生再結(jié)晶過程。二、鋼的正火 正火是將鋼加熱到工藝規(guī)定的某一溫度(Ac3或Accm以上3050)，使鋼的組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，經(jīng)保溫一段時(shí)間后，在空氣中或在強(qiáng)制流動(dòng)的空氣中冷卻到室溫的工藝方法。 可以看出正火與退火的主要區(qū)別在于冷卻速度不同，即正火的冷

24、卻速度比退火冷卻速度要快些。一般獲得的組織較細(xì)，強(qiáng)度、硬度比退火高些。1.正火的目的 正火可改善鋼的切削加工性；消除碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.77%的碳鋼或合金工具鋼中存在的網(wǎng)狀滲碳體；對(duì)強(qiáng)度要求不高的零件，可以作為最終熱處理。 對(duì)某些厚板、高強(qiáng)度鋼焊接件，如高壓容器、重要受力機(jī)架等則要求焊接后消除焊接應(yīng)力，或進(jìn)行正火以消除焊接應(yīng)力和改善焊縫組織。需熱處理的中小件一般在制造廠的臺(tái)車試爐中進(jìn)行，但對(duì)個(gè)別特大型焊接件的去應(yīng)力退火，多用遠(yuǎn)紅外線輻射板對(duì)焊接接頭進(jìn)行局部熱處理。而整體熱處理，多在工地拼裝就位后將自身第五節(jié)淬火與回火 鋼的淬火與回火是緊密銜接的兩個(gè)工藝過程，淬火是為回火時(shí)調(diào)整和改善鋼的性能作好

25、組織準(zhǔn)備，而回火則決定了工件的使用性能和壽命。只有兩者相互正確配合才能收到預(yù)期良好的熱處理效果。一、淬火 淬火是將鋼加熱到Ac1或Ac3以上某溫度，保溫一定時(shí)間使之奧氏體化，然后以大于獲得馬氏體的臨界冷卻速度快速冷卻，從而發(fā)生奧氏體馬氏體轉(zhuǎn)變而獲得馬氏體的熱處理工藝。1.淬火的目的 淬火的目的主要是為了獲得馬氏體組織，為回火作組織準(zhǔn)備，提高鋼的硬度和強(qiáng)度，也可改善某些特殊用鋼的力學(xué)性能和化學(xué)性能，如高錳鋼、不銹鋼的固溶處理等。2.淬火的加熱溫度和加熱時(shí)間 為防止奧氏體晶粒粗化，加熱溫度t不宜過高，對(duì)亞共析鋼t=Ac3+(3050)共析鋼t=Ac1+(3050)過共析鋼t=Ac1+(3050)對(duì)

26、亞共析鋼，淬火加熱溫度取在Ac3以上3050，得到的組織為細(xì)小的奧氏體晶粒，淬火后為均勻細(xì)小的馬氏體組織。若加熱溫度 過共析鋼在淬火之前都進(jìn)行過球化退火，其組織為球狀珠光體，當(dāng)加熱到Ac1以上3050時(shí)，為奧氏體加粒狀滲碳體，淬火之后得到馬氏體基體上分布著粒狀滲碳體的組織。由于滲碳體很硬，因此，提高了鋼的硬度和耐磨性，加熱溫度升高反而不利。 淬火加熱時(shí)間包括升溫時(shí)間和保溫時(shí)間兩部分。升溫時(shí)間是指工件裝入爐中后爐溫升到規(guī)定加熱溫度所需的時(shí)間，它決定于裝爐量和爐子升溫能力；保溫時(shí)間是指工件內(nèi)、外溫度一致達(dá)到奧氏體化的時(shí)間，即所謂“燒透”的時(shí)間。它決定于鋼材成分、工件的尺寸與形狀、加熱介質(zhì)和爐溫的高

27、低等多種因素。3.淬火介質(zhì) 淬火介質(zhì)又稱淬火劑，它的作用是為了保證工件得到足夠的冷卻速度，使其大于該鋼得到馬氏體的臨界冷卻速度，保證淬火后得到馬氏體組織。 可應(yīng)用的淬火介質(zhì)很多，但生產(chǎn)中大量使用的主要是油、水及水溶液。 碳鋼淬火用水，因?yàn)樗睦鋮s速度快；合金鋼用礦物油，油的冷卻能力較水小。但合金鋼的臨界冷卻速度比碳鋼慢，仍能使鋼淬成馬氏體組織。4.淬火方法 正確的淬火方法對(duì)保證淬火質(zhì)量有重要作用。目前最常用的淬火方法主要是單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級(jí)淬火和等溫淬火。 (1)單介質(zhì)淬火它是將加熱的工件放在一種淬火介質(zhì)中，連續(xù)冷卻到室溫的一種操作。它主要應(yīng)用于形狀簡(jiǎn)單的工件，如圖2-27a所示。(

28、2)雙介質(zhì)淬火淬火時(shí)先將工件在冷卻速度較大的介質(zhì)中冷卻到略高于MS點(diǎn)，然后立即轉(zhuǎn)入另一種冷卻速度較小的淬火介質(zhì)中去。最常見的為水淬油冷。它主要用于形狀較復(fù)雜的碳鋼零件，如圖2-27b所示。(3)分級(jí)淬火將工件自淬火溫度快速淬入到略高于(或略低于)該鋼的MS點(diǎn)的硝鹽浴(或堿浴)中，停留一段時(shí)間，使工件內(nèi)外溫度基本均勻后，使其發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。再將其放置到空氣或油中冷卻，如圖2-27c所示。(4)等溫淬火將工件淬入稍高于MS點(diǎn)溫度的硝鹽浴(或堿浴)中，保溫足夠時(shí)間，使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變后，在空氣中冷卻至室溫，如圖2-27d所示。5.鋼的淬透性 鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體組織的能力。淬透性用在

29、一定淬火條件下淬后得到馬氏體層深度來衡量。馬氏體層深度即淬硬層深度，是從淬硬的工件表面至規(guī)定硬度值處(1)過熱與過燒過熱是指加熱溫度過高，使鋼的晶粒粗大的現(xiàn)象。粗大的晶粒會(huì)降低鋼的強(qiáng)度。(2)氧化與脫碳氧化是指工件加熱時(shí)，與周圍介質(zhì)中的氧產(chǎn)生化合而生成氧化皮的現(xiàn)象。(3)變形與開裂變形是淬火時(shí)鋼件產(chǎn)生形狀或尺寸偏差的現(xiàn)象。開裂是淬火時(shí)鋼件表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。(4)硬度不足和軟點(diǎn)工件淬火后硬度達(dá)不到要求稱為硬度不足，若工件局部區(qū)域硬度不夠則稱為軟點(diǎn)。產(chǎn)生原因主要與加熱溫度過低或保溫時(shí)間過短、淬火介質(zhì)冷卻能力不夠、工件表面氧化脫碳等因素有關(guān)。一般通過退火或正火，重新進(jìn)行正確的淬火即可消除上述

30、缺陷。二、淬火鋼的回火 回火是淬火的后續(xù)工序，是工件的最終熱處理，回火對(duì)鋼的使用性能起著決定性的作用。因此，在一般零件圖上只標(biāo)出淬火名稱而不標(biāo)注回火名稱，后面的硬度值實(shí)質(zhì)上就是經(jīng)回火后的硬度值。 所謂回火就是將淬火鋼重新加熱到工藝預(yù)定的某一溫度(低于臨界溫度)，經(jīng)保溫后再冷卻到室溫的熱處理工藝過程。1.回火的目的 回火主要是為了調(diào)整力學(xué)性能。因淬火后的工件硬度很高，脆性很大，為了達(dá)到實(shí)際所需的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性要求，一般需經(jīng)回火來降低硬度，提高塑性和韌性；其二是消除或降低內(nèi)應(yīng)力，若不及時(shí)進(jìn)行回火，工件容易產(chǎn)生變形和開裂；其三是穩(wěn)定組織和尺寸。淬火得到的馬氏體和殘余奧氏體是不穩(wěn)定組織，有自發(fā)

31、地向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的傾向。轉(zhuǎn)變的過程中會(huì)引起工件外形和尺寸的變動(dòng)，從而降低工件的精度?；鼗鸷竽艿玫椒€(wěn)定的組織，從而穩(wěn)定工件的性能和尺寸。2.回火的方法和應(yīng)用 (1)低溫回火低溫回火的目的，是為了保持淬火零件高的硬度值，并降低淬火的內(nèi)應(yīng)力，在一定程度上穩(wěn)定組織。(2)中溫回火中溫回火的目的，是為了適當(dāng)降低淬火鋼硬度，提高強(qiáng)度，尤其是彈性極限，恢復(fù)一定程度的韌性和塑性，消除內(nèi)應(yīng)力。(3)高溫回火淬火+高溫回火叫調(diào)質(zhì)，是許多機(jī)械零件常用的熱處理方法。其目的是為了獲得良好的綜合力學(xué)性能。第六節(jié)鋼的表面熱處理 許多機(jī)器零件，如齒輪、凸輪、曲軸等，常在強(qiáng)烈摩擦和沖擊條件下工作。為了適應(yīng)上述條件，不僅要求零件

32、表面具有高的硬度和耐磨性，而且還要求心部具有足夠的韌性。要同時(shí)滿足這些要求，僅僅依靠選材是比較困難的，用一般熱處理又無法實(shí)現(xiàn)。因此，只能用表面熱處理工藝來滿足上述要求。 目前，工業(yè)上常用的表面熱處理方法有表面淬火和化學(xué)熱處理兩類。一、表面淬火 表面淬火是一種不改變鋼的表面化學(xué)成分，只改變表面組織和性能的局部熱處理方法。表面淬火是將工件表面以極快的加熱速度加熱到淬火溫度，然后進(jìn)行激冷，使表面層的組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，心部因溫度低而保持原來的組織，從而實(shí)現(xiàn)表面硬而心部韌的性能。 根據(jù)表面淬火加熱方式的不同又可分為：火焰加熱表面淬火，感應(yīng)加熱表面淬火等方法。1.火焰加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火是一種利用氧氣乙炔混合氣體火焰，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，隨后以浸水或噴水方式進(jìn)行激冷，使工件表層轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的工藝方法，如圖2-31所示。2.感應(yīng)加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬火，是目前熱處理生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種表面熱處理方法。它是利用交流電流過感應(yīng)器時(shí)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，使工件表面形成感生電流