【導讀】工合成材料的新時代。與信息發(fā)展的物資基礎?，F(xiàn)代工業(yè)裝備向著高速、自動、精密等方向發(fā)展。我們是繼往開來的接班。人，要努力學好工程材料，為四化做貢獻。藝問題，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。來滿足機械零件性能要求是這門課學習的主導線。課程的學習任務。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)實踐技能，提高動手能力，為獲取“雙規(guī)”提供保障。初步具有金屬加工的操作技能。的工藝應用范圍。，保護環(huán)境和具有質(zhì)量與效益的意識。彈性變形是外力去除后能夠自行恢復的變形。動恢復而保留下來的變形，又稱永久變形。應力是指材料單位面積上的內(nèi)力。內(nèi)力是當金屬材料受載荷作用未引起破壞時，其內(nèi)部產(chǎn)生與載荷相平衡的力。達5％或斷面收縮率達10％的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。氏硬度用符號“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，切削加工時易于“粘 刀”，通過正火處理，可以減少自由鐵素體，獲得細片狀珠光體，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(nèi)應力的目的。 3）消除過共析鋼的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)狀碳化物。 4）提高普通結(jié)構(gòu)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(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，過冷度較大 正火后所得到的組織比較細，強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。因為較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；在沒有其它熱處理工序時，用正火可以細化晶粒，提高低碳鋼強度。 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備熱處理，如有網(wǎng)狀二次滲碳體存在，則應先進行正火消除。 退火是將工件加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。緩冷是退火的主要特點，退火件一般隨爐冷卻至 550℃ 以下時出爐空冷。 退火是應用非常廣泛的熱處理，在工模具或機械零件等的制造過程中，經(jīng)常作為預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的某些缺陷，并為隨后的工序做好準備。 退火目的①降低材料硬度，以利于切削加工；②消除各類應力，防止零件變形；③細化粗大晶粒，改善內(nèi)部組織，為最終熱處理做好準備。 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， 保持一定時間。然后以適當速 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 主要學習碳鋼與合金鋼的淬火 Fe－ Fe 3 C 相圖來確定，其目的是為了 ①淬火后希望得到全部細小的馬氏體；②淬火后希望硬度高。 ① 亞共析鋼 Ac 3 +(30~50)℃ ,可獲得細小的均勻的馬氏體，如溫度過高則有晶粒粗化現(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 Ac cm 將會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到 63HRC；如淬火溫度提高至 1000℃（ 》Ac 3 ），雖然淬火后硬度能達到 63HRC，但是沖擊韌性卻顯著降低。 ①對含有阻礙奧氏體晶粒長大的強碳化物形成元素（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對含有促進奧氏體晶粒長大的元素（如錳等），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(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 點附近應當緩以盡量減小馬氏體轉(zhuǎn) 變時產(chǎn)生的組織應力。 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力、避免工件產(chǎn)生變形或開裂。 三、淬火介質(zhì) 淬火介質(zhì)：鋼從奧氏體狀態(tài)冷至 Ms 點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 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 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(qū)的冷卻速度顯著下降，而低溫區(qū)的冷卻速度仍然很高。因此淬火時水溫不 應超過 30℃，加強水循環(huán)和工件的攪動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(qū)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(wěn)定的合金鋼。 可見水與油作為淬火介質(zhì)各有優(yōu)缺點，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。由于水是價廉、容易獲得、性能穩(wěn)定的淬火介質(zhì)，因此目前世界各國都在發(fā)展有機水溶液作為淬火介質(zhì)。美國應用濃度為 15％聚乙烯醇、％抗粘附劑、 ％防泡劑的淬火介質(zhì)，以及國內(nèi)使用比較廣泛的新型淬火介質(zhì)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(zhì)。例如在 398℃時最大冷速為 418℃ /S， 300～ 200℃時的平均冷速為 190℃ /S。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。 常用的淬火方法：單介質(zhì)淬火、雙 介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火。 四、淬火方法 單介質(zhì)淬火 優(yōu)點：操作簡單、易實現(xiàn)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。 雙介質(zhì)淬火 優(yōu)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。 局部淬火 為了避免工件其它部分產(chǎn)生變形或開裂，即可用局部淬火 。 馬氏分級淬火 優(yōu)點：使過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：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：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。 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） 鋼的化學成分。除鈷以外的合金元素溶于 奧氏體后，均能增加過冷奧氏體穩(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(wěn)定，使 C 曲線越向右移，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 臨界直徑 /mm 淬 水 淬 油 45 13～ 5～ 20Cr 12～ 19 6～ 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 定義：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。如低合金鋼淬透性相當好 ，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. 淬火工件的過熱和過燒 工件在淬火加熱時，由于溫度過高或者時間過長造成奧氏體晶粒粗大的缺陷稱為過熱。 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(chǎn)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。 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)象稱為過燒。 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(zhì)相互作用往往會產(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，并嚴重影響淬火冷卻速度，進而使淬火工件出現(xiàn)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(xiàn)象。 在空氣介質(zhì)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(nèi)加入無水分的木炭，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. 淬火時形成的內(nèi)應力 有兩種情況： ①工作在加熱或冷卻時，由于同部位存在著溫度差別而導致熱脹或冷縮不一致所引起的應力稱為熱應力。②由于熱處理過程中各部位冷速的差異使工件各部位相轉(zhuǎn)變的不同時性所引起的應力稱為相變應力。 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?qū)嵝圆畹母吆辖痄?，應緩慢加熱或多次預熱，以減少加熱中產(chǎn)生的熱應力； 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(nèi)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(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：軸承通過淬火加低溫回火可以提高硬度和耐磨性；彈簧鋼通過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，保持一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。 １、 回火目的 1） 穩(wěn)定組織，消除淬火應力 2） 調(diào)整硬度、強度、塑性、韌性 ２、 淬火鋼在回火時組織的轉(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） 滲碳體的聚集長大和鐵素體再結(jié)晶（＞ 450℃） ３、 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 ℃），組織為回火托氏體，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，用來制作汽車、拖拉機、機床等承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件，如曲軸、連桿、螺栓、機床主軸及齒輪等重要的機器零件。 通常在工業(yè)上將鋼件經(jīng)淬火＋高溫回火的復合熱處理工藝稱為調(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)