固態鋼材熱處理研究論文

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鋼的熱處理：是將固態鋼材采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結構與性能的工藝。熱處理不僅可用于強化鋼材，提高機械零件的使用性能，而且還可以用于改善鋼材的工藝性能。其共同點是：只改變內部組織結構，不改變表面形狀與尺寸。

第一節鋼的熱處理原理

熱處理的目的是改變鋼的內部組織結構，以改善鋼的性能，通過適當的熱處理可以顯著提高鋼的機械性能，延長機器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結構重量、節省和能源，而且能夠提高機械產品質量、大幅度延長機器零件的使用壽命。

熱處理工藝分類：（根據熱處理的目的、要求和工藝方法的不同分類如下）

1、整體熱處理：包括退火、正火、淬火、回火和調質；

2、表面熱處理：包括表面淬火、物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)等；

3、化學熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。

熱處理的三階段：加熱、保溫、冷卻

一、鋼在加熱時的轉變

加熱的目的：使鋼奧氏體化

（一）奧氏體（A）的形成

奧氏體晶核的形成以共析鋼為例A1點則Wc＝0.0218％（體心立方晶格F）Wc＝6.69％（復雜斜方滲碳體）當T上升到Ac1后Wc＝0.77％（面心立方的A）由此可見轉變過程中必須經過C和Fe原子的擴散，必須進行鐵原子的晶格改組，即發生相變，A在鐵素體和滲碳體的相界面上形成。有兩個有利條件①此相界面上成分介于鐵素體和滲碳體之間②原子排列不規則，空位和位錯密度高。

珠光體向奧氏體轉變示意圖

a)形核b)長大c)剩余滲碳體溶解d)奧氏體均勻化

（二）奧氏體晶粒的長大

奧氏體大小用奧氏體晶粒度來表示。分為00，0，1，2…10等十二個等級，其中常用的1～10級，4級以下為粗晶粒，5-8級為細晶粒，8級以上為超細晶粒。

影響A晶粒粗大因素

1、加熱溫度越高，保溫時間愈長，奧氏體晶粒越粗大。因此，合理選擇加熱和保溫時間。以保證獲得細小均勻的奧氏體組織。（930～950℃以下加熱，晶粒長大的傾向小，便于熱處理）

2、A中C含量上升則晶粒長大的傾向大。

二、鋼在冷卻時的轉變

生產中采用的冷卻方式有：等溫冷卻和連續冷卻

（一）過冷奧氏體的等溫轉變

A在相變點A1以上是穩定相，冷卻至A1以下就成了不穩定相。

1、共析碳鋼奧氏體等溫轉變產物的組織和性能

共析鋼過冷奧氏體等溫

轉變曲線的建立示意圖

1）高溫珠光體型轉變：A1～550℃

（1）珠光體（P）A1～650℃粗層狀約0.3μm<25HRC

（2）索氏體（S）650～600℃細層狀0.1～0.3μm，25～35HRC

（3）屈氏體（T）600～550℃極細層狀約0.1μm，35～40HRC

2）中溫貝氏體型轉變：550℃～Ms

（1）上貝氏體（B上）550～350℃羽毛狀40～45HRC脆性大，無使用價值

（2）下貝氏體（B下）350~Ms黑色針狀45～55HRC韌性好，綜合力學性能好

（3）低溫馬氏體型轉變：Ms～Mf當A被迅速過冷至Ms以下時，則發生馬氏體（M）轉變，主要形態是板條狀和片狀。（當Wc＜0.2％時，呈板條狀，當Wc＞1.0％呈針片狀，當Wc＝0.2％～1.0％時，呈針片狀和板條狀的混合物）

（二）過冷奧氏體的連續冷卻轉變

1．共析碳鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變產物的組織和性能

（1）隨爐冷P170～220HBS（700～650℃）

（2）空冷S25～35HRC（650～600℃）

\共析碳鋼連續冷卻轉變曲線應用等溫轉變曲線分析奧氏體在連續冷卻中的轉變

2．馬氏體轉變

當冷速>馬氏體臨界冷卻速度VK時，奧氏體發生M轉變，即碳溶于α—Fe中的過飽和固溶體，稱為M（馬氏體）。

1）轉變特點：M轉變是在一定溫度范圍內進行（Ms～Mf）,M轉變是在一個非擴散型轉變(碳、鐵原子不能擴散）,M轉變速度極快（大于Vk）,M轉變具有不完全性（少量的殘A）,M轉變只有α－Fe、γ－Fe的晶格轉變.

（2）M的組織形態

Wc（％）M形態σb/Mpaσs/MPaδ(%)Ak/JHRC

0.1-0.25板條狀1020－1530820－13309－1760－18030－50

0.77片狀2350204011066

(3)M的力學性能

①M的強度與硬度隨C的上升M的硬度、強度上升

②M的塑性與韌性：低碳板條狀M良好；板條狀M具有較高的強度、硬度和較好塑性和韌性相配合的綜合力學性能；針片狀M比板條M具有更高硬度，但脆性較大，塑、韌性較差。

第二節鋼的退火

1、概念：將鋼件加熱到適當溫度(Ac1以上或以下)，保持一定時間，然后緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態組織的熱處理工藝稱為退火。

2、目的：

（1）降低硬度，提高塑性，

（2）細化晶粒，消除組織缺陷

（3）消除內應力

（4）為淬火作好組織準備

3、類型：根據加熱溫度可分為在臨界溫度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火，前者又稱相變重結晶退火，包括完全退火、擴散退火、均勻化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再結晶退火及去應力退火。

（1）完全退火：

1）概念：將亞共析鋼（Wc＝0.3％～0.6％）加熱到AC3+（30～50）℃，完全奧氏體化后，保溫緩冷（隨爐、埋入砂、石灰中），以獲得接衡狀態的組織的熱處理工藝稱為完全退火。

2）目的：細化晶粒、均勻組織、消除內應力、降低硬度、改善切削加工性能。

3）工藝：完全退火采用隨

爐緩冷可以保證先共析鐵素體的析出和過冷奧氏體在Ar1以下較主溫度范圍內轉變為珠光體。工件在退火溫度下的保溫時間不僅要使工件燒透，即工件心部達到要求的加熱溫度，而且要保證全部看到均勻化的奧氏體，達到完全重結晶。完全退火保溫時間與鋼材成分、工件厚度、裝爐量和裝爐方式等因素有關。實際生產時，為了提高生產率，退火冷卻至600℃左右即可出爐空冷。

4）適用范圍：中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛、軋制件等。

（2）球化退火

1）概念：使鋼中碳化物球狀化而進行的退火工藝稱為球化退火。

2）工藝：一般球化退火工藝Ac1+(10～20)℃隨爐冷至500～600℃空冷。

3）目的：降低硬度、改善組織、提高塑性和切削加工性能。

4）適用范圍：主要用于共析鋼、過共析鋼的刃具、量具、模具等。

（3）均勻化退火（擴散退火）

1）工藝：把合金鋼鑄錠或鑄件加熱到Ac3以上150～100℃，保溫10～15h后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現象的熱處理工藝。

2）目的：消除結晶過程中的枝晶偏析，使成分均勻化。由于加熱溫度高、時間長，會引起奧氏體晶粒嚴重粗化，因此一般還需要進行一次完全退火或正火，以細化晶粒、消除過熱缺陷。

3）適用范圍：主要用于質量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件。

4）注意：高溫擴散退火生產周期長，消耗能量大，工件氧化、脫碳嚴重，成本很高。只是一些優質合金鋼及偏析較嚴重的合金鋼鑄件及鋼錠才使用這種工藝。對于一般尺寸不大的鑄件或碳鋼鑄件，因其偏析程度較輕，可采用完全退火來細化晶粒，消除鑄造應力。

（4）去應力退火

1)概念：為去除由于塑性變形加工、焊接等而造成的應力以及鑄件內存在的殘余應力而進行的退火稱為去應力退火。

2)工藝：將工件緩慢加熱到Ac1以下100～200℃（500～600℃）保溫一定時間（1～3h）后隨爐緩冷至200℃，再出爐冷卻。

鋼的一般在500～600℃；鑄鐵一般在500～550℃超過550℃容易造成珠光體的石墨化；焊接件一般為500～600℃。

3）適用范圍：消除鑄、鍛、焊件，冷沖壓件以及機加工工件中的殘余應力，以穩定鋼件的尺寸，減少變形，防止開裂。

第三節鋼的正火

1、概念：將鋼件加熱到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保溫適當時間后；在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。

2、目的：細化晶粒，均勻組織，調整硬度等。

3、組織：共析鋼P、亞共析鋼F+P、過共析鋼Fe3CⅡ＋P

4、工藝：正火保溫時間和完全退火相同，應以工件透燒，即心部達到要求的加熱溫度為準，還應考慮鋼材、原始組織、裝爐量和加熱設備等因素。正火冷卻方式最常用的是將鋼件從加熱爐中取出在空氣中自然冷卻。對于大件也可采用吹風、噴霧和調節鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度，達到要求的組織和性能。

5、應用范圍：

1）改善鋼的切削加工性能。碳的含量低于0.25％的碳素鋼和低合金鋼，退火后硬度較低，切削加工時易于“粘刀”，通過正火處理，可以減少自由鐵素體，獲得細片狀P，使硬度提高，改善鋼的切削加工性，提高刀具的壽命和工件的表面光潔程度。

2）消除熱加工缺陷。中碳結構鋼鑄、鍛、軋件以及焊接件在加熱加工后易出現粗大晶粒等過熱缺陷和帶狀組織。通過正火處理可以消除這些缺陷組織，達到細化晶粒、均勻組織、消除內應力的目的。

3）消除過共析鋼的網狀碳化物，便于球化退火。過共析鋼在淬火之前要進行球化退火，以便于機械加工并為淬火作好組織準備。但當過共析鋼中存在嚴重網狀碳化物時，將達不到良好的球化效果。通過正火處理可以消除網狀碳化物。

4）提高普通結構零件的機械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼零件采用正火處理，達到一定的綜合力學性能，可以代替調質處理，作為零件的最終熱處理。第四節鋼的淬火

1、定義：將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時間。然后以適當速度冷卻獲得M或B組織的熱處理工藝。2、目的：顯著提高鋼的強度和硬度。

3、淬火溫度的選擇

1）碳鋼的淬火加熱溫度由Fe－Fe3C相圖來確定，其目的是為了①淬火后得到全部細小的M；②淬火后希望硬度高。

①亞共析鋼Ac3+(30～50)℃,可獲得細小的均勻的M，如溫度過高則有晶粒粗化現象，淬火后獲得粗大的M，使鋼的脆性增大；如溫度過低則淬火后M+F，有鐵素體出現，淬火硬度不足。

②共析鋼與過共析鋼Ac1+(30～50)℃，由于有高硬度的滲碳體和M存在，能保證得到高的硬度和耐磨性。如果加熱溫度超過Accm將會使碳化物全部溶入A中，使A中的含碳量增加，淬火后殘余奧氏體量增多，降低鋼的硬度和耐磨性；淬火溫度過高，奧氏體晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有顯微裂紋的粗片狀馬氏體，使鋼的脆性增大。

2）合金鋼

①對含有阻礙奧氏體晶粒長大的強碳化物形成元素（如Ti、Nb等），淬火溫度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，獲得較好的淬火效果.

②對含有促進奧氏體晶粒長大的元素（如Mn等），淬火加熱溫度應低一些，以防止晶粒粗大。

理想冷卻速度：650℃以上應當慢冷，以盡量降低淬火熱應力。650～400℃之間應當快速冷卻，以通過過冷奧氏體最不穩定的區域，避免發生珠光體或貝氏體轉變。400以下至Ms點附近應當緩以盡量減小馬氏體轉變時產生的組織應力。具有這種冷卻特性的冷卻介質可以保證在獲得M組織條件下減少淬火應力、避免工件產生變形或開裂。

4、淬火介質

淬火介質：鋼從奧氏體狀態冷至Ms點以下所用的冷卻介質。常用的有三種：

水：650～400℃范圍內冷卻速度較小，不超過200℃/s，但在需要慢冷的馬氏體轉變溫度區，其冷卻速度又太大，在340℃最大冷卻速度高達775℃/s，很容易引起工件變形和開裂。此外，水溫對水的冷卻特性影響很大，水溫升高，高溫區的冷卻速度顯著下降，而低溫區的冷卻速度仍然很高。因此淬火時水溫不應超過30℃，加強水循環和工件的攪動可以加速工件在高溫區的冷卻速度。水雖不是理想淬火介質，但卻適用于尺寸不大、形狀簡單的碳鋼工件淬火。

油：在650～550℃內冷卻較慢，不適用于碳鋼，300～200℃范圍內冷很慢，有利于淬火工件的組織應力，減少工件變形和開裂傾向。與水相反，提高油溫可以降低粘度，增加流動性，故可以提高高溫區的冷卻能力。但是油溫過高易著火，一般應控制在60～80℃。適用于對過冷奧氏體比較穩定的合金鋼。

水與油作為淬火介質各有優缺點，但均不是屬于理想的冷卻介質。水的冷卻能力很大，但冷卻特性不好；油冷卻特性較好，但其冷卻能力又低。由于水是價廉、容易獲得、性能穩定的淬火介質，因此

目前世界各國都在發展有機水溶液作為淬火介質。美國應用濃度為15％聚乙烯醇、0.4％抗粘附劑、0.1％防泡劑的淬火介質，以及國內使用比較廣泛的新型淬火介質有過飽和硝鹽水溶液等。它們的共同特點是冷卻能力介于水、油之間，接近于理想淬火介質。主要用于貝氏體等溫淬火，馬氏體分級淬火，常用于處理形狀復雜、尺寸較小和變形要求嚴格的工件。

5、淬火方法（常用的淬火方法：單介質淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火）

1、單介質淬火

優點：操作簡單、易實現機械化、應用廣泛。

缺點：水中淬火變形與開裂傾向大；油中淬火冷卻速度小，淬透直徑小，大件無法淬透。

2、雙介質淬火

優點：減少熱應力與相變應力，從而減少變形、防止開裂。

缺點：工藝不易掌握，要求操作熟練。

適用于中等形狀復雜的高碳鋼和尺寸較大的合金鋼工件。

3、局部淬火

為了避免工件其它部分產生變形或開裂，即可用局部淬火。

4、馬氏體分級淬火

優點：使過冷奧氏體在緩冷條件下轉變成馬氏體，從而減少變形。

缺點：只適用于尺寸較小的零件，否則淬火介質冷卻能力不足，溫度也難于控制。

5、馬氏體等溫度淬火優點：下貝氏體的硬度略低于馬氏體，但綜合力學性能較好，應用廣泛。

6、鋼的淬透性與淬硬性

（一）淬透性：決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，即應該是全淬成馬氏體的深度。

1.影響淬透性因素

（1）鋼的化學成分。除Co以外的合金元素溶于奧氏體后，均能增加過冷奧氏體穩定性，降低馬氏體臨界冷卻速度，從而提高鋼的淬透性。

（2）奧氏體化條件。提高奧氏體的溫度，延長保溫時間，使奧氏體晶粒粗大，成分均勻，殘余滲碳體和碳化物的溶解徹底，使過冷奧氏體起穩定，使C曲線越向右移，馬氏體臨界冷卻速度就越小，則鋼的淬透性越好。

2.淬透性表示方法。常用臨界直徑大小來定理的比較不同鋼種的淬透性大小。臨界直徑是指鋼材在某種介質中淬冷后，心部得到全部馬氏體（或50％馬氏體）組織的最大直徑。用Dc表示。在同一冷卻介質中，鋼的臨界直徑越大，其淬透性越好；但同一鋼種在冷卻能力大的介質中，比冷卻能力小的介質中所得的臨界直徑要大些。

牌號臨界直徑/mm

淬水淬油

4513～16.55～9.5

20Cr12～196～12

3.淬透性的實用意義：

1）淬透——性能均勻一致

2）未淬透——韌性降低

（二）鋼的淬硬性：鋼在理想條件下進行淬火硬化所能達到的最高硬度的能力。

值得注意的：鋼的淬透性與淬硬性是兩個不同的概念。淬透性好的鋼其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的鋼也可能是具有高的淬透性。

7、鋼的淬火缺陷及其防止措施

1.淬火工件的過熱和過燒

過熱：工件在淬火加熱時，由于溫度過高或時間過長造成奧氏體晶粒粗大的缺陷。

由于過熱不僅在淬火后得到粗大馬氏體組織，而且易于引起淬火裂紋，因此，淬火過熱的工件強度和韌性降低，易于產生脆性斷裂。輕微的過熱可用延長回火時間補救。嚴重的過熱則需進行一次細化晶粒退火，然后再重新淬火。

過燒：淬火加熱溫度太高，使奧氏體晶界局部熔化或者發生氧化的現象。

過燒是嚴重的加熱缺陷，工件一旦過燒無法補救，只能報廢。過燒的原因主要是設備失靈或操作不當造成的。高速鋼淬火溫度高容易過燒，火焰爐加熱局部溫度過高也容易造成過燒。

2.淬火加熱時的氧化和脫碳

淬火加熱時，鋼件與周圍加熱介質相互作用往往會產生氧化和脫碳等缺陷。氧化使工件尺寸減小，表面光潔度降低，并嚴重影響淬火冷卻速度，進而使淬火工件出現軟點或硬度不足等新的缺陷。工件表面脫碳會降低淬火后鋼的表面硬度、耐磨性，并顯著降低其疲勞強度。因此，淬火加熱時，在獲得均勻化奧氏體時，必須注意防止氧化和脫碳現象。在空氣介質爐中加熱時，防止氧化和脫碳最簡單的方法是在爐子升溫加熱時向爐內加入無水分的木炭，以改變爐內氣氛，減少氧化和脫碳。此外，采用鹽爐加熱、用鑄鐵屑覆蓋工件表面，或是在工件表面熱涂硼酸等方法都可有效地防止或減少工件的氧化和脫碳。

3.淬火時形成的內應力

有兩種情況：①工作在加熱或冷卻時，引起的熱應力。

②由于熱處理過程中各部位冷速的差異引起的相變應力。

當兩力相復合超過鋼的屈服強度時，工件就變形；當復合力超過鋼的抗拉強度時，工件就開裂。

解決辦法：①工件在加熱爐中安放時，要盡量保證受熱均勻，防止加熱時變形；

②對形狀復雜或導熱性差的高合金鋼，應緩慢加熱或多次預熱，以減少加熱中產生的熱應力；

③選擇合適的淬火冷卻介質和淬火方法，以減少冷卻中熱應力和相變應力。

但淬火不是最終熱處理，為了消除淬火鋼的殘余內應力，得到不同強度、硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。鋼淬火后再經回火，是為了使工件獲得良好的使用性能，以充發揮材料的潛力。所以淬火和回火是不可分割的、緊密銜接在一起的兩種熱處理工藝。

第五節鋼的回火

1、定義：鋼件淬火后，再加熱到A1以下某一溫度，保持一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。

2、目的：

1）穩定組織，消除淬火應力

2）調整硬度、強度、塑性、韌性

3、淬火鋼在回火時組織的轉變

1）馬氏體的分解（＞100℃）

2）殘余奧氏體的轉變（200～300℃）

3）碳化物的轉變（250～450℃）

4）滲碳體的聚集長大和鐵素體再結晶（＞450℃）

4、鋼在回火時性能變化

1）回火方法：

（1）低溫回火（150～250℃），組織是回火馬氏體，和淬火馬氏體相比，回火馬氏體既保持了鋼的高硬度、高強度和良好耐磨性，又適當提高了韌性。硬度為58～64HRC，主要用于高碳鋼，合金工具鋼制造的刃具、量具、模具及滾動軸承，滲碳、碳氮共滲和表面淬火件等。

（2）中溫回火（350～500℃），組織為回火屈氏體，對于一般碳鋼和低合金鋼，中溫回火相當于回火的第三階段，此時碳化物開始聚集，基體開始回復，淬火應力基本消除。硬度為35～50HRC，具有高的彈性極限，有良好的塑性和韌性，主用于彈性件及模具處理。

（3）高溫回火（500～650℃），組織為回火索氏體，硬度為220～330HBS。淬火和隨后的高溫回火稱為調質處理，經調質處理后，鋼具有優良的綜合機械性能。因此，高溫回火主要適用于中碳結構鋼或低合金結構鋼，用來制作汽車、拖拉機、機床等承受較大載荷的結構零件，如曲軸、連桿、螺栓、機床主軸及齒

輪等重要的機器零件。鋼經正火后和調質后的硬度很相近，但重要的結構件一般都要進行調質而不采用正火。在抗拉強度大致相同情況下，經調質后的屈服點、塑性和韌性指標均顯著超過正火，尤其塑性和韌性更為突出。

2）回火時間：一般為1～3h

3）回火冷卻：一般空冷。一些重要的機器和工模具，為了防止重新產生內應力和變形、開裂，通常都采用緩慢的冷卻方式。對于有高溫回火脆性的鋼件，回火后應進行油冷或水冷，以抑制回火脆性。

5、回火脆性

第一類回火脆性：300℃左右，無法消除，低溫回火脆性。產生這類回火脆性的原因，一般認為在此回火溫度范圍內碳化物以斷續的薄片沿馬氏體片或馬氏體條的界面析出，這樣硬而脆的薄片與馬氏體間結合較弱，降低了馬氏體晶界處強度，因而使沖擊韌性降低。

第二類回火脆性：400～500℃，，高溫回火脆性。產生這類原因是由于經高溫回火后緩冷通過脆化溫度區所產生的脆性。辦法：快冷；提高鋼的純潔度，減少有害元素的含量等。

第六節實習心得

“紙上得來終覺淺，絕知此事需躬行”通過這次到工廠參觀實習讓我了解了很多。真的，有許多東西看似已經懂了，但真正到了實際卻又是另一種情況。有時自己認為自己已掌握的東西可能僅是一些膚淺的表面或總體的一個方面，甚至有時是錯誤的認識，而如果沒有實地考察實踐，我們是無法發現這些問題的。這次實習給我們每個人一個很好的機會學習那些書本上不能學到的知識，通過我們自己的參觀，還查找各種圖書資料以及到網上搜尋相關資料，使我們的知識得以鞏固和完善，不僅增長了我們的見識，而且對生產操作有了一定的直觀認識，對工人也有了一中全新的認識。感謝領導、老師給我們這次充實自己、增長見識的機會！同時我也希望系里能為我們提供更多的實習機會，讓我們在實際生產中得到鍛煉。