钢的热处理

机械制造工程材料中的钢的热处理思维导图，包括：钢在加热时的转变；过冷奥氏体等温转变；钢的普通热处理；钢的表面热处理；钢的其他热处理；热处理的结构工艺性。

钢的热处理

• 刚在加热时的转变
  • 奥氏体的形成
    • 共析钢奥氏体的形成
      • A1
    • 亚共析钢
      • A3
    • 过共析钢
      • Acm
  • 奥氏体晶粒的长大及其控制
    • 奥氏体晶粒度
      • 奥氏体实际晶粒度：在加热条件下得到奥氏体晶粒的大小
      • 奥氏体本质晶粒度
        • 本质晶粒度：加热条件下奥氏体长大倾向的大小
        • 本质粗晶粒钢
          • 奥氏体晶粒随温度升高而迅速长大
          • 用Si Mn脱氧的钢
        • 本质细晶粒钢
          • 开始不易长大，只有加热到更高温度才开始迅速长大
    • 影响晶粒长大的因素
      • 奥氏体晶粒的长大，导致晶界总面积的减小，从而使体系自由能降低。所以，在高温下奥氏体晶粒长大是一个自发过程
      • 加热温度和保温时间的影响最显著
        • 在一定温度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大
        • 加热速度也会影响奥氏体晶粒的长大，实际生产中经常采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒
      • 钢中加入合金元素，也会影响奥氏体晶粒长大
        • 若钢中加入适量能形成难熔中间相的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb等，能强烈阻碍奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒的目的
• 过冷奥氏体等温转变
  • 区域
    • 珠光体区（A1-550）
      • 珠光体
        • A1-650℃
          • 片层较粗的珠光体
      • 索氏体
        • 650-600℃
          • 片层较细的珠光体
      • 托氏体
        • 600-550℃
          • 片层极细的珠光体
    • 贝氏体（550-230）
      • 上贝氏体
        • 550-350℃
          • 互相平行的过饱和铁素体片+分布在片间细小渗碳体
      • 下贝氏体
        • 350℃-Ms
          • 针叶状过饱和铁素体片+分布在其中细小渗碳体
    • 马氏体（Ms-Mf）
      • 具有较高硬度和强度，脆性很高，必须回火后使用
      • 马氏体转变时发生体积膨胀会有残留奥氏体
  • 影响奥氏体等温转变图的主要因素
    • 碳含量
      • 对C型曲线左右移动的影响
        • 亚共析钢：随着含碳量的减少，C曲线向左移
        • 过共析钢：随着含碳量增加，C曲线向左移
        • 共析钢c图是最右边的
      • 对MsMf上下的影响
        • 随着含碳量增加，MsMf都下移
    • 合金元素
      • 对C型曲线左右移动的影响
        • 除Co元素以外，加入的任何元素都会使c图右移
      • 对MsMf上下的影响
        • 除Co、Al以外加入的任何元素都会使MsMf下降
    • 加热温度和保温时间
      • 对C型曲线左右移动的影响
        • 随着奥氏体温度的升高和保温时间的延长，C曲线右移
• 钢的普通热处理
  • 退火
    • 随炉冷却
    • 将工件加热到临界点（A1A3Acm）以上，或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度进行冷却的一种工艺流程
    • 作用
      • 改善材料切削加工性能
      • 提高材料力学性能，保证零件安全运行
    • 目的
      • 细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性
      • 减轻钢的化学成分及组织的不均匀性
      • 消除残留内应力，防止零件产生裂纹
    • 分类
      • 完全退火（重结晶退火）
        • 加热至Ac3以上20℃～30℃
        • 一般用于亚共析钢
      • 等温退火
        • 加热至高于Ac3（或Ac1）的温度
      • 球化退火
        • 加热温度Ac1以上20℃～30℃
        • 目的：降低硬度，改善切削加工性能
        • 过共析钢：球化退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体
      • 扩散退火
        • 加热到略低于固相线（固相线以下100℃～200℃）的温度，长时间保温（10h～15h）
        • 目的：消除晶内偏析，使成分均匀化
      • 去应力退火
        • 加热至回复阶段
  • 正火
    • 空气中冷却
    • 将工件加热至A3 或Acm以上，保温后从炉中取出 空冷
    • 目的
      • 得到珠光体类型（索氏体）组织
      • 消除过共析钢的网状二次渗碳体
  • 淬火
    • 定义
      • 将钢件加热到A3 或A1以上，保温后快速冷却（油冷 水冷）以获得马氏体）
    • 目的
      • 获得马氏体（或下贝氏体）
    • 淬火介质
      • 常用淬火介质
        • 水
          • 淬冷能力强，但工件表面有软点，易变形开裂
        • 盐水
          • 淬冷能力更强，工件表面光洁无软点，更易变形开裂
        • 油
          • 淬冷能力弱，工件不易变形开裂
    • 淬火温度
      • 亚共析钢 Ac3 30-50℃
      • 共析钢 过共析钢 Ac1 30-50℃
    • 常用淬火方法
      • 单液淬火法
        • 将加热的工件放入一种介质中一直冷到室温
        • 操作简单，易实现机械化自动化
        • 缺点
      • 双液淬火法
        • 将加热的工件先放在淬冷能力强的介质中冷到300度，再放入淬冷能力弱的介质中冷却至室温
        • 若可以恰当地控制第一种介质的停留时间，则可以有效防止变形开裂
        • 停留时间不好控制
      • 分级淬火法
        • 将加热的工件先放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中保温2-5min，待其表面和心部温度均匀后，立即取出在空气中冷却
        • 可有效减小内应力，防止变形和开裂
        • 硝盐浴和碱浴淬冷能力弱，只适用于尺寸较小，要求变形小，精度高的工件
      • 等温淬火法
        • 将加热的工件放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中保温足够长时间使其完成贝氏体转变，获得下贝氏体组织
        • 下贝氏体与回火马氏体相比，在碳量硬度相当的情况下，下贝氏体具有更高的塑性韧性
        • 硝盐浴和碱浴淬冷能力弱，只适用于尺寸较小，要求变形小，具有高硬度与强韧性的工件
    • 钢的淬透性
      • 奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层深度大小的能力
        • 工件表面到半马氏体层（马氏体量占50%）之间的区域为淬硬层，它的深度称为淬硬层深度
      • 影响淬透性的主要因素
        • 取决于钢在奥氏体等温转变图上临界冷却速度的大小
          • 临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢的淬透性越好
        • 碳量
          • 亚共析钢随着含碳量的增加，钢的临界冷却速度降低，淬透性增加
          • 过共析钢随着含碳量的增加，钢的冷却速度升高，淬透性降低
  • 回火
    • 将淬火钢重新加热至A1点以下的某一温度，保温一定时间后冷却至室温的一种工艺操作
    • 目的
      • 降低脆性，提高塑性，减小或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的力学性能
    • 组织变化
      • 20~100℃马氏体中碳的偏聚
      • 100~350℃马氏体分解
      • 200~300℃残余奥氏体的转变
      • 250～400℃碳化物类型的变化
      • 400℃以上 渗碳体聚集长大和α相回复、再结晶
    • 回火种类和应用
      • 低温回火
        • 150~250℃
          • 回火马氏体
            • 主要应用于高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件
      • 中温回火
        • 350~500℃
          • 回火托氏体
            • 多用于处理各种弹簧
      • 高温回火
        • 500~650℃
          • 回火索氏体
            • 主要应用于结构零件，轴、齿轮、连杆、螺栓
    • 力学性能变化
      • 第一类回火脆性
        • 250～400℃
      • 第二类回火脆性
        • 450～650℃
        • 在工件回火后快速冷却就可避免，加入W或Mo元素可使这类钢不出现第二类回火脆性
• 钢的表面热处理
  • 表面淬火
    • 目的
      • 表硬里韧
    • 方法
      • 火焰淬火
      • 感应淬火
      • 激光淬火
    • 用于齿轮，曲轴
    • 含碳量0.4～0.5
      • 过高心部韧性不足
      • 过低表面硬度不足
  • 表面化学热处理
    • 目的
      • 改变表面成分，使其具有与心部不同的性能
    • 方法
      • 钢的渗碳
        • 目的
          • 增加表层碳含量，使其进行热处理后具有高的硬度和耐磨性
        • 用于齿轮，活塞销
        • 渗碳之后一定进行 淬火+低温回火
        • 低碳钢，低碳合金钢
      • 钢的渗氮
        • 目的
          • 在工件表层形成氮化物，提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性，热硬性
        • 用于含Al，Cr，Mo，V，Ti等合金元素的合金钢 因为这些元素易于N结合形成晶粒细小，分布均匀，硬度很高的氮化物 （弥散强化）
        • 渗氮之前要进行调质处理，获得S回，保证渗氮之后心部有良好力学性能
        • 渗氮工艺温度低，变形小，所以渗氮工艺常安排在半精加工之后
        • 渗氮之后不可进行热处理
      • 钢的碳氮共渗
• 钢的其他热处理
  • 真空热处理
  • 形变热处理
  • 热喷涂
  • 气相沉积
    • 化学气相沉积
    • 物理气相沉积
    • PCVD法
• 热处理的结构工艺性
  • 尽量避免尖角、棱角、减少台阶
  • 零件外形应尽量简单，避免厚薄悬殊的截面
  • 尽量采用对称结构
  • 尽量采用封闭结构
  • 尽量采用组合结构
  • 便于加热冷却时装夹、吊挂
• 通常把淬火加高温回火的热处理称为调质处理
• 过共析钢预备热处理：正火+球化退火