哈工大,金属学与热处理课件,第8章

工艺参数：
加热温度，保温时间，冷却方式。
处理目的很重要。
8.2 钢的淬火
将钢加热到Ac3 （Acm ）或Ac1 临界温度以上的一定 温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的 速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体（或贝氏 体）组织的热处理工艺为淬火。 淬火后得到的组织是马氏体（或下贝氏体）和少量 的残余奥氏体及未溶的第二相。 淬火的目的是提高工件的强度、硬度和耐磨性。
8.2 钢的淬火
8.2.1 淬火应力
（1）热应力及其变化规律 工件在加热或冷却时，由于 不同部位的温度差异，导致 热胀冷缩的不一致性而产生 的内应力称为热应力。 冷却初期，表层先收缩，产 生拉应力；冷却后期，内部 收缩，表面形成压应力，成 为残余应力。
工件冷却时热应力变化示意图
8.2 钢的淬火
8.2.1 淬火应力
8.1.5 去应力退火
去应力退火的目的：消除铸件、锻件、焊接件、机加 件的残余内应力，提高工件的尺寸稳定性，防止变形 和开裂，在精加工或淬火之前，将工件加热至AC1以 下某一温度，保温一定时间，缓慢冷却。 加热温度：碳钢500-650℃，弹簧钢250-300℃。 保温时间：钢件：3min/mm，铸铁件：6min/mm。 冷却方式：缓冷至250-300℃出炉空冷。
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8.1 钢的退火和正火
8.1.7 正火
正火是将钢加热到Ac3（Acm）以上适当温度，保温一定 时间，完全奥氏体化，空冷，得到珠光体组织。 加热温度：高于退火加热温度， Ac3(Acm)以上30-50℃。 保温时间：与完全退火相同，工件心部达到加热温度。 冷却方式：空冷，大件可用风冷或喷雾冷。 正火适用于碳素钢和低、中合金钢，不适用于高合金 钢，高合金钢空冷易发生马氏体转变。
8.2 钢的淬火
8.2.2 淬火加热
（1）加热温度的确定 淬火加热温度的确定以得到均 匀细小的奥氏体晶粒为原则。 ①亚共析钢：Ac3+(30-50℃)。 ②共析钢和过共析钢：Ac1+(30-50℃) 。 ③合金钢的加热温度要高一些。 加热温度高，将导致淬火应力增大、表 面氧化和脱碳严重。 完全淬火 不完全淬火
τ＝KD （min）
（K＝1.5－2 min/mm）
D为工件有效厚度（mm），K为加热系数。
8.1 钢的退火和正火
8.1.1 完全退火
退火后的冷却速度应该缓慢，保证在较高温度发生 珠光体转变，避免硬度过高。 一般碳钢的冷却速度应小于200℃/h，低合金钢的 冷却速度应小于100℃/h，高合金钢的冷却速度应 小于50℃/h。 当工件在炉内控制冷却到600 ℃以下后就可以出炉 空冷。
8.1 钢的退火和正火
8.1.3 球化退火
球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性，组织 均匀化，为以后淬火作准备。 T10钢的球化退火工艺： 加热温度是760-780℃，保温2-4小时， 再炉冷到680℃，保温4-6小时，出炉空冷。 球化退火前，如有网状碳化物存在，需正火消除网状 碳化物，再进行球化退火。
8.1 钢的退火和正火
8.1.4 扩散退火
扩散退火又称均匀化退火，将钢锭加热至略低于固相 线温度，长时间保温，随炉缓慢冷却。 加热温度一般为Ac3和Acm以上150~300℃，固相线以 下100℃；保温时间可根据钢件最大界面厚度计算： 每1mm保温1.5~2.5min。一般不超过15h。 随炉冷至350℃后出炉。 扩散退火的目的：消除晶内偏析，使成分均匀化。
8.2 钢的淬火
8.2.2 淬火加热
（2）加热时间的确定 将升温和保温所需要的时间之和称为加热时间。 影响加热时间的因素有：加热介质、炉温、工件尺寸 和装炉量。加热时间可由以下经验公式确定：
τ＝αKD（min） α ：加热系数，表示单位有效厚度需要的加热时间，
单位：min/mm，碳钢在800－900℃的箱式炉中加热 时，α＝1-1.5；若在盐浴炉中加热，α＝0.3-0.5。
8.1 钢的退火和正火
8.1.3 球化退火
球化退火是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的 一种热处理工艺。 球化退火主要针对共析钢、过共析钢、合金工具钢。 加热温度在Ac1温度以上20~30℃，保温时间不易太 长，使奥氏体中保留大量未溶碳化物质点，并且奥氏 体中碳浓度分布不均匀。 炉冷或Ac1以下20℃保温等温处理，析出粒状碳化 物。
8.1 钢的退火和正火
8.1.1 完全退火
退火加热温度： 碳钢：Ac3点以上20~30℃， 如：20#钢进行完全退火时， 加热温度为900-950℃。 合金钢：Ac3点以上50~70℃。
8.1 钢的退火和正火
8.1.1 完全退火
退火保温时间取决于工件透烧所需要的时间和组织 转变所需要的时间，与钢的化学成分、工件的形状 和尺寸、加热设备类型、装炉量和装炉方式有关。 通常可以用工件的有效厚度来计算加热时间。 对于碳素钢或低合金钢构件，当装炉量不大时，在 箱式炉中的保温时间（τ）可按下式计算：
8.1 钢的退火和正火
加热温度高于临界温度的退火称 为相变重结晶退火。包括完全退 火、不完全退火、球化退火和扩 散退火等。 加热温度低于临界温度的退火包 括去应力退火和再结晶退火。 正火是退火的一种特殊形式。
8.1 钢的退火和正火
8.1.1 完全退火
完全退火是将钢加热到Ac3温 度以上，保温足够时间，缓慢 冷却，获得接近平衡组织的热 处理工艺。 退火的目的是细化晶粒、均匀 组织，消除应力和热加工缺 陷、降低硬度、改善切削加工 和冷塑性变形性能。 完全退火的加热温度一般在Ac3以上20－30℃。
（1）热应力及其变化规律 热应力的产生原因：快速冷却时工件截面上存在的温 差造成的。 影响热应力大小的因素： ①冷却速度越大，截面上温差越大，热应力越大。 ②淬火温度越高、工件截面尺寸越大，热应力越大。 ③钢材导热性越差、线膨胀系数越大，热应力越大。
8.2 钢的淬火
8.2.1 淬火应力
（2）组织应力及其变化规律 工件在冷却时，由于温差造成的不同部位组织转变不 同时而引起的内应力称为组织应力。 淬火初期工件表面冷却到Ms以下发生马氏体转变而引 起体积膨胀，而内部不发生相变体积不变，导致表面 产生压应力。继续冷却，心部发生马氏体转变，体积 膨胀，而表面转变已经结束，不再有体积变化，使表 面产生拉应力。因此组织应力引起的残余应力为表面 拉应力，与热应力相反。
8.1.7 正火
正火工艺较简单，有以下几方面应用： （1）改善低碳钢的切削加工性能。 （2）消除中碳钢热加工缺陷。 （3）消除过共析钢的网状渗碳体。 （4）提高普通结构件的机械性能。 20#钢，正火温度为：920~950℃； 45#钢，正火温度为，850℃，抗拉强度≥600MPa
小结
处理工艺：
完全退火，不完全退火，球化退火，扩散退火，去应力 退火，再结晶退火，正火。
8.2 钢的淬火
8.2.2 淬火加热
（2）加热时间的确定
τ＝αKD（min）
K：装炉修正系数，装炉量较大时，K值取得较大， 一般由经验确定。 D：工件有效厚度（mm）。 刚在加热淬火过程中，由于加热温度和时间选择不 当，可能产生过热、过烧、表面氧化、表面脱碳等缺 陷。
8.2 钢的淬火
8.2.2 淬火加热
8.1 钢的退火和正火
8.1.1 完全退火
中碳结构钢锻轧件中常有魏氏组织、晶粒粗大的 过热组织，和带状组织等缺陷，经过完全退火 后，组织发生重结晶，魏氏组织和带状组织消 除，晶粒细化，切削加工性能得到改善。 焊接工件中焊缝处组织不均匀，热影响区具有过 热组织和魏氏组织，且存在很大内应力。焊后经 完全退火，组织均匀，晶粒细化，魏氏组织消 除，内应力下降。
8.2 钢的淬火
8.2.1 淬火应力
淬火冷却过程中由于工件表面和心部的冷却和相变 的不同时性，会导致不同部位残余应力不同。各种 原因导致的残余应力之和就是淬火应力。 当淬火应力超过材料的屈服极限时，工件会产生塑 性变形；当淬火应力超过材料的强度极限，工件将 产生开裂。 淬火应力包括热应力和组织应力。
8.2 钢的淬火
8.2.2 淬火加热
（4）表面氧化 淬火加热时，工件和加热介质相互作用，产生氧化现 象。氧化使工件尺寸减小，表面粗糙度降低，淬火冷 却速度减慢。 氧化反应机理有： 2Fe + O2 = 2FeO Fe + CO2 = FeO + CO Fe + H2O = FeO + H2 氧化速度一般用氧化 增重来衡量。温度越 高，氧化速度越快。
（3）过热与过烧 过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过 长，造成奥氏体晶粒长大的缺陷。 过热将导致马氏体组织粗大，工件强度和韧性降低， 易产生淬火裂纹。 对于过热工件，可进行细化晶粒的退火或正火，然后 再进行正确的淬火，可以纠正过热组织。
8.2 钢的淬火
8.2.2 淬火加热
（3）过热与过烧 过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶 界发生氧化或局部熔化的现象。 过烧工件无法补救，只能报废。
8.1 钢的退火和正火
8.1.6 再结晶退火
再结晶退火是将冷变形后的金属加热到再结晶温度以 上，保温适当时间后，使变形晶粒重新变成新的等轴 晶粒，消除加工硬化，降低残余应力。 加热温度：碳钢650-700℃，纯铁450℃，纯铝100℃ 。 冷却方式：空冷。 临界变形度（钢：2－10％）时，再结晶晶粒异常长 大，应该用正火或完全退火来代替再结晶退火。 两次冷变形工序之间的再结晶退火：中间退火。
8.1 钢的退火和正火
8.1.1 完全退火
将奥氏体化后的钢快冷至稍低于Ac1温度，等温一定 时间，使奥氏体发生等温转变，得到珠光体后，再空 冷至室温，可以缩短退火时间，使退火组织更加均 匀。这种退火方法称为等温退火。 等温退火适用于高碳钢、合金工具钢、高合金钢等。 对于大截面工件和大批量炉料，工件内部不易达到等 温程度，不适合进行等温退火。
8.1 钢的退火和正火