工程材料/鋼的熱處理

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熱處理是將固態金屬或合金在一定介質中加熱、保溫和冷卻,以改變材料整體或表面組織,從而獲得所需性能的工藝。

熱處理可大幅度地改善金屬材料的工藝性能和使用性能,絕大多數機械零件必須經過熱處理。

與鍛、鑄、焊切削等工藝方法不同,熱處理是改變工件內在性質的一種工藝,而工件的形狀和尺寸基本不變。

熱處理工藝一般包含加熱、保溫和冷卻三個過程,其中冷卻過程是鋼熱處理的關鍵。

冷卻過程是鋼的熱處理的關鍵部分,它對鋼在熱處理後的組織和性能起著極大的作用。採用不同的冷卻速度和冷卻方式,可以獲得不同的組織和性能。

T8鋼(碳素工具鋼的一種)小試樣,同時加熱到800°C奧氏體化,經保溫後,一塊從爐中取出立即放入水中冷卻,即淬火;另一塊隨爐冷卻,即退火。結果,T8 鋼經淬火後硬度高達64HRC,而退火後的硬度約為12HRC。

熱處理

  • 普通熱處理
    • 退火
    • 正火
    • 淬火
    • 回火
  • 表面熱處理
    • 化學熱處理
    • 表面淬火

退火[編輯]

將組織偏離平衡狀態的鋼加熱到適當溫度,保溫一定時間,然後緩慢冷卻(一般為隨爐冷卻),以獲得接近平衡狀態組織的熱處理工藝叫做退火。

步驟[編輯]

  • 第一階段是回復(recovery)。在回復的過程中,晶體內部缺陷(例如空位)會移動回復到正常晶格位置,同時內部應力場也會跟著消失。在回復階段,先前的冷加工過的金屬其電、熱傳導等性質將回復成原來狀態。
  • 第二階段是再結晶(recrystallization)。再結晶過程中,新的晶粒成型,當退火過程繼續進行中取代原本因內應力而變形的晶粒。
  • 再結晶完成時,晶粒生長(grain growth)就會開始。晶粒生長過程中,小的晶粒會與大的晶粒合併,減少材料內部晶界的數目。晶粒生長的程度會嚴重影響到材料的機械性能。

目的[編輯]

  • 通過完全重結晶,使熱加工造成的粗大、不均勻的組織均勻化和細化,以提高性能。
  • 使中碳以上的碳鋼和合金鋼得到接近平衡狀態的組織,以降低硬度,改善切削加工性能。
  • 由於冷卻速度緩慢,還可消除內應力。

正火[編輯]

步驟[編輯]

將鋼材或鋼件加熱到Ac3(對於亞共析鋼)和Accm(對於過共析鋼)以上30 ℃~50 ℃, 保溫適當時間後, 在自由流動的空氣中均勻冷卻的熱處理稱為正火。

目的[編輯]

  • 作為最終熱處理,正火可以細化晶粒,使組織均勻化,減少亞共析鋼中鐵素體含量,使珠光體含量增多並細化,從而提高鋼的強度、硬度和韌性。
  • 作為預先熱處理,截面較大的合金結構鋼件,在淬火或調質處理(淬火加高溫回火)前常進行正火, 以獲得細小而均勻的組織。對於過共析鋼可減少二次滲碳體量,並使其不形成連續網狀,為球化退火作組織準備。
  • 改善切削加工性能

淬火[編輯]

步驟[編輯]

將鋼加熱到相變溫度以上(亞共析鋼為Ac3以上30 ℃~50 ℃;共析鋼和過共析鋼為Ac1以上30 ℃~50℃),保溫一定時間後快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。

淬火常用的冷卻介質是水和油。

淬火配以回火作為最終的熱處理。

目的[編輯]

淬火的目的是獲得馬氏體組織,為鋼的回火做好組織準備,然後再配以回火工藝,以改善或調整鋼的性能。

回火[編輯]

步驟[編輯]

鋼件淬火後, 為了消除內應力並獲得所要求的組織和性能, 將其加熱到Ac1 以下某一溫度, 保溫一定時間, 然後冷卻到室溫的熱處理工藝叫做回火。

目的[編輯]

回火熱處理又分為,低溫回火、中溫回火和高溫回火。低溫回火的目的是降低淬火應力,提高工件韌性,保證淬火後的高硬度( 一般為58 HRC~64 HRC) 和高耐磨性。

主要用於處理各種高碳鋼工具、模具、滾動軸承以及滲碳和表面淬火的零件。

中溫回火獲得回火屈氏體,具有高的彈性極限和屈服強度,同時也具有一定的韌性,硬度一般為35 HRC~45 HRC,主要用於處理各類彈簧。

通常把淬火加高溫回火稱為調質處理。廣泛用於各種重要的機器結構件,是受交變載荷的零件,如連杆、軸、齒輪等。也可作為某些精密工件如量具、模具等的預先熱處理。