钢的普通热处理.doc

2.4.3 钢的普通热处理
一.退火
     将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。
    钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。
    碳钢各种退火和正火工艺规范示意图
1. 完全退火
    完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上20℃～30℃, 保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却), 以获得接近平衡组织的热处理工艺。完全退火一般用于亚共析钢。 　　
    完全退火的目的在于，通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。
2. 等温退火
    等温退火是将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。
等温退火的目的与完全退火相同, 能获得均匀的预期组织; 对于奥氏体较稳定的合金钢, 可大大缩短退火时间。
3.球化退火
    球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。
    过共析钢球化退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。球化退火的加热温度略高于Ac1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却。
4. 扩散退火
    为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100℃～200℃）的温度，长时间保温（10h～15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。
　　扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。
5. 去应力退火
    为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500℃～650℃)，保温后随炉冷却, 这种处理可以消除约50%～80%的内应力, 不引起组织变化。

二.正火(常化)
    钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上30℃～50℃, 保温适当时间后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过共析钢为S+Fe3CII。
    正火的目的是使钢的组织正常化，亦称常化处理，一般应用于以下方面：
    1．作为最终热处理  正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。 
    2．作为预先热处理  截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火， 以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。
    3. 改善切削加工性能 
三.淬火
    将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上30℃～50℃；共析钢和过共析钢为Ac1以上30℃～50℃），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。
钢的淬火温度范围
常用的冷却介质是水和油。为了减少零件淬火时的变形，可用盐浴作介质。
    常用的淬火方法有单介质淬火，双介质淬火，分级淬火和等温淬火等。

1.钢的淬透性  
    钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。
    钢的淬透性可用末端淬火法测定。
    影响淬透性的因素：
    ①碳含量 在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。
    ②合金元素 除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。
    ③奥氏体化温度 提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。
    ④钢中未溶第二相 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。
    钢材经调质处理后, 淬透性好的钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好，而淬透性差的钢心部为片状索氏体+铁素体, 只表层为回火索氏体, 心部强韧性差。

(a)完全淬透; (b)淬透较大厚度; (c)淬透较小厚度
 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较
2.钢的淬硬性  钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性，它主要决定于M的碳含量。   
☆ 做一做：比较T10 、20CrMnTi 、40Cr 三种钢的淬透性和淬硬性的高低。
钢的淬透性测定及淬透性曲线的应用   
1.钢的淬透性测定 

用末端淬火法测定钢的淬透性
    淬透性可用“末端淬火法”来测定(见GB225-63)。将标准试样(Φ25×100mm)加热奥氏体化后, 迅速放入末端淬火试验机的冷却孔中, 喷水冷却。规定喷水管内径12.5mm, 水柱自由高度65±5mm, 水温20～30℃。显然, 喷水端冷却速度最大, 距末端沿轴向距离增大, 冷却速度逐渐减小, 其组织及硬度亦逐渐变化。在试样测面沿长度方向磨一深度0.2-0.5mm的窄条平面, 然后从末端开始,每隔一定距离测量一个硬度值, 即可测得试样沿长度方向上的硬度变化, 所得曲线称为淬透性曲线。
    实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢, 由于化学成分和晶粒度的差异, 淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。
根据GB225-63规定, 钢的淬透性值用  表示。其中J表示末端淬火的淬
透性, d表示距水冷端的距离, HRC为该处的硬度。例如, 淬透性值 , 即表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。 
在实际生产中, 往往要测定淬火工件的淬透层深度, 所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。在同样淬火条件下, 淬透层深度越大, 则反映钢的淬透性越好。

淬火试样断面上马氏体量和硬度的变化

2. 淬透性曲线的应用 　

 利用淬透性曲线比较钢的淬透性
利用淬透性曲线, 可比较不同钢种的淬透性。淬透性是钢材选用的重要依据之一。 利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线，找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离。该距离越大，则淬透性越好。图中可知40Cr钢的淬透性比45钢要好。
淬透性不同的钢材经调质处理后, 沿截面的组织和机械性能差别很大。如直径为30mm的40CrNiMo钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好。而直径为30mm的40钢的表层为回火索氏体, 心部为片状索氏体+铁素体, 心部强韧性较差。截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。
四.回火
    钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。
1．低温回火
    回火温度为150℃～250℃。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C), 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多可忽略。所以亚共析钢低温回火后组织为回火马氏体(回火M)。过共析钢低温回火后组织为回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体。
    低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC～64HRC)和高耐磨性。
2．中温回火
    回火温度为350℃～500℃，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。
    回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC～45HRC。
3. 高温回火
    回火温度为500℃～650℃, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体(回火S)。

 回火索氏体
淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、
内应力及碳化物粒子大小与回火温度的关系
    回火索氏体综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC～35HRC。通常把淬火加高温回火称为调质处理。
    钢在回火时会产生回火脆性现象, 即在250℃～400℃和450℃～650℃两个温度区间回火后, 钢的冲击韧性明显下降。
    钢回火时性能的变化：
钢的硬度随回火温度的变化  

40钢机械性能与回火温度的关系