1、第二节 钢的常规热处理,什么是热处理？就是将材料在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保温一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。 为什么要热处理？其目的就是要改变材料的组织状态，进而改变材料的性能。 什么样的材料才能进行热处理？原则上只有在加热和冷却时发生溶解度显著变化或者类似纯铁能发生同素异构转变的材料，即有固态相变发生的合金才能进行热处理。 热处理的种类有哪些？常规热处理和表面热处理。常规热处理有退火、正火、淬火和回火。,一、退火,概念：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。 目的：降低
2、钢件的硬度以便于切削加工；消除残余应力；细化晶粒改善组织。 用途：对一般的铸锻件进行退火处理为了细化晶粒改善组织，消除应力；对高碳钢进行退火处理、为了软化钢件便于切削加工。 种类：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。,碳钢的各种退火和正火工艺规范示意图,1. 完全退火,完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上2030, 保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却), 以获得接近平衡组织的热处理工艺。完全退火一般用于亚共析钢。 完全退火的目的在于，通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态
3、的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。,2. 等温退火,等温退火是将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。 等温退火的目的与完全退火相同, 能获得均匀的预期组织; 对于奥氏体较稳定的合金钢, 可大大缩短退火时间。,3.球化退火,球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。 过共析钢球
4、化退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。球化退火的加热温度略高于Ac1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却。,4. 扩散退火,为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100200）的温度，长时间保温（10h15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。 扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。,5. 去应力退火,为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度
5、(一般为500650)，保温后随炉冷却, 这种处理可以消除约50%80%的内应力, 不引起组织变化。,二、钢的正火,概念：钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上3050, 保温适当时间后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过共析钢为S+Fe3CII。 目的：消除残余应力，细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能。 用途：普通的锻铸结构零件，采用正火处理作为最终的热处理，以提高钢的力学性能；对于低碳钢的锻铸零件，在加工前用正火处理来提高硬度，以便于切削加工,1、正火的应用,1）作为最终热处理 正火可以细化晶粒，
6、使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。 2）作为预先热处理 截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火， 以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。3）改善切削加工性能,2、退火与正火的选择,主要从以下三个方面选择： 1）从切削加工性考虑：作为预备热处理，低碳钢正火优于退火，而高碳钢正火后硬度太高，必须采用退火； 2）从使用性能上考虑：如果零件要求不高，则可用正火作为最终热处理。 3）从经济上考虑：正火经比退火的生产周期短、成本
7、低，且操作方便，故在可能的情况下，优先采用正火。,三、钢的淬火,概念：将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢为Ac1以上3050），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。 目的与用途：为了获得马氏体提高硬度与耐磨性（一般要配合回火使用）。 种类：单介质淬火，双介质淬火，分级淬火和等温淬火等。 常用的冷却介质：水和油。为了减少零件淬火时的变形，也可用盐浴作介质。,钢的淬火温度范围,理想淬火介质：,条件：既能淬成马氏体，又不致引起太大的淬火应力。 要求：在奥氏体等温转变曲线的“鼻子”以上温度缓冷，减小急冷所产生的热应力；在“鼻子”以下温度应大于
8、临界冷却速度，以保证过冷奥氏体不发生非马氏体转变。,常用的淬火方法,常用淬火方法的应用：,单介质淬火：淬火介质有水、盐水、碱水、油等。一般情况碳钢淬水，合金钢淬油。 双介质淬火：典型例子是碳素工具钢水淬油冷。关键是控制在第一种介质中在冷却时间。 分级淬火：适用于变开要求高的合金钢和高合金钢工件及截面尺寸不大、形状复杂的碳钢工件。 等温淬火：适用于变形要求严格和要求有良好强韧性的精密零件和工模具。,淬火加热时间的计算：,1、钢的淬透性,钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。 钢的淬透性可用末端淬火法测定。,影响淬透性的因素：,碳含量 在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳
9、含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。 合金元素 除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。 奥氏体化温度 提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。 钢中未溶第二相 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。,2、钢的淬硬性,钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性，它主要决定于M的碳含量。,四、钢的回火,概念：将淬火后的钢加热到不超过临
10、界温度AC1，保温后冷却下来的一种热处理操作叫做回火。 目的：消除内应力、获得所需的力学性能、稳定组织和尺寸。 应用：低温回火、中温回火及高温回火。,淬火钢在回火时的组织转变,（1）马氏体的分解：当淬火钢加热到80200时，其内部原子活动能力增强，马氏体中的过饱和碳开始以碳化物的形式逐步析出，马氏体晶格畸变程度减弱，内应力下降。此时回火组织称回火马氏体。 （2）残余奥氏体分解：当淬火钢加热到200 时，残余奥氏体开始分解，转变成下贝氏体或回火马氏体，到300 残余奥氏体分解基本结束。 （3）渗碳体的形成：当淬火钢加热300400 阶段，从过饱和固溶体中析出的碳化物转变为颗粒状的渗碳体。当温度达
11、到400 时，Fe中过饱和碳已基本析出。内应力也基本消除。此时铁素体和细粒状渗碳体的混合物称为回火托氏体。 （4）渗碳体的聚集长大： 400 以上时，颗粒状渗碳体不断长大，数目不断减少。通常把这种状态下的渗碳体铁素体的混合物称为回火索氏体。,1低温回火,回火温度为150250。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C), 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。下贝氏体可忽略。 目的：主要是为了降低脆性与应力。得到回火马氏体组织。这种组织有很高的硬度，一般在5863HRC。通常用于硬度要求较高的零件，如各种工
12、具与模具。,2中温回火,回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火托氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 目的：是为了获得高的弹性与屈服极限有一定的韧性的回火屈氏体组织，故是各种弹簧典型处理工艺。硬度一般在3545HRC。,3. 高温回火,回火温度为500650, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体。 目的：是为了得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。一般习惯将淬火加高温回火相结合的处理称为调质处理。 与正火所得到的珠光体组织相比，调质处理后所得到的回火索氏体组织有更优良的性能。所以对一般的
13、结构零件采用正火处理，而对于一些重要的结构零件如受力较大的齿轮，轴类零件往往采用调质处理。所得组织称为回火索氏体。,回火脆性问题,钢在回火时会产生回火脆性现象, 即在250400和450650两个温度区间回火后, 钢的冲击韧性明显下降。 工程上对钢制零件很少采用250400 回火，因为在此温度回火产生的脆性，称为第一类回火脆性。对第一类回火脆性目前没有好的办法解决，所以一般工程上不用此温度范围回火。 对于一些含Cr，Ni元素的钢在450 650 回火也会引起钢产生脆性，称为第二类回火脆性。可以采用钢中加入W，Mo元素及回火后快冷的方法（如水冷或油冷）减轻脆性。,钢的硬度随回火温度的变化,钢的硬度随回火温度的变化（2）,40钢力学性能与回火温度的关系,各类钢回火温度对力学性能的影响,钢的回火组织金相图,
