【導(dǎo)讀】工合成材料的新時(shí)代。與信息發(fā)展的物資基礎(chǔ)?，F(xiàn)代工業(yè)裝備向著高速、自動(dòng)、精密等方向發(fā)展。我們是繼往開(kāi)來(lái)的接班。人，要努力學(xué)好工程材料，為四化做貢獻(xiàn)。藝問(wèn)題，尤其是熱處理工藝。因此，正確選材、合理用材、正確選材熱處理方法。來(lái)滿(mǎn)足機(jī)械零件性能要求是這門(mén)課學(xué)習(xí)的主導(dǎo)線(xiàn)。課程的學(xué)習(xí)任務(wù)。好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命和可靠性。有利于培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高動(dòng)手能力，為獲取“雙規(guī)”提供保障。初步具有金屬加工的操作技能。的工藝應(yīng)用范圍。，保護(hù)環(huán)境和具有質(zhì)量與效益的意識(shí)。彈性變形是外力去除后能夠自行恢復(fù)的變形。動(dòng)恢復(fù)而保留下來(lái)的變形，又稱(chēng)永久變形。應(yīng)力是指材料單位面積上的內(nèi)力。內(nèi)力是當(dāng)金屬材料受載荷作用未引起破壞時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生與載荷相平衡的力。達(dá)5％或斷面收縮率達(dá)10％的材料，即可滿(mǎn)足大多數(shù)零件的使用要求。氏硬度用符號(hào)“HBW”表示。正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材等。為了避免壓頭變形，可用硬質(zhì)合

　　

【正文】 較低，切削加工時(shí)易于“粘 刀”，通過(guò)正火處理，可以減少自由鐵素體，獲得細(xì)片狀珠光體，使硬度提高，可以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(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋件以及焊接件在加熱加工后易出現(xiàn)粗大晶粒等過(guò)熱缺陷和帶狀組織。通過(guò)正火處理可以消除這些缺陷組織，達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。 3）消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。過(guò)共析鋼在淬火之前要進(jìn)行球化退火，以便于機(jī)械加工并為淬火作好組織準(zhǔn)備。但當(dāng)過(guò)共析鋼中存在嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物時(shí)，將達(dá)不到良好的球化效果。通過(guò)正火處理可以消除網(wǎng)狀碳化物。 4）提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)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(dá)到一定的綜合力學(xué)性能，可以 代替調(diào)質(zhì)處理，作為零件的最終熱處理。 三、退火和正火的選擇 退火與正火的主要區(qū)別： 正火的冷卻速度比退火稍快，過(guò)冷度較大 正火后所得到的組織比較細(xì)，強(qiáng)度和硬度比退火高一些。 退火與正火的選擇 ： １、含碳量＜ ％的低碳鋼，通常采用正火代替退火。因?yàn)檩^快的冷卻速度可以防止低碳鋼沿晶界析出游離三次滲碳體，從而提高沖壓件的冷變形性能；用正火可以提高鋼的硬度，低碳鋼的切削加工性能；在沒(méi)有其它熱處理工序時(shí)，用正火可以細(xì)化晶粒，提高低碳鋼強(qiáng)度。 ２、 含碳量在 ～ ％之間的中碳鋼 也可用正火代替退火，雖然接近上限碳量的中碳鋼正火后硬度偏高，但尚能進(jìn)行切削加工，而且正火成本低、生產(chǎn)率高。 ３、 含碳量在 ～ ％之間的鋼，因含碳量較高，正火后的硬度顯著高于退火的情況，難以進(jìn)行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。 ４、 含碳量＞ ％的高碳鋼或工具鋼一般均采用球化退火作為預(yù)備熱處理，如有網(wǎng)狀二次滲碳體存在，則應(yīng)先進(jìn)行正火消除。 退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。緩冷是退火的主要特點(diǎn)，退火件一般隨爐冷卻至 550℃ 以下時(shí)出爐空冷。 退火是應(yīng)用非常廣泛的熱處理，在工模具或機(jī)械零件等的制造過(guò)程中，經(jīng)常作為預(yù)備熱處理安排在鑄鍛焊之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一道工序所帶來(lái)的某些缺陷，并為隨后的工序做好準(zhǔn)備。 退火目的①降低材料硬度，以利于切削加工；②消除各類(lèi)應(yīng)力，防止零件變形；③細(xì)化粗大晶粒，改善內(nèi)部組織，為最終熱處理做好準(zhǔn)備。 鋼 的 淬 火 鋼的淬火是熱處理工藝中最重要、也是用途最廣泛的工序。淬火可以顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。 一、鋼的淬火的定義 定義：將鋼件加熱到 Ac 3 或 Ac 1 以上某一溫度， 保持一定時(shí)間。然后以適當(dāng)速 度冷卻獲得 M或 B 下 組織的熱處理工藝。 二、淬火溫度的選擇 主要學(xué)習(xí)碳鋼與合金鋼的淬火 Fe－ Fe 3 C 相圖來(lái)確定，其目的是為了 ①淬火后希望得到全部細(xì)小的馬氏體；②淬火后希望硬度高。 ① 亞共析鋼 Ac 3 +(30~50)℃ ,可獲得細(xì)小的均勻的馬氏體，如溫度過(guò)高則有晶粒粗化現(xiàn)象，淬火后獲得粗大的 M，使鋼的脆性增大；如溫度過(guò)低則淬火后 M+F，有鐵素體出現(xiàn)，淬火硬度不足。 ② 共析鋼與過(guò)共析鋼 Ac 1 +(30~50)℃，由于有高硬度的滲 碳體和馬氏體存在，能保證得到高的硬度和耐磨性。如果加熱溫度超過(guò) Ac cm 將會(huì)使碳化物全部溶入奧氏體中，使奧氏體中的含碳量增加，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(guò)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。 例如：原始組織為球狀珠光體的 T8 鋼，如淬火加熱溫度為 600℃（＜ Ac 3 ＝，則淬火后的硬度與淬火前的退火狀態(tài)基本相同；如淬火加熱溫度為 780℃（ Ac 3 ＋ 30～ 50℃），則淬火后的硬度能達(dá)到 63HRC；如淬火溫度提高至 1000℃（ 》Ac 3 ），雖然淬火后硬度能達(dá)到 63HRC，但是沖擊韌性卻顯著降低。 ①對(duì)含有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的強(qiáng)碳化物形成元素（如鈦、鈮等），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(duì)含有促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素（如錳等），淬火加熱溫度應(yīng)低一些，以防止晶粒粗大。 理想冷卻速度： 650℃以上應(yīng)當(dāng)慢冷，以盡量降低淬火熱應(yīng)力。 650~400℃之間應(yīng)當(dāng)快速冷卻，以通過(guò)過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域，避免發(fā)生珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變。 400 以下至 Ms 點(diǎn)附近應(yīng)當(dāng)緩以盡量減小馬氏體轉(zhuǎn) 變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力。 具有這種冷卻特性的冷卻介質(zhì)可以保證在獲得馬氏體組織條件下減少淬火應(yīng)力、避免工件產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。 三、淬火介質(zhì) 淬火介質(zhì)：鋼從奧氏體狀態(tài)冷至 Ms 點(diǎn)以下所用的冷卻介質(zhì)。常用的有三種： 水： 650~400℃范圍內(nèi)冷卻速度較小，不超過(guò) 200℃ /s ，但在需要慢冷的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，其冷卻速度又太大，在 340℃最大冷卻速度高達(dá) 775℃ /s ，很容易引起工件變形和開(kāi)裂。 此外，水溫對(duì)水的冷卻特性影響很大，水溫升高，高溫區(qū)的冷卻速度顯著下降，而低溫區(qū)的冷卻速度仍然很高。因此淬火時(shí)水溫不 應(yīng)超過(guò) 30℃，加強(qiáng)水循環(huán)和工件的攪動(dòng)可以加速工件在高溫區(qū)的冷卻速度。 水雖不是理想淬火介質(zhì)，但卻適用于尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的碳鋼工件淬火。 油：在 650~550℃內(nèi)冷卻較慢，不適用于碳鋼， 300~200℃范圍內(nèi)冷很慢，有利于淬火工件的組織應(yīng)力，減少工件變形和開(kāi)裂傾向。 與水相反，提高油溫可以降低粘度，增加流動(dòng)性，故可以提高高溫區(qū)的冷卻能力。但是油溫過(guò)高，易著火，一般應(yīng)控制在 60～ 80℃。 適用于對(duì)過(guò)冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼。 可見(jiàn)水與油作為淬火介質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，均不是屬于理想的冷卻介質(zhì)。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。 因此，尋找冷卻能力介于油水之間，冷卻特性近于理想淬火介質(zhì)的新型淬火介質(zhì)是人們努力的目標(biāo)。由于水是價(jià)廉、容易獲得、性能穩(wěn)定的淬火介質(zhì)，因此目前世界各國(guó)都在發(fā)展有機(jī)水溶液作為淬火介質(zhì)。美國(guó)應(yīng)用濃度為 15％聚乙烯醇、％抗粘附劑、 ％防泡劑的淬火介質(zhì)，以及國(guó)內(nèi)使用比較廣泛的新型淬火介質(zhì)有過(guò)飽和硝鹽水溶液等。它們的共同特點(diǎn)是冷卻能力介于水、油之間，接近于理想淬火介質(zhì)。例如在 398℃時(shí)最大冷速為 418℃ /S， 300～ 200℃時(shí)的平均冷速為 190℃ /S。主要用于貝氏體等溫淬火，馬氏體分級(jí)淬火，常用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小和變形要求嚴(yán)格的工件。 常用的淬火方法：?jiǎn)谓橘|(zhì)淬火、雙 介質(zhì)淬火、馬氏體分級(jí)淬火、貝氏體等溫淬火。 四、淬火方法 單介質(zhì)淬火 優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、應(yīng)用廣泛。 缺點(diǎn)：水中淬火變形與開(kāi)裂傾向大；油中淬火冷卻速度小，淬透直徑小，大件無(wú)法淬透。 雙介質(zhì)淬火 優(yōu)點(diǎn)：減少熱應(yīng)力與相變應(yīng)力，從而減少變形、防止開(kāi)裂。 缺點(diǎn)：工藝不易掌握，要求操作熟練。 適用于中等形狀復(fù)雜的高碳鋼和尺寸較大的合金鋼工件。 局部淬火 為了避免工件其它部分產(chǎn)生變形或開(kāi)裂，即可用局部淬火 。 馬氏分級(jí)淬火 優(yōu)點(diǎn)：使過(guò)冷奧氏體在緩冷條件下轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而頭減 少變形。 缺點(diǎn)：只適用于尺寸較小的零件，否則淬火介質(zhì)冷卻能力不足，溫度也難于控制。 馬 氏體等溫度淬火 優(yōu)點(diǎn)：下貝氏體的硬度略低于馬氏體，但綜合力學(xué)性能 較好，應(yīng)用廣泛。 五、鋼的淬透性與淬硬性 （一）淬透性 定義：決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，即應(yīng)該是全淬成馬氏體的深度。 1. 影響淬透性有兩方面 （ 1） 鋼的化學(xué)成分。除鈷以外的合金元素溶于 奧氏體后，均能增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)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。提高奧氏體代溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)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(guò)冷奧氏體起穩(wěn)定，使 C 曲線(xiàn)越向右移，馬氏全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(lái)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(zhì)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(zhì)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(zhì)中，比冷卻能力小的介質(zhì)中所得的臨界直徑要大些。 牌號(hào) 臨界直徑 /mm 淬 水 淬 油 45 13～ 5～ 20Cr 12～ 19 6～ 12 3. 淬透性的實(shí)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 定義：鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化所能達(dá)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(gè)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。如低合金鋼淬透性相當(dāng)好 ，但其淬硬性卻不高；高碳鋼的淬硬性高，但其淬透性卻很差。 八、鋼的淬火缺陷及其防止 1. 淬火工件的過(guò)熱和過(guò)燒 工件在淬火加熱時(shí)，由于溫度過(guò)高或者時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成奧氏體晶粒粗大的缺陷稱(chēng)為過(guò)熱。 由于過(guò)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(guò)熱的工件強(qiáng)度和韌性降低，易于產(chǎn)生脆性斷裂。輕微的過(guò)熱可用延長(zhǎng)回火時(shí)間補(bǔ)救。嚴(yán)重的過(guò)熱則需進(jìn)行一次細(xì)化晶粒退火，然后再重新淬火。 淬火加熱溫度太高，使奧氏體晶界出局部熔化或者發(fā)生氧化的現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)燒。 過(guò)燒是嚴(yán)重的加熱缺陷，工件一旦過(guò)燒無(wú)法 補(bǔ)救，只能報(bào)廢。過(guò)燒的原因主要是設(shè)備失靈或操作不當(dāng)造成的。高速鋼淬火溫度高容易過(guò)燒，火焰爐加熱局部溫度過(guò)高也容易造成過(guò)燒。 2. 淬火加熱時(shí)的氧化和脫碳 淬火加熱時(shí)，鋼件與周?chē)訜峤橘|(zhì)相互作用往往會(huì)產(chǎn)生氧化和脫碳等缺陷。氧化使工件尺寸減小，表面光潔程度降低，并嚴(yán)重影響淬火冷卻速度，進(jìn)而使淬火工件出現(xiàn)軟點(diǎn)或硬度不足等新的缺陷。工件表面脫碳會(huì)降低淬火后鋼的表面硬度、耐磨性，并顯著降低其疲勞強(qiáng)度。因此，淬火加熱時(shí)，在獲得均勻化奧氏體時(shí)，必須注意防止氧化和脫碳現(xiàn)象。 在空氣介質(zhì)爐中加熱時(shí)，防止氧化和脫碳最簡(jiǎn)單 的方法是在爐子升溫加熱時(shí)向爐內(nèi)加入無(wú)水分的木炭，以改變爐內(nèi)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(shí)形成的內(nèi)應(yīng)力 有兩種情況： ①工作在加熱或冷卻時(shí)，由于同部位存在著溫度差別而導(dǎo)致熱脹或冷縮不一致所引起的應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力。②由于熱處理過(guò)程中各部位冷速的差異使工件各部位相轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性所引起的應(yīng)力稱(chēng)為相變應(yīng)力。 當(dāng)兩力相復(fù)合超過(guò)鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，工件就變形；當(dāng)復(fù)合力超過(guò)鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件就開(kāi)裂。 解決辦 法：①工件在加熱爐中安放時(shí)，要盡量保證受熱均勻，防止加熱時(shí)變形；②對(duì)形狀復(fù)雜或?qū)嵝圆畹母吆辖痄?，?yīng)緩慢加熱或多次預(yù)熱，以減少加熱中產(chǎn)生的熱應(yīng)力； ③選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)和淬火方法，以減少冷卻中熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。 但淬火不是最終熱處理，為了消除淬火鋼的殘余內(nèi)應(yīng)力，得到不同強(qiáng)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(jīng)回火，是為了使工件獲得良好的使用性能，以充發(fā)揮材料的潛力。如：軸承通過(guò)淬火加低溫回火可以提高硬度和耐磨性；彈簧鋼通過(guò)淬火加中溫回火可以顯著提高彈性極限。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。 鋼的回火 鋼件淬火后，再加熱到 A 1 以下某一溫度，保持一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱(chēng)為回火。 １、 回火目的 1） 穩(wěn)定組織，消除淬火應(yīng)力 2） 調(diào)整硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性 ２、 淬火鋼在回火時(shí)組織的轉(zhuǎn)變 1） 馬氏體的分解（＞ 100℃） 2） 殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（ 200~300℃） 3） 碳化物的轉(zhuǎn)變（ 250~450℃） 4） 滲碳體的聚集長(zhǎng)大和鐵素體再結(jié)晶（＞ 450℃） ３、 鋼在回火時(shí)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(qiáng)度和良好耐磨性，又適當(dāng)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(dòng)軸承，滲碳、碳氮共滲和表面淬火件等。 （２）中溫回火（ 350 ℃ ~500 ℃），組織為回火托氏體，對(duì)于一般碳鋼和低合金鋼，中溫回火相當(dāng)于回火的第三階段，此時(shí)碳化物開(kāi)始聚集，基體開(kāi)始回復(fù)，淬火應(yīng)力基本消失。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，廣泛用于各種重要結(jié)構(gòu)件。淬火和隨后的高溫回火稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。因此，高溫回火主要適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，用來(lái)制作汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床等承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件，如曲軸、連桿、螺栓、機(jī)床主軸及齒輪等重要的機(jī)器零件。 通常在工業(yè)上將鋼件經(jīng)淬火＋高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱(chēng)為調(diào)質(zhì)。鋼經(jīng)正火后和調(diào)質(zhì)后的硬度很相近，但重要的結(jié)構(gòu)