項目三鋼的熱處理任務３－１鋼的熱處理的認知任務３－２鋼的普通熱處理任務３－３鋼的表面熱處理任務３－４零件常見熱處理缺陷分析及預防措施返回任務３－１鋼的熱處理的認知一、鋼的熱處理的基本概念鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下進行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要性能的一種工藝方法。熱處理工藝方法較多，但其過程都是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成。鋼的熱處理工藝曲線如圖３.２所示。二、鋼在加熱和冷卻時的組織轉變金屬或合金在加熱和冷卻過程中，發(fā)生相變的溫度稱為相變點或臨界點。Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖相變點Ａ１、Ａ３、Ａｃｍ是碳鋼在極緩慢加熱或冷卻情況下測定的。下一頁返回任務３－１鋼的熱處理的認知但在實際生產(chǎn)中，加熱和冷卻并不是極其緩慢的，因此，鋼的實際相變點都會偏離平衡相變點，即：加熱轉變相變點在平衡相變點上，而冷卻轉變相變點在平衡相變點以下。隨著加熱和冷卻速度的增加，相變點的偏離將逐漸增大。通常把實際加熱溫度標為Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ，實際冷卻溫度標為Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ，如圖３.３所示。（一）鋼在加熱時的轉變鋼加熱到Ａｃ１點以上時會發(fā)生珠光體向奧氏體的轉變，加熱到Ａｃ３和Ａｃｃｍ以上時，便全部轉變?yōu)閵W氏體，這種加熱轉變過程稱為鋼的奧氏體化。上一頁下一頁返回任務３－１鋼的熱處理的認知（二）鋼在冷卻時的組織轉變冷卻是熱處理的重要工序，鋼的常溫性能與冷卻后的組織直接有關。鋼在不同的過冷度下轉變?yōu)椴煌慕M織，包括平衡組織和非平衡組織。熱處理冷卻方式通常有兩種，即等溫冷卻和連續(xù)冷卻，所謂等溫轉變是指將奧氏體化的鋼件迅速冷卻至Ａｒ１以下某一溫度并保溫，使其在該溫度下發(fā)生組織轉變，然后再冷卻至室溫；連續(xù)冷卻則是將奧氏體化的鋼件連續(xù)冷卻至室溫，并在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生組織轉變，可采用水冷、油冷、爐冷和空冷，如圖３.５所示。上一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理普通熱處理是將工件整體進行加熱、保溫和冷卻，以使其獲得均勻的組織和性能的一種操作。它包括退火、正火、淬火和回火。一、鋼的退火鋼的退火是將工件加熱到臨界點以上或在臨界點以下某一溫度保溫一定時間后，以十分緩慢的冷卻速度（一般隨爐冷卻）進行冷卻的一種操作。其目的是消除鋼的內(nèi)應力、降低硬度、提高塑性、細化組織及均勻化學成分，以利于后續(xù)加工，并為最終熱處理做好組織準備。根據(jù)的成分、組織狀態(tài)和退火目的不同，退火工藝可分為完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火等。下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理二、鋼的正火將工件加熱到Ａｃ３或Ａｃｃｍ以上３０℃～５０℃，保溫后從爐中取出在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火與退火的區(qū)別是冷速快，組織細，強度和硬度有所提高。當鋼件尺寸較小時，正火后組織為Ｓ，而退火后組織為Ｐ。鋼的退火與正火工藝曲線如圖３.９和圖３.１０所示。正火的應用：①用于普通結構零件，作為最終熱處理，細化晶粒以提高機械性能。②用于低、中碳鋼，作為預先熱處理，以得到合適的硬度，便于切削加工。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理③用于過共析鋼，消除網(wǎng)狀Ｆｅ３ＣⅡ，有利于球化退火的進行。三、鋼的淬火１.淬火的目的淬火是指將鋼件加熱到Ａｃ３或Ａｃ１以上３０℃～５０℃，保溫一定時間，然后以大于臨界冷卻速度冷卻（一般為油冷或水冷），從而得到馬氏體的一種操作。淬火的目的是獲得馬氏體。但淬火必須與回火相配合，否則淬火后得到了高硬度、高強度，但韌性、塑性低，不能得到優(yōu)良的綜合機械性能。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理２.鋼的淬火工藝淬火是一種復雜的熱處理工藝，是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵工序之一（淬火后要得到細小的馬氏體組織，又不至于產(chǎn)生嚴重的變形和開裂），必須根據(jù)鋼的成分和零件的大小、形狀等，結合Ｃ曲線合理地確定淬火加熱和冷卻方法。３.鋼的淬透性（１）淬透性和淬硬性的概念所謂淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層的能力。淬硬層一般規(guī)定為工件表面至半馬氏體（馬氏體量占５０％）之間的區(qū)域，它的深度叫淬硬層深度。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理不同的鋼在同樣的條件下淬硬層深度不同，說明不同的鋼淬透性不同，淬硬層較深的鋼淬透性較好。淬硬性是指鋼以大于臨界冷卻速度冷卻時，獲得的馬氏體組織所能達到的最高硬度。鋼的淬硬性主要取決于馬氏體的含碳量，即取決于淬火前奧氏體的含碳量。淬透性好，淬硬性不一定好；同樣，淬硬性好，淬透性亦不一定好。（２）影響淬透性的因素①化學成分。Ｃ曲線距縱坐標越遠，淬火的臨界冷卻速度越小，則鋼的淬透性越好。對于碳鋼，鋼中含碳量越接近共析成分，其Ｃ曲線越靠右，臨界冷卻速度越小，則淬透性越好，即亞共析鋼的淬透性隨含碳量增加而增大，過共析鋼的淬透性隨含碳量增加而減小。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理除Ｃｏ和Ａｌ以外的大多數(shù)合金元素都使Ｃ曲線右移，使鋼的淬透性增加，因此合金鋼的淬透性比碳鋼好。②奧氏體化的條件。奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，所形成的奧氏體晶粒也就越粗大，使晶界面積減少，這樣就會降低過冷奧氏體轉變的形核率，不利于奧氏體的分解，使其穩(wěn)定性增大，淬透性增加。（３）淬透性的應用淬透性是機械零件設計時選擇材料和制定熱處理工藝的重要依據(jù)。鋼材淬透性不同的，淬火后得到的淬硬層深度不同，所以沿截面的組織和機械性能差別很大。機械制造中截面較大或形狀較復雜的重要零件，以及應力狀態(tài)較復雜的螺栓、連桿等零件，要求截面機械性能均勻，應選用淬透性較好的鋼材。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理受彎曲和扭轉力的軸類零件，截面上的應力分布不均勻，其外層受力較大，芯部受力較小，可考慮選用淬透性較低的、淬硬層較淺（如為直徑的１／３～１／２）的鋼材。有些工件（如焊接件）不能選用淬透性高的鋼件，否則容易在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)淬火組織，造成焊縫變形和開裂。四、鋼的回火１.鋼的回火及回火的目的工件淬火后通常獲得馬氏體加殘余奧氏體組織，這種組織不穩(wěn)定，存在很大的內(nèi)應力，因此必須回火?；鼗鹗侵笇⒋慊痄撝匦录訜岬剑粒秉c以下的某一溫度，保溫一定時間后，冷卻到室溫的一種操作。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理回火的目的是降低淬火鋼的脆性，減少或消除內(nèi)應力，使組織趨于穩(wěn)定并獲得所需要的性能。２.淬火鋼在回火時組織和性能的變化淬火鋼在回火過程中，隨著加熱溫度的提高，原子活動能力增大，其組織相應發(fā)生以下四個階段性的轉變：①第一階段（室溫～２５０℃）：馬氏體開始分解。在這一溫度范圍內(nèi)回火時，由淬火馬氏體中析出薄片狀細小的碳化物，使馬氏體中碳的過飽和度降低。通常把這種馬氏體和細小碳化物的組織稱為回火馬氏體［圖３.１３（ａ）］。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理②第二階段（２３０℃～２８０℃）：殘余奧氏體分解。在馬氏體分解的同時，降低了殘余奧氏體的壓力，使其轉變?yōu)橄仑愂象w。此階段轉變后的組織是下貝氏體和回火馬氏體，也稱為回火馬氏體。③第三階段（２６０℃～３６０℃）：馬氏體分解完成和滲碳體的形成。這一階段馬氏體繼續(xù)分解，直到過飽和的碳原子幾乎全部由固溶體內(nèi)析出。與此同時，細小碳化物轉變成極細的穩(wěn)定的滲碳體。此階段后的回火組織為尚未結晶的針狀鐵素體和細球狀滲碳體的混合組織，稱為回火托氏體［圖３.１３（ｂ）］。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理④第四階段（４００℃以上）：α固溶體的恢復與再結晶和滲碳體的聚集長大?；鼗饻囟瘸^４００℃時，具有平衡濃度的α相開始恢復，５００℃以上時發(fā)生再結晶，從針葉狀轉變?yōu)槎噙呅蔚牧?，在這一恢復再結晶的過程中，粒狀滲碳體聚集長大成球狀，即在５００℃以上（５００℃～６５０℃）得到粒狀鐵素體和球狀滲碳體的混合組織，稱為回火索氏體［圖３.１３（ｃ）］。３.回火的方法及應用鋼的回火按回火溫度范圍可分為以下三種：上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理（１）低溫回火低溫回火的溫度范圍為１５０℃～２５０℃?；鼗鸷蟮慕M織為回火馬氏體。內(nèi)應力和脆性有所降低，但保持了馬氏體的高硬度和高耐磨性。低溫回火主要應用于高碳鋼或高碳合金鋼制造的工具、模具、滾動軸承及滲碳和表面淬火的零件。（２）中溫回火中溫回火的溫度范圍為３５０℃～５００℃，回火后的組織為回火托氏體，具有一定的韌性和較高的彈性極限及屈服強度。中溫回火主要應用于各類彈簧和模具等。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理（３）高溫回火高溫回火的溫度范圍為５００℃～６５０℃，回火后的組織為回火索氏體，具有強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。高溫回火廣泛應用于汽車、拖拉機、機床等機械中的重要結構零件，如軸、連桿、螺栓等。４.回火脆性鋼在某一溫度范圍內(nèi)回火時，其沖擊韌度比較低溫度回火時反而顯著下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。在２５０℃～３５０℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性稱為第一類回火脆性。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理這類回火脆性無論是在碳鋼還是合金鋼中均會出現(xiàn)，它與鋼的成分和冷卻速度無關，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加熱到此溫度范圍內(nèi)回火，都無法避免，故又稱“不可逆回火脆性”。防止的辦法常常是避免在此溫度范圍內(nèi)回火。在５００℃～６００℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性稱為第二類回火脆性，部分合金鋼易產(chǎn)生這類回火脆性。這類回火脆性如果在回火時快冷就不會出現(xiàn)，另外，如果脆性已經(jīng)發(fā)生，只要再加熱到原來的回火溫度重新回火并快冷，則可完全消除，因此這類回火脆性又稱為“可逆回火脆性”。上一頁下一頁返回任務３－２鋼的普通熱處理五、鋼的調(diào)質(zhì)處理在生產(chǎn)上通常將淬火與高溫回火相結合的熱處理稱為“調(diào)質(zhì)處理”。調(diào)質(zhì)處理在機械工業(yè)中得到廣泛應用，主要用于承受交變載荷作用下的重要結構件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類等。應當指出，工件回火后的硬度主要與回火溫度和回火時間有關，而與回火后的冷卻速度關系不大。因此，在實際生產(chǎn)中，工件出爐后通常采用空冷。調(diào)質(zhì)處理可作為最終熱處理，但由于調(diào)質(zhì)處理后鋼的硬度不高，便于切削加工，并能得到較好的表面質(zhì)量，故也作為表面淬火和化學熱處理的預備熱處理。上一頁返回任務３－３鋼的表面熱處理一些在彎曲、扭轉、沖擊載荷、摩擦條件區(qū)工作的齒輪等機器零件，它們要求具有表面硬、耐磨，而芯部韌性好，能抗沖擊的特性，僅從選材方面考慮是很難達到此要求的。如用高碳鋼，雖然硬度高，但芯部韌性不足；若用低碳鋼，雖然芯部韌性好，但表面硬度低，不耐磨，所以工業(yè)上廣泛采用表面熱處理來滿足上述要求。一、鋼的表面淬火僅對工件表層進行淬火的工藝，稱為表面淬火。它是利用快速加熱使鋼件表面奧氏體化，而中心尚處于較低溫度即迅速予以冷卻，表層被淬硬為馬氏體，而中心仍保持原來的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。下一頁返回任務３－３鋼的表面熱處理表面淬火一般適用于中碳鋼（ｗＣ＝０.４％～０.５％）和中碳低合金鋼（４０Ｃｒ、４０ＭｎＢ等），也可用于高碳工具鋼、低合金工具鋼（如Ｔ８、９Ｍｎ２Ｖ、ＧＣｒ１５等）以及球墨鑄鐵等。目前應用最多的是感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。二、鋼的化學熱處理化學熱處理是指將工件置于活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層，以改變其表面層的化學成分、組織結構和性能的熱處理工藝。根據(jù)滲入元素的類別，化學熱處理可分為滲碳、氮化、碳氮共滲等。上一頁返回任務３－４零件常見熱處理缺陷分析及預防措施

一、氧化和脫碳當加熱介質(zhì)是空氣或熔鹽時，鋼表層的鐵和碳與加熱介質(zhì)中的氧氣、二氧化碳和水蒸氣等在高溫下發(fā)生化學反應，形成鐵和碳的氧化物，這種現(xiàn)象稱為氧化。與此同時，工件表層的碳由于被氧化而從鋼件表面逸出，因而降低了表層含碳量，這種現(xiàn)象稱為脫碳。氧化會降低零件尺寸精度和表面光澤度，影響淬火質(zhì)量；脫碳會使表面硬度、耐磨性降低，同時使疲勞強度大為降低。過分氧化、脫碳會使零件報廢。為防止氧化和脫碳，可采用以下措施：①隔絕加熱的工件，不與爐氣接觸，為了控制爐氣中氧化性氣體的含量，通入保護性氣體使爐內(nèi)為中性氣氛。下一頁返回任務３－４零件常見熱處理缺陷分析及預防措施

②在工件表面敷防氧化涂料，如硼砂、石墨粉、玻璃粉、耐火黏土等。③高級合金鋼及精密零件在真空中采用無氧化加熱。二、過熱和過燒由于加熱溫度過高或保溫時間過長，導致晶粒顯著粗化的現(xiàn)象，稱為過熱。過熱的結果是淬火后得到粗針馬氏體，脆性增加，疲勞強度降低。對于過熱不嚴重的工件，碳素結構鋼及合金結構鋼一般應經(jīng)一次正火或退火后再次加熱重新淬火。對于高碳鋼和合金工具鋼，則應通過退火、正火多次處理，然后按正確的淬火工藝重新淬火。上一頁下一頁返回任務３－４零件常見熱處理缺陷分析及預防措施

如果鋼的加熱溫度遠遠超過了正常的加熱溫度，以致沿晶界出現(xiàn)熔化和氧化的現(xiàn)象，稱為過燒。鋼的過燒組織晶粒極為粗大，在晶界上有氧化物網(wǎng)絡，力學性能急劇惡化，此種缺陷已無法挽救，應絕對避免。三、硬度不足及軟點當淬火溫度過低，保溫時間過短，淬火冷卻速度不夠或回火溫度過高，以及加熱后表面脫碳時都會造成零件硬度不足。淬火局部地區(qū)氧化皮未爆開，零件淬火冷卻劑使用方式不對，局部脫碳以及淬火后在冷卻劑內(nèi)相對運動不夠等，都會在零部件表面產(chǎn)生許多未被淬硬的小區(qū)域，這些小區(qū)域叫軟點。上一頁下一頁返回任務３－４零件常見熱處理缺陷分析及