鋼的熱處理

鋼的熱處理

一、鋼的熱處理原理、過程與用途

鋼的熱處理是把鋼在固態(tài)下加熱到一定溫度，進(jìn)行必要的保溫，并以

適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s到室溫，以改變鋼的內(nèi)部組織，從而得到所需性能的工藝

方法。

熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷

卻三個(gè)階段所組成的。因此，而處理工藝過程可用在溫度一時(shí)間坐標(biāo)系中

的曲線圖表示，如圖2?2?11所示。這種曲線稱為熱處理工藝曲線。

熱處理工藝在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。它能提高零件的使用性

能，充分發(fā)揮鋼材的潛力，延長零件的使用壽命。此外，熱處理還可以改

善工件的工藝性能，提高加工質(zhì)量，減小刀具磨損。

二、非合金鋼在熱處理過程中的組織

1.過冷奧氏體

熱處理時(shí)須將鋼加熱到一定溫度，使其組織全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏

體，這種通過加熱獲得奧氏體組織的過程稱為奧氏體化。奧氏體在臨界點(diǎn)

A,以下是不穩(wěn)定的，組織要發(fā)生轉(zhuǎn)變，但并不是一冷卻到A,溫度以下

立即發(fā)生轉(zhuǎn)變。在共析溫度以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏

體在不同溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)變，將獲得不同的組織。

2.馬氏體和回火馬氏體

當(dāng)奧氏體急速冷卻（如在水、油等介質(zhì)中）時(shí)，奧氏體中固溶的碳原

子來不及析出，形成碳在a-Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號(hào)

“M”表示。馬氏例度高、耐磨性好、塑性差。奧氏體在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)體

積會(huì)膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，致零件變形、開裂。將馬氏體進(jìn)行低溫加熱后空

冷，馬氏體中會(huì)析出部分極細(xì)的化物，過飽和程度下降，內(nèi)應(yīng)力降低，形

成回火馬氏體，用“M畫”表示。

3.貝氏體

在230?550℃溫度范圍內(nèi)，因轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的活動(dòng)能力較弱，

過冷雖然仍分解成滲碳體和鐵素體的混合物，但鐵素體中溶解的碳已超過

正常的三轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定過飽和度的鐵素體和分散的

滲碳體（或硫化的混合物，稱為貝氏體，用符號(hào)“p”表示。貝氏體有上貝氏

體和下貝氏體之分常把350?550℃范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體，用

符號(hào)”B,”表示。上具國的硬度為40?45HRC,但塑性很差。在230?350c

范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為下體，用符號(hào)“Br”表示。下貝氏體中的碳化物呈

細(xì)小顆粒狀或短桿狀，均勻分布生葉狀的鐵素體內(nèi)，在顯微鏡下呈黑色針

狀的組織，下貝氏體的硬度可達(dá)45?55Hl且強(qiáng)度、塑性、韌性均高于上

貝氏體。

4.托氏體和回火托氏體

過冷奧氏體在550?600℃范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，形成極彌散的鐵素體與

滲碳體組的混合物，稱為托氏體（屬珠光體形組織），用符號(hào)”心表示。其

片層間距平均小0.1pim。與貝氏體相比，托氏體的強(qiáng)度、硬度較低，塑

性、韌性較好。

回火馬氏體在繼續(xù)升高溫度時(shí)，因碳原子的擴(kuò)散析出能力增大，過飽

和固溶快轉(zhuǎn)變成鐵素體;同時(shí)亞穩(wěn)定的碳化物也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體，

使淬火時(shí)品的變所保存的內(nèi)應(yīng)力大大消除。與回火馬氏體相比，回火托氏

體的硬度、強(qiáng)度下降，性、韌性提高。此階段在250~400℃基本完成，其

所形成的尚未再結(jié)晶的鐵素體和粒狀滲碳體的混合物稱為回火托氏體，用

"T,”表示。

5.索氏體和回火索氏體

過冷奧氏體在600?650℃范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，形成片層的鐵素體與滲

成的混合組織，稱為索氏體（屬珠光體形組織）用符號(hào)“S”表示。其層片

間距250?350nm之間。索氏體具有良好的綜合力學(xué)性能。

回火托氏體中的a固溶體已恢復(fù)為平衡碳濃度的鐵素體，但此鐵素體

仍保國原馬氏體的針狀外形。針狀鐵素體基體在加熱過程中，會(huì)發(fā)生回復(fù)

和再結(jié)晶過程，后形成位錯(cuò)密度較低的等軸晶粒的鐵索體基體。與此同

時(shí)，滲碳體粒子不斷聚集長大，于約400C時(shí)聚集球化，600C以上時(shí)迅速

粗化。如此所形成的多邊形鐵素體和粒狀滲碳體的混合物稱為回火索氏

體，用“Sl^l”表示。問火索氏體比索氏體具有更好的力學(xué)性能。

三、常用的熱處理工藝

1.退火

將鋼加熱到A,或A;左右一定溫度，保溫后，緩慢（一般隨爐冷卻）

而均勻冷卻的熱處理方法稱為退火。常用的退火方法有均勻化退火、完全

退火、球化退火、去應(yīng)力退火等。

退火可以降低鋼的硬度，提高塑性，使材料便于加工，并可細(xì)化晶

粒，均勻鋼的組織和成分，消除殘留應(yīng)力等。

焊接結(jié)構(gòu)在焊接之后會(huì)產(chǎn)生焊接殘留應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋，因此，重

要的焊接結(jié)構(gòu)焊后應(yīng)該進(jìn)行去應(yīng)力的退火處理，以消除焊接殘留應(yīng)力，防

止產(chǎn)生裂紋。去應(yīng)力退火屬于低溫退火，加熱溫度在A,以下，一般為

600?650℃,保溫一段時(shí)間，然后在空氣中或爐中緩慢冷卻。

2.正火

將鋼加熱到A;或A.以上50?70℃,保溫后，在空氣中冷卻的熱處理

方法稱為正火。正火可以細(xì)化晶粒，提高鋼的綜合力學(xué)性能，所以常用于

碳素鋼和低合金鋼的最終熱處理。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)正火后能改善焊接接

頭性能，消除粗晶組織及組織不均與性等。

3.淬火

將鋼（高碳鋼和中碳鋼）加熱到A;（過共析鋼）或A3（亞共析鋼）

以上30?70℃,在此溫度下保持一段時(shí)間，然后快速冷卻（水冷或油

冷），使奧氏體來不及分解、合金元素來不及擴(kuò)散而形成馬氏體組織，稱

為淬火。

淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。在焊接高碳鋼和某些低合金鋼

時(shí)，近縫區(qū)可能發(fā)生淬火現(xiàn)象而變硬，容易形成冷裂紋，這是在焊接過程

中應(yīng)注意防止的。

4.回火

回火是把經(jīng)過淬火的鋼加熱至低于4,的某一溫度，經(jīng)過充分保溫

后，以一定冷卻的熱處理工藝。因?yàn)榇慊鸷箐摬挠捕?，而且?nèi)應(yīng)力很

大，易引起裂紋，所以火一般不是最終熱處理，鋼淬火后還要進(jìn)行回火才

能使用?；鼗鹂梢允逛撛诒３钟捕鹊幕A(chǔ)上提高韌度。按回火溫度的不同

可分為：

（1）低溫回火（250C以下）

低溫回火后得到的組織是回火馬氏體，其性能是具有高的硬度和耐磨

性及韌度，主要用于刀具、量具、拉絲模以及其他要求硬而耐磨的零件。

（2）中溫回火（250~500℃）

中溫回火得到的組織是回火托氏體，其性能是具有高彈性極限和屈服

強(qiáng)度，也有較好的韌度和硬度，主要用于熱鍛模和彈性零件等。

（3）高溫回火（500℃以上）

高溫回火得到的組織是回火索氏體，其性能是具有良好的綜合力學(xué)性

能（足強(qiáng)度和硬度，塑性和韌度良好），并可消除內(nèi)應(yīng)力。

某些合金鋼在淬火后再進(jìn)行高溫回火的連續(xù)熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處

理，目的得良好的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于重要零件和受力構(gòu)

件，如螺栓、連齒輪、曲軸等零件。

5.表面熱處理

表面熱處理分為兩類:表面淬火和化學(xué)熱處理。

（1）表面淬火

僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的熱處理工藝稱為表面淬火。其原理是:通過快

速加料使鋼的表層奧氏體化，在熱量尚未充分傳到零件中心時(shí)就立即予以

冷卻淬火。適用圍:中碳鋼、中碳合金鋼。方法有;火焰淬火、感應(yīng)淬火、

接觸電阻加熱淬火、淬火等。下面介紹火焰淬火和感應(yīng)淬火。

1）火焰淬火

其原理是:利用氧-乙快（或其他可燃?xì)怏w）火焰對(duì)零件表面進(jìn)行快速

加熱并之快速冷卻的工藝，如圖2-2-12所示。

其特點(diǎn)是:加熱溫度及淬硬層深度不易控制，易產(chǎn)生過熱和加熱不均

勻，淬大量不穩(wěn)定。不需要特殊設(shè)備，適用于單件或小批量生產(chǎn)。

2）感應(yīng)淬火

其原理是:利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或

整體加熱，并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝，如圖2-2-13所示。

電流集中必

圖2-2-13感應(yīng)淬火原理

其特點(diǎn)是:加熱速度快;淬火質(zhì)量好;淬硬層深度易于控制，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械

化和自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)。

(2)化學(xué)熱處理

將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的

表層，以改變其表面層的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝稱為化學(xué)熱

處理?；瘜W(xué)熱處理不改變了鋼的組織，而且表面層的化學(xué)成分也發(fā)生了變

化，因而能更有效地改變零件層的性能。根據(jù)滲人元素，化學(xué)熱處理可分

為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲等化學(xué)熱處理。

1)滲碳。將鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表

層的化學(xué)理工藝稱為滲碳處理。其目的是增加鋼件表層的含碳量。滲碳后

還需進(jìn)行淬火及國回火等熱處理，以提高其硬度和耐磨性，如圖2-2-14所

Zjxo

燃油

風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)

卜

四廢氣火焰

爐蓋

電阻絲

耐熱罐

工件

爐體

圖2-274滲碳處理

2）滲氮。在一定溫度下，使活性氮原子滲入工