热处理（heat treatment）钢将在固态下，通过适当的方式进行加热、保温和冷却，以改变材料内部组织结构，从而改善材料性能（工艺性能和使用性能）的一种工艺方法。 热处理起作用的主要因素：时间和温度,3-1 钢的热处理,热处理工艺曲线,热处理与其它加工方法特点： 它只改变金属材料的组织和性能，而不以改变其形状和尺寸为目的。热处理的作用日趋重要： 因为现代机器制造对金属材料的性能不断提出更高的要求，如果完全依赖原材料的原始性能来满足这些要求，常常是不经济的，甚至是不可能的。热处理可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性，同时，还可改善毛坯或原材料切削性能，使之易于加工。热处理是改善原材料或毛坯的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。 热处理在机械制造业中的应用日益广泛。 在机床制造中要进行热处理的零件占6070； 在汽车、拖拉机制造中占7080； 在各类工具(刃具、模具、量具等)和滚动轴承制造中，100的需要进行热处理。,热处理的工艺方法,热处理工艺的依据,铁碳合金状态图,大多数热处理是要将钢加热到临界温度以上，使原有组织转变为均匀的奥氏体后，再以不同的冷却方式转变成不同的组织，并获得所需要的性能。,铁碳合金状态图中组织转变的临界温度曲线A1、A3、Acm，是在极其缓慢地加热或冷却条件下测定出来的，而在热处理中的加热和冷却大多不是极其缓慢的，故实际转变温度比状态图上的临界温度有一定的滞后现象，也就是通常所说的需要有一定的过热或过冷，转变才能充分进行。为了便于热处理时使用铁碳合金状态图，通常将加热时实际临界温度的位置用Ac1、Ac3、Acm表示；将冷却时实际临界温度的位置用Ar1、Ar3、Arcm表示，,32 退火和正火,一、退火 退火是将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋人灰中使其缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火的目的：退火主要用于铸件、锻件、焊件及其它毛坯的预备热处理。 (1)降低硬度，以利于切削加工或其它种类加工； (2)细化晶粒，提高钢的塑性和韧性； (3)消除内应力，并为淬火工序作好准备。,根据退火的具体目的不同，工艺方法有：(1)完全退火 (2)球化退火 (3)低温退火,(1)完全退火,概念：将亚共析钢加热到Ac以上3050，保温后缓慢冷却。为了提高生产率，也可在缓慢冷却到500以下时从炉内取出，使其在空气中冷却到室温。 完全退火主要用途：铸钢件和重要锻件，有时也用于淬火返修件。因为铸钢件铸态下晶粒粗大，塑性、韧性较低；锻件因锻造时变形不均匀，外部和内部温差大，致使晶粒和组织不均，且有内应力，故硬度偏高，塑性、韧性不足，容易产生裂纹和变形。上述问题可通过完全退火来解决。 完全退火的原理：钢件被加热到Ac3以上时，呈完全奥氏体状态。由于初始形成的奥氏体晶粒非常细小，待经过Ar3线缓慢冷却时，通过“重结晶”使钢件获得细小晶粒，并消除了内应力。,注意：必须严格控制退火加热温度，若加热温度过高，则奥氏体晶 粒将急剧长大，冷却后仍然是粗大晶粒。,(2)球化退火主要用于过共析钢锻件,球化退火的目的 降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好准备。过共析钢经过锻造以后，其珠光体晶粒粗大，且存有少量网状二次渗碳体，致使硬度高、脆性大，进行切削加工时易磨损刀具，淬火时容易产生裂纹和变形，这些问题可通过球化退火予以解决。 球化退火的原理 球化退火时，将钢加热到Acl以上2030，此时，初始形成的奥氏体内及其晶界上尚存有少量未完全溶解的渗碳体。在随后的冷却过程中，从奥氏体中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出，分布在铁素体基体之上，这种组织称为球化体。它是人们对淬火前过共析钢最期望的组织，因为车削片状珠光体时，容易磨损刀具，而球状珠光体硬度低，节省刀具。,(3)低温退火,概念：它是将钢加热到Ac1以下，保温后缓冷。由于加热温度低于临界温度，因而钢未发生组织转变。 应力退火 当退火主要用于消除工件内应力时，称为去应力退火。此时将工件加热到500650，进行较长时间保温，通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。去应力退火主要用于部分铸件、锻件及焊件，有时也用于精密零件的切削加工，以去除粗加工所产生的内应力，防止工件产生变形。 再结晶退火 低温退火在用于消除冷变形(冷拔、冷轧、冷冲等)所产生的加工硬化时，称为再结晶退火。再结晶退火的加热温度应为钢的再结晶温度以上150250，即650750，保温后空冷。再结晶退火时，通过“再结晶”可获得均匀而细小的等轴晶粒，从而降低硬度，恢复塑性，以便继续进行上述的冷变形。,正火：加热AC3（亚共析钢）或ACcm（共析、过共析钢）以上3050 保温空冷索氏体组织（S） 正火和完全退火的作用相似。 它也是将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶，从而解决铸钢件、锻件的粗大晶粒和组织不均问题。但正火比退火的冷却速度稍快，所形成的(FFe3C)机械混合物比退火得到的珠光体片层更薄，这种细珠光体组织习惯上称为“索氏体”。索氏体的强度、硬度较珠光体高，但韧性并未下降。 正火目的 1.取代部分完全退火。 正火是在炉外冷却，占用设备时间短，生产率高，故应尽量用正火取代退火(如低碳钢和含碳较低的中碳钢)。必须看到，含碳较高的钢，正火后硬度过高，使切削加工性变差，且正火难以消除内应力，因此，中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。 2.用于普通结构件的最终热处理 3. 为球化退火作准备。 用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火作准备。,二、正火（normalizing）,第三节 淬火和回火,一、淬火 淬火是将钢加热到Ac3或Acl以上3050，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。 现以共析钢为例，分析淬火时钢的组织转变。如前所述，共析钢被加热到Ac1以上，将全部转变成奥氏体。奥氏体若在缓慢冷却条件下，经过S点时将转变成铁素体和渗碳体的机械混合物珠光体。然而，淬火时的冷却速度极快，奥氏体仅能发生-Fe向-Fe的同素异晶转变，而-Fe中的过饱和碳原子在低温下却难以从晶格内扩散出去，这样就形成了碳在-Fe中的严重过饱和固溶体，这种严重过饱和固溶体称作马氏体，以符号“M”表示。 马氏体中的碳在-Fe的晶格中严重过饱和，致使晶格发生严重的畸变，增加了变形的抗力，因此马氏体通常具有高的硬度和耐磨性，但塑性和韧性很差。马氏体的实际硬度与钢的含碳量密切相关。含碳愈高，晶格畸变加大，钢的硬度愈高，因此，要求高硬度和高耐磨性的工件多采用中、高碳钢来制造。,马氏体的比容比奥氏体大，致使形成马氏体过程中将伴随着体积膨胀，于是造成淬火内应力。同时，马氏体含碳愈高，脆性愈大，这些都使工件在淬火时容易产生裂纹或变形。为防止上述缺陷的产生，除选用适合的钢材和正确的结构外，在工艺上还应采取如下措施：(1)严格控制淬火加热温度。若淬火加热温度不足，因未能完全形成奥氏体，致使淬火后的组织中除马氏体外，还残存有少量铁素体，使钢的硬度不足。若淬火加热温度过高，因奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体晶粒也粗大，会增加钢的脆性，致使工件产生裂纹、变形倾向。(2)合理选择淬火介质。淬火时工件的快速冷却是依靠淬火介质来实现的。水和油是最常用的淬火介质。水的冷却能力强，使钢易于获得马氏体，但工件的淬火内应力大，易产生裂纹和变形。油的冷却能力较水低，工件不易产生裂纹和变形，但用于碳钢件淬火时难以使马氏体转变充分。通常，碳素钢应在水中淬火；合金钢则因淬透性较好，以在油中淬火为宜。(3)正确选择淬火方法。采用适合的淬火方法也可有效地防止工件产生裂纹和变形。生产中最常用的是单介质淬火法，它是在一种淬火介质中连续冷却到室温。单介质淬火法操作简单，便于实现机械化和自动化生产，故应用最广。对于容易产生裂纹、变形的工件，有时采用先水后油的双介质淬火法或分级淬火等其它淬火法。,二、回火,回火：将淬火钢重新加热到Acl以下某温度，保温后冷却的热处理工艺，称为回火。 回火的主要目的：消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。 原理：淬火所形成的马氏体是在快速冷却条件下被强制形成的不稳定组织，因而具有重新转变成稳定组织的自发趋势。回火时，由于被重新加热，原子活动能力加强，所以随着温度的升高，马氏体中过饱和的碳将以碳化物形式析出。总的趋势是回火温度愈高，析出的碳化物愈多，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性升高。,根据回火温度的不同，可将钢的回火分为如下三种：(1)低温回火(150250)：目的是降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火所获得的高硬度(5664HRC)和高的耐磨性。淬火后低温回火用途最广，主要用于工具钢的热处理，如各种刃具、模具、滚动轴承和耐磨件等。(2)中温回火(350500)：目的是使钢获得高弹性，保持较高硬度(3550HRC)和一定的韧性。中温回火主要用于各种弹簧、发条、锻模等。(3)高温回火(500650)：淬火后高温回火的热处理合称调质处理。调质处理广泛用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。其硬度为2035HRC。这是由于调质处理后其渗碳体呈细粒状(细球状)，与正火后的片状渗碳体组织相比。在载荷下不易产生应力集中，使钢的韧性显著提高，因此，调质处理的钢可获得强度及韧性都较好的综合力学性能。,第四节 表面淬火和化学热处理,一、表面淬火 表面淬火：是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。表面淬火时通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。 表面淬火的目的：在于获得高硬度、高耐磨性的表层，而心部仍保持原有的良好韧性，常用十机床主轴、齿轮，发动机的曲轴等。 表面淬火所采用的快速加热方法： 多种。 如电感应、火焰、电接触、激光等，目前应用最广的是电感应加热法。,感应加热表面淬火法就是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电(有高频、中频、工频三种)，使感应圈周围产生频率相同的交变磁场，置于磁场之中的工件就会产生与感应线圈频率相同、，方向相反的感应电流，这个电流叫作涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件表层。涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件喷水，将工件表层淬硬。 感应电流的频率愈高，集肤效应愈强烈，故高频感应加热用途最广。高频感应加热常用频率为200300kHz，其加热速度极快，通常只有几秒钟，淬硬层深度一般为0.52mm。主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件，如齿轮、轴等。,二、化学热处理,化学热处理：是将工件置于一定的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。改变表面成分组织和性能改变作用：提高工件表面硬度、耐磨性，耐热、耐蚀等。化学热处理的种类：依照渗入元素的不同，有渗碳、渗氮、碳氮共渗等，以适用于不同的场合，其中以渗碳应用最广。渗碳 是向钢的表层渗入碳原子。渗碳时，通常是将钢件放人密闭的渗碳炉中，通人气体渗碳剂(如煤油等)，加热到900950，经较长时间的保温，使工件表层增碳。渗碳件都是低碳钢或低碳合金钢。渗碳后工件表层的含碳量将增到1左右，经淬火和低温回火后，表层硬度达5664liP,c，因而耐磨；而心部因仍然是低碳钢，故保持其良好的塑性和韧性。可以看出，渗碳工艺可使工件具有外硬内韧的性能。 渗碳主要用于既受强烈摩擦、又承受冲击或疲劳载荷的工件。如汽车变速箱齿轮、活塞销、凸轮、自行车和缝纫机零件等。,作业,(2)亚共析钢的淬火温度为何是Ac3+(3050)?过高或过低有什么弊端? (3)碳钢在油中淬火的后果如何?为什么合金钢通常不在水中淬火? (4)钢在淬火后为什么要回火?三种类型回火的用途有何不同?汽车发动机缸盖螺钉要采用哪种回火?为什么?,