鋼的熱處理原理、過程與用途？
一、鋼的熱處理原理、過程與用途
鋼的熱處理是把鋼在固態(tài)下加熱到一定溫度，進(jìn)行必要的保溫，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s到室溫，以改變鋼的內(nèi)部組織，從而得到所需性能的工藝方法。
熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段所組成的。因此，熱處理工藝過程可用在溫度一時(shí)間坐標(biāo)系中的曲線圖表示，如圖2-2-11所示。這種曲線稱為熱處理工藝曲線。
熱處理工藝在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。它能提高零件的使用性能，充分發(fā)揮鋼材的潛力，延長(zhǎng)零件的使用壽命。此外，熱處理還可以改善工件的工藝性能，提高加工質(zhì)量，減小刀具磨損。
二、非合金鋼在熱處理過程中的組織
1.過冷奧氏體
熱處理時(shí)須將鋼加熱到一定溫度，使其組織全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，這種通過加熱獲得奧氏體組織的過程稱為奧氏體化。奧氏體在臨界點(diǎn)A1以下是不穩(wěn)定的，組織要發(fā)生轉(zhuǎn)變，但并不是一冷卻到A1溫度以下立即發(fā)生轉(zhuǎn)變。在共析溫度以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體在不同溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)變，將獲得不同的組織。
2.馬氏體和回火馬氏體
當(dāng)奧氏體急速冷卻（如在水、油等介質(zhì)中）時(shí)，奧氏體中固溶的碳原子來不及析出，形成碳在α-Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號(hào)“M”表示。馬氏體硬度高、耐磨性好、塑性差。奧氏體在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)體積會(huì)膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，常導(dǎo)致零件變形、開裂：將馬氏體進(jìn)行低溫加熱后空冷，馬氏體中會(huì)析出部分極細(xì)的ε碳化物，過飽和程度下降，內(nèi)應(yīng)力降低，形成回火馬氏體，用“M回”表示。
3.貝氏體
在230~550℃溫度范圍內(nèi)，因轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的活動(dòng)能力較弱，過冷奧氏體雖然仍分解成滲碳體和鐵素體的混合物，但鐵素體中溶解的碳已超過正常的溶解度，轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定過飽和度的鐵素休和分散的滲碳體（或碳化物）的混合物，稱為貝氏體，用符號(hào)“B”表示。貝氏體有上貝氏體和下貝氏體之分，通常把350〜550℃范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體，用符號(hào)“B上”表示。上貝氏體的硬度為40〜45HRC，但塑性很差。在230〜350℃范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為下貝氏體，用符號(hào)“B下”表示。下貝氏體中的碳化物呈細(xì)小顆粒狀或短桿狀，均勻分布在針葉狀的鐵素體內(nèi)，在顯微鏡下呈黑色針狀的組織，下貝氏體的硬度可達(dá)45~55HRC，且強(qiáng)度、塑性、韌性均高于上貝氏體。
4.托氏體和回火托氏體
過冷奧氏體在550〜600℃范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，形成極彌散的鐵素體與滲碳體組成的混合物，稱為托氏體（屬珠光體形組織)，用符號(hào)“T”表示。其片層間距平均小于0.1μm。與貝氏體相比，托氏體的強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性較好。
回火馬氏體在繼續(xù)升高溫度時(shí)，因碳原子的擴(kuò)散析出能力增大，過飽和固溶體很快轉(zhuǎn)變成鐵素體；同時(shí)亞穩(wěn)定的碳化物也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定的滲碳體，使淬火時(shí)晶格畸變所保存的內(nèi)應(yīng)力大大消除。與回火馬氏體相比，冋火托氏體的硬度、強(qiáng)度下降，塑性、韌性提高。此階段在250〜400℃基本完成，其所形成的尚未再結(jié)晶的鐵素體和細(xì)粒狀滲碳體的混合物稱為回火托氏體“T回”表示。
5.索氏體和回火索氏體
過冷奧氏體在600〜650℃范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，形成片層的鐵素體與滲碳體的混合組織，稱為索氏體（屬珠光體形組織），用符號(hào)“S”表示。其層片間距在250~350nm之間。索氏體具有良好的綜合力學(xué)性能。
回火托氏體中的α固溶體已恢復(fù)為平衡碳濃度的鐵素體，但此鐵素體仍保留著原馬氏體的針狀外形，針狀鐵素體基體在加熱過程中，會(huì)發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶過程，最后形成位錯(cuò)密度較低的等軸晶粒的鐵素體基體。與此同時(shí)，滲碳體粒子不斷聚集長(zhǎng)大，于約400℃時(shí)聚集球化，600℃以上迅速粗化。如此所形成的多邊形鐵素體和粒狀滲碳體的混合物稱為回火索氏體，用“S回”表示�；鼗鹚魇象w比索氏體具有更好的力學(xué)性能。
三、常用的熱處理工藝
1.退火
將鋼加熱到A3或A1左右一定溫度，保溫后，緩慢（一般隨爐冷卻）而均勻冷卻的熱處理方法稱為退火。常用的退火方法有均勻化退火、完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火等。
退火可以降低鋼的硬度，提高塑性，使材料便于加工，并可細(xì)化晶粒，均勻鋼的組織和成分，消除殘留應(yīng)力等。
焊接結(jié)構(gòu)在焊接之后會(huì)產(chǎn)生焊接殘留應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋，因此，重要的焊接結(jié)構(gòu)焊后應(yīng)該進(jìn)行去應(yīng)力的退火處理，以消除焊接殘留應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋。去應(yīng)力退火屬于低溫退火，加熱溫度在A1以下，一般為600~650℃，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中或爐中緩慢冷卻。
2.正火
將鋼加熱到A3或Acm以上50〜70℃，保溫后，在空氣中冷卻的熱處理方法稱為正火。正火可以細(xì)化晶粒，提高鋼的綜合力學(xué)性能，所以常用于碳素鋼和低合金鋼的最終熱處理。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)正火后能改善焊接接頭性能，消除粗晶組織及組織不均勻性等。
3.淬火
將鋼（高碳鋼和中碳鋼）加熱到A1（過共析鋼）或A3（亞共析鋼）以上30~70℃，在此溫度下保持一段時(shí)間，然后快速冷卻（水冷或油冷），使奧氏體來不及分解、合金元素來不及擴(kuò)散而形成馬氏體組織，稱為淬火。
淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。在焊接高碳鋼和某些低合金鋼時(shí)，近縫區(qū)可能發(fā)生淬火現(xiàn)象而變硬，容易形成冷裂紋，這是在焊接過程中應(yīng)注意防止的。
4.回火
回火是把經(jīng)過淬火的鋼加熱至低于A1的某一溫度，經(jīng)過充分保溫后，以一定速度冷卻的熱處理工藝。因?yàn)榇慊鸷箐摬挠捕�，而且�?nèi)應(yīng)力很大，易引起裂紋，所以淬火一般不是最終熱處理，鋼淬火后還要進(jìn)行回火才能使用�；鼗鹂梢允逛撛诒３忠�定硬度的基礎(chǔ)上提高韌度。按回火溫度的不同可分為：
(1)低溫回火（250℃以下）
低溫回火后得到的組織是回火馬氏體，其性能是具有高的硬度和耐磨性及一定的韌度，主要用于刀具、量具、拉絲模以及其他要求硬而耐磨的零件。
(2)中溫回火（250〜500℃)
中溫回火得到的組織是回火托氏體，其性能是具有高彈性極限和屈服強(qiáng)度，同時(shí)也有較好的韌度和硬度，主要用于熱鍛模和彈性零件等。
(3)高溫回火（500℃以上）
高溫回火得到的組織是回火索氏體，其性能是具有良好的綜合力學(xué)性能（足夠的強(qiáng)度和硬度，塑性和度良好)，并可消除內(nèi)應(yīng)力。
某些合金鋼在淬火后再進(jìn)行高溫回火的連續(xù)熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理，目的是獲得良好的綜合力學(xué)性能：調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于重要零件和受力構(gòu)件，如螺栓、連桿,齒輪、曲軸等零件。
5.表面熱處理
表面熱處理分為兩類：表面淬火和化學(xué)熱處理。
⑴表面淬火
僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的熱處理工藝稱為表面淬火。其原理是：通過快速加熱，使鋼的表層奧氏體化，在熱量尚未充分傳到零件中心時(shí)就立即予以冷卻淬火。適用范圍：中碳鋼、中碳合金鋼。方法有：火焰淬火、感應(yīng)淬火、接觸電阻加熱淬火、激光淬火等。下面介紹火焰淬火和感應(yīng)淬火。
1)火焰淬火
其原理是：利用氧-乙炔（或其他可燃?xì)怏w）火焰對(duì)零件表面進(jìn)行快速加熱并隨之快速冷卻的工藝，如圖2-2-12所示。
其特點(diǎn)是：加熱溫度及淬硬層深度不易控制，易產(chǎn)生過熱和加熱不均勻，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。不需要特殊設(shè)備，適用于單件或小批量生產(chǎn)。
2)感應(yīng)淬火
其原理是：利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱，并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝，如圖2-2-13所示。
其特點(diǎn)是：加熱速快；淬火質(zhì)量好；淬硬層深度易于控制，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)。
(2)化學(xué)熱處理
將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表面層的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝稱為化學(xué)熱處理。化學(xué)熱處理不僅改變了鋼的組織，而且表面層的化學(xué)成分也發(fā)生了變化，因而能更有效地改變零件表層的性能。根據(jù)滲入元素，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等化學(xué)熱處理。
1)滲碳。將鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳處理。其目的是増加鋼件表層的含碳量。滲碳后還需進(jìn)行淬火及低溫回火等熱處理，以提高其硬度和耐磨性，如圖2-2-14所示。
2)滲氮。在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮處理。其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度。
滲氮與滲碳相比具有以下特點(diǎn)：
①滲氮層具有很高的硬度和耐磨性。
②滲氮層具有滲碳層所沒有的耐蝕性。
③滲氮比滲碳溫度低，工件變形小。
3)碳氮共滲。在一定溫度下，將碳原子、氮原子同時(shí)滲入工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲處理。
其特點(diǎn)是加熱溫度低，零件變形小，生產(chǎn)周期短，而且滲層具有較高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。
