热处理

1金属组织和热处理知识一、金属组织1、金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。2、合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。3、相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。4、固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。5、固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。6、化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。7、机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。8、铁素全：碳在α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。9、奥氏体：碳在γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。10、渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。11、珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c含碳0.8%）212、莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）二、共析钢、亚共析钢、过共析钢1.共析钢碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到α——铁中的固溶体叫铁素体，溶解到γ——铁中的固溶体叫奥氏体。铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。从反映钢的组织结构与钢的含碳量和钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图上可见，当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。即在这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失（加热时），如果出现则两者又同时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。基于这个原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看待，并且命名为珠光体，这种钢就叫做共析钢。即含碳量正好是0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。2.亚共析钢常用的结构钢含碳量大都在0.5%以下，由于含碳量低于0.77%，所以组织中的渗碳体量也少于12%，于是铁素体除去一部分要与渗碳体形成珠光体外，还会有多余的出现，所以这种钢的组织是铁素体+珠3光体。碳含量越少，钢组织中珠光体比例也越小，钢的强度也越低，但塑性越好，这类钢统称为亚共析钢。3.过共析钢工具用钢的含碳量往往超过0.77%，这种钢组织中渗碳体的比例超过12%，所以除与铁素体形成珠光体外，还有多余的渗碳体，于是这类钢的组织是珠光体+渗碳体。这类钢统称为过共析钢。三、有关钢材机械性能的名词1.钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs=Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）2.屈服强度（σ0.2）有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2。3.抗拉强度（σb）材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯4强度等。设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb=Pb/Fo（MPa）。4.伸长率（δs）材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。5.屈强比（σs/σb）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。6.硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。⑴布氏硬度（HB）以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2(N/mm2)。⑵洛氏硬度（HR）当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的5硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。⑶维氏硬度（HV）以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）四、热处理把金属材料在固态范围内通过一定的加热，保温和冷却以改变其组织和性能的一种工艺。它可以扩大钢及其合金的适用范围，保证零件符合使用要求。从工艺观点出发，钢的热处理可分为预先热处理和最终热处理两类。预先热处理包括正火及各种类型的退火。在机械加工过程中，进行预先热处理的目的是：1）改变毛坯或原材料的硬度，以改善切削加工性能；2）消除毛坯或机械加工中产生的内应力；3）改善金属内部组织，是组织均匀；64）为最终热处理做准备。最终热处理包括淬火、回火、和时效。最终热处理的目的是为了得到所要求的组织和性能。1、退火：将金属或合金的材料或制件加热到相变或部分相变温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的一种热处理工艺。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，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。所以退火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，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。对于在缓慢冷却时不发生珠光体转变的钢（如18Cr2N4WA）不易采用高温退火。低温退火常用于要求尺寸稳定、变形小的铸件、焊接结构件以及一些形状复杂、厚薄相差大、易变形开裂的工件；常在机械加工后，淬火之前安排此工序。退火方法及其应用名称加热温度冷却方法目的备注高温退火（完全退火）加热至Ac3以上30～50℃，并根据工件尺寸保温一定时间碳钢以不大于200℃/h的速度随炉冷至600℃出炉；低合金钢以不大于100℃/h的速度随炉冷至550℃出炉；高合金钢以不大于50℃/h的速度冷至500℃出炉降低硬度，改善切削加工性，提高塑性和韧性；消除热加工内应力，防止开裂与变形；可引起重结晶，获得均匀的组织和细化晶粒，为淬火作准备适用于亚共析钢，可作为锻件、铸件的毛坯热处理；应考虑表面脱碳和形成氧化皮的影响；对于在缓慢冷却时不发生珠光体转变的钢（如18Cr2N4WA）不宜采用高温退火不完全退火加热至Ac1与Ac3或Ac1与Accm之间的温度，根据工件尺寸保温一定时间与高温退火相同消除内应力；降低硬度和强度，改善切削加工性能用于过共析钢毛坯热处理。亚共析钢的锻件和轧制型材亦可适用；可产生部分或全部再结晶，退火后的机械性能与高温退火大致相同7等温退火将亚共析钢加热至Ac3以上30～50℃，共析、过共析钢加热至Ac1与Accm之间，并保温一定时间迅速冷却至Ar1点以下约100～120℃，保温2-4h使奥氏体完全分解，然后取出空冷与高温退火相同主要用于加速合金钢的退火过程；改变等温温度可改变等温退火后的硬度球化退火加热至Ac1以上10～20℃并保温一定时间以30～50℃/h速度冷至600～700℃，保温2-4h，然后空冷；以30～50℃/h迅速冷至500～600℃，然后空冷形成球状珠光体，改善组织；降低硬度，改善切削加工性能；为淬火做好组织准备主要应用于共析钢或过共析钢的锻件，这些钢的锻件主要是用来制造要求高硬度、高耐磨的工具或零件扩散退火加热至Ac3以上150～300℃，根据工件大小保温8～15h；一般高碳钢是1100～1200℃；合金钢是1200～1300℃随炉缓冷至300℃出炉消除铸钢件或钢锭中的偏析；消除亚共析钢中的带状组织主要用于合金钢或高碳钢的钢锭、钢坯或锻件；铸钢件扩散退火后在进行一次完全退火或正常化，以细化晶粒低温退火（去应力退火）加热至Ac1以下100～200℃（一般在500～600℃），并保温一定时间炉冷或空冷；50～100℃/h冷至300℃出炉消除锻件、铸件和焊接件的内应力；降低硬度，改善切削加工性能；淬火前消除应力常用于要求尺寸稳定、变形小的铸件、焊接结构件以及一些形状复杂、厚薄相差大、易变形开裂的工件；常在机械加工后，淬火之前安排此工序；一些和金结构钢如38CrMoAlA、45Mn2、18Cr2Ni4WA等则可用来改善切削加工性能，降低硬度在结晶退火加热至再结晶温度以上100～200℃（一般是600～700℃），并保温一定时间炉冷或空冷消除加工时产生的冷作硬化；降低硬度，增加塑性，消除内应力主要用于经冷变形加工如冷拉、冷轧、冷冲压后的低碳钢，作为工序间的热处理2、正火：将钢加热到完全相变以上的某一温度，使钢全部转变为均匀的奥氏体，保温一定的时间后，在空气中冷却的一种热处理工艺。正火的目的是细化晶格、均匀组织，改善钢的切削加工性能，消除内应力，消除网状碳化物（渗碳体），为下一步热处理做好组织准备；对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。正火以后的强8度和硬度高于退火。★正火的应用与注意事项：对于低碳钢、中碳钢和某些低合金钢，正火后因硬度有所提高（一般HB140~190左右），对切削加工有利；而退火则硬度偏低，切削时易于粘刀，不易断削，所以正火可用来代替完全退火。对于低碳钢、中碳钢和低合金结构钢制成的非重要零件，由于机械性能要求不高，所以正火可以作为最后热处理而代替调质。正火由于冷却速度较退火较快，可抑制二次渗碳体的析出，因此常用正火消除过共析钢的网状渗碳体。但考虑改善切削加工性能并为以后的淬火做准备，正火后往往还需进行球化退火。★正火与退火的选择低碳钢及低碳低合金钢，必须采用正火处理，以提高硬度，降低塑性，利于切削加工。中碳钢即中碳低合金钢，通常也采用正火处理，因为正火不会使硬度增高很多，但处理时间却大大缩短。高碳钢及高碳低合金钢，通常采用退火处理，因为正火后硬度增高，不利于切削加工。高合金钢及工具钢，必须采用等温退火或球化退火，因为普通退火难以降低硬度，且处理时间较长。3、淬火：将钢加热到相变或部分相变温度，保温一段时间后，快速冷却的热处理工艺。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9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，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。淬火方法及其应用名称加热温度冷却方法目的备注单液淬火亚共析钢：Ac3+(30~50)℃共析与过共析钢：Ac1+(30~50)℃一般合金钢：Ac1或Ac3以上(30~50)℃高合金钢：视合金碳化物溶入奥氏体的温度而定在一种淬火介质（一般是水或油）中冷却；工件现在空气中停留一段时间，然后在水或油中冷却，称为预冷淬火工件淬火后得到马氏体组织，与回火配合，以获得高的硬度、耐磨性和所需要的物理化学性能；预冷淬火可以减少变形与开裂形状简单的碳钢件在水中淬火，截面尺寸小于3～5mm的碳钢件以及合金钢件采用油淬适用于无