钢铁材料热处理及组织性能论文

钢铁材料热处理及组织性能论文摘要:钢铁材料的热处理是钢铁材料在固态下，通过适当的方式进行加热、保温和冷却，改变钢材内部组织结构，改善钢的性能，改善毛坯在后续工序中的工艺性能，使工件获得优良的使用性能，从而充分发挥钢材的潜力，扩大其应用范围。关键词：热处理，热处理时钢的组织，钢的热处理工艺背景简介：热处理是机械零件及工具制造过程中的重要工艺，它负担着改善钢铁材料组织和性能，充分发挥钢铁材料的潜力，提高和改善零件的使用性能和使用寿命的重要任务。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。中国是能源消耗大户，机械制造行业是其中很重要的一个组成部分。随着零部件、机械制造等重工业的不断发展，热处理对中国机械制造业的振兴和发展具有重要的支撑作用，而机械制造业的发展也必将带动中国热处理行业的快速发展，为中国热处理行业的发展提供广阔的发展空间，行业的发展前景广阔。一、热处理1、钢在加热时的组织转变对钢铁材料而言，大多数热处理工艺首先都要将工件加热到钢的临界点以上，使原始组织部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需要的性能。钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体的过程称为钢的加热转变，即奥氏体化。加热时形成的奥氏体的质量（成分均匀性及晶粒大小等），对冷却转变过程及组织、性能有极大影响。钢在加热时奥氏体晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能，晶粒小，冷却后组织也细小，反之，组织则粗大。钢材晶粒细化，既能有效的提高强度，又能明显提高塑性和韧性，因此，获得细的奥氏体晶粒，对工件使用性能和质量都具有重要意义。细化奥氏体晶粒的措施：（1）、合理选择加热温度和保温时间（2）、合理选择钢的原始组织（3）、加入一定量的合金元素（4）、采用重结晶处理2、钢在冷却时的组织转变钢的奥氏体化不是热处理的最终目的，而是为了随后的冷却转变做组织准备。因为大多数机械构件都在室温下工作，且钢件性能最终却决于奥氏体（A）冷却转变后的组织类型。实践证明，同一化学成分的钢材，加热到奥氏体状态后，若采用不同的冷却方法和冷却速度进行冷却，将得到形态不同的各种组织，从而获得不同的性能（见下表）。w（C)=0.45%的非合金钢加热到840℃，以不同方法冷却后的力学性能冷却方法Rm/MPaRe/MPaA11.3(%)Z(%)硬度炉内暖冷53028032.549.3160～200HBW空气冷却670～72034015～1845～50170～240HBW水中冷却10007207～812～1452～58HRC因此，研究钢材在冷却时的相变规律，对制定热处理工艺有着重要的意义。3、钢的过冷奥氏体转变（1）珠光体转变共析钢过冷奥氏体在C曲线A1线至鼻温之间较高温度范围内等温停留时，将发生珠光体转变。珠光体是由铁素体和渗碳体组成的双相组织。珠光体在光学显微镜下呈现珍珠般的光泽，故称为珠光体。按渗碳体的形态，珠光体可主要分为片状珠光体和粒状珠光体两种，前者渗碳体呈片状，后者呈粒状。片状珠光体的力学性能主要取决于珠光体的片间距。共析钢珠光体的硬度和断裂强度均随片间距的缩小而增大。片间距越小，单位体积钢中铁素体和渗碳体的相界面越多，对位错运动的阻碍越大，即塑性变形抗力越大，因而硬度和强度都增高。在成分相同的情况下，与片状珠光体相比，粒状珠光体的强度、硬度稍低，但塑性较好，粒状珠光体的疲劳强度也比片状珠光体高。此外，粒状珠光体的冷变性能、可加工性能以及加热淬火时的变形、开裂倾向都比片状珠光体要好，而且，钢中含碳量越高，片状珠光体的工艺性能越差。所以，高碳钢具有粒状珠光体组织，才利于切削加工和淬火；中碳和低碳钢的冷挤压成型加工也要求具有粒状珠光体的原始组织。粒状珠光体的性能还取决于碳化物颗粒的大小、形态和分布。一般来说，碳化物颗粒越细、形态越接近等轴，分布越均匀，韧性越好。（2）、马氏体转变将钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下（低于Ms点）发生无扩散相变称为马氏体（M）相变。钢中马氏体最主要的特点是高的硬度和强度。一般认为马氏体硬而脆，韧性很低，但实际上马氏体的韧性取决于其含碳量和亚结构，可以在很大范围内变化。（3）、贝氏体转变钢在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以上的温度范围内，过冷奥氏体将发生贝氏体转变，又称中温转变。贝氏体转变在生产上很重要，贝氏体，特别是下贝氏体具有优良的综合力学性能。生产上，钢从奥氏体状态快速冷却到贝氏体转变温度区发生恒温转变的等温淬火工艺就是为了得到贝氏体组织。因此，对贝氏体的组织、性能及其转变特点进行研究和了解，不仅具有理论上的意义，而且具有重要的应用价值。影响贝氏体强度的因素有以下几个：①贝氏体铁素体的粗细②碳化物颗粒大小与分布③铁素体过饱和度及位错密度总之，贝氏体形成温度越低，强度越高。二、钢的热处理工艺1、钢的退火与正火退火与正火是应用非常广泛的热处理方法，主要用于铸、锻、焊毛坯加工前的预备热处理，以消除前一道工序所带来的某些缺陷，还可以改善机械零件毛坯的切削加工性能，也可以用于性能要求不高的机械零件的最终热处理。退火的目的：①降低硬度，提高塑性，以利于切削加工或继续冷变形。②细化晶粒，消除组织缺陷，改善刚的性能，并为最终热处理做组织准备。③消除内应力，稳定工作尺寸，防止变形开裂。退火的方法：Ⅰ.完全退火完全退火是一种将钢加热到Ae3以上30℃～50℃，保温一定时间，缓慢冷却（随炉或埋入石灰和砂中冷却）至500℃以下，然后在空气中完全冷却，一伙的接近平衡状态组织的热处理工艺。Ⅱ.球化退火球化退火是将钢加热到Ac1以上20℃～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢(如制造刃具，量具，模具所用的钢种)。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。这种工艺有利于塑性加工和切削加工，还能提高机械韧性。Ⅲ.去应力退火去应力退火是将工件加热到Ac1以下的适当温度（一般取500℃～650℃），保温一定时间后随炉缓慢冷却到200℃～300℃以下，最后出炉在空气中冷却的工艺方法。其目的是为了去除由于机械加工、变形加工、铸造、锻造、热处理以及焊接后等产生的残余应力。2、淬火与回火（1）、淬火淬火是将钢加热到临界温度Ac3或Ac1以上温度，保温一段时间，然后以大于临界冷却速度的冷速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。在对金属进行淬火处理时，需要将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却。淬火方法：①单介质淬火②双介质淬火③马氏体分级淬火④贝氏体等温淬火（1）、回火回火的主要目的：①改变强度，硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。②使不稳定的淬火组织M和残余A转变为稳定组织，保证工件不再发生形状和尺寸的改变。③消除淬火的内应力，防止进一步变形和开裂。依据加热温度不同，回火分为：低温回火：加热温度150～200℃。淬火产生的马氏体保持不变，但是钢的脆性降低，淬火应力降低。主要用于工具、滚动轴承、渗碳零件和表面淬火零件等要求高硬度的零件。中温回火：加热温度350～500℃。回火组织为针状铁素体和细粒状渗碳体（FeC）的混合物，称为回火屈氏体。中温回火能获得较高的弹性极限和韧性，主要用于弹簧和热作磨具回火。高温回火：加热温度500～600℃。淬火加高温回火的连续工艺称为调质处理。高温回火组织为多边形的铁素体（ferrite）和细粒状渗碳体（FeC）的混合组织，称为回火索氏体。高温回火为了得到强度、硬度和塑性韧性等性能的均衡状态，主要用于重要结构零件的热处理，如轴、齿轮、曲轴等。参考文献：王毅坚，索忠源·《金属学及热处理》·北京：化学工业出版社，2014.2.·P141～212。王英杰·《金属材料及热处理（第二版）》·北京：机械工业出版社，2015.5.·P69～86。吕广庶，张元明·《工程材料及成型技术基础（第二版）》·北京：高等教育出版社，2011.6.（2013.12.重印）·P75～94。张兆隆，李彩凤·《金属工艺学》·北京：北京理工大学出版社，2013.1.·P53～61。陈培里·《工程材料及热加工（第二版）》·北京：高等教育出版社，2015.11.·P57～84。