热处理相关基础知识.ppt

金属材料知识金属材料的性能一、物理性能和化学性能金属的物理性能是指金属固有的属性，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。二、金属的力学性能所谓力学性能是指金属在外力作用时表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。1、强度：金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂是能力成为强度，强度大小通常用压力来表示。2、塑性：断裂前金属材料产生永久变形的能力为塑性。塑性指标也是由拉伸试验测得的。常用金属材料拉伸时最大的相对塑性变形是用伸长率和断面收缩率来表示。3、硬度：材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕和划痕的能力称为硬度。（1）布氏硬度：布氏硬度值是用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(W)来表示（2）洛氏硬度：洛氏硬度值（HR）是用洛氏硬度相应标尺刻度满量程（100）与残余压痕深度增量（e）之差计算硬度值。4、韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧性。5、疲劳强度三、金属的工艺性能工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性能等。金属材料一般分类方法钢的分类：平炉钢 酸性钢 按冶炼方法分 转炉钢 及 碱性钢 电炉钢 沸腾钢(一般用锰铁脱氧。脱氧不完全。)（感应炉、电渣炉、真 镇静钢和半镇静钢(先用锰铁、然后用矽铁、最后用 空自耗炉、真空感应炉)铝铁脱氧。是脱氧完全的钢)低碳钢 碳 钢 中碳钢 高碳钢 按化学成分分 低合金钢 锰 钢 合金钢 中合金钢 及 铬 钢 高合金钢 硅锰钢 普通低合金结构钢 渗碳钢 结构钢 碳素结构钢 及 弹簧钢钢 合金结构钢 调质钢 轴承钢 按 用 途 分 碳素工具钢 刃具钢 工具钢 合金工具钢 及 量具钢 高速工具钢 模具钢 特殊性能钢 如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐热不起皮钢、高电阻合金、磁钢、耐磨钢等 退火状态的亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢 按金相组织分 正火状态的珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢 按品质分普通钢、优质钢、高级优质钢 按成型方法分铸钢、锻钢、热轧钢、冷拔钢金属学基础知识一、纯金属的结构与结晶1、金属的晶体结构金属在固态下都是晶体。金属的性能、塑性变形和热处理相变都与晶体结构有关。金属中最常见的晶格有三钟：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。晶体缺陷根据几何形态可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。2、金属的结晶金属从液体状态转变为固体（晶体）状态的过程叫做金属的结晶。(1)、冷却曲线和过冷现象物质冷却过程中温度和时间的关系曲线叫冷却曲线。金属结晶的冷却曲线可用热分析法测定，其测定过程如下：先将金属熔化并使温度尽可能均匀，然后以一定的速度冷却，记录下温度随时间变化的数据，并将其绘制在温度-时间坐标中，便可获得如图1所示的冷却曲线。由于结晶时放出的结晶潜热补偿了金属向外界散失的热量，冷却曲线上出现了一段水平线，这段水平线所对应是温度就是金属的实际结晶温度。实验表明，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度（平衡结晶温度）T0，这种现象叫做过冷。过冷是结晶的必要条件，T1和T0之间的差值T叫做过冷度，即T+T0-T1。(2)、结晶过程结晶过程是形核及晶核长大的过程。3、金属的同素异构转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。铁的同素异构转变可以用下式表示：1394912-Fe-Fe-Fe（体心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）二、合金的结构和结晶相：指合金（或纯金属）中具有同一成分、结构、性能，并以界面互相分开的均匀的组成部分。1、合金的相结构根据构成合金的各元素之间的相互作用，合金中的相结构可以分为固溶体和金属化合物两大类型。（1）固溶体当液态合金凝固后，组元之间仍能互相溶解，形成在某种元素的晶格中溶有其它元素原子的相，这种相就称为固溶体。（2）金属化合物2、二元合金状态图合金状态图又称合金平衡图或合金相图，是表示在平衡条件下合金的状态和温度、成分之间的关系图解。它反映了合金系中不同成分的合金在无限缓慢加热或冷却时的组织变化规律，是选择合金成分、分析合金的显微组织、研究合金的性能和制定铸造、锻造、热处理工艺的重要依据。（1）匀晶状态图：两组元在液态和固态都能无限互溶的状态图。这类合金凝固时都从液相结晶出固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。（2）共晶状态图：两组元在液态完全互溶，并具有共晶转变的状态图。共晶转变：在一定温度下，从一定成分的均匀液相中同时结晶出成分一定的两种固相的转变。（3）包晶状态图：两组元在液态时无限互溶，在固态时形成有限固溶体，并且有包晶转变的状态图。包晶转变：在恒温下，一定成分的液相和它所包围的已结晶出来的一定成分的固相作用，形成另一个成分的新固相的转变过程。三、铁渗碳体相图1、铁渗碳体相图钢是一定成分范围的铁碳合金，铁碳合金相图表示不同成分的铁碳合金在不同温度下的不同平衡组织，如图Fe-Fe3C相图所示。由Fe-Fe3C相图可以查出一定成分的铁碳合金发生平衡相变的温度，即临界点；可以预测出在不同温度区域发生的相变过程和冷却到常温时可能得到的平衡组织。铁碳合金相图中各特性点说明见表Fe-Fe3C相图中的几个特性点，各特性线说明见表Fe-Fe3C相图中的特性线。根据铁碳合金相图，含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁。根据组织特征，从铁碳合金相图中将铁碳合金按含碳量多少分为七大类：（1）、工业纯铁，含碳量0.0218%；（2）、共析钢，含碳量0.77%；（3）、亚共析钢，含碳量0.0218%0.77%；（4）、过共析钢，含碳量0.77%2.11%；（5）、共晶白口铸铁，含碳量4.30%；（6）、亚晶白口铸铁，含碳量2.11%4.30%；（7）、过晶白口铸铁，含碳量4.30%6.69%；2、金属组织金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。奥氏体：碳在g-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c含碳0.8%）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。热处理基础知识一、钢在加热时的组织转变在热处理工艺中，钢的加热是为了获得奥氏体。加热时奥氏体的状态、晶粒大小、化学成分及其均匀性等，对于冷却过程中的组织转变和室温是组织与性能，都有显著影响。钢在加热时的主要组织转变：奥氏体的形成及奥氏体晶粒长大。1、奥氏体的形成将钢加热到Ac3或Ac1以上（Ac1为实际加热时P-A的临界点；Ac3为亚共析钢实际加热时，所有铁素体均转变为奥氏体的温度），以获得完全或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。珠光体向奥氏体转变分为四个阶段：奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化。共析钢中奥氏体形成过程见下图。共析钢中奥氏体形成过程2、奥氏体晶粒长大当珠光体向奥氏体转变刚刚完成时，奥氏体晶粒是比较细小的。这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多，有利于形成数目众多的奥氏体晶核。不论原来钢的晶粒是粗或是细，通过加热时的奥氏体化，都能得到细小的奥氏体。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大，它是通过晶粒之间的相互吞并来完成的。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大。钢在具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体的实际晶粒。它的大小对冷却转变后钢的性能有明显的影响。奥氏体晶粒细小，冷却后产物组织的晶粒也细小。细晶粒组织不仅强度、塑性比粗晶粒高，尤其是韧性有明显的提高。因此，钢在加热时，为了得到细小而均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间。二、钢在冷却时的组织转变在热处理生产中，加热后钢件的冷却方式有两种：等温冷却和连续冷却。1、过冷奥氏体的等温转变将奥氏体过冷至临界点下某一温度，在此温度等温停留过程中发生的转变，称为过冷奥氏体的等温转变。在临界点下尚未转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。将钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的温度区间内等温保持时，过冷奥氏体所产生的相变称为等温转变。过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程中转变温度、转变时间与转变产物量（转变开始及终了）的关系曲线图称为等温转变图，也称C曲线图或TTT曲线图。由共析钢的等温转变图可知，在A1以上是奥氏体稳定区域。aa为过冷奥氏体转变的开始线，在转变开始线左方是过冷奥氏体区（这一段时间称为孕育期）；bb为过冷奥氏体转变终了线，在转变终了线右方，转变已经完成，是转变产物区。在图下方有两根水平线，Ms称为上马氏体点约230，Mf称为下马氏体点，约-50。在图上“C”字曲线拐弯处（约550）俗称“鼻子”，此处孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，最容易分解。2、过冷奥氏体的连续冷却时的转变过冷奥氏体连续冷却转变图，是表示在各种不同冷却速度下，过冷奥氏体转变开始和转变终了的温度与时间的关系图解，可简称为连续冷却转变图，或叫做CCT图。利用共析钢的C曲线来分析过冷奥氏体的连续冷却转变，把代表连续冷却的冷却曲线叠画在等温转变图上，见图”在C曲线上估计连续冷却时的组织”，根据它们和C曲线相交的位置，便可大致估计其冷却转变情况。例如，图中冷却速度v1相当于随炉冷却，奥氏体在A1以下附近的温度进行转变，得到较粗片状珠光体；v2相当于在空气中的冷却速度，可估计出它将转变为索氏体；v3相当于在油中的冷却速度，则奥氏体在“鼻子”附近分解一小部分，而其余的奥氏体则转变为马氏体，最后得到托氏体和马氏体的混合组织；v4相当于在水中冷却，它不与C曲线相交，过冷奥氏体来不及分解，便被过冷到Ms以下进行马氏体转变。v临恰好与C曲线的开始转变线相切，是奥氏体不发生分图在C曲线上估计连续冷却时的组织解而全部过冷到Ms以下向马氏体转变的最小冷却速度，即钢在淬火时为抑制非马氏体转变所需的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度。它是钢材接受淬火能力大小的标志。影响钢材临界冷却速度的主要因素是钢的化学成分，这一特性对于钢的热处理具有非常重要的意义。3、各种因素对过冷奥氏体冷却转变曲线的影响影响过冷奥氏体冷却转变形状位置的因素很多，主要有以下几点。碳的影响在正常加热条件下，亚共析碳钢的C曲线，随着含碳量的增加向右移；过共析碳钢的C曲线，随着含碳量的增加向左移。故在碳钢中以共析钢过冷奥氏体最稳定。合金元素的影响除Co以外，所有的合金元素溶入奥氏体之后，都增大其稳定性，使C曲线右移。碳化物形成元素含量较多时，使C曲线的形状发生变化，出现两组曲线。加热温度和保温时间的影响随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，作为奥氏体分解的晶核数量减少，同时奥氏体晶粒长大，晶界面积减少，这些都不利于奥氏体的分解，提高了奥氏体的稳定性，使C曲线向右移。4、珠光体型转变过冷奥氏体在较小的冷却速度（过冷度）下，将在C曲线“鼻子”以上温度区域，发生珠光体型转变，形成珠光体型组织。珠光体型组织是退火和正火钢的重要组织组成物，它的形态、数量与分布情况，直接影响着退火和正火钢的性能，因此，研究珠光体转变具有重要的实际意义。珠光体的组织形态珠光体的组织形态可分为两类：片状珠光体和球状珠光体。片状珠光体组织是由片状渗碳体和铁素体互相交替排列成的片层状混合物。珠光体片间距的大小主要取决于转变温度（过冷度），而与奥氏体的晶粒度和均匀性无关。转变温度越低，片间距越小，珠光体组织越细，即渗碳体弥散度越大。一般按片间距的大小，将珠光体型组织分为珠光体、索氏体和屈氏体三种。球状珠光体是在铁素体基体上分布着细小颗粒状的渗碳体的球化组织。珠光体的形成过程珠光体的形成是一个形核和核长大的过程。珠光体的形成过程，包含着两个同时进行的过程，一个是碳的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；另一个是晶体点阵的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方体点阵的铁素体和复杂斜方点阵的渗碳体。三、钢的淬透性及淬硬性1、淬透性的概念淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。它是反映钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的容易程度。淬火时，工件截面上各处的冷却速度是不同的。表面的冷却速度最大，越到中心冷却速度越小。如果工件表面及中心的冷却速度都大于该钢的临界冷却速度，则沿工件的整个截面都能获得马氏体组织，即完全淬透了。如中心部分低于临界冷却速度，则表面得到马氏体，心部获得非马氏体的组织，表示钢未被淬透。因此，淬透性好的钢较淬透性差的钢便于整体淬硬。钢的临界冷却速度的大小是可以表示其淬透性大小的，但是临界冷却速度不便于直接用于生产。在实际生产中常以一定条件下淬火后所获得的马氏体组织层深度来表示其淬透性的大小。从理论上讲，淬透层深度应该是全淬成马氏体的深度，但在未淬透情况下，由于马氏体组织中混入少量（5%10%）非马氏体组织时，在显微镜下难以辨别出来，从硬度上也很难被测出。因此，实际上采用由工件表面向里得到半马氏体（即组织由50%马氏体和50%非马氏体组成）的距离作为淬透层深度。采用半马氏体处作为淬透层界限，就很容易用测量硬度的方法来确定出淬透层的深度。2、淬硬性的概念淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量。低碳钢淬火最高硬度值低，淬硬性差，高碳钢淬火最高硬度值高，淬硬性好。总之钢的淬硬性是用合理淬火后所能达到的最高硬度值来衡量的。四、热处理工艺类别热处理定义：采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却,以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理工艺类别1整体热处理定义：对工件整体进行穿透加热的热处理。常见的整体热处理工艺方式有：退火定义：钢铁或非铁金属和合金加热至适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的：消除应力，调整/细化组织与硬度，为最终热处理作好准备。如去应力退火、再结晶退火、预防白点退火、球化退火、等温退火、不完全退火、完全退火、扩散退火、稳定化退火、石墨化退火等。正火定义：将钢铁材料或工件加热到奥氏体化后，保持一定时间，在空气中冷却的热处理工艺。如普通正火、二段正火等。等温正火：将钢铁材料或工件加热到奥氏体化后，保持一定时间，快速冷到珠光体转变温度等温保持适当时，然后在空气中冷却的工艺。目的：细化/均匀组织组织、调整硬度，消除应力，为机械加工和最终热处理作好准备.淬火定义：钢铁件奥氏体化后，以适当方式冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。目的：使钢铁零件达到高的强度与硬度。如箱式炉、井式炉、盐浴炉、流态炉、网带炉、可控气氛炉、震底炉、滚筒炉、真空炉、工频炉淬火等。回火定义：钢铁零件淬硬后加热到AC1以下某一温度保持，然后冷却到室温的热处理工艺。目的：保持高硬度/提高硬度和尽可能消除淬火应力（一般工模具、轴承/高速钢刀具）；降低硬度/强度、提高塑性韧性、消除应力（中低硬度零件）；保持高硬度、消除应力、稳定组织，保证使用尺寸精度（量具）；提高弹性极限和疲劳强度（弹簧）。各种改变和调整表面与心部组织性能的化学热处理。如渗碳、碳氮共渗、多元共渗、渗单一金属、多金属共渗淬火等。固溶处理定义：工件加热至一定温度保持，使过剩相充分溶解，然后快速冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺，一般多用于非铁合金。目的：获得单一、均匀组织，为时效硬化或应力强化作好组织准备，如铝合金淬火、高锰钢水韧处理等。2局部热处理定义：仅对工件的某一部位或几个部位进行热处理的工艺。常见的局部热处理工艺有：盐浴炉局部淬火/退火/回火、火焰局部淬火/退火/回火、高/中/超音频/工频局部表面淬火/退火/回火等。3表面热处理定义：仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺。常见的表面热处理工艺有：浴炉表面淬火、高频/超音频/中频/工频表面淬火、电脉冲表面淬火、火焰表面淬火、电接触表面淬火、电解液表面淬火、电子束表面淬火、激光表面淬火、各种化学热处理、渗单一金属、多金属共渗等。4化学热处理定义：把金属材料或工件放在适当的活性介质中加热、保持，使一种或几种化学元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。常见的化学热处理工艺有：渗碳：固体、液体、气体（滴注式、吸热式气体、氮基气氛、直生式气氛）渗碳；真空（直接通入甲烷、丙烷或天然气）渗碳、流态床渗碳；碳氮共渗：方式同渗碳，气氛中加氨；渗氮；氮碳共渗；氧氮共渗；硫氮共渗；硫氮碳共渗；渗金属/非金属：单一渗（B、Al、Zn、Cr、S、Si、Ti、Nb、V、Mn）；复合渗（B-C、B-Si、B-Al、B-Cr、Al-Cr、B-C、B-Ti、B-Cr-V、B-Cr-Ti、Cr-Ai-Si、Al-Re、B-Re、Cr-Re等）；离子化学热处理：渗氮、氮碳共渗、渗碳、碳氮共渗、硫氮共渗、硫氮碳共渗、渗金属等；复合渗加表面处理：如QPQ（液体氮碳共渗加氧化）。表面处理（如化学镀磷）加热处理、离子注入、电子束与激光表面熔敷、热喷涂等化学物理复合处理等。化学气相沉积：PVD、CVD。钢材的质量与缺陷钢材质量与缺陷钢材质量优劣，主要与钢材内部的化学成分、组织结构、以及生产条件下可能产生的各种缺陷的严重程度有关。缺陷对钢材质量影响很大。钢材中普遍存在的一些主要缺陷，有的是压力加工前钢锭所遗留下来的，有的则是在加工过程中产生的。钢材中常见缺陷有：1表面缺陷：最常见的表面缺陷有；结疤、划痕、折叠、表面裂纹。（1）结疤：钢锭或钢材表面粗糙不平、形状不规则和大小不一的凹坑。其深度一般为23mm。结疤与许多因素有关，如轧制加热时氧化过剧，在轧制时一部分氧化皮被压入钢材的表面，冷却后产生结疤。又如上注法浇铸钢锭时，由于钢水飞溅或操作不良，使钢水沿模壁流下，它们不能与钢锭结合成整体，轧后的钢材表面就会产生结疤，也可能造成裂纹。（2）划痕：由轧制设备的某些零件与所轧工件摩擦而产生。划痕会降低钢材强度，对薄板会造成应力集中而引起冲压裂纹。对压力容器可能成为使用过程中发生事故的起源，对弹簧零件能成为使用过程中的疲劳源进而发生疲劳断裂事故。（3）折叠：由于材料表面在前一道锻、轧中产生的突出的尖角或耳子，在随后的锻、轧时压入金属本体而形成的。在许多情况下，折叠与裂纹很难区别。折叠超过加工余量的钢材，只能报废或改小使用。（4）表面裂纹：种类很多，在此主要指锻轧裂纹。钢锭由于脱氧或浇铸不当，可能形成横裂纹或纵裂纹，在后续轧制过程中将扩大、改变形状。此外，原材料中的折叠、皮下气泡或严重的非金属夹杂物等缺陷、轧制时加热温度不均、加热温度过高或过低、锻轧终了温度太低或轧后冷却太快等均会导致裂纹产生。2低倍缺陷钢材中的低倍（宏观）缺陷包括：疏松、偏析、白点、缩孔、裂纹、气泡以及不正常断口等。（1）偏析钢中各部分化学成分和非金属夹杂物的不均匀现象统称为偏析。方框型偏析（锭型偏析）在横向酸蚀试片上呈现腐蚀较深的、由密集的暗黑色小点组成的方框型偏析带。偏析带上碳、硫、磷及其它杂质的含量均较高。方框型偏析越严重，偏析带的组织疏松也越严重。方框型偏析程度严重时，钢轧制时易产生夹层，并恶化钢的机械性能。方框型偏析不能用热处理的方法加以消除。区域性一般点状偏析在横向酸蚀试片上呈分散的、形状和大小不同并略为凹陷的暗色斑点，偏析点状偏析在纵向试片上则表现为暗色的的条带。这种缺陷在许多钢种中都有存在，严重时往往伴随出现大量的气泡。严重的点状偏析容易在斑点处产边缘点状偏析生应力集中，并导致早期疲劳裂纹。斑点中碳、硫含量超过正常值，夹杂物量也高，并有大量氧化铝。点状偏析的产生与夹杂物和气体有关。晶内偏析：存在于晶粒范围内的成分不均匀性。在其它条件相同时，冷却速度（显微偏析）越大，晶内偏析越严重。晶内偏析严重时，锻件机械性能降低，特别是塑性、韧性指标，淬火硬度不均匀等。同时还会导致化学性能不均匀，使合金的抗蚀性能下降。（2）缩孔、疏松和气泡缩孔残余：在横向酸蚀试片上呈不规则的皱折或空洞，其附近往往伴有严重的疏松、偏析及夹杂物的聚集。是钢材中不允许存在的一种缺陷。（3）一般疏松：在横向酸蚀试片上的特征是组织不致密，在整个试面上呈分散的小孔隙和小黑点，孔隙多呈不规则的多边形或圆形。（4）中心疏松：在横向酸蚀试片的中心部位呈集中的空隙和暗黑小点。在纵向酸蚀试片上则表现为不同长度的条纹。（5）内部气泡：在横向酸蚀试片上呈平直或弯曲的细裂缝（但有些内部气泡呈蜂窝状，称蜂窝气泡）其数量、长度、宽度都不固定，也无一定分布规律。在纵向断口上则呈非晶质的、沿纤维方向分布的、颜色不同的细条纹。（6）皮下气泡：在横向酸蚀试片上靠近钢材表皮部分呈现垂直于表面的或放射状的细裂纹，也有的呈圆形、椭圆形暗色斑点。（7）白点：在某些经热加工后的结构钢或工具钢的纵向断口上，有时会发现表面光滑的、银白色的斑点，其形状接近圆形或椭圆形，直径一般在零点几毫米至几毫米的范围内（有时可能更大）。在横向酸蚀试片上则呈较多的发丝状裂缝，往往位于试样心部，或接近心部而离表面较远处。这些裂缝是短小的、不连续的，一般呈辐射状或不规则地分布（有时由于锻造后的特殊冷却条件，也有呈同心圆状的，但较为罕见）。在裂缝处取样作金相检查，可发现这些裂缝穿过晶粒，但在裂缝附近不会发现塑性变形。除在高温下已经暴露于空气中的以外，在裂缝处也没有氧化脱碳现象。白点使钢材的纵向拉伸强度与弹性极限降低得不多，但伸长率则显著降低，尤其是端面收缩率与冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零。而且横向力学性能比纵向降低更多。此外，钢中有白点时，淬火容易开裂。因此，钢中不允许有白点存在。（8）翻皮：在横向酸蚀试片上呈亮白色或暗色弯曲的细长带，形状不规则，周边部位常有氧化物夹杂，一般出现在试样边缘处，但也有的出现在内部。翻皮是钢中严重的缺陷，它将使零件在使用中早期失效或在淬火时开裂。（9）裂纹：根据钢材中裂纹分布的部位和特征，分为：内裂：存在于钢材内部，在横向酸蚀试片上呈“鸡爪状”或“人字形”；在横向断口上的特征是呈木纹状裂缝，在纵向断口上，由于热加工的影响，裂缝处呈光滑平面。内裂破坏了金属的连续性，属于不允许的缺陷。轴心晶间裂纹：在横向酸蚀试片的轴心呈蜘蛛状或放射状的细小裂纹，在纵向断口上则表现为夹层。轴心晶间裂纹处有较多的夹杂物，并沿晶分布。轴心晶间裂纹也破坏了金属的连续性，因此一般不允许存在。发纹：钢材表面及内部沿轧制方向出现的细小裂缝。在塔形试样腐蚀面上，呈直线状的细裂纹，裂纹较深，但长短不一，有的可达几十毫米。发纹大部分分布于距钢材表面不远处，但有时也出现在内部。发纹的存在破坏了钢的连续性，使承受高负荷的零件，尤其是受往复应力的零件寿命大大降低。这种缺陷主要是硫化物夹杂沿轧制方向延伸所造成的。（10）外来金属、低倍夹杂和夹渣外来金属：在横向酸蚀试片上呈与基体截然不同的色泽，其形状不规则，有时会顺轧制方向变形，但边缘比较清晰，周围常伴有非金属夹杂物。它的存在，破坏了钢的组织的完整性，也是一种不允许存在的缺陷。低倍夹杂或夹渣：在横向酸蚀试片上呈个别的、颗粒较大或细小成群分布的非金属夹杂物。这种缺陷一般比内在的非金属夹杂大得多，可用肉眼观察到，也是一种不允许存在的缺陷。3显微组织缺陷（常见）（1）脱碳层：钢材表层中的碳全部或部分丧失的层。具有脱碳层的钢材，加工未去掉时将大大降低表面硬度、耐磨性和疲劳极限。（2）网状碳化物：含碳量高于0.77%的钢，碳化物沿晶界析出成网状。网状碳化物的存在，削弱了金属间的结合力，使钢的机械性能显著降低，尤其使冲击韧性下降，脆性增加。（3）碳化物不均匀性：高碳高合金钢中的大量网状碳化物，经过热加工后出现的碳化物不均匀分布现象。碳化物不均匀分布表现为粗大碳化物聚集和碳化物条带等类型。严重时，将使工件热处理后产生裂纹，并使刃具的红硬性，耐磨性下降，以及造成崩刃、断齿等。（4）碳化物液析：在某些高碳钢中，最后凝固的钢液碳含量很高。使凝固后的组织中存在少量莱氏体的现象。碳化物液析使钢制工件在热处理时容易发生淬火裂纹，并使工件在使用过程中由于液析碳化物的剥落而促成磨损与疲劳破坏。（5）带状碳化物：钢锭中的显微偏析在热加工变形过程中延伸而成的碳化物富集带。严重时会造成淬火回火后硬度、组织不均匀。（6）带状组织：经热加工后的低碳结构钢显微组织中，铁素体和珠光体沿加工变形方向成层状平行交替的条带状组织。带状组织使钢的机械性能呈各向异性，并降低塑性和韧性，热处理也容易产生变形，且硬度不均匀。（7）魏氏组织：指针状铁素体或珠光体呈方向地分布于珠光体基体上的显微组织。过热的中碳或低碳钢在较快的冷却速度下容易产生这种缺陷。魏氏组织的存在如果伴随晶粒粗大，则使钢的机械性能下降，尤以冲击韧性下降为甚。4非金属夹杂物（内在的、常见的）（1）硫化物夹杂：包括FeS、MnS等。在高温下MnS具有较高塑性，会沿热加工变形方向延伸。FeS（A、塑性夹杂）与铁能形成低熔点（989）共晶体物质，锻造时会沿晶碎裂（热碎/红碎）。（2）氧化铝夹杂：常见的是Ai2O3，是用铝脱氧时产生的细小难熔、高硬度的脆性夹杂物。（B、脆性夹杂）在热加工过程中不变形而沿加工变形方向呈短线颗粒带状分布，有时数条并列。过多的Ai2O3会使钢的疲劳强度和其它机械性能下降。（3）硅酸盐夹杂：为钢中常见的复杂夹杂物。热加工后沿变形方向延伸，一般外形较粗糙，呈纺锤形。（C、塑性夹杂）（4）球状氧化物夹杂：由镁尖晶石、含钙的铝酸盐、铝、钙、锰的硅酸盐等形成的球状非金属夹杂物，（D、脆性夹杂）经热加工后仍保持较规则的圆形。重要用途的钢材常进行非金属夹杂物的检验，尤其是优质钢及高级优质钢，常列为钢材出厂的常规检验项目之一。夹杂物较多时，往往在淬火时沿着夹杂物的聚集处开裂。热处理设备操作技术在热处理生产过程中，各种不同的工艺目的是通过相应的工艺设备实现的。根据在生产过程中所完成的任务，热处理生产设备可分为主要设备和辅助设备两大类。主要设备用来完成热处理的加热和冷却工序；辅助设备则完成各种辅助工序、生产操作、动力供应、安全生产等项任务。热处理设备的分类是常见的热处理设备分类方法。热处理设备的分类第一节热处理电阻炉热处理电阻炉应用最广，结构、类型最多。按作业方式可分为间歇式和连续式两类；按使用温度可分为高温、中温、低温三类。常用的炉型有箱式电阻炉、台车式电阻炉、井式电阻炉、罩式电阻炉、密封箱式电阻炉、输送式电阻炉、推送式电阻炉、振底式电阻炉、滚筒式电阻炉、转底式电阻炉、转筒式电阻炉、辊底式电阻炉等。以下按炉型分别介绍部分热处理炉的简单结构、特点及维修和安全操作方法。一、箱式电阻炉箱式电阻炉可分为高温、中温、低温三种类型，它主要由炉壳、炉衬、炉门、传动机构、电热元件及电气控制装置组成。炉壳由钢板及型钢焊接而成，炉衬一般由轻质高铝砖、轻质黏土砖、耐火纤维、保温砖以及填料组成。电热元件多为铁铬铝、镍铬合金丝绕成的螺旋体，分别安装在炉膛侧壁搁砖和炉底上。大型箱式电阻炉还在炉膛后壁和炉门上安装电热元件，使炉膛温度保持均匀。高中温电阻炉底部电热元件用耐热钢炉底板覆盖，工件置于炉底板上进行加热。（一）中温箱式电阻炉这类炉子一般可分为两种，分别供工件在空气或简易保护气氛中进行加热。中温箱式电阻炉炉衬一般用密度为600kg/m3的轻质黏土砖砌筑，砖背面贴一层20mm左右的硅酸铝纤维毡，再填珍珠岩或其他保温材料，炉壳、炉门均采用钢板焊接。RX-9Q系列箱式电阻炉，炉壳采用密封焊接，炉门与炉面板之间有嵌入沟槽的石棉橡胶盘根密封，可通入保护气氛或滴入有机液体进行简易保护加热。炉门口下部设有火帘，在炉门开启时使炉内气氛能保持稳定。（二）1200高温箱式电阻炉这类电阻炉主要供合金钢在1200以下加热用。其结构与中温箱式电阻炉基本相同，炉衬用高铝砖砌内层，轻质黏土砖砌中间层，外层为保温填料，炉底板用高铝砖或碳化硅。电热元件采用OCr27Al17Mo2高温铁铬铝电阻丝绕成螺旋状，分别置于炉膛两侧及底部。（三）箱式碳化硅棒电阻炉这类炉子主要供高合金钢件热处理加热及难熔金属烧结时使用。炉衬通常由高铝砖、轻质砖、保温砖和填料层组成。炉底板为碳化硅制品。电热元件为碳化硅棒，由于其电阻值随温度变化较大，约在850左右其电阻值最小，因此应在较低电压下加热，以防急骤升温而使元件损坏。此外，在使用过程中碳化硅棒逐渐老化，为保持原有功率，都配有调压变压器。（四）箱式回火炉这种设备主要由炉壳、炉衬、电热元件、强制炉气循环风扇、炉门及电气控制装置组成。供一般钢件回火及铝合金制品的淬火、退火、时效等热处理时使用。（五）台车式电阻炉台车式电阻炉是中温箱式电阻炉的一种改进型，主要用于大型工件的正火、退火及淬火加热。主要特点是炉底采用电力驱动，靠机械结构拉出炉外，便于工人使用吊车装卸工件，减轻劳动强度。大型台车炉在炉门和后炉墙装电阻丝，有的还在炉顶设置风扇，使炉温均匀。二、井式电阻炉井式电阻炉适用于需垂直悬挂加热的长工件。此类设备密封性较好，热损失小，所以应用极为广泛。我国生产的井式电阻炉有高温井式电阻炉、中温井式电阻炉、低温井式电阻炉和井式气体渗碳炉四种。（一）井式回火炉井式回火炉由炉壳、炉衬、电热元件、导风筒、风扇以及炉盖提升机构组成。（1）炉盖升降机构井式回火炉炉盖升降机构种类较多，小型井式炉一般采用杠杆式。大型回火炉有油缸及电力驱动两种结构。油压式炉盖提升机构为电动油泵推动油缸活塞杆将炉盖顶起；电动炉盖提升机构是通过丝杠使炉盖支承立柱升降，带动炉盖运动。大型井式回火炉，炉盖升降与平移有电动和气动等驱动方式。炉盖有整体式及对开式两种结构。（2）风扇循环装置井式回火炉风扇一般为顶装直连式结构，大型井式回火炉多采用侧装或底装风扇，测装风扇通过风道与炉体相连。风扇一般为离心式。（3）炉衬结构系列标准井式回火炉多采用轻质黏土砖砌筑内衬，电热元件为螺旋状置于搁砖上。大型井式回火炉一般为填料炉衬，电热元件通过瓷件安装在风道中。风道外层与炉壳之间为填料，内层为多块组装，便于安装与维修。（二）井式中温电阻炉这种炉子主要用于金属杆件加热，根据炉子大小及炉温均匀性要求不同，可将炉子分为若干加热区进行控制。炉盖可用砂封、水封或油封。一般中小型炉子采用杠杆升降机构，大型炉子为对开式机构，炉盖平移及升降可用油压、气动或电动方法。炉衬用轻质黏土砖砌筑。电热元件为螺旋状置于搁砖上。（三）1200井式高温电阻炉这种电阻炉供合金钢长杆件在1200范围内加热，主要由炉壳、炉衬、电热元件、炉盖及启闭机构组成。电热元件用Cr27Al7Mo2电热合金丝。小型炉盖一般为整体式，大型炉子为对开式。（四）1300井式电阻炉这种井式电阻炉主要供高合金钢长工件热处理及铁磁合金的烧结。由炉壳、炉衬、炉门、碳化硅棒电热元件等组成。炉壳由钢板及型钢焊接而成，炉衬由高铝砖、保温砖及填料组成。由变压器供电，其电压可在一定范围内调整，以维持电炉正常工作。（五）井式气体渗碳炉井式气体渗碳炉主要用于钢的气体渗碳、氮化和碳氮共渗与重要零件的淬火和退火加热等。其结构与低温井式电阻炉相近。不同之处是井式气体渗碳炉中设置有耐热钢炉罐，并用炉盖密封，将电热元件与炉内气氛隔开。工作时，渗碳剂从炉盖上的滴量器滴入炉中，热裂后经风扇搅动循环，均匀接触工件，废气从炉盖上的排气孔排出。第二节热处理盐浴炉盐浴炉是采用熔盐作为加热介质的热处理设备，特点是结构简单，制造容易，加热速度快且均匀，工件氧化脱碳少，便于细长工件悬挂加热和局部加热。盐浴炉广泛用于工件的淬火、正火加热、局部加热淬火、化学热处理、分级淬火和等温淬火、回火等。盐浴炉按热源方式可分为内热式和外热式两种。内热式以电极式盐浴炉应用最普遍；外热式接热源种类不同有电热式和燃料加热式两种，以电热式坩埚盐浴炉应用为多。一、电极式盐浴炉电极式盐浴炉是在井状炉膛内插入或在炉墙中埋入电极，并通以低压大电流的交流电，借助熔盐的电阻发热，使熔盐到达要求的温度，把熔盐中的工件加热。其炉体结构简单、热效率高、工作温度范围广，坩埚尺寸可根据加热零件的具体尺寸及装炉量要求选定。其炉温均匀，加热速度快，加热时氧化、脱碳不严重，目前应用较广。其主要缺点是必须配备功率较大且需调压供电的盐浴炉专用变压器，坩埚制造和砌筑要求不漏盐，电极材料消耗量大，启动较麻烦，从熔化固体盐到可加热工件所需升温时间较长。电极盐浴炉按增涡结构和电极布置方式，分为插入式和埋入式两大类。（一）插入式电极盐浴炉这类盐浴炉因插入电极，坩埚有效加热区减小，电极寿命短，耗电量大，已逐渐被埋入式电极盐炉取代。（1）坩埚形状和电极布置插入式电极盐浴炉的坩埚结构有方形、矩形、圆形、多边形等形状，电极布置方式有远置和近置之别。长方形坩埚砌造容易，操作方便，应用最广。其缺点是坩埚利用率小，有四个死角，电极本身占据了部分容积不能利用。圆形坩埚利用率较高，但不易砌造。六边形坩埚适用于三相电源，其三边拉长接近三角形者利用率较高。特殊形状的坩埚主要是根据某一种零件的批量生产而专门设计制造。电极布置方式，近置安装容易，电极间距一般为4070mm，用棒状电极可采用较低电压，并可形成强烈磁循环作用。其缺点是，电极附近可吸引工件，容易产生打火烧伤工件。电极对面温度较低，易于沉积凝固盐渣。三极成直线布置时，电流不平衡。为改善这种情况，有的加中性板，有的用三相四极，有的改为三角形排列，这样又使坩埚有效容积减小。远置电极用板状电极电流通过大部分熔盐，炉温均匀，电极修理、更换方便，其缺点是电极间距大，常需较高电压，启动较难，电流通过工件易引起局部过热。大型盐炉常采用综合布置方法，如三相十二极布置。（2）结构特点和性能插入式电极盐浴炉一般采用砌筑坩埚，炉口安装抽风罩和移动炉盖。这种盐浴炉结构简单，建造容易，也便于维修，其坩埚利用率小，安装功率偏低，抽风装置效果差，对工人健康不利。长方形大型盐浴炉，沿坩埚长边一侧或两侧安装数对电极，三相供电，功率较大，有的达16KW。常用的50和100KW三相六极中、低温盐浴炉，柑涡尺寸均为920mm600mm540mm，工作温度850及600。三相电极布置在一侧时，可用金属网将电极和工件隔开，以免吸引工件，致使工件接触电极而损坏。这种大型盐浴炉的主要缺点是盐浴面散热损失较大，抽风效果较差。（二）埋入式电极盐浴炉埋入式电极盐浴炉是将电极埋在炉体内，其一个侧面与盐浴接触，以导电加热。电极埋入方式有顶埋式与侧埋式两种。顶埋式电极是将电极柄从炉顶插入炉体，再由下方与露于炉壁的电极相连。这种方式不易漏盐，但电极制造与坩埚砌筑比较困难，电极柄和水平电极焊接相连较长，电压降及热损失较大。侧埋式电极，以水平方向穿过坩埚壁，使其一个侧面与盐浴接触导电，电极制造简单，但熔盐易从电极入口处漏出。一般都在入口处装设水冷却装置，使熔盐凝固，防止漏出。埋入式电极在炉膛内的布置有垂置和平置之分。垂置电极常成组安装在坩埚一侧，电极间距较小，有强烈磁流循环作用；平置电极常安装在坩埚底部附近侧壁，以使温度均匀，可克