钢的热处理
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机械工程材料
钢的热处理案例分析
青海民族大学 2020 年 12 月 28
日
目录
引言 .......................................................................................................... 2 第一节 钢的热处理概念 ......................................................................... 2 第二节 钢的热处理实验分析 ................................................................. 6 一、 实验目的 ................................................................................ 6 二、 实验原理 ................................................................................ 7 三、 实验设备及材料
.................................................................... 9 1、钢热处理后的质量检查
.................................................. 10 2、钢经热处理后的基本组织概述
..................................... 10 四、 注意事项 ............................................................................. 12 五、 实验过程 .............................................................................. 12 六、实验交流 ................................................................................ 13 1.分析回火温度对组织与性能的影响 .................................. 15 2、分析合金元素对泽透性、回火稳定性等的影响 ........... 15
钢的热处理
2 2 引言 所谓钢的热处理，就是把钢在固态下的加热、保温、冷却，使钢的内部组织结构发生变化，以获得所需要的组织与性能的一种工艺。
热处理在机械制造行业中被广泛地应用，例如汽车、拖拉机行业中需要进行热处理的零件占 70%～80%；机床行业中占 60%~70%；轴承及各种模具则达到 100%。热处理作为机器零件及工模具制造过程中的重要加工工艺，其目的不是改变材料的形状，而是通过改变金属材料的组织和性能来满足工程中对材料的服役性能和加工要求。
任何热处理工艺都可归纳为由加热、保温和冷却三个阶段组成的工艺过程，此过程可用“温度——时间”坐标图简明表示，即热处理工艺曲线。
第一节 钢的热处理概念 钢的热处理方法可分为两大类：整体热处理和表面热处理。
一、 整体热处理
整体热处理，是指为了改善整体的组织和性能，而对工件进行穿透性加热的热处理工艺，分为退火、正火、淬火、淬火+回火、调质、稳定化处理、固溶(水韧)处理、固溶处理+时效等。
1 、 退火
许多钢材都是以退火热处理状态供货的。将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它缓慢冷却（一般是炉冷），称为退火。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，
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3 3 提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。退火属于半成品热处理，既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故又称预先热处理。此外，对性能要求不高、不太重要的零件及一些普通铸件、焊件，退火也可作为最终热处理。
2 、 正火 正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。与退火相比，正火的冷却速度较快，转变温度较低。因此，相同钢材正火后获得的珠光体组织更细，钢的强度、硬度也较高。正火能消除过共析钢的网状渗碳体，对于钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的 。
3 、 淬火
淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但会减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。
4 、 回火
将已经淬火的钢重新加热到低于下临界温度 AC1（加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度）的适当温度，保温一段时间后，再在空气或水、油等介质中冷却，这种金属热处理称为回火。回火的目的是消
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4 4 除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能——主要是提高韧性。回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火、正火配合使用。
退火、正火、淬火、回火是整体热处理的“四把火”。归根结底就是通过控制冷却速度来控制内部硬质相的含量，从而影响材料硬度。退火，正火，淬火，冷却速度依次变快，冷却速度越快晶体缺陷越多，硬质相含量越来越多，材料就越硬。
调质
淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500~650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。
5 、 固溶
将合金加热到高温奥氏体区保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体，这种热处理工艺称为固溶。不锈钢较为常用。听起来很像淬火？两者加热温度不同，淬火的加热温度远低于固溶。而且快速冷却的目的不同，固溶的快速冷却是为了保持过饱和固溶体，是为了软化；淬火的急速冷却是为了获得马氏体，为了硬化。
6 、 时效
时效是一种释放内应力的方法。金属的冶炼及加工过程，都能不同地产生内应力。内应力客观存在，并会极为缓慢地释放出来。自然环境下的内应力释放称为“自然时效”，时间较长，须经数年。对精
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5 5 密加工件来说，内应力的释放会导致工件的尺寸、形状发生改变。为了消除这种恶劣的影响，常在低温（150~250℃）回火后精加工前，把工件重新加热到 100~150℃，保持 5~20 小时，这种为稳定精密制件质量的热处理，称为“时效”。与自然时效区别开来，这种时效也叫“人工时效”。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。
二、表面热处理
表面热处理，是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。分为表面淬火+回火、物理气相沉积、化学气相沉积、等离子化学气相沉积等。
1 、 表面淬火
表面淬火是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。
2 、 化学热处理。
化学热处理是指将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层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。按照渗入元素的种类不同，可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种。
（1 ）
渗碳
渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件
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6 6 具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
渗碳又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。渗氮可提高表面层的硬度与耐磨性，还可以提高疲劳强度、抗腐蚀性等。目前生产中多采用气体渗氮法。
（2）氰化
又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢表面兼具渗碳与渗氮的特性。
渗金属
以金属原子渗入钢的表面层，这个过程称为渗金属。钢的表面层合金化可使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等 第二节 钢的热处理实验分析 一、实验目的 了解钢的热处理操作及硬度实验原理，正确设计、制定钢的淬火工艺，利用热处理炉和硬度计进行碳钢的热处理，并用硬度计检测硬度，分析硬度与热处理工艺的关联性，从而增强对热处理原理与工艺的感性认识，加深对热处理的了解。
通过实验，使学生加深对课堂教学内容的理解，掌握热处理的基本原理和工艺基本知识，熟练使用热处理相关仪器设备。同时可逐步提高
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7 7 从事本专业科学研究实验以及分析和解决实际工程问题的动手能力；提高学生将理论与实践相结合的能力。
二、实验原理
1 、 加热温度的选 择
(1) 退火加热温度
一般亚共析钢加热至 Ac3+(20~30)℃(完全退火)。共析钢和过共析钢加热至 Ac1+(20~30)℃(球化退火)，目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善高碳钢的切削性能。对于不重要的工件，退火、正火可作为最终热处理。对于重要的工件，退火、正火是中间热处理，用来消除或改善铸、锻、焊过程中的造成的缺陷，为下一道工序作组织准备。
(2) 正火加热温度
一 般 亚 共 析 钢 加 热 至 Ac3 十 (30~50) ℃ ； 共 析 钢 加 热 至Ac1+ (30~50)℃；过共
析钢加热至 Ac3
(30~50)℃，即加热到奥氏体单相区。
(3) 淬火加热温度
根据 Fe-Fe3C 相图来确定：对亚共析钢，合适的淬火加热温度为 AC+30~50℃，淬火后的组织为均匀细小的马氏体。如果加热温度不足.则淬火组织中将出现铁素体，造成淬火后硬度不足。对过共析钢和共析钢，合适的淬火加热温度为 Ac1+30-50℃。淬火后的组织为隐晶马氏体与粒状二次渗碳体，组织中的粒状二次渗碳体可以明显提高钢的硬度和耐磨性。过高的淬火加热温度，会使淬火后得到粗大马
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8 8 氏体和较多的残余奥氏体组织。使材料的耐磨性下降，脆性增加，这是因为共析钢含碳量高，加热到 ACCM 以上时，碳化物全部溶解，使奥氏体晶粒易于长大，粹火后的马氏体粗大。同时，奥氏体内的含碳量越高，则淬火后的马试体量越少，残余奥氏体量越多。
(4) 回火温度的选择
钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能按加热温度高低回火可分为三类：
低温回火 中温回火 高温回火。低温回火。
三、 低温回火-主要用于高碳钢和高碳合金钢，回火后保持高硬度和高耐磨性，内应力和脆性降低。回火后的组织为回火马氏体，硬度约为 HRC58~64。一般用于切削工具量具滚动轴承及渗碳和氧化。
中温回火-主要用于碳钢和合金钢，回火后内应力基本消除，有一定的韧性和较高的弹性于屈服强度。回火后的组织为回火屈氏体，硬度约为 HRc35~45.-般用于各种弹簧及热锻模。
高温回火-主要用于碳钢和合金钢，回火后既有较高的强度、硬度，又有较好的塑性和韧性。回火后的组织为回火索氏体。硬度约为HRc20~35。一般用于轴、螺栓等重要零件。
2 、 保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度约达到指定温度、并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。
实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质
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9 9 中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度每毫米需一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫分二钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短为空气介质中保温时间的 1/2~1/3。
3 、 冷却方法
热处理时的冷却方式要适当，才能获得所要求的组织和性能。
退火一般采用随炉冷却。
正火采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。
淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（650℃~550℃）快冷，超过临界冷却速度，而在 M（300℃~100℃）s 点以下温度时冷却较慢去实验样品，经辨别为 45 钢。用洛氏硬度计测的其硬度为小于 10HRC。采用 860℃的电阻炉淬火，经保温 12 分钟后取出，采用水冷的方法进行冷却。之后对其测量硬度，为 51HRC。冷却是决定钢的最终组织与性能的重要工艺参数，同一种碳钢在不同冷却速度下冷却，会得到不同的转变产物。常采用的冷却介质有炉冷、空冷、风冷、油冷、水冷、等温盐浴冷却等。
三、 实验设备及材料 箱式电阻炉、洛氏硬度机、全相里微镜、泽火的水槽、油槽、 45、40CrNi、T8 抛光机、各型号砂纸、抛光磨料、试样、浸蚀剂、吹风等。
钢的热处理
10 10 1 、 钢热处理后的质量检查
工件热处理后的质量检查都是通过硬度检验来实现的，因为硬度既不损坏试样，又可通过查表或公式换算出强度或其它机械性能值
对于较软的钢，可用洛氏硬度计测出 HRB 值。HKB 的测量范围：25～100。
对于较硬的钢，可用洛氏硬度计测出 HRC 值。HKC 的测量范围：20~57。
无论 HRC 还是 HRB 都可通过查表，换算成 HB 值，以便进行硬度比较。
2 、 钢经热处理后的基本组织概述 （1 ）
索氏体
是片状渗碳体与铁索体的层片相间的机械混告物，层片分布的较珠光体细密高倍显微镜下才能分辨出来，是由奥氏体过冷直接得到的。
回火索氏体：率火钢在高温回火后得到的组织。具体的金相特征为铁素体的基体上分布着细的颗粒状海碳体。这些小粒状碳化物分布得很均匀，所以它的综合机械性能好、碳钢经热处理后可得到这种回火索氏体组织，其铁素体已成等轴状，已没有针状形态。
（2 ）
屈氏体 也是珠光体类型的组织，是渗碳体和铁素体层片相间的机械混合物，但它的层片比索氏体还细密。在一般光学显微镜下无法分辨，只有在电子里微镜 下才能分辨出其中的层片，是由奥氏体过冷直接得到。
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