运用热处理知识论述钢材产品组织的控制.doc

1、中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ 徽 冶 金 科 技 职 业 学 院ANHUI VOCATIONAL COLLEGE OF METALLURGY AND TECHNOLOGY毕 业 论 文运用热处理知识论述钢材产品组织的控制学生姓名 孙义飞 系部名称 冶金工程系 专业名称 材料成型与控制 班级名称 10 材料 指导教师 吴苓 中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ 年 11 月运用热处理知识论述钢材产品组织的控制孙义飞摘 要：针对钢材热处理工艺的知识及热处理对钢材组织的影响与控制的关系，介绍了什么是钢的热处理、实施热处理工艺的步骤。同时阐述了如何使钢件在不改变自身的化学成分的同时还具备所

2、需的力学性能、物理性能和化学性能，以获得不同的使用性能。 关键词：热处理；钢的加热与冷却；热处理下钢的组织；钢的性能与分析；钢的热处理工艺。1 前言海参价格当今采用热处理来控制钢组织性能的工艺技术，在国外都是非常重视其中热处理过程中的冷却是核心。现在发达国家大力推广用高压气冷淬火，在热处理设备时，采用油封式自冷，全面取代水冷循环系统，整个热处理炉不用任何冷却水。而且欧洲的热处理设备已大部分采用燃气辐射管，使用天然气加热。燃气加热技术和装备在欧洲已十分成熟。提高热处理水平引领产品的自主创新在我国虽然也有成功先例，但尚未引起普遍的重视。在我国热处理技术与世界先进水平存在很大差距，许多机械产品的使用

3、寿命、可靠性和质量重现性远不及国外同类产品，重大装备中许多关键零件部分只得高价进口，国防工业所需的高端热处理设备还未摆脱落后引进再落后再引进的恶性循环。面的广大的民用产品，虽然国内生产规模快速增长，但常因寿命短、故障率高而缺乏竞争力，陷于恶性价格竞争的泥潭中，热处理技术水平的落后使转变产品结构和转变发展方式受到严重的牵制，这方面的事例举不胜举。本论文所要解决的问题及研究在经济建设、科技进步和社会发展等方面都是具有理论意义和使用价值的。 1.1 选题背景在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在商代，就已经有了经过再结晶退火的金箔饰物。公元前六世纪，钢铁兵器

4、逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。二十世纪以来，钢物理的发展和其它新技术的移植应用，使钢热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是 19011925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ；30 年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60 年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使钢获得了新的表面热处理和化学热处理方法。这种古老的工艺技术不但没有随着时间的流逝逐渐

5、退化反而随着科技的进步更是把它发挥的淋漓尽致，而且在当今快速发展的社会中发挥着不可代替的作用。那么究竟什么是热处理？热处理又是怎样通过加热和冷却的方法从而改变其内部结构使其有了不同的机械性能的呢？接下来我们就来论述以上问题。1.2 热处理1.2.1 热处理概念中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ treatment） ，就是将钢材放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种钢热加工工艺。而钢的热处理是机械制造中的重要过程之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，

6、赋予或改善工件的使用性能其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。如：化合物（合金组元间发生化合作用，生成一种具有钢性能的新的晶体固态结构） ；机械混合物：（由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能） ；铁素体（体心立方结构的铁中的间隙固溶体） ；奥氏体（碳在-Fe中的间隙固固溶） ；渗碳体（碳和铁形成的稳定化合物） ；珠光体（铁素体和渗碳体组成的机械混合物） ；莱氏体(渗碳体和奥氏体组成的机械混合物)这些主要组织。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以以上组织的控制，所以钢铁的热处理是钢热处理的主要内容

7、。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能，即热处理是一门重要的科学。2 温度对钢热处理的影响加热和冷却的目的就是使钢的温度增加或降低，加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要问题。在钢热处理加热的方法中，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。现在电的应用使加热易于控制，且无环境污染。加热温度随被处理的钢材和热处理目的不同而异，但一般都是加热到某特性转变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当钢工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，

8、 使显微组织转变完全，这段时间可称为保温时间。其次就是冷却，冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。在控制温度的过程中不可避免会有温度过高的现象，我们把被加热钢材温度过高的现象分成两种过热和过烧。1.过热：钢材内部缺陷之一，钢因加热温度超过 Ac3 很多或在高温下停留时间很长而形成的以晶粒粗大为特征的钢组织。(1)一般过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢

9、的强韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料(常为不懂工艺发生的)。过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏化使晶粒细化。(2)断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。产生断口遗传的理论争议较多，一般认为曾因加热温度过高而使硫化锰之类的杂物溶入奥氏体并富集于晶接口，而冷却时这些夹杂物又会沿晶接口析出，受冲击时易沿粗大奥氏体晶界断裂。(3)粗大组织的遗传：有粗大马氏体、贝氏体、魏氏体组织的钢件重新奥氏化时，以慢速加热到常规的淬火温度，甚至再低一些，其奥氏体晶粒仍然是粗大的，

10、这种现象称为组织遗传性。要消除粗大组织的遗传性，可采用中间退火或多次高温回火处理。2.过烧：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧。钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ 钢在热处理显微下组织的变化2.1.1 钢在加热时的组织转变铁碳相图A1，A3，ACM 是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度（平衡临界点） 。实际生产中，加热和冷却速度不可能很慢，总有过冷和过热现象。加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过冷度和过热度越大。通常用 Ac1，Ac3和 ACCM

11、 表示加热时偏离后的相变温度；用 Ar1，Ar3 和 ARCM 表示冷却时偏离后的相变温度。(插图 1)铁碳相图大多数热处理工艺都是将钢加热至相变温度以上，使其室温组织转变为均匀奥氏体， 即“奥氏体化” 。以共析钢为例说明钢在加热时的组织转变形成过程。共析钢在室温时具有珠光体组织，将其加热到 Ac1 以上时，珠光体将全部转为含碳量为 0.77%的奥氏体。P=F（体心立方）+Fe3C（复杂晶格）A（面心立方）奥氏体化是一个重结晶的过程，分为四个阶段(1) 奥氏体晶核形成:晶核易于在 F 和 Fe3C相界面形成，这是因为此处原子排列紊乱，位错、空位密度高。(2)奥氏体晶核的长大:含碳量不同出现碳浓

12、度梯度，引起 F-A 及 Fe3C 溶解。(3) 残余奥氏体的溶解： F 先转变完，Fe3C 完全溶解（4） 奥氏体成分均匀化：碳扩散使 A 含 C 量趋于均匀。影响珠光体向奥氏体转变的因素有：（1）形成温度，钢的成分和原始组织及加热速度形成温度越高，原子扩散能力增大，增大了 A 中 C 浓度梯度，加速成 A 形成。 （2）含 C 量越高，F 和 Fe3C 相界面增多，有得于 A 形成。 （3） P 越细，A 形成速度越快。 （4） 连续加热时，随着加热速度增大，A 形成温度提高，所需时间缩短。奥氏体晶粒的长大及其影响因素1.奥氏体晶粒度的概念中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ A 时的

13、A 晶粒度） ；实际晶粒度（指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小直接影响钢件性能） ；本质晶粒（指 A 晶粒长大的倾向性）2.奥斯特晶粒长大及其影响因素奥氏体晶粒长大，伴随着晶界总面积的减少，使体系能量降低，所以在高温下，奥氏体晶粒长大是一个自发性的过程。（1） 奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显。（2） 加入合金元素影响奥氏体晶粒长大2.2 钢在冷却时的组织转变钢在高温是所形成的奥氏体，在不同的过冷度下过冷奥氏体可能转变为贝氏体、马氏体等介稳定组织。这对钢的内部组织有着极大的影响。冷却方式有两种：（1）等温冷却：就是将加热后组织为全部奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷却到 A

14、r1 线以下某一温度，这时奥氏体尚未来得及转变，但已成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。再继续冷却到室温，如等温退火、等温淬火等。(插图 2 )（2）连续冷却：将加热后组织为全部奥氏体的钢，以某一速度冷却，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生组织转变。如退火（炉冷） ，正火（空冷） ，普通淬火（油、水泠） 。在实际热处理生产中，A 的转变大多是在连续冷却过程中进行的，常在炉内、空气中，油中或水中冷却。与等温转变一样也能发生珠光体、贝氏体、马氏体等转变，但不同的是冷却过程要经过各个转变温度区，会发生几种转变，得到几种转变产物的复合组织。中国海洋食品网旗下大渔场 http:/

15、 过冷奥氏体转变产物的组织形态与性能珠光体，索氏体，屈氏体这三项有着晶粒粗细之分。马氏体：C 在 -Fe 中的过饱和固溶体，高强度，高硬度和耐磨性。贝氏体：由含碳过饱和 F 和碳化物组成的两相混合物。上贝氏体，下贝氏体（高强，韧）就在这样的加热和冷却的过程中实现温度的变化，从而改变钢内部的组织结构，使其钢材在热处理过程中达到了人们所需的各种机械性能。3 热处理钢后的性能3.1 钢性能的简介钢热处理改变组织的目的就是的钢的各种性能如下四个主要性能1.物理性能：密度、外观、导热性能、光学性能、磁性能、电性能、超导性能、形状记忆性能等，如电镀金利用金的外观、飞机用铝合金利用密度、电热器用铜制作利用导

16、热导电、永磁材料利用磁性能等等。2.化学性能：耐热性、耐蚀性、耐晒性、催化特性、感光特性等，不锈钢利用耐蚀性、高温合金利用耐热性等等。3.力学性能：硬度、强度、塑性、韧性、冲击、疲劳、弹性等等，如刀具利用硬度、结构材料利用强度、变形加工利用塑性、弹性材料利用弹性和疲劳性能、装甲钢利用冲击性能等等。4.工艺性能：工艺性能是指加工成为一定形状的零件的难易程度。如锻造性能、冲压性能、铸造性能、焊接性、热处理性能等等，其中又可细分，如铸造性能里面有流动性、收缩性等，热处理性能里面有淬透性、淬硬性、氧化脱碳性、白点敏感性等等。钢材的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩

17、、扭转、冲击、循环载荷等)，对钢材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。1.强度:是指钢材料在静荷作用下抵抗破坏(过量塑性变形或断裂)的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指针。2.塑性:是指钢材料在载荷作用下，产生塑性变形(永久变形)而不破坏的能力。3.硬度:是衡量钢材料软硬程度的指针。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷

18、下压入被测试的钢材料表面，根据被压入程度来测中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ 钢的热处理 3.2.1 普通热处理钢热处理后变现出良好的综合性能与下面的处理工艺有着重要的联系如:钢的退火与正火是应用非常广泛的热处理工艺，各类铸、锻、焊生产的毛坯或半成品的预备热处理，目的在于消除冶金及热加工过程中产生的某此缺陷，改善组织和工艺性能，为以后的机加工及最终热处理做好组织与性能准备。对于某些性能要求不高的机械零件，经退火或正火后可直接使用。此时，退火或正火也就成为最终热处理。所谓的退火就是：把钢加热到临界点 Ac1 以上或以下的一定温度，保温一段时间，随后在炉中或埋入炉中或导热性较差的介质中，使其

19、缓慢冷却以获得接近平衡状态的稳定的组织。目的在于：（1）降低钢的硬度，改善切削加工性；（2）提高钢的塑韧性，便于成形加工；（3）细化晶粒（4）消除工件内的残余应力。还有正火：是将钢加热到 Ac3 或 ACCM 以上 30-50，适当保温后，从炉中取出在静止的空气中冷却至室温。目的为：（1）细化晶粒，消除缺陷（2）调整钢的硬度（3）消除内应力，既可做为中间热处理，也可用作最终热处理。淬火与回火也是不可缺少的热处理工艺。淬火：将钢加热到 Ac3 或 Ac1 线以上 30-50，保温一定时间后，在水或油中快速冷却，以获得马氏体组织。目的：主要是获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。 淬火后强度和硬度有了

20、较大提高，但塑性和韧性却显著降低，此外，淬火工件内部有较大内应力，如不及时处理，会进一步变形至开裂，为此，淬火后要及时回火。 回火：将淬火后的钢加热到 Ac1 线以下的某一温度，在该温度下保温一定时间（2-4小时） ，然后取出在空气或油中冷却。回火通常作钢件热处理的最后一道工序，因此，把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。回火还可以细分为，低温回火: 加热到 150-250，主要是为了降低钢中的残余应力和脆性，而保持钢在淬火后得到高硬度和耐磨性。 （保证高硬度，如刃具、量具） 。中温回火：加热到 350-450，保温后空冷，得到回火屈氏体。（高弹性极限，有一定韧度和硬度，如弹簧）高温回火：加热

21、到 500-650，保温后空冷，得到回火索氏体。 （有一定强度和硬度，又有良好的塑性和韧性，如曲轴，齿轮）淬火+高温回火=调质处理总结回火的目的主要为：（1）降低脆性，减少内应力，防止变形开裂 （2）调整钢件的机械性能（3）稳定组织，保证工件尺寸、形状稳定。低温回火：加热到 150-250，保温 1-3 小时后空冷，得到回火马氏体。3.2.2 表面热处理在扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷作用下工作的机械零件它的表面层承受着比心部还高的应力，再有摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对零件表面的强化提出了要求，使它的表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限而芯部还保持着足够塑性，韧性。下面就是经常

22、对表面热处理的工艺方法。(1) 表面淬火火焰加热表面然后淬火；感应加热表面淬火(2)表面化学热处理中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ 热处理工艺热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。些过程互相衔接，不可间断。 加热是热处理的重要步骤之一。钢热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或钢，以至浮动粒子进行间接加热。钢加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳（即钢铁零件表面碳含量降低） ，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而钢通常应

23、在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的钢材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得需要的组织。另外转变需要一定的时间，因此当钢工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间或保温时间很短，而化学热处理的保温时间往往较长。 冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控

24、制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。 钢热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种钢采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的钢，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。 整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的钢热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

25、退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使钢内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于 710的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中

26、的“四把火” ，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。 中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ ，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性 ；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。4 结论 通过对钢的热处理工艺及热处理对钢材组织性能的影响与控制的探究，了解了在对钢材加热和冷却不同温度变化的过程中会使其中的组织发生明显的相变过

27、程。在对钢材热处理有着不同的处理方法有：退火、回火、正火、淬火。钢在从高温的向低温的冷却过程中组织也发生着从奥氏体-索氏体-屈氏体-珠光体-贝氏体-马氏体这些主要的组织变化，就是通过对这几种组织的控制从而达到了不改变钢材的化学性能就是其有了人们所需的各种物理机械性能。致 谢本次论文的书写，在两个月的时间内细心完成，从本人 10 月份得知开始到现在。本设计在吴苓老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题的选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着吴苓老师的心血。在此向吴苓老师表示深深的感谢和崇高的敬意，同时还要感谢我的母校安徽冶金科技职业学院，感谢学院对我三年的辛勤栽培。当然，本人水平有限，本文中的错误之处在所难免，恳请老师批评指正。参考文献1 曲克 , 轧制工艺学2 段小勇 ,钢压力加工理论基础3 宋维锡 , 钢学中国海洋食品网旗下大渔场 http:/ 夏立芳 , 钢热处理工艺学5 史美堂 , 金属材料及热处理