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１．３钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。热处理的目的是提高工件的使用性能和寿命。还可以作为消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：1.3.1钢在加热时的组织转变在Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中，共析钢加热超过ＰＳＫ线（Ａ１）时，其组织完全转变为奥氏体。亚共析钢和过共析钢必须加热到ＧＳ线（Ａ３）和ＥＳ线（Ａｃｍ）以上才能全部转变为奥氏体。相图中的平衡临界点Ａ１、Ａ３、Ａｃｍ是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。但在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的。加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。为了区别于平衡临界点，通常将实际加热时各临界点标为Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ；实际冷却时各临界点标为Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ，任何成分的碳钢加热到相变点Ａｃ１以上都会发生珠光体向奥氏体转变，通常把这种转变过程称为奥氏体化。１．奥氏体的形成共析钢加热到Ａｃ１以上由珠光体全部转变为奥氏体第一阶段是奥氏体的形核与长大，第二阶段是剩余渗碳体的溶解，第三阶段是奥氏体成分均匀化。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，不同处在于亚共析钢、过共析钢在Ａｃ１稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为Ａｃ３、Ａｃｃｍ以上。２．奥氏体晶粒的长大及影响因素钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织则粗大。钢材晶粒细化，既能有效地提高强度，又能明显提高塑性和韧性，这是其它强化方法所不及的。（１）奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。（2）、影响奥氏体晶粒度的因素1）加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，A晶粒粗大。2）加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。快速加热，短时保温（高频感应淬火）.3）、钢的成分阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。1.3.2钢在冷却时的组织转变钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种。一种是等温冷却，另一种是连续冷却。１．过冷奥氏体的等温转变奥氏体一旦冷却到临界温度以下，则处于热力学的不稳定状态，称为“过冷奥氏体”。（１）过冷奥氏体的等温转变曲线共析钢的奥氏体在Ａ１温度以下不同温度范围内会发生三种不同类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。（２）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能１）珠光体转变———高温转变（Ａ１～５５０°Ｃ）在Ａ１～５５０°Ｃ温度区间，过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织，都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物。奥氏体向珠光体转变是一种扩散型相变，它通过铁、碳原子的扩散和晶格改组来实现。高温转变区虽然转变产物都是珠光体，但由于过冷度不同，铁素体和渗碳体的片层间距也不同。转变温度越低，即过冷度越大，片间距越小，其塑性变形抗力越大，强度、硬度越高。根据片间距的大小，将珠光体分为以下三种：ａ．珠光体过冷奥氏体在Ａ１～６５０°Ｃ之间等温转变，形成粗片状（片间距ｄ＞０．４μｍ）珠光体，一般在光学显微镜下放大５００倍才能分辨出片层状特征，其硬度大约在１７０～２３０ＨＢＳ左右，以符号Ｐ表示。ｂ．索氏体过冷奥氏体在６５０～６００°Ｃ之间等温转变为细片状（ｄ＝０．２～０．４μｍ）珠光体，称为索氏体，以符号Ｓ表示。它要在高倍（１０００倍以上）显微镜下才能分辨出片层状特征，硬度大约２３０～３２０ＨＢＳ左右。ｃ．屈氏体过冷奥氏体在６００～５５０°Ｃ之间等温转变为极细片状（ｄ＜０．２μｍ）珠光体，称为屈氏体，以符号Ｔ表示。它只能在电子显微镜下放大２０００倍以上才能分辨出片层状结构，硬度为３５～４０ＨＲＣ左右。上述珠光体、索氏体、屈氏体三种组织，在形态上只有厚薄片之分，并无本质区别，统称为珠光体型组织。２）贝氏体转变———中温转变（５５０°Ｃ～Ｍｓ）共析成分的奥氏体过冷到Ｃ曲线“鼻端”到Ｍｓ线的区域，即５５０～２３０°Ｃ的温度范围，将发生奥氏体向贝氏体转变。贝氏体以符号Ｂ表示。贝氏体是由过饱和碳的铁素体与碳化物组成的两相机械混合物。奥氏体向贝氏体转变时，由于转变温度低，即过冷度较大，此时铁原子已不能扩散，碳原子也只能进行短距离扩散，结果一部分碳以渗碳体或碳化物的形式析出，一部分仍留在铁素体中，形成过饱和铁素体，即得到贝氏体。贝氏体转变属于半扩散型转变，又称中温转变。常见的贝氏体组织形态有以下两种：ａ．上贝氏体（Ｂ上）过冷奥氏体在５５０～３５０°Ｃ范围内的转变产物，在显微镜下呈羽毛状，称为上贝氏体（Ｂ上）。它是由过饱和铁素体和渗碳体组成。其硬度约为４０～４５ＨＲＣ，但强度低、塑性差、脆性大，生产上很少采用。ｂ．下贝氏体（Ｂ下）过冷奥氏体在３５０°Ｃ～Ｍｓ温度范围内的转变产物为下贝氏体，在显微镜下呈暗黑色针状或竹叶状，称为下贝氏体（Ｂ下）。它是由过饱和铁素体和碳化物组成。下贝氏体具有高的强度和硬度（４５～５５ＨＲＣ），好的塑性、韧性。生产中采用等温淬火获得高强韧性的下贝氏体组织。３）马氏体转变———低温转变（＜Ｍｓ）奥氏体被迅速冷却至Ｍｓ温度以下便发生马氏体转变。马氏体以符号Ｍ表示。应指出，马氏体转变不属于等温转变，而是在极快的连续冷却过程（３）亚共析钢与过共析钢的过冷奥氏体的等温转变亚共析钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相铁素体，所以在Ｃ曲线上还有一条铁素体析出线，过共析钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相二次渗碳体，所以Ｃ曲线上还有一条二次渗碳体析出线。２．过冷奥氏体的连续冷却转变（１）连续冷却转变曲线在实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却中转变的，这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线，图１．３．７即为共析钢连续冷却转变曲线，没有出现贝氏体转变区，即共析钢连续冷却时得不到贝氏体组织。连续冷却转变的组织和性能取决于冷却速度。采用炉冷或空冷时，转变可以在高温区完成，得到的组织为珠光体和索氏体。采用油冷时，过冷奥氏体在高温下只有一部分转变为屈氏体，另一部分却要冷却到Ｍｓ点以下转变为马氏体组织，即得到屈氏体和马氏体的混合组织。采用水冷时，因冷却速度很快，冷却曲线不能与转变开始线相交，不形成珠光体组织，过冷到Ｍｓ点以下转变成为马氏体组织。ｖＫ是奥氏体全部过冷到Ｍｓ点以下转变为马氏体的最小冷却速度，通常叫作临界淬火冷却速度。（２）过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定困难，目前生产中，还常应用__图１．３．８是在共析钢的等温转变曲线上估计连续冷却时组织转变的情况。ｖ１冷却速度相当于炉冷，与等温冷却Ｃ曲线约交于７００～６５０°Ｃ附近，可以判断是发生珠光体转变，最终组织为珠光体，其硬度１７０～２３０ＨＢＳ；ｖ２冷却速度相当于空冷，大约在６５０～６００°Ｃ发生组织转变，可判断其转变产物是索氏体，２３０～３２０ＨＢＳ硬度；ｖ３冷却速度相当于油中淬火，一部分奥氏体转变为屈氏体，其余奥氏体在Ｍｓ点以下转变为马氏体，最终产物为屈氏体和马氏体，其硬度为４５～４７ＨＲＣ左右。ｖ４冷却速度相当于水中淬火，冷却至Ｍｓ点以下转变为马氏体，其硬度为６０～６５ＨＲＣ。３．马氏体转变当转变温度在Ｍｓ和Ｍｆ之间时，即有马氏体组织转变。马氏体的转变过冷度极大，转变温度很低，铁原子和碳原子的扩散被抑制，奥氏体向马氏体转变时只发生γ－Ｆｅ向α－Ｆｅ的晶格改组，而没有碳原子的扩散。因此，这种转变也称非扩散型转变。马氏体的碳质量分数就是转变前奥氏体中的碳质量分数，则马氏体实质上是碳在α－Ｆｅ中的过饱和固溶体。（１）马氏体的组织形态马氏体的组织形态因其碳的质量分数不同而异。通常有两种基本形态即片状马氏体与板条状马氏体。当奥氏体中ｗＣ＜０．２％，则形成板条状马氏体（低碳马氏体）。当ｗＣ＞１．０％，则为片状马氏体（高碳马氏体）。当１．０％≥ｗＣ≥０．２％时，为板条状马氏体＋片状马氏体。（２）马氏体的性能马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。随着马氏体中碳的质量分数增加，其强度与硬度也随之增加。马氏体强化的主要原因是由于过饱和碳原子引起的晶格畸变，即固溶强化。马氏体的塑性与韧性随碳的质量分数增高而急剧降低。板条状马氏体塑性、韧性相当好，是一种强韧性优良的组织。一般钢中，马氏体转变是在不断降温（Ｍｓ～Ｍｆ）中进行的，而且转变具有不完全性特点，转变后总有部分残余奥氏体存在。钢的碳质量分数越高，Ｍｓ、Ｍｆ温度越低，淬火后残余奥氏体（Ａ′）越多。随着碳的质量分数或合金元素（除Ｃｏ外）增加，马氏体转变点不断降低，碳的质量分数大于０．５％的碳钢和许多合金钢的Ｍｆ都在室温以下。如果将淬火工件冷到室温后，又随即放到零下温度的冷却介质中冷却（如干冰＋酒精、液态氧等），残余奥氏体将继续向马氏体转变，这种热处理工艺称冷处理。冷处理可达到增加硬度、耐磨性与稳定工件尺寸的目的。1.3.3钢的退火与正火预先热处理是消除坯料、半成品中的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。最终热处理是使工件获得所要求的性能。１．钢的退火（１）完全退火完全退火首先是把亚共析钢加热到Ａｃ３以上３０～５０°Ｃ，保温一段时间，随炉缓慢冷却（随炉或埋入干砂、石灰中），以获得接近平衡组织的热处理工艺。完全退火主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件等。其目的是细化晶粒，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性能等。（２）球化退火球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。一般球化退火是把过共析钢加热到Ａｃ１以上１０～２０°Ｃ，保温一定时间后缓慢冷却到６００°Ｃ以下出炉空冷的一种热处理工艺。球化退火的目的是使二次渗碳体及珠光体中片状渗碳体球状化，从而降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好组织准备。若钢原始组织中存在严重渗碳体网时，应采用正火将其消除后再进行球化退火。球化退火主要用于过共析成分的碳钢和合金工具钢。（４）均匀化退火均匀化退火是把合金钢铸锭或铸件加热到Ａｃ３以上１５０～２００°Ｃ，保温１０～１５ｈ后缓慢冷却的热处理工艺。由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒的严重粗化。因此一般还需要进行一次完全退火或正火。目的：为了消除铸造结晶过程中产生的枝晶偏析，使成分均匀化。（５）去应力退火去应力退火是为了去除锻件、焊件、铸件及机加工工件中内存的残余应力而进行的退火。应力退火将工件缓慢加热到Ａｃｌ以下１００～２００°Ｃ，保温一定时间后随炉慢冷至２００°Ｃ，再出炉冷却。去应力退火是一种无相变的退火。２．钢的正火将钢材或钢件加热到Ａｃ１或Ａｃｃｍ以上３０～５０°Ｃ，保温一定的时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火与退火的主要区别是：正火的冷却速度较快，过冷度较大，因此正火后所获得的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。正火是成本较低和生产率较高的热处理工艺。在生产中应用如下：（１）对于要求不高的结构零件，可作最终热处理正火可细化晶粒，正火后组织的力学性能较高。而大型或复杂零件淬火时，可能有开裂危险，所以正火可作为普通结构零件或大型、复杂零件的最终热处理。（２）改善低碳钢的切削加工性正火能减少低碳钢中先共析相铁素体，提高珠光体的量和细化晶粒。所以能提高低碳钢的硬度，改善其切削加工性。（３）作为中碳结构钢的较重要工件的预先热处理对于性能要求较高的中碳结构钢，正火可消除由于热加工造成的组织缺陷，且硬度还在１６０～２３０ＨＢＳ范围内，具有良好的切削加工性，并能减少工件在淬火时的变形与开裂，提高工件质量。为此，正火常作为较重要工件的预先热处理。（４）消除过共析钢中二次渗碳体网正火可消除过共析钢中二次渗碳体网，为球化退火作组织准备。１．３．４钢的淬火淬火是将钢件加