热处理知识点.doc

硬度材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。（布氏硬度，洛氏硬度）强度 疲劳强度是指金属材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。交变载荷或重复应力使金属材料在远低于其屈服点时即发生断裂，因此具有很大的危险性，常造成严重事故。铁碳合金的基本组织纯铁的同素异构转变 可以形成体心立方和面心立方两种晶格的同素异晶体。纯铁的熔点为1538，冷至熔点以下时，出现体心立方结构的-Fe。当温度下降到1394时，体心立方的-Fe转变为面心立方结构，称为-Fe。在912时，-Fe又变为体心立方结构，称为-Fe。再继续冷却时，晶格类型不发生变化。由于纯铁具有这种同素异构转变，因而才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能。（原理）在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态时，碳可溶于铁中形成固溶体；当碳含量超过固态溶解度时，则出现化合物。此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。现将在固态下出现的几种基本组织分述如下。 （1）铁素体。碳溶解在铁中形成的固溶体叫做铁素体，通常用F表示。它仍保持铁的体心立方结构。铁溶解碳的能力很小，随温度的不同而不同。在600时的溶解度仅有0.008%，在727时溶解度最大达0.0218%。 铁素体含碳量很少，与纯铁相似，韧性很好，延伸率45%50%；强度和硬度均不高，b250 MPa，HB=80。在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒。 （2）奥氏体。碳溶解在铁中形成的固溶体叫做奥氏体。通常用A表示。它仍保持铁的面心立方结构。铁溶解碳的能力比铁大，在1148时溶解度最大达2.11%。温度降低时，溶解度也降低，在727时，溶解度为0.77%。 稳定的奥氏体在钢内存在的最低温度是727。奥氏体的硬度不是很高（HB160200），塑性很好，是绝大多数钢种在高温进行压力加工时所要求的组织。在显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。 （3）渗碳体。铁与碳形成稳定的化合物Fe3C叫渗碳体。它的碳含量为6.69%，具有复杂的晶格形式，与铁的晶格截然不同，故其性能与铁素体差别很大。 渗碳体的硬度很高（HB800），而塑性极差，几乎为零，是一个硬而脆的组织。渗碳体在钢中与其他组织共存时其形态可能呈片状、网状或粒状等，由于它在钢中分布的形态的不同，对机械性能有很大的影响。渗碳体在一定条件下可以分解成铁和石墨，这在铸铁中有重要的意义。 机械混合物（4）珠光体。铁素体和渗碳体组成的机械混合物叫做珠光体通常用P表示。由于珠光体是由硬的珠光体片和软的铁素体片相间组成的混合物，故机械性能介于渗碳体和铁素体之间。它的强度较好（b75 0MPa），HB约为180。 （5）莱氏体。由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物叫做莱氏体，用Le表示。它只在高温（727以上）存在。在727以下时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，用Le'表示。莱氏体的机械性能和渗碳体相似，硬度很高（HB700），塑性极差。1.5.2 钢的退火与正火 共析钢，亚共析钢 共析钢的组织转变 奥氏体的含碳量为0.77%，当冷却到S点时，就全部转变为珠光体。这种组织的钢，为共析钢 亚共析钢的组织转变 奥氏体的合碳量低于0.77%，当冷却到GS线时，开始先析出铁素体。随着温度下降，铁素体不断增加，奥氏体逐渐减少。当冷却到PS线时，铁素体析出完毕，剩余的奥氏体含碳量变为0.77%，就转变为珠光体。因此GS线与PS线之间的结晶组织是铁素体和奥氏体，PS线以下的结晶组织是铁素体和珠光体。这种组织的钢称为亚共析钢，其显微组织如图1.12所示。 过共析钢的组织转变 奥氏体的含碳量为0.77%2.11%，当冷却到ES线时，开始先析出二次渗碳体。随着温度下降，二次渗碳体不断增加，奥氏体逐渐减少。当冷却到Se线时，二次渗碳体析出完毕；剩余的奥氏体含碳量变为0.77%，就转变为珠光体。因此，ES线与Se线之间的结晶组织是二次渗碳体和奥氏体，Se线以下的结晶组织是二次渗碳体和珠光体。这种组织的钢称为过共析钢 1退火 软化退火的工艺特点是将工件加热、保温后，随炉缓慢冷却。退火的主要目的是：提高钢的塑性，便于成型加工；降低钢的硬度，便于切削加工；细化晶粒，均匀组织，改善钢的机械性能；消除工件加热后的内应力。 根据不同的工件和退火目的，应用不同的退火方法。常用的退火方法如下。 （1）完全退火。完全退火主要用于亚共析钢。加热温度为Ac32030；保温时使钢的原来组织全部成为单一均匀的奥氏体；然后随炉缓冷，使奥氏体充分转变成为正常的铁素体和珠光体。 （2）球化退火。球化退火主要用于过共析钢。加热温度为Ac12030。保温后，以极慢的冷却速度通过A1，使珠光体中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状。因此，球化退火后的结晶组织是以铁素体为基体，分布着细小的渗碳体颗粒。这种组织，使过共析钢达到较低的硬度和较大的韧性。 （3）去应力退火。去应力退火的加热温度为500650。经适当保温后，随炉缓冷到200300以下，最后出炉在空气中冷却。由此可见，去应力退火是在A1以下进行的，组织并未发生变化；主要的作用是在缓慢冷却的过程中，使工件各部分均匀冷却和收缩，这样就不会产生内应力了。 .正火较之退火少了炉冷故而简便经济 强化正火是把工件加热到Ac3或Accm以上3050，经适当的保温后，出炉在空气中冷却。正火比退火的生产周期短，耗热量少，而且空冷操作简便，不占用加热炉。因此，正火的应用较广。 正火的主要目的如下。 （1）提高机械性能。正火的冷却速度比退火快，细化晶粒的效果较好，能得到片层间距较小的珠光体组织。因此，正火后能提高工件的机械性能。很多小负荷、低转速的一般零件如某些螺钉、螺栓、小轴等，都可在正火状态下使用。 （2）改善切削性能。实践证明，工件的硬度在HB = l70230时，对切削加工最为有利。一般来讲，为了达到适度的加工硬度，低中碳钢应采用正火，高碳钢则应采用退火。 （3）为淬火做组织准备。因为粗大晶粒的工件在淬火时容易开裂，所以正火常用作淬火的预先热处理。对于过共析钢正火能减少二次渗碳体的析出，并使其不形成连续的网状结构，有利于缩短过共析钢的球化退火过程。经过正火和球化退火的过共析钢有较高的韧性，淬火时就不易开裂。用于生产过共析钢工具的工艺路线举例如下： 锻造 正火 球化退火 切削加工 淬火、回火 磨削 .钢的淬火与回火 快速冷却 淬火：硬化 回火：韧化1淬火 淬火的工艺特点是将工件加热、保温后，进行快速冷却。淬火的主要目的是提高钢的硬度，增加工件的耐磨性。 亚共析钢淬火的加热温度是Ac33050，这时钢的组织全部为奥氏体。淬火通过A3和A1时，由于冷却速度太快，奥氏体既析不出铁素体，又不能发生共析转变。到低温时，组成奥氏体的铁已迅速转变成铁，但是原奥氏体中的碳则全部保留在铁中，成为过饱和的固镕体，即马氏体。马氏体的硬度可达HRC65。 过共析钢淬火的加热温度是Ac14060，这时钢的组织是奥氏体和渗碳体，淬火后的组织是马氏体和渗碳体。因为渗碳体的硬度高于马氏体，所以保留这些渗碳体有利于提高工件的硬度和耐磨性。 冷却速度是淬火工艺的关键。如果冷却速度不够快，则奥氏体会发生分解而得不到马氏体；如果冷却速度太快，对于某些钢材和工件又容易淬裂。一种正好能获得全部马氏体所必需的最低冷却速度，称为临界冷却速度。 淬火的临界冷却速度随钢种不同而异。合金钢的临界冷却速度较低，可以在油中淬火以防淬裂；高碳钢的临界冷却速度较高，需在水中淬火；低碳钢的临界冷却速度太高，一般无法淬硬。.回火 把马氏体组织的淬火钢重新加热到Ac1以下一定的温度，经适当的保温后冷却，这种热处理过程称为回火。回火的目的是：降低淬火钢的脆性、调整内应力和稳定淬火钢的结晶组织，以获得不同要求的机械性能。因此，工件淬火之后，都要及时进行回火。 要获得预计的性能，回火温度是关键。回火的分类如下。 （1）低温回火。低温回火的加热温度是150250，回火后的主要组织是回火马氏体，硬度可达HRC5562。低温回火能使工件保持高的硬度和耐磨性，常用于各类高碳钢的刀具、模具、量具和滚动轴承等。 （2）中温回火。中温回火的加热温度是350500。回火后的组织是极细的渗碳体与铁素体的混合物，硬度可达HRC3545，并有较高的弹性和屈服强度。因此，中温回火常用于各种弹簧以及强度要求较高的零件，如刀杆、轴套等。 （3）高温回火。高温回火的加热温度是500650。回火后的组织是细粒渗碳体与铁素体的混合物，硬度可达HRC2335，并具有适当的强度与较高的塑性、韧性相配合的综合机械性能。淬火后高温回火的过热处理称为调质处理，常用于受力情况复杂的重要零件，如各种轴类、齿轮、连杆等。 .表面淬火 表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而中心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。它是通过快速加热使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到中心时就立即迅速冷却，实现局部淬火。 表面淬火的目的在于获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，以提高工件的耐磨性或疲劳强度。 表面淬火可采用的快速加热方法颇多，有电感应、火焰、电接触、浴炉、电解液、脉冲能量等加热方法。我国目前应用较多的是电感应加热法和火焰加热法。 （1）感应加热表面淬火法就是在一个感应圈中通过一定频率的交流电（有高频、中频、工频三种），在感应周围就产生一个频率相同的交变磁场。将工件置于磁场之中，它就会产生与感应圈频率相同、方向相反的封闭的感应电流，这个电流叫做涡流。涡流主要集中在工件表面，而且频率越高，电流集中的表面层越薄。由于电能变成热能，工件表面的很薄一层被迅速加热到淬火温度，如立即喷水冷却，即可达到表面淬火的目的。 火焰加热表面淬火法易于处理异型、大型或特大型工件，淬透层深度一般为36 mm；所需设备比较简单，适用于各种类型的生产方式；但是容易过热，淬火效果不稳定。 化学热处理 化学热处理是把工件放在一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表层化学成分和组织，从而达到使工件表面具有某些特殊的机械性能或物理化学性能的一种热处理工艺。 化学热处理的种类很多，由于渗入元素不同，工件表面具有的性能也不同，例如渗碳的目的在于使表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的塑性与韧性。 现以气体渗碳为例，简介其工艺如下： 将钢件放入密封很好的渗碳炉中，通入气体渗碳剂（如煤油），加热到900950，保温一段时间，使工件表面层增碳后再进行淬火加低温回火。 气体渗碳时分为三个阶段。 （1）渗碳剂在900950的高温下分解出活性炭原子； （2）活性炭原子被工件表面吸收，溶入表层的奥氏体中； （3）在高温下，溶解在奥氏体中的碳原子由表面不断向深处扩散。扩散层所达到的深度叫做渗碳层厚度。在一定的渗碳温度下，加热时间愈长，渗碳层愈厚。根据零件要求的不同，渗碳层的厚度一般在0.52 mm之间。