1、 鋼鐵材料熱處理及組織性能 班級：機(jī)設(shè)13-A1 姓名：朱銘書摘要：鋼材是當(dāng)前社會(huì)運(yùn)用最廣泛的材料之一，具有非常悠久的歷史，它推動(dòng)了社會(huì)的大力發(fā)展，促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步。作為結(jié)構(gòu)材料鋼的組織和性能在很高的層面決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，在選取鋼鐵材料時(shí)主重其組織與性能。然而，回望鋼鐵發(fā)展的歷史，鋼組織與性能與材料成分和熱處理工藝有著千絲萬縷的關(guān)系，通過改善材料成分和熱處理工藝可以有效提升鋼組織與性能。本文將對鋼鐵材料熱處理及組織性能做淺顯分析。正文：一、鋼的退火與正火 1、鋼的退火是將工件加熱到工藝要求的溫度，經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋匾院?，在緩慢冷卻下來的熱 處理工藝過程。加熱溫度在Ac3點(diǎn)以上的稱為

2、完全退火；加熱溫度在Ac1和Accm之間的稱為不完全退火或球化退火；加熱溫度在A1點(diǎn)以下稱為低溫退火；還有擴(kuò)散退火等退火工藝。  退火的加熱速度一般不受限制，但對于高合金鋼和大截面工件，升溫不可過快，否則，由于導(dǎo)熱性差，引起很大的熱應(yīng)力，使工件產(chǎn)生變形甚至開裂。一般將升溫速度控制在100180/h比較適宜。加熱時(shí)間是根據(jù)工件的有效厚度，并考慮裝爐量、裝爐方式和加熱方法確定的，可以查閱熱處理 手冊加以確定。退火的冷卻方式是根據(jù)退火工藝的具體要求進(jìn)行。 （1） 完全退火     只適用于亞共析鋼，加熱溫度為Ac3（20

3、30），合金鋼可以略微高于此溫度，保溫足夠時(shí)間后，隨后緩冷（爐內(nèi)冷卻或按要求的冷卻速度冷卻）到550500以下，再空冷。    在加熱和冷卻的過程中，鋼的內(nèi)部組織全部進(jìn)行了重結(jié)晶，即發(fā)生了加熱時(shí)的奧氏體化和冷卻時(shí)的奧氏體分解轉(zhuǎn)變。所以完全退火又稱重結(jié)晶退火。在重結(jié)晶過程中經(jīng)歷了兩次形核長大，因此細(xì)化了晶粒。完全退火使鋼獲得了接近平衡狀態(tài)的細(xì)晶粒組織，同時(shí)消除了焊接、鑄鋼、熱鍛軋鋼中的粗大組織和魏氏組織，以及因終鍛、終軋的溫度過低造成的帶狀組織。完全退火還提高韌性，消除因冷速較快造成的內(nèi)應(yīng)力，降低含碳較高的亞共析鋼硬度，以利于切削加工，并為后續(xù)淬火工藝作好

4、組織準(zhǔn)備。  普通退火依靠控制冷卻速度來控制轉(zhuǎn)變溫度，很難恰到好處，很難控制退火的組織和硬度。另外，工件內(nèi)外冷卻速度差別較大，發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度不同，因而心部冷卻慢，轉(zhuǎn)變溫度高，組織偏粗，硬度偏低，內(nèi)外組織不均勻。  等溫退火工藝可以準(zhǔn)確的控制過冷度，保證工件內(nèi)外在同一溫度下進(jìn)行轉(zhuǎn)變，組織均勻，并可大大縮短工藝周期。  （2） 不完全退火  不完全退火的加熱溫度在在Ac1和Accm之間，即Ac1（2050）。主要用于共析鋼和過共析鋼，得到的組織是粒狀珠光體，所以又稱球化退火。球化退火的目的是降低硬度，便于切削加工，并為淬火做好準(zhǔn)備。  高

5、碳鋼球化退火前的組織不應(yīng)有網(wǎng)狀碳化物，因?yàn)榫W(wǎng)狀碳化物，特別是粗片的碳化物，在球化退火的過程中是不能消除的。網(wǎng)狀碳化物應(yīng)在球化退火前消除。工具鋼和軸承鋼等高碳鋼在淬火前均要求粒狀珠光體組織，對于網(wǎng)狀和球化組織的狀態(tài)均有嚴(yán)格的質(zhì)量要求。 （3） 擴(kuò)散退火  主要應(yīng)用于合金鋼鑄件和鑄錠，目的是消除鑄造時(shí)形成的晶內(nèi)偏析，使成分均勻化，所以擴(kuò)散退火又稱為均勻化退火。擴(kuò)散退火的實(shí)質(zhì)，是使合金元素原子充分?jǐn)U散，使晶內(nèi)合金成分均勻。所以擴(kuò)散退火的工藝特點(diǎn)是，加熱溫度高，保溫時(shí)間長。加熱溫度一般在Ac3以上150250，對于高合金鋼鑄件特別是鑄錠甚至高到11001200。加熱溫度高

6、，擴(kuò)散速度快，但是要低于固相線100，以防止過燒。保溫時(shí)間一般在1015h左右，時(shí)間過長，工件燒損嚴(yán)重，能源消耗大，成本增高。  鋼經(jīng)擴(kuò)散退火后，晶粒會(huì)嚴(yán)重長大粗化，因此需要再進(jìn)行一次重結(jié)晶退火來細(xì)化晶粒。 （4） 低溫退火（去應(yīng)力退火）  加熱溫度在A1點(diǎn)以下，一般在500650之間，加熱保溫后，應(yīng)緩冷到200左右，再出爐空冷。低溫退火是為了消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件和機(jī)械加工件的殘余應(yīng)力，提高尺寸的穩(wěn)定性。2、鋼的正火  將鋼加熱到上臨界點(diǎn)（A3、Acm）以上，進(jìn)行完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻（有時(shí)吹風(fēng)或噴霧冷卻）的熱處理過程稱為正

7、火。  正火與退火相比，冷卻速度比較快，接近共析成分的碳鋼（含碳量c0.61.4）正火后得到珠光體或索氏體的偽共析組織；中碳鋼正火后的組織是少量鐵素體加偽共析組織；對于低碳鋼，正火后的組織中珠光體量多偏細(xì)（與退火相比較）。正火可以細(xì)化組織，消除熱加工的過熱缺陷，使組織正?；Ｍ瑫r(shí)提高鋼的硬度和強(qiáng)度。  對于低碳鋼，正火的加熱溫度是Ac3（100150），目的是細(xì)化組織，提高強(qiáng)度，提高硬度，便于切削加工。因?yàn)樘间撏嘶鸬挠捕忍?，切削時(shí)容易“粘刀”，粗糙度高，效率低。 對于中碳鋼，正火的加熱溫度是Ac3（50100），目的是代替調(diào)質(zhì)處理，為高頻淬火做好組織準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)處

8、理需經(jīng)淬火，易造成工件變形，且成本高。  對于高碳鋼，正火的加熱溫度是Accm（3050），目的是消除網(wǎng)狀滲碳體，為球化退火作好組織準(zhǔn)備。  正火用于鑄鐵件，可以增加基體的珠光體含量。提高強(qiáng)度和耐磨性。 2、 鋼的淬火  將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫一定時(shí)間進(jìn)行奧氏體化，然后在水或油中快速冷卻，使奧氏體冷卻到Ms點(diǎn)（奧氏體開始向馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度）以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。鋼的淬火組織主要是馬氏體，雖然馬氏體不是熱處理所要得到的最終組織，但馬氏體在經(jīng)適當(dāng)?shù)幕鼗?，可以使鋼獲得需要的組織和使用性能，最終達(dá)到熱處理的目的。 1、 淬火加熱溫度

9、60; 亞共析鋼的淬火加熱溫度約為Ac3（3050），亞共析合金鋼可以是Ac3（3070）。加熱溫度過高，易使奧氏體晶粒粗大，也浪費(fèi)能源。加熱溫度偏低，可能會(huì)有一些鐵素體未轉(zhuǎn)變成奧氏體，淬火冷卻時(shí)鐵素體不發(fā)生變化，保留在淬火組織中，使鋼的硬度不足。有些亞共析合金鋼，加熱到兩相區(qū)（Ac1Ac3之間的的溫度）進(jìn)行“亞溫淬火”，再經(jīng)適當(dāng)?shù)幕鼗鹋浜?，也取得了良好的?qiáng)韌化效果。某些高合金鋼經(jīng)過超高溫加熱，使一些第二相 盡量溶入奧氏體中，淬火回火后斷裂韌性有顯著的提高。  對于過共析鋼，淬火前的組織應(yīng)是粒狀珠光體，淬火加熱溫度為A1（3050）。從這一溫度淬火，可以得到細(xì)小的隱晶馬氏體加粒狀碳化

10、物組織。這種組織硬度高，并由于有粒狀碳化物存在耐磨性好，韌性也能滿足要求。如果加熱溫度過高，碳化物會(huì)全部溶入奧氏體中，奧氏體晶粒粗大含碳量高，Ms和Mf點(diǎn)（馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度）下降，淬火組織中有粗大的馬氏體片和相當(dāng)多的殘余奧氏體，這種組織使鋼的脆性增加。由于淬火組織中沒有硬的碳化物顆粒，鋼的耐磨性不高。2、淬火冷卻  冷卻介質(zhì)，第一類冷卻介質(zhì)主要包括水質(zhì)淬火劑和油質(zhì)淬火劑，他們使工件的冷卻曲線特點(diǎn)是，先慢后快又變慢。水是碳素鋼淬火最常用的淬火介質(zhì)。油是合金鋼常用的淬火介質(zhì)，油的使用溫度必須低于其閃點(diǎn)80100，以防著火。 第二類淬火介質(zhì)包括鹽浴、堿浴和金屬浴等。 

11、3、 淬透性  是鋼的一種熱處理工藝性能，表征鋼在淬火時(shí)所能得到的淬硬層深度。淬硬層深的鋼淬透性好。4、 淬火方法  對淬火冷卻的要求是：達(dá)到要求的淬火硬度，達(dá)到要求的淬火深度，不出現(xiàn)淬火組織缺陷，不開裂，產(chǎn)生的變形應(yīng)在允許范圍以內(nèi)。 （1） 單液淬火  工件在奧氏體化以后，放入一種冷卻介質(zhì)中一直冷卻到室溫。冷卻介質(zhì)可以是水、油、空氣（靜止的或流動(dòng)的）或者是噴霧冷卻等。通常碳素鋼因其淬透性差，需要快冷，多用油淬；合金鋼因其水淬容易開裂，具有較高的淬透性，常用油淬。單液淬火的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、經(jīng)濟(jì)，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化；缺點(diǎn)是淬火應(yīng)力大，易導(dǎo)致變

12、形和開裂，因此多用于形狀簡單零件的淬火。 （2） 雙液淬火  工件加熱到奧氏體化后，首先放入水中冷卻到Ms溫度附近，在快速轉(zhuǎn)移到油中較慢地冷卻到室溫。這種先水后油的淬火方式，可以有效的降低淬火組織應(yīng)力，減小淬火變形和開裂的傾向，多用于高碳的工具鋼。其缺點(diǎn)是工件在水中的停留時(shí)間難于掌握，取出太早，工件進(jìn)入油中冷卻慢易發(fā)生分解轉(zhuǎn)變得到非馬氏體組織，使工件的硬度達(dá)不到要求；工件取出太晚，在水中發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力，使工件變形甚至開裂。 （3） 分級淬火  將奧氏體化的工件先置于溫度約為Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中冷卻，待工件內(nèi)外溫度

13、一致后，再取出在油中或空氣中冷卻。分級淬火可以使工件淬火應(yīng)力降至很小，淬火變形小，適用于形狀復(fù)雜界面不均勻的工件淬火。但因?yàn)辂}浴、堿浴的冷卻能力較小，停留時(shí)間又不能太長，此法多用于尺寸較小、變形要求嚴(yán)格的精密零件等。 （4） 等溫淬火  將奧氏體化的工件放在鹽浴或堿浴中，長時(shí)間等溫最終獲得下貝氏體的熱處理工藝操作。 四、鋼的回火  將淬火鋼加熱到A1以下的某一溫度，保溫，然后冷卻到室溫的一種熱處理工藝?；鼗鹂梢詼p少或消除應(yīng)力，可以根據(jù)加熱溫度調(diào)整回火后所得到的組織和性能，穩(wěn)定尺寸，使工件達(dá)到服役狀態(tài)的要求。  隨著回火溫度的升高，碳鋼

14、的硬度下降，強(qiáng)度也降低，而塑性升高。  在硬度相同的情況下，淬火回火組織的塑性和韌性優(yōu)于正火組織。鋼經(jīng)淬火回火后，獲得的組織中強(qiáng)化相是粒狀均勻分布的，具有好的綜合力學(xué)性能。  回火處理最后決定鋼在使用狀態(tài)下的組織和性能?；鼗鸩蛔悖ɑ鼗饻囟绕突驎r(shí)間不夠）硬度偏高，還可以補(bǔ)充回火；由于回火溫度過高或者時(shí)間過長，造成回火過度使回火硬度過低，則必須重新淬火。 （1） 低溫回火  回火溫度是150250，得到的組織是回火馬氏體。低溫回火的主要目的是降低鋼中的淬火殘余應(yīng)力和脆性，其性能特點(diǎn)是有高的硬度（5864HRC）和耐磨性，疲勞強(qiáng)度高。各種高碳工具鋼

15、、冷作模具、滾動(dòng)軸承和滲碳的結(jié)構(gòu)件都采用淬火低溫回火工藝。對于尺寸穩(wěn)定性要求很高的精密零件，需經(jīng)低溫長時(shí)間回火或多次低溫回火，穩(wěn)定組織和充分消除殘余應(yīng)力。 （2） 中溫回火  回火溫度是350500，一般得到回火托氏體。其性能特點(diǎn)是具有一定的韌性，同時(shí)又有較高的彈性極限和屈服強(qiáng)度。主要應(yīng)用于各種彈簧零件和鍛模，也可以用來處理要求有高強(qiáng)度、硬度和一定韌性的工件，如刀桿、軸套等。 （3） 高溫回火  回火溫度500650，回火后的組織是回火索氏體。主要目的是使鋼獲得強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性有良好配合的綜合力學(xué)性能。淬火加高溫回火處理，通常稱為調(diào)質(zhì)處理，或簡稱調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，如各種軸、齒輪、連桿和其他重要的連接件等。對于有高溫回火脆性傾向的鋼，高溫回火時(shí)應(yīng)在水或油中快冷。 （4） 高溫軟化回火  回火溫度是A1（2040）得到的組織是回火珠光體，主要用于馬氏體鋼的軟化和高碳合金鋼淬火返修品的返修預(yù)備處理。馬氏體鋼都是高淬透性鋼