金属热处理原理及工艺-期末总结

淩亂°似流年 2024-03-17 14:27 49阅读 0赞

**正火**：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。  
**退火**：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺  
**固溶热处理**：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺  
**时效**：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。Al-4Cu合金在时效过程中，过饱和固溶体的各个沉淀阶段，其顺序可概括为： a过饱和®G.P.区q¢¢®过渡相q¢®过渡相q®(CuAl2)稳定相  
**固溶处理**：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型  
**时效处理**：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度**时效处理有自然时效和人工时效两种。**  
**淬火**：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺  
**回火**：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺

**调质处理**：将钢件淬火，随之进行高温回火，这种复合工艺称调质处理。

**表面热处理**：改变钢件表面组织或化学成分，以其改面表面性能的热处理工艺。

**表面淬火**：是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。

**化学热处理**：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺

**渗碳**：向钢的表面渗入碳原子，提高表面含碳量，提高材料表面硬度、抗疲劳性和耐磨性。  
**渗氮**：在工件表面渗入氮原子，形成一个富氮硬化层的过程。提高材料表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，且渗氮性能优于渗碳。  
**碳氮共渗**：碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点

**完全退火和等温退火**又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。  
**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。  
**去应力退火**又称低温退火（或高温回火），这种退火主要用来消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。

**铁素体(F)**1.组织: 碳在α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体2.特性: 呈体心立方晶格.溶碳能力最小,最大为0.02%;硬度和强度很低,HB=80-120,σb=250N/mm^2;而塑性和韧性很好,δ=50%,ψ=70-80%.因此,含铁素体多的钢材(软钢)中用来做可压、挤、冲板与耐冲击震动的机件.这类钢有超低碳钢,如 0Cr13,1Cr13、硅钢片等  
**奥氏体**1.组织: 碳在γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。2.特性:呈面心立方晶格.最高溶碳量为2.06%,在一般情况下,具有高的塑性,但强度和硬度低,HB=170-220,奥氏体组织除了在高温转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏体不锈钢等  
**渗碳体(C)**1.组织: 铁和碳的稳定化合物(Fe3C)  
2.特性: 呈复杂的八面体晶格.含碳量为6.67%,硬度很高,HRC70-75,耐磨,但脆性很大,因此,渗碳体不能单独应用,而总是与铁素体混合在一起.碳在铁中溶解度很小,所以在常温下,钢铁组织内大部分的碳都是  
以渗碳体或其他碳化物形式出现  
**珠光体(P)**1.组织; 铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%） 铁素体片和渗碳体

片交替排列的层状显微组织, 2.特性: 是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物.其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同,过冷程度越大,片层组织越细性质也不同.奥氏体在约600℃分解成的组织称为细珠光体(有的叫一次**索氏体**),在500-600℃分解转变成用光学显微镜不能分辨其片层状的组织称为极细珠光体(有的一次**屈氏体**),它们的硬度较铁素体和奥氏体高,而较渗碳体低,其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高.正火后的珠光体比退火后的珠光体组织细密,弥散度大,故其力学性能较好,但其片状渗碳体在钢材承受负荷时会引起应力集中,故不如索氏体  
**莱氏体(L)**1.组织: 渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%） 2.特性: 铁合金溶液含碳量在2.06%以上时,缓慢冷到1130℃便凝固出莱氏体.当温度到达共析温度莱氏体中的奥氏转变为珠光体.因此,在723℃以下莱氏体是珠光体与渗碳体机械混合物(共晶混合).莱氏体硬而脆(＞HB700),是一种较粗的组织,不能进行压力加工,如白口铁.在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢和Cr12型高合金工具钢等.这类钢一般有较大有耐磨性和较好的切削性

**淬火与马氏体**1.组织: 碳在α-Fe中的过饱和固溶体,显微组织呈针叶状2.特性:淬火后获得的不稳定组织.具有很高的硬度,而且随含碳量增加而提高,但含碳量超过0.6%后的硬度值基本不变,如含C0.8%的马氏体,硬度约为HRC65,冲击韧性很低,脆性  
很大,延伸率和断面收缩率几乎等于零.奥氏体晶粒愈大,马氏体针叶愈粗大,则冲击韧性愈低;淬火温度愈低,奥氏体晶粒愈细,得到的马氏体针叶非常细小,即无针状马氏组织,其韧性最高  
**回火马氏体(S)**1.组织: 与淬火马氏体硬度相近,而脆性略低的黑色针叶状组织  
2.特性:淬火钢重新加热到150-250℃回火获得的组织.硬度一般只比淬火马氏体低HRC1-3格,但内应力比淬火马氏体小  
**索氏体(S)**1.组织: 铁索体和较细的粒状渗碳体组成的组织2.特性:淬火钢重新加热到500-680℃回火后获得的组织.与细珠光体相比,在强度相同情冲下塑性及韧性都高,随回火温度提高,硬度和强度降低,冲击韧性提高.硬度约为HRC23-35.综合机械性能比较好.索氏体有的叫二次索氏体或回火索氏体

屈氏体屈氏体(T)组织或特性  
1.组织: 铁索体和更细的粒状渗碳体组成的组织2.特性:淬火钢重新加热到350-450℃回火后获得的组织.它的硬度和强度虽然比马氏体低,但因其组织很致密,仍具有较高的强度和硬度,并有比马氏体好的韧性和塑性,硬度约为HRC35-45.屈氏体有的叫二次屈氏体或回火屈氏体  
**下贝氏体(B)**1.组织: 显微组织呈黑色针状形态,其中的铁素体呈现针状,而碳化物呈现极小的质点以弥散状分布在针状铁素体内2.特性:过冷奥氏体在400-240℃等温度转变后的产物.具有较高的硬度,约为HRC40-55,良好的塑性和很高的冲击韧性,其综合机械性能比索氏体更好;因此,在要求较大的、韧性和高强度相配合时,常以含有适当合金元素的中碳结构钢等温淬火,获得贝氏体以改善钢的机械性能,并减小内应力和变形  
**低碳马氏体**具有高强度与良好的塑性、韧性相结合的特点(σb=1200-1600N/mm^2,  
σ0.2=1000-1300N/mm^2,δ5≥10%,ψ≥40%αk≥60J/cm^2); 同时还有低的冷脆转化温度(≤-60℃);在静载荷、疲劳及多次冲击载荷下,其缺口敏感度和过载敏感性都较低.  
低碳马氏体状态的20SiMn2MoVA综合力学性能,比中碳合金钢等温淬火获得的下贝氏体更好.保持了低碳钢的工艺性能,但切削加工较难.

**工艺**

**1.低碳钢及低碳合金钢制模具** 例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。  
**2.高合金渗碳钢制模具** 例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。  
**3.调质钢制模具** 例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。  
**4.碳素工具钢及合金工具钢制模具** 例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。  
**5.预硬钢制模具**   
例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

**氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。**适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴），高速柴油机曲轴、阀门等。由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。

**论述钢材在热处理过程中出现脆化现象的主要原因及解决方法。**

答：①过共析钢奥氏体化后冷却速度较慢出现网状二次渗碳体时，使钢的脆性增加，脆性的网状二次渗碳体在空间上把塑性相分割开，使其变形能力无从发挥。解决方法，重新加热正火，增加冷却速度，抑制脆性相的析出。②淬火马氏体在低温回火时会出现第一类回火脆性，高温回火时有第二类回火脆性，第一类回火脆性不可避免，第二类回火脆性，可重新加热到原来的回火温度，然后快冷恢复韧性。③工件等温淬火时出现上贝氏体时韧性降低，重新奥氏体化后降低等温温度得到下贝氏体可以解解。④奥氏体化温度过高，晶粒粗大韧性降低。如：过共析钢淬火温度偏高，晶粒粗大，获得粗大的片状马氏体时，韧性降低；奥氏体晶粒粗大，出现魏氏组织时脆性增加。通过细化晶粒可以解决。

**20CrMnTi 、40CrNiMo、60Si2Mn、T12属于哪类钢？含碳量为多少？钢中合金元素的主要作用是什么？****淬火加热温度范围是多少****？常采用的热处理工艺是什么？最终的组织是什么？性能如何？**

20CrMnTi为渗碳钢，含碳量为0.2%，最终热处理工艺是淬火加低温回火，得到回火马氏体，表面为高碳马氏体（渗碳后），强度、硬度高，耐磨性好；心部低碳马氏体（淬透）强韧性好。Mn与Cr 提高淬透性，强化基体，Ti阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。

40CrNiMo为调质钢，含碳量为0.4%，最终热处理工艺是淬火加高温回火，得到回火索氏体，具有良好的综合机械性能，Cr、Ni提高淬透性，强化基体，Ni提高钢的韧性，Mo细化晶粒，抑制第二类回火脆性。

60Si2Mn为弹簧钢，含碳量为0.6%，最终热处理工艺是淬火加中温回火，得到回火托氏体（或回火屈氏体），具有很高的弹性极限，Si、Mn提高淬透性，强化基体，Si提高回火稳定性。

T12钢为碳素工具钢钢，含碳量为1.2%，最终热处理工艺是淬火加低温回火，得到回火马氏体＋粒状Fe3C＋残余奥氏体（γ'），强度硬度高、耐磨性高，塑性、韧性差。

**用****T12钢（****锻后缓冷）****做一切削工具，工艺过程为：正火****→****球化退火****→机加工成形→淬火→低温回火。各热处理工艺的****目的是什么？得到什么组织？各种组织具有什么性能****。**

*  正火：消除网状的二次渗碳体，同时改善锻造组织、消除锻造应力，得到片状的珠光体，片状的珠光体硬度较高，塑性韧性较差。
 *  球化退火：将片状的珠光体变成粒状珠光体，降低硬度，便于机械加工；组织为粒状珠光体，这种组织塑性韧性较好，强度硬度较低。
 *  淬火：提高硬度、强度和耐磨性；组织为马氏体＋粒状碳化物＋残余奥氏体；这种组织具有高强度高硬度，塑性韧性差。
 *  低温回火：减少或消除淬火应力，提高塑形和韧性；组织为回火马氏体＋粒状碳化物＋残余奥氏体。回火组织有一定的塑性韧性，强度、硬度高，耐磨性高。

**什么是淬火？目的是什么？具体工艺有哪些？简述淬火加热温度的确定原则。**

把钢加热到临界点（Ac1或Ac3）以上保温并随之以大于临界冷却速度（Vc)冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。

淬火目的：提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性；结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能；此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。如提高磁钢的磁性，不锈钢淬火以消除第二相，从而改善其耐蚀性等。

具体工艺有：单液淬火法；中断淬火法(双淬火介质淬火法)；喷射淬火法；分级淬火法；等温淬火法。

淬火加热温度，主要根据钢的相变点来确定。对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3＋(30～50℃)，过共析钢则为Ac1＋(30～50℃)，合金钢一般比碳钢加热温度高。确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温度可选得高一些。另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。

**某车床主轴（****45****钢****）加工路线为**：

下料→锻造→正火→机械加工→淬火（淬透）→高温回火→花键高频表面淬火→低温回火→半精磨→人工时效→精磨。正火、淬火、高温回火、人工时效的目的是什么？花键高频表面淬火、低温回火的目的是什么？表面和心部的组织是什么？

正火处理是为了得到合适的硬度，以便切削加工，同时改善锻造组织，消除锻造应力。淬火是为了得到高强度的马氏体组织，高温回火是为了得到回火索氏体，淬火＋高温回火称为调质，目的是为使主轴得到良好的综合力学性能。人工时效主要是为了消除粗磨削加工时产生的残余应力。花键部分用高频淬火后低温回火是为了得到回火马氏体，增加耐磨性。表面为回火马氏体，心部为回火索氏体组织**。**

**低碳钢（15、20）、中碳钢（40、45）、共析钢（T8）获得良好综合力学性能的最终热处理工艺及组织。**

低碳钢：淬火加低温回火，组织为回火马氏体。中碳钢：淬火加高温回火，组织为回火索氏体。共析钢：等温淬火，组织为下贝氏体。

**三十九、正火、退火工艺选用的原则是什么？**

含0．25％C以下的钢，在没有其它热处理工序时，可用正火来提高强度。对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。对含碳0．25～0．50％的钢，一般采用正火。对含碳0．50～0．75％的钢，一般采用完全退火。含碳0．75～1．0％的钢，用来制造弹簧时采用完全退火作预备热处理，用来制造刀具时则采用球化退火。含碳大于1．0％的钢用于制造工具，均采用球化退火作预备热处理。

**珠光体****、****贝氏体****、****马氏体的特征、性能特点是什么？**

**片状****P****体**，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好；**粒状****P****体**，Fe3C颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；**片状与粒状相比，片状强度高，****塑性、韧性****差；上****贝氏体**为羽毛状，亚结构为位错，韧性差；**下贝氏体**为黑针状或竹叶状，亚结构为位错，位错密度高于上贝氏体，综合机械性能好；**低碳马氏体**为板条状，亚结构为位错，具有良好的综合机械性能；**高碳马氏体**为片状，亚结构为孪晶，强度硬度高，塑性和韧性差。

**常用的热处理方法**

**一、退火目的**：1、降低硬度，便于切削加工；2、细化晶粒，均匀组织，以改善钢件毛坯的机械性能，或者为下一步淬火做好准备；3、消除内应力具体工艺有：扩散退火、完全退火、不完全退火、球化退火、再结晶退火和消除应力退火。

**二、正火目的**是使低碳和中碳钢件及渗碳机件的组织细化，增加强度与韧性，减少内应力，改善切削性能。正火**实质**上是退火的一种特殊形式具有与退火相似的目的所不同的是冷却速度比退火快，可以缩短生产周期，比较经济。

**三、淬火目的**是提高钢件的硬度和强度。对于工具刚来说，淬火的主要目的是提高它的硬度，以保证刀具的切削性能和冲模工具及量具的耐磨性。有很多零件如齿轮、曲轴等，他们在工作时一方面要受磨，另一方面又要受到冲击作用，因此要求零件表面有很高的硬度，而中心有较好的韧性。这时可以利用**表面淬火**的方法来达到上述要求。表面淬火是应用将工件的表面迅速加热到淬火温度（这时金属内部的温度仍比较低），随后立即用水喷到工件表面上，进行急速冷却。这样就能获得表面硬、中心韧的要求。表面加热时，可用氧炔焰、高频电流或中频电流加热。

**四、回火目的**是消除淬火后的脆性和内应力，调整组织，提高钢件的塑性和冲击韧性。对于工具来说，是为了尽可能减少脆性保留硬度。对于零件来说是为了提高韧性，但不可避免的会使硬度降低。

**五、调质**淬火后高温回火，叫做调质。

**目的**是使钢件获得很高的韧性和足够的强度，使其具有良好的综合机械性能。很多重要零件如主轴、丝杠、齿轮等都是经过调质处理的。

调质一般是在零件机械加工后进行的，也可把锻坯或经过粗加工的光坯调质后再进行机械加工。