工程材料/钢的热处理

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热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却,以改变材料整体或表面组织,从而获得所需性能的工艺。

热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能,绝大多数机械零件必须经过热处理。

与锻、铸、焊切削等工艺方法不同,热处理是改变工件内在性质的一种工艺,而工件的形状和尺寸基本不变。

热处理工艺一般包含加热、保温和冷却三个过程,其中冷却过程是钢热处理的关键。

冷却过程是钢的热处理的关键部分,它对钢在热处理后的组织和性能起着极大的作用。采用不同的冷却速度和冷却方式,可以获得不同的组织和性能。

T8钢(碳素工具钢的一种)小试样,同时加热到800°C奥氏体化,经保温后,一块从炉中取出立即放入水中冷却,即淬火;另一塊随炉冷却,即退火。结果,T8 钢经淬火后硬度高达64HRC,而退火后的硬度约为12HRC。

热处理

  • 普通热处理
    • 退火
    • 正火
    • 淬火
    • 回火
  • 表面热处理
    • 化学热处理
    • 表面淬火

退火[编辑]

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。

步驟[编辑]

  • 第一阶段是回复(recovery)。在回复的过程中,晶体內部缺陷(例如空位)會移动回复到正常晶格位置,同時內部应力场也會跟著消失。在回复阶段,先前的冷加工过的金属其电、热传导等性质将回复成原来状态。
  • 第二阶段是再结晶(recrystallization)。再结晶过程中,新的晶粒成型,当退火过程继续进行中取代原本因內应力而变形的晶粒。
  • 再结晶完成时,晶粒生长(grain growth)就会开始。晶粒生长过程中,小的晶粒会与大的晶粒合并,减少材料內部晶界的数目。晶粒生长的程度会严重影响到材料的机械性能。

目的[编辑]

  • 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。
  • 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。

正火[编辑]

步骤[编辑]

将钢材或钢件加热到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。

目的[编辑]

  • 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。
  • 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。
  • 改善切削加工性能

淬火[编辑]

步骤[编辑]

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。

淬火常用的冷却介质是水和油。

淬火配以回火作为最终的热处理。

目的[编辑]

淬火的目的是获得马氏体组织,为钢的回火做好组织准备,然后再配以回火工艺,以改善或调整钢的性能。

回火[编辑]

步骤[编辑]

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。

目的[编辑]

回火热处理又分为,低温回火、中温回火和高温回火。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58 HRC~64 HRC) 和高耐磨性。

主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。

中温回火获得回火屈氏体,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35 HRC~45 HRC,主要用于处理各类弹簧。

通常把淬火加高温回火称为调质处理。广泛用于各种重要的机器结构件,是受交变载荷的零件,如连杆、轴、齿轮等。也可作为某些精密工件如量具、模具等的预先热处理。