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1、第三章 热处理与表面工程技术本章教学学时：3-4本章重点是钢材的热处理。掌握热处理工艺知识会对后续材料的成形与加工提供方便。因此要求学生认真学习掌握热处理原理，了解各种热处理工艺的特点、用途，比较其异同，并在后续章节中加以利用。学习表面工程技术的关键是了解经表面预处理后，基体材料的表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理是如何实现的，以及怎样才能改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所需要表面性能。本章教学方式：讲课与学生自学。主要教学内容：第一节 钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态下加热到一定的温度，保温一段时间，并以适当的速度冷却至室温，以改变钢的内部组织，从而
2、得到所需性能的工艺方法。重要的金属零件一般都要通过热处理来提高其质量和性能。表3-1是45钢热处理前后的性能对比。表3-1 45钢热处理前后的性能状态b/MPa100 K/Jcm-2HBS热轧6001640229正火70080015205080162220淬火75085020.2580120210250热处理过程一般包括加热、保温、冷却几个阶段。当工件加热和冷却时，实际相变往往偏离Fe-Fe3C状态图中的相变温度，而是在一定过热和过冷的情况下进行，过热度和过冷度随加热速度和冷却速度升高而增大。通常把加热时的实际相变线标以字母 C，如Ac1、AC3、Accm 图3-1 加热和冷却时Fe-Fe3C
3、相图中相变线的移动等；而冷却时的相变线标以字母r，如Ar1、Ar3、Arcm等,如图3-1所示。一、钢在加热和冷却时的组织转变（一）钢在加热时的组织转变碳钢的室温组织基本上是铁素体和渗碳体两相组成，只有将钢加热到奥氏体状态才能通过不同的冷却方式获得不同的组织，从而得到所需要的性能。所以，热处理时合理地加热金属是十分重要的。以共析钢为例讨论钢在加热过程中奥氏体的形成过程，如图3-2所示。图3-2共析钢中奥氏体形成过程示意图 (二)钢在冷却时的组织转变 大多数钢制零件都是在室温下工作，室温时钢的力学性能不仅与经过加热、保温后所获得的奥氏体晶粒大小等有关，而且也决定于过冷奥氏体经冷却转变后所获得的组
4、织。而冷却方式和冷却速度对奥氏体的组织转变有直接的影响。钢的热处理工艺有两种冷却方式。 L连续冷却 连续冷却就是使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。 2等温冷却 等温冷却就是使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷至A1线以下一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温状态下发生组织转变。转变完成后再冷却到室温。等温冷却方式对研究冷却过程中的组织转变较为方便。共析钢的奥氏体等温转变曲线，如图3-3所示。共析钢过冷奥氏体等温转变的产物大致可分为三个类型:(1)高温转变产物 共析钢过冷奥氏体冷却到A1-550之间任一温度后，等温转变的产物属于珠
5、光体型组织，是由铁素体和渗碳体的层片所组成的机械混合物。过冷度越大，层片越薄，硬度也越高。实验证明，过冷到A1-650之间后转变得到的组织为珠光体;过冷到650-600之间后转变得到的组织为索氏体，又称细珠光体;过冷到600-550之间后转变得到的组织为托氏体，又叫极细珠光体。 (2)中温转变产物 共析钢奥氏体过冷到550-230之间后等温转变的产物属于贝氏体 型组织，是由铁素体和微小的渗碳体混合而成。贝氏体比珠光体硬度更高。如果将过冷到550-350之间后转变而得到的组织叫上贝氏体，过冷到350-230之间后转变而得到的则为下贝氏体。下贝氏体较上贝氏体有较高的强度和硬度，塑性和韧度也较好。
6、（3）低温转变产物 共析钢过冷奥氏体冷却到230以下后转变为马氏体。它实质上是碳在-Fe中的过饱和固溶体。马氏体是一种不稳定的组织，有很高的硬度，但塑性、韧度很低。共析钢奥氏体过冷到230（Ms）时，开始转变为马氏体，随着温度下降，马氏体逐渐增多，过冷奥氏体不断减少，直至-50(Mf)时，过冷奥氏体才转变完了。所以Ms和Mf之间的组织为马氏体和残余奥氏体。 二、钢的热处理工艺 钢件最常用的热处理工艺为退火、正火、淬火、回火及表面热处理。 (一)钢的退火和正火退火、正火方法的加热温度范围如图3-4所示。1. 退火 退火是将钢材或钢件加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织
7、的热处理工艺。完全退火 图3-3 共析钢过冷奥氏体等温转变图 将钢材或钢件加热至AC3以上20-30，经完全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。球化退火球化退火是不完全退火的一种。将过共析钢加热到AC1 +（1020），保温一定时间后缓慢冷却，使过共析钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。均匀化退火均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。图3-4退火、正火加热温度示意图 图3-5各种淬火方法冷却曲线示意图 1-单介质淬火 2-双介质淬火 3-分级淬火 4一等温淬火 去应力退火又
8、称低温退火。即将钢加热至低于AC1的某一温度 (一般为500-600)，经保温后缓慢冷却。 再结晶退火再结晶退火也是一种低温退火，用于处理冷轧、冷拉、冷压等发生加工硬化的钢材。把这类钢加热到再结晶温度以上150-250，即650-750，保温后空冷。 2. 正火 正火是将钢加热到AC3(或Accm )以上30-50，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。 （二）淬火与回火 1淬火将钢加热到AC3(亚共析钢)或AC1（过共析钢）以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的冷速得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺叫淬火。 工件进行淬火冷却所使用的介质叫做淬火介质。水最便宜而且冷却能力较强，适合于
9、尺寸不大，形状简单的碳素钢工件的淬火。浓度为10%的NaCl和lO%NaOH的水溶液与纯水相比，能提高冷却能力。油也是一种常用的淬火介质。 常用的淬火方法有下列几种: (1)单介质淬火 将加热到奥氏体状态的工件，在温度低于工件材料的上马氏体点 (Ms点)的一种淬火介质中连续冷却下来以形成马氏体的淬火方法 (如图3-5中曲线l所示)。 (2)双介质淬火先将加热到奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度，再立即转人冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变 (见图3-5曲线2)。 (3)喷液淬火 它是向工件喷射急速水流的淬火方法。(4)分级淬火它是将奥氏体状态的工件首先淬
10、入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变 (见图3-5曲线3)。(5)等温淬火 钢材或钢件加热奥氏体化，随之快冷到贝氏体转变温度区间(260-400)保持等温，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺 (见图3-5曲线4)。 2回火 回火是将淬火后的钢加热到A1以下温度，保温一段时间，然后置于空气或水等介质中冷却的热处理工艺，故回火总是在淬火之后进行的。 根椐回火温度的不同，可分为低温回火、中温回火和高温回火等。 (1)低温回火 低温回火温度约为l50-250，回火组织为回火马氏体。 (2)中温回火 中温回火温度一般在250-500之间，回火的
11、组织为回火托氏体。 (3)高温回火与调质处理 高温回火温度约为500-650，回火组织为回火索氏体。淬火和高温回火的复合热处理工艺叫做调质处理。 三、其它热处理1.表面淬火 表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的热处理方法。 钢的表面淬火加热方法有多种，例如电感应加热、火焰加热、电接触加热、电解质加热以及激光加热等。我国目前应用较多的是电感应加热法和火焰加热法。 (1)感应加热表面淬火法 感应加热就是在一个感应器中通过一定频率的交流电(有高频、中频、工频三种)，由于电能变成热能，使工件表面的很薄一层被迅速加热到淬火温度，如立即喷水冷却，即可达到表面淬火的
12、目的。 (2)火焰加热表面淬火 应用氧-乙炔 (或其他可燃气)火焰对工件表面进行加热，随之喷水冷却的工艺称之为火焰加热表面淬火。 2. 化学热处理 将金属工件放人一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺叫做化学热处理。 根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 3. 形变热处理 形变热处理是将塑性变形和热处理工艺有机结合，以提高材料力学性能的复合工艺。根据形变温度的不同，可分为高温形变热处理和低温形变热处理。 高温形变热处理是将钢加热至AC3以上，在稳定的奥氏体温度范围内进行变形，然后立即淬火，使之发生马氏体转变并回火至需要的性能。低温形变热处理是将钢加热至奥氏体状态，迅速冷却至A1点以下、Ms点以上，过冷奥氏体亚稳温度范围进行塑性变形，然后立即淬火并回火至所需要的性能。