钢铁材料热处理及组织性能

钢铁材料热处理及组织性能黄殿宇机设14-A2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热处理1.1.1热处理概念热处理（Heattreatment），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，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（碳在α-Fe体心立方结构的铁中的间隙固溶体）；奥氏体（碳在γ-Fe面心立方结构的铁中的间隙固固溶）；渗碳体（碳和铁形成的稳定化合物Fe3c）；珠光体（铁素体和渗碳体组成的机械混合物α+Fe3c含碳0.77%）；莱氏体(渗碳体和奥氏体组成的机械混合物含碳4.3%)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。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。我们将金属的热处理工艺分为表面热处理和常规热处理两大类，然后根据热处理不同的加热的温度、介质和冷却方式，将表面热处理和常规热处理又可划分为若干小类。采用不同的热处理工艺对同一种金属进行热处理，就可以获得不一样的组织及性能。铁碳合金的常规热处理可分为正火、退火、回火和淬火四种基本工艺。退火的定义是指将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后进行缓慢冷却的工艺过程。材料的退火可以使其内部组织结构接近平衡状态，使工件获得良好的使用性能及工艺性能，并为其进一步的淬火作好组织准备。金属里的钢材的热处理钢的退火工艺种类很多，根据钢的成分不同、原始状态不同及使用目的不同，我们将退火分为球化退火、去应力退火、扩散退火、完全退火、再结晶退火、等温退火和不完全退火等。退火有个重要的工艺参数，即退火温度（也称最高的加热温度），例如碳素钢是以铁碳合金相图为基础来选择相应的退火温度。2.1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，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。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，使显微组织转变完全。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，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，只能报废。因此在工作中要避免过烧的发生。加热缺陷及控制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。2.2.1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，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。2.2.2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，只能报废。因此在工作中要避免过烧的发生。所以当我们知道热处理过程中温度过高易导致奥氏体晶粒的粗大，使钢件的塑性、韧性强度的机械性能下降,我们就要通过控制对钢的加热温度从而改善钢的内部组织结构。2015.12.12Sat.