热处理的基本概念、原理及应用
热处理的基本概念、原理及应用
热处理的基本概念、原理及应用
热处理概念：采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温、冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。
目的：改变钢的工艺性能；强化钢材；满足使用要求。
原理：改变组织。
㈠钢在加热时的组织转变
⒈奥氏体的形成
以共析钢为例，室温 P→F+Fe3C混合物
F—体心 立方 WC=0.0218%;
Fe3C—密排六方 WC=6.69%
⇒ A 面心立方 WC=0.77%
*奥氏体形成的过程是 Fe、C原子的扩散过程
形成过程：
⑴奥氏体的形核与长大
⑵剩余Fe3C的溶解
⑶奥氏体的均匀化
⒉影响 A 形成的因素
⑴加热速度、温度的影响。
⑵原始组织的影响。
⑶化学成分的影响
⒊奥氏体晶粒大小与控制
⑴晶粒度：晶粒的大小程度，称晶粒度。
①起始晶粒度——P刚刚转变为A时的晶粒大小。
②实际晶粒度——经热处理后获得的晶粒大小。
③本质晶粒度 ——原材料的晶粒大小（未加热时）。
⑵晶粒大小与控制
①合理选择加热温度和保温时间。
②选择原始材料晶粒 粒状 P 组织。
③加入一定量的合金元素，抑制 A 晶粒长大。
㈡钢在冷却时组织转变
⒈过冷A的等温冷却转变
▲过冷A——冷却到 A1 线以下暂时存在的A。
▲等温冷却——将 A 由高温冷却到 A1 线以下某个温度等温停留一段时间，然后冷却下来的方式。
▲等温转变——在等温保持时，过冷 A 发生的转变
⑴等温转变曲线的建立（以共析钢为例）
步骤
①制成若干E10H1.5 mm的试样。
②将试样加热到850℃—900℃，保温一段时间。
③将试样分别放入不同温度的等温槽（炉）中，如：700℃、650、600、550、500、450、、200等
⑵曲线分析
时间—温度—组织转变关系曲线 ，简称“T T T ”线Time—Temperature—Transform.
按温度划分三个区：
高温区：A1—550℃ → 珠光体型转变 P
中温区：550℃—Ms →贝氏体型转变B
低温区：Ms（230）以下 →马氏体型转变M
⑶过冷 A 等温转变产物的组织与性能
①珠光体型转变——产物 P
由于冷却速度不等，得到的P 层片厚薄不同，三种：
A1—650℃，△T小，P 粒粗，160HBS—250HBS “ P”表示。
650—600℃， △T 稍大，P 粒较细，薄F与Fe3C，”S”表示，sarbite 索氏体，25—35HRC。
600—550℃，△T大，P 粒很细，用 T 表示，troostite 托氏体；35HRC—48HRC。
②贝氏体型转变 -- B bainite
奥氏体转变成过饱和铁素体和极细小的渗碳体的混合物，称 “贝氏体”。分B上、B下，B上硬脆无使用价值，B下力学性能较好。——生产中常用
③马氏体型转变—M martensite
△T极大，Fe、C原子不能扩散，C全部溶于α—Fe中，体积↑，产生应力。
碳在α—Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体。硬度很高：62HRC—65HRC，耐磨性好。
⒉过冷 A 连续冷却转变
⑴连续冷却转变曲线：又称“C C T ”曲线Continuous Cooling Transform
VK—临界冷却速度
V1→P 170—220HBS
V2→S 25HRC—35HRC
V3→T+M 45HRC—55HRC
V4→M+A' 55HRC—65HRC
⑵马氏体的形态、性能
①晶体结构：体心立方→体心正方，体积增大。
②形态、性能：片状M ，WC≥1%，HB高，δ、ak差。板条状M，WC≤0.6%,良好σ，较高ak,强韧性。
㈢钢的退火与正火
⒈退火annealing
概念：将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，称退火。——属整体热处理的一种。
分：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退化、再结晶退火等
⑴完全退火full annealing
①概念：将工件加热到AC3+30—50℃完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织（P+F）的退火工艺。
②目的：细化晶粒，提高性能；消除应力，防止变形；降低硬度。提高切削加工性。
③应用：亚共析钢；铸件；锻件；焊接件。
⑵球化退火spheroidizing annealing
①概念：使工件中碳化物球状化而进行的退火工艺。加热温度Ac1+30—50 ℃
②目的：↓HB，↑切削加工性（195HBS左右）；为淬火做准备。
③应用：过共析钢，模具钢，合金工具钢。
⑶去应力退火tress relievisng
①概念：将工件加热到500—600℃左右，保留一段时间，然后随炉冷到200—300℃，再空冷的方法。
②目的：去除内应力，稳定尺寸，减少变形。
③应用：铸件，锻造件，焊接件，切削加工件。
⒉正火normalizing
⑴概念：将工件加热到奥氏体化状态，然后在空气中冷却的热处理工艺。
⑵加热温度：Ac3或Accm+30—50℃
⑶目的：细化晶粒，调整硬度，消除网状Fe3C。
⑷应用：碳钢件。
⒊退火与正火的选择
⑴使用性能：工件要求不高，用正火；形状复杂、大件用退火。
⑵可加工性：WC≤0.45%碳钢用正火；高碳钢用退火，↓HB。
⑶经济性：正火——经济；退火——工艺繁杂；
㈣钢的淬火与回火
⒈淬火quenching
⑴概念：将工件加热到奥氏体化后以适当的方式冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。
⑵目的：提高硬度，高弹性和耐磨性。
⑶加热温度
亚共析钢：AC3+30—50℃
过共析钢：AC1+30—50℃
⑷保温时间：
太短——奥氏体化不均匀，出现软点；
太长——钢件表面出现氧化、脱碳、晶粒粗大。
⑸淬火冷却介质
水：较快，易变形开裂。油：较慢，减少变形，如10#、20#机油。食盐水：冷却能力提高，加10%NaCI
⑹钢的淬透性和淬硬性
①淬透性hardenability：获得硬度深度和硬度分布的能力。硬度层越深，淬透性越好。
②淬硬性hardening capacity：淬火后获得的最高硬度的能力。取决于WC的含量；
注意：淬火后硬度高的钢，不一定淬透性好；淬火后硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。
当WC≤0.7%，随WC↑，淬透性↑；当WC>0.7%，随WC↑，淬透性↓。
③对力学性能的影响：
淬透性好的钢，力学性能高；淬透性差的钢，尤其是心部力学性能底，受力易变形。
⒉回火tempering
⑴概念：淬火后的工件，再加热到A1以下某一温度、保温一定时间，然后冷却到室温的工艺。
⑵目的：（1）使工件获得要求的力学性能；（2）稳定工件尺寸；（3）消除或减少内应力；（4）改善工件的切削加工性。
⑶回火方法 （组织转变、性能、应用）
①低温回火（150—250℃）low—temperature tempering
获得组织 M回；58—65HRC；用于 高碳钢、工具钢（刀具、量具、模具）、滚动轴承钢。
②中温回火（350—500）℃；medium—temperatur tempering
回火后 σb、σs 较高，内应力消除，ak 较好。
回火组织：T回；用于弹簧钢制造的弹性件、锻模。
③高温回火( 500—650)℃；high—temperature tempering
回火组织：S回；特点是 综合力学性能好。应用广泛，汽车、拖拉机、机车，承受较大载荷的结构零件，如：轴、齿轮等。
淬火+高温回火称调质处理，简称：调质trawn
说明：(Ⅰ)回火组织与等温冷却转变组织的区别：S回、T回 是粒状，而 S、T 是片状；(Ⅱ)正火与调质硬度很接近，但结构件一般经调质而不正火后用，因调质综合力学性能好。
④回火脆性：一般来讲，随回火温度↑，其σ、HB↓，δ、ak↑，但在250—350℃之间其ak↓的现象，称“回火脆性”。碳化物沿着马氏体周围析出，形成脆性薄壳，受力易裂纹。
㈤钢的表面热处理和化学热处理
⒈表面热处理 surface heat--treatment
⑴概念：将工件快速加热，表面达到淬火温度立即淬火（喷水），表面层获得 M ，而心部保持了原有的韧性、塑性且达到表面耐磨的工艺。
⑵应用：齿轮、凸轮、套筒、顶杆等， WC=0.4%—0.5%较好。
⑶方法：按加热方式不同，分为：感应加热和火焰加热
①感应加热表面淬火
原理——“集肤效应”
高频加热：200KHZ—300KHZ ；0.3—2.5mm,小件；轴；齿轮中频加热：1KHZ—10KHZ；2—10mm；较大件，凸轮，曲轴工频加热：50HZ；硬度层 10—20mm；应用大件
特点：a、生产率高，加热速度快；b、淬火后晶粒细、硬度高；c、加热不氧化、不脱碳、不变形；d、有较高疲劳强度；e、缺点是设备投资大。应用大批量生产小件，齿轮等。
②火焰加热：用乙炔—氧气混合气体燃烧的火焰。
特点：操作简单，效率低；表面层2—6mm，工作表面严重氧化，质量难以控制。应用 单件、小批生产。
⒉化学热处理 Thermo—chemical treatment
⑴概念：是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变化学成分、组织和性能的热处理工艺。
⑵工艺方法
①渗碳：向工件表面深入碳原子过程，↑WC，渗碳层0.5—2mm.
目的：提高耐磨性；此时心部有良好的韧性；“外强里韧”。
应用：低碳钢，低合金钢。
方法：气体渗碳，固体渗碳。
热处理：渗碳、淬火+低温回火。
②氮化：向工件表面渗入活性氮原子——形成硬度极高的合金氮化物。
目的：提高硬度、耐磨性，提高疲劳强度，耐蚀性。
应用：含较高合金元素的钢，V、W、AI、Mo、Cu等
方法：离子渗氮——氨气
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