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1、金属材料热处理-四把火1.1定义钢的淬火是将钢加热到临界温度 Ac3 （亚共析钢）或Ac1 （过共 析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以J大于临界冷却速度的冷速快冷到 Ms以下（或Ms附近等温）进行马- 氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛 合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺 称为淬火。1.2主要目的淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏-J体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具 的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特
2、种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。1.3淬火加热温度以钢的相变临界点为依据，加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒， 淬火后获得细小马氏体组织。碳素钢的淬火加热温度范围如图1所示。由本图示出的淬火温度选择原则也适用于大多数合金钢，尤其低合金钢。亚共析钢加热温度为 Ac3温度以上3050C。高温下钢的 状态处在单相奥氏体（A）区内，故称为完全淬火。如亚共析钢加热温 度高于Ac1、低于Ac3温度，则高温下部分先共析铁素体未完全转变 成奥氏体，即为不完全（或亚临界）淬火。过共析钢淬火温度为Ac1温度以上3050C,这温度范围处于奥氏体与渗碳体（A+C）双相区。因 而过共析钢的正常的淬火仍属不完
3、全淬火，淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。这-组织状态具有高硬度和高耐磨性。对于过共 析钢，若加热温度过高，先共析渗碳体溶解过多，甚至完全溶解，则 奥氏体晶粒将发生长大，奥氏体碳含量也增加。淬火后，粗大马氏体 组织使钢件淬火态微区内应力增加， 微裂纹增多，零件的变形和开裂 倾向增加；由于奥氏体碳浓度高，马氏体点下降，残留奥氏体量增加， 使工件的硬度和耐磨性降低。2回火2.1定义将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度 Ac1 （加热时珠光 体向奥氏体转变的开始温度）的适当温度，保温一段时间后在空气或 水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。 或将淬火后的合金工件加热 到适当温度，保温若干时间
4、，然后缓慢或快速冷却。一般用于减小或 消除淬火钢件中的内应力，或者降低其硬度和强度，以提高其延性或 韧性。淬火后的工件应及时回火，通过淬火和回火的相配合，才可以 获得所需的力学性能。2.2类型221低温回火低温回火（150250摄氏度）目的是在保证淬火后的高硬度和耐磨 性的基础上，降低淬火应力，提高工件韧性。低温回火得到的是马氏 体组织，硬度可达5864HRC。常用于处理高碳工具钢、模具钢、滚 动轴承及渗碳钢等零件。2.2.2中温回火中温回火（350500摄氏度）得到的组织为回火托氏体，他具有高 的弹性极限、屈服强度及屈强比，同时具有一定的塑性和韧性，硬度 一般为3545HRC。常作为各种弹簧
5、的热处理。与中温碳化物之形成 无关，因此对回火软化无关。此类元素所造成之硬化效果，主要是靠 固溶体硬化机构所达成的。另一类合金元素，例如铬、钼、钨、钒等, 由于其为碳化物形成之一份子，因此他们的扩散速率也就影响了回火 软化的速率。2.2.3高温回火高温回火（500650摄氏度）通常把淬火后在进行高温回火处理称 为调质处理。调质处理得到的是回火索氏体组织， 具有良好的综合性 能。在许多重要的机械结构件中，如受力比较复杂的连杆，重要的螺 栓、齿轮几周类零件，得到了广泛应用。中高碳钢调质处理后的硬度 一般为200350HBW。调质处理后的力学性能与正火相比，不仅强 度高，而且塑性和韧性也较好。这是因
6、为调制后得到的回火索氏体中 的渗碳体呈颗粒状，而正火得到的索氏体中的渗碳体则呈片状，颗粒状的渗碳体对阻止断裂过程中裂纹的扩展比片状渗碳体更有利。2.3目的回火一般紧接着淬火进行，其目的是：（a）消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；（b）调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；（c）稳定组织与尺寸，保证精度；（d）改善和提高加工性能。因此，回火是工件获得所需性能的 最后一道重要工序。通过淬火和回火的相配合，才可以获得所需的力 学性能。3退火3.1定义退火指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力， 稳定尺寸
7、，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺 陷。3.2目的（1）降低硬度，改善切削加工性.（2）消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；（3）细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。（4）均匀材料组织和成分，改善材料性能或为以后热处理做组织准 备。3.3方法3.3.1重结晶退火（完全退火）用以细化中、低碳钢经铸造、锻压和焊接后出现的力学性能不佳 的粗大过热组织。将工件加热到铁素体全部转变为奥氏体的温度以上3050C,保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，在冷却过程中奥氏体 再次发生转变，即可使钢的组织变细。钢的重结晶退火工艺是：缓慢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （共 析钢或过共析钢）以上
8、 3050 C,保持适当时间，然后缓慢冷却下 来。通过加热过程中发生的珠光体（或者还有先共析的铁素体或渗碳 体）转变为奥氏体（第一回相变重结晶）以及冷却过程中发生的与此 相反的第二回相变重结晶，形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀的珠 光体（或者还有先共析铁素体或渗碳体）。退火温度在Ac3以上（亚共 析钢）使钢发生完全的重结晶者，称为完全退火，退火温度在Ac1与Ac3之间（亚共析钢）或Ac1与Acm之间（过共析钢），使钢发生部 分的重结晶者，称为不完全退火。前者主要用于亚共析钢的铸件、锻 轧件、焊件，以消除组织缺陷（如魏氏组织、带状组织等），使组织 变细和变均匀，以提高钢件的塑性和韧性。后者主要用
9、于中碳和高碳 钢及低合金结构钢的锻轧件。此种锻、轧件若锻、轧后的冷却速度较 大时，形成的珠光体较细、硬度较高；若停锻、停轧温度过低，钢件 中还有大的内应力。此时可用不完全退火代替完全退火， 使珠光体发 生重结晶，晶粒变细，同时也降低硬度，消除内应力，改善被切削性。 此外，退火温度在Ac1与Acm之间的过共析钢球化退火，也是不完全 退火。重结晶退火也用于非铁合金，例如钛合金于加热和冷却时发生同 素异构转变，低温为 a相（密排六方结构），高温为B相（体心立方 结构），其中间是“a +B”两相区，即相变温度区间。为了得到接 近平衡的室温稳定组织和细化晶粒， 也进行重结晶退火，即缓慢加热 到高于相变温
10、度区间不多的温度， 保温适当时间，使合金转变为B相 的细小晶粒；然后缓慢冷却下来，使B相再转变为a相或a +B两相 的细小晶粒。332不完全退火不完全退火是将铁碳合金加热到 Ac1-Ac3之间温度，达到不完 全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，其目的 是细化组织和降低硬度，加热温度为 Ac1+（40-60） C,保温后缓慢冷 却。3.3.3等温退火用以降低某些镍、铬含量较高的合金结构钢的高硬度， 以进行切 削加工。一般先以较快速度冷却到奥氏体最不稳定的温度， 保温适当 时间，奥氏体转变为托氏体或索氏体，硬度即可降低。应用于钢和某些非铁合金如钛合
11、金的一种控制冷却的退火方法。对钢来说，是缓慢加热到 Ac3 （亚共析钢）或 Ac1 （共析钢和过共 析钢）以上不多的温度，保温一段时间，使钢奥氏体化，然后迅速移 入温度在A1以下不多的另一炉内，等温保持直到奥氏体全部转变为 片层状珠光体（亚共析钢还有先共析铁素体；过共析钢还有先共析渗 碳体）为止，最后以任意速度冷却下来（通常是出炉在空气中冷却）。 等温保持的大致温度范围在所处理钢种的等温转变图上A1至珠光体转变鼻尖温度这一区间之内（见过冷奥氏体转变图）；具体温度和时 间，主要根据退火后所要求的硬度来确定（图 2）。等温温度不可过 低或过高，过低则退火后硬度偏高；过高则等温保持时间需要延长。钢的
12、等温退火的目的，与重结晶退火基本相同，但工艺操作和所需设 备都比较复杂，所以通常主要是应用于过冷奥氏体在珠光体型相变温 度区间转变相当缓慢的合金钢。后者若采用重结晶退火方法，往往需 要数十小时，很不经济；采用等温退火则能大大缩短生产周期，并能 使整个工件获得更为均匀的组织和性能。 等温退火也可在钢的热加工 的不同阶段来用。例如，若让空冷淬硬性合金钢由高温空冷到室温时， 当心部转变为马氏体之时，在已发生了马氏体相变的外层就会出现裂 纹；若将该类钢的热钢锭或钢坯在冷却过程中放入 700C左右的等温 炉内，保持等温直到珠光体相变完成后，再出炉空冷，则可免生裂纹。 含B相稳定化元素较高的钛合金，其 B
13、相相当稳定，容易被过冷。过 冷的B相，其等温转变动力学曲线与钢的过冷奥氏体等温转变图相 似。为了缩短重结晶退火的生产周期并获得更细、更均匀的组织，亦 可采用等温退火。334均匀化退火用以使合金铸件化学成分均匀化， 提高其使用性能。方法是在不 发生熔化的前提下，将铸件加热到尽可能高的温度，并长时间保温， 待合金中各种元素扩散趋于均匀分布后缓冷。,I亦称扩散退火。应用于钢及非铁合金（如锡青铜、硅青铜、白铜、 镁合金等）的铸锭或铸件的一种退火方法。将铸锭或铸件加热到各该 合金的固相线温度以下的某一较高温度， 长时间保温，然后缓慢冷却下来。均匀化退火是使合金中的元素发生固态扩散，来减轻化学成分不均匀性
14、（偏析），主要是减轻晶粒尺度内的化学成分不均匀性（晶 内偏析或称枝晶偏析）。均匀化退火温度所以如此之高，是为了加快 合金元素扩散，尽可能缩短保温时间。合金钢的均匀化退火温度远高 于Ac3，通常是10501200C。非铁合金锭进行均匀化退火的温度 一般是“0.95固:相线温度（K） ”均匀化退火因加热温度高，保温时间 长，所以热能消耗量大。3.3.5球化退火用以降低工具钢和轴承钢锻压后的偏高硬度。将工件加热到钢开 始形成奥氏体的温度以上 2040 C,保温后缓慢冷却，在冷却过程 中珠光体中的片层状渗碳体变为球状，从而降低了硬度。将钢加热到稍低于或稍高于 Ac1的温度或者使温度在A1上下周 期变化
15、，然后缓冷下来。目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共 析渗碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中（这种组织称为球 化珠光体）。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、被切削性好、 冷形变能力大。对工具钢来说，这种组织是淬火前最好的原始组织。3.3.6去应力退火用以消除钢铁铸件和焊接件的内应力。 对于钢铁制品加热后开始 形成奥氏体的温度以下100200C，保温后在空气中冷却，即可消 除内应力。去应力退火是将工件加热到 Ac1以下的适当温度（非合金钢在 500600C）,保温后随炉冷却的热处理工艺称为去应力退火。去应力 加热温度低，在退火过程中无组织转变，主要适用于毛坯件及经过切 削加工的零件，目
16、的是为了消除毛坯和零件中的残余应力， 稳定工件 尺寸及形状，减少零件在切削加工和使用过程中的形变和裂纹倾向。4正火4.1定义又称常化，是将工件加热至 Ac3（A3是指加热时自由铁素体全部 转变为奥氏体的终了温度，一般是从727C到912C之间咸Acm（Acm 是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线）以上3050C,保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金 属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正 火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产
17、中尽可能采用正火来 代替退火。对于形状复杂的重要锻件，在正火后还需进行高温回火（550-650C）高温回火的目的在于消除正火冷却时产生的应力，提 高韧性和塑性。4.2主要应用范围 用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加 工的预处理。 用于中碳钢，可代替调质处理（淬火+高温回火）作为最后热处理， 也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。 用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形 成，从而得到球化退火所需的良好组织。 用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善 切削加工性能。 用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾 向。 用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、 拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。 过共析钢球化退火前进行一次正火， 可消除网状二次渗碳体，以保 证球化退火时渗碳体全部球粒化。正火后的组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S,过共析钢为S+二 次渗碳体，且为不连续。4.3目的（1）去除材料的内应力；（2）降低材料的硬度，提高塑性；