史上更全_金属材料热处理基础知识_金属材料及热处理_

热处理定义：钢的热处理是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却来改变其内部组织，从而获得所需的物理、化学、机械和工艺性能。

热处理目的：

1.提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料，延长零件的使用寿命。

2.消除材料的残余应力，提高金属的切削性能。

加热温度、保温时间和冷却方法是热处理更重要的三个基本工艺因素。

退火

1、定义：将偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一段时间，然后缓慢冷却，以实现接近平衡状态组织的热处理过程。

2、目的：降低硬度，均匀化学成分，提高切割加工性能和冷塑性变形性能，消除或减少内应力，为零件更终热处理准备合适的内部组织。

3、分类

球化退火：工件中碳化物球状化的退火。

去应力退火：为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行退火。

正火

1.定义:将钢或钢加热到一定温度，将其完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以获得珠光体组织的热处理工艺。

2、目的：提高切削性能，消除毛坯内应力，细化晶粒，提高硬度，获得均匀的组织和性能。

退火和正火的区别

退火和正火是预备热处理工艺，正火后的强度和硬度高于含碳量相同的工件。

例如：含碳量大于0.5%的碳钢和合金钢，为了降低硬度，便于切削，

一般用于锻件、铸件和焊接件。退火一般安排在毛坯制造和粗加工前。

渗碳

1、定义：为了提高工件表面的碳含量，形成一定的碳含量梯度，在渗碳炉中加热和保温低碳钢，使碳原子渗入工件表面，然后进行淬火化学热处理工艺。

2.目的:将低碳钢表面含碳量增加到0.85～1.10%，然后经过淬火和低温回火处理，消除应力，稳定组织，使钢表面具有高硬度(HRc56~62)，增加耐磨性和疲劳强度。但心脏仍保持原有的塑性和韧性。

3.应用:15Cr、20Cr对于含碳量低的钢种，渗碳层的深度根据零件的要求不同，一般为0.2～2mm。

材料和渗碳层深度可根据工件尺寸和心脏强度的要求进行选择。

根据实际需要设计渗碳层深的选择，以节约成本。

层深的增加意味着渗碳时间的延长，齿轮通常根据经验公式设计层深。

淬火

1.定义:将钢加热到临界温度以上，保温一定时间使其奥氏体化，冷却速度大于临界冷却速度。

二、淬火目的：

提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具

提高强韧性：轴、杆、销、应力件

提高弹性：各种弹簧

提高耐蚀和耐热性：耐热钢和不锈钢

3、淬火分类

根据加热温度：完全淬火、不完全淬火、循环加热淬火

根据加热介质和热源条件：盐浴加热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬火、接触电淬火等

淬火部位：整体淬火、局部淬火、表面淬火等

单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火等

4.工艺流程:

冷却速度是钢淬火过程中更重要的因素，它直接影响淬火产品和性能。

一方面，冷却速度大于临界冷却速度，以确保所有马氏体组织；另一方面，冷却应尽可能缓慢，以减少内应力，避免工件变形和开裂。

为了解决上述矛盾，不同的冷却介质和冷却方法可以在奥氏体更不稳定的温度范围内(650℃～550℃)快速冷却，超过临界冷却速度，防止珠光体类型变化；在马氏体转化区(300℃～100℃)，为了减少淬火工件产生的应力，冷却减慢。

5.不同淬火温度下的内部组织

钢的淬火组织主要由马氏体组成

亚共析钢在不完全淬火时由马氏体和铁素体组成

当奥氏体的碳质量分数大于0.淬火组织为马氏体和残余奥氏体。

马氏体和渗碳体氏体和渗碳体的组织。

亚共析钢不完全淬火是不正常的，因为它不能达到更高硬度。过共析钢不完全淬火是正常的，这使得钢具有更高的硬度和耐磨性。

在适当的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈小针状；如果加热温度过高，会形成粗针状马氏体，使材料变脆，甚至在钢中开裂。

6般淬火件的工艺路线：

下料—锻造—正火（退火）—粗加工—调质—半精加工—表面淬火—精加工

表面淬火

1、定义：是成本更低的表面硬化处理方法，工艺简单灵活，适合局部处理，特别适合提高耐磨性。由于只加热表面层，心脏强度在淬火前保持状态。

2.目的：提高材料的硬度、强度和耐磨性，保持心脏良好的塑性和韧性。表面淬火后，零件表面会产生较大的残余压力应力，从而大大提高材料的疲劳强度。但需要注意的是，表面淬火区的起点和终点处于残余拉应力状态，因此这里的疲劳强度大大降低。设计中应考虑残余拉应力不应留在齿根、轴过渡圆角等零件应力集中部位，以免工作应力与残余拉应力叠加造成零件裂纹或断裂。

3.工艺流程:表面淬火的一般工艺是高频感应加热、中频感应加热或火焰加热。喷水冷却，然后低温回火。

4.应用:淬火深度一般为:高频淬火1~2mm；中频淬火2～6mm。一般用于中碳以上结构钢、合金钢主轴、齿轮等部件。工件淬火后，表面硬度高，除磨削外，一般不能进行其他切削。因此，工艺应尽可能落后，一般安排在半精加工和磨削前。

回火

1、定义：回火是将淬火后的钢加热到指定的回火温度，经过一定时间的绝缘后，冷却到室温的热处理操作。回火会导致马氏体和残余奥氏体的分解。

2、目的：

⑴淬火内应力减少或消除，防止变形或开裂。

⑵获得所需的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调节硬度和韧性。

⑶稳定尺寸。

⑷对于一些高淬火钢，空冷可以淬火，如回火软化可以降低硬度，缩短软化周期。

3.分类：钢淬火后需要回火。回火温度取决于更终要求的组织和性能（工厂通常根据硬度要求），回火通常根据加热温度可分为以下三类。

(1)低温回火:加热温度为150℃～250℃。低温回火组织为回火马氏体，其中碳化物沉淀形成回火马氏体，残余奥氏体也转化为回火马氏体。回火马氏体易被侵蚀，组织呈深色针状。回火马氏体强度和硬度高，韧性和塑性明显高于淬火马氏体。

其主要目的是降低淬火钢中的内应力，降低钢的脆性，保持钢的高硬度和耐磨性。常用于高碳钢切割工具、测量工具、滚动轴承部件和渗碳部件。

(2)中温回火:加热温度为350℃～500℃。中温回火组织为回火屈氏体，是由铁素体和粒状渗碳体组成的极细混合物。回火屈氏体强度好，弹性更高，韧性好。

其主要目的是获得高弹性极限和高韧性。主要用于各种弹簧热处理。

(3)高温回火:5000加热温度℃～650℃。高温回火组织的回火索氏体是由粒状渗碳体和其他轴状铁素体组成的混合物。回火索氏体具有良好的强度、韧性和塑性。

其主要目的是获得一定的强度和硬度，综合机械性能具有良好的冲击韧性。淬火后加高温回火的热处理通常称为质量调节处理。主要用于处理中碳结构钢，即轴、连杆、齿轮等高强度、高韧性的机械部件。

调质

1.定义:工件淬火和高温回火的复合热处理工艺。

2、目的：为各种中碳结构钢和中碳合金钢提供更好的强度、塑性和韧性的综合机械性能。质量调整一般安排在粗加工后、半精加工前，并为未来的热处理做准备。

大多数零件通过质量调节来提高材料的综合机械性能，即提高拉伸强度、屈服强度、截面收缩率、延伸率和冲击功率。

3、应用：质量调节处理可大大提高材料的拉伸屈服强度，提高屈服强度比和冲击功率，使材料具有良好的强度和塑性韧性。一般来说，质量调节钢应为中碳钢（

4、工艺过程：首先需要将零件加热到一定温度，保温一定时间，然后在油或水中冷却。冷却后立即入炉回火(500~650℃)，降低淬火应力，调整组织成分，满足机械性能要求。

马氏体：钢中马氏体的主要特点是高硬度和高强度。

铁素体：铁素体具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度较低。其力学性能几乎与纯铁相同。

奥氏体：奥氏体常存在于727中℃以上是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性好，易锻造成型。

渗碳体：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度高，塑性和韧性低，脆性大。渗碳体是钢中的主要增强阶段，其数量、形状、尺寸和分布对钢的性能有很大的影响。

珠光体：存在于钢的退火或正火组织中。粒状珠光体：分布在铁素体基体上的两相机械混合物称为粒状珠光体。粒状珠光体一般通过球化退火获得，也可通过淬火和回火获得。

各组织的硬度性能指标范围如下：

珠光体10～20HRC

索氏体22～25HRC

屈氏体36～42HRC

马氏体62～65HRC

回火马氏体约60HRC

回火屈氏体40~488HRC

回火索氏体25~35HRC。

氮化处理

1.定义:渗氮是将氮原子渗入金属表面获得含氮化合物的处理方法。

2.目的:提高零件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。

3.特点:氮化工艺更大的特点是热处理变形小，硬化层较浅，特别适用于结合质量调节工艺，提高零件的疲劳强度、表面耐磨性、耐腐蚀性，改善零件的摩擦状态，防止粘合。适用于在周期载荷下工作的零件，如轴。

4.应用:原则上任何钢种都可以氮化，但更常用的氮化钢是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)等，氮化后一般不能加工，整体氮化应尽可能设计，因为氮化层本身只有利于使用，不需要加工。

5、工艺要求：氮化在氮化炉中进行，变形小，氮化硬度根据材料确定。此外，氮化前必须进行质量调节，以提高心脏的机械性能，并为氮化做好组织准备。

钢的淬透性

1.淬火性：钢在淬火过程中能获得马氏体的能力。其尺寸以规定条件下淬火层的深度表示。钢本身的固有属性与外部因素无关

2.硬化层深度：从工件表面到半马氏体区域的深度。工件的淬透深度取决于钢的淬透性，还与冷却介质、工件尺寸等外部因素有关。

3.影响淬透性的因素：临界冷却速度取决于材料的化学成分。一般来说，碳钢淬透性差，合金钢淬透性好，合金元素含量越高，淬透性越好

硬度

硬度是指金属材料抵抗比其硬物体压入其表面的能力。

硬度越高，金属抵抗塑性变形的能力就越大。它是重要的力学性能指标之一，与强度和塑性指标有内在联系。

常用的硬度试验方法有：

布氏硬度试验-主要用于黑色和有色金属原料的试验，也可用于退火和正火钢件的硬度测量。所用设备为布氏硬度计。

洛氏硬度试验-主要使用 于