昆明理工大學熱處理綜合實驗指導書材料科學與工程學院實驗中心2011年10月26日8第一節 概述熱處理綜合實驗是對學生熱處理基礎知識與綜合技能的全面鍛煉與考察，本實驗要求學生以常見機械零件為對象，對零件的工作環境進行分析，并在實驗室所能提供試樣的鋼種范圍內（Q235,20，45，40Cr，T8，T10鋼）進行選材，再根據材料的基本性質設計相應的熱處理工藝，以相同材質的試樣進行熱處理實驗，實驗完畢后測試硬度，以對實驗效果進行判斷。實驗步驟1、確定要制造的典型零件或工程構件，如：軸類、齒輪類、滾動軸承類、彈簧類、緊固件、曲軸、連桿、工具、模具零件、鑄件等。畫出零件草圖。2、根據所要制造零件的服役條件（工作狀態），選擇其材料（在Q23520，45，40Cr，T8，T10等幾種鋼中來確定）查閱所選材料的化學成分、熱處理臨界溫度。3、畫出該零件的熱處理工藝曲線，標明熱處理技術要求。第二節 零件的選材本實驗室可提供的材料有Q235,20，45，40Cr，T8，T10，各種材料的基本性能與適用范圍如下：1、Q235,20鋼Q235和20鋼都屬于碳素結構鋼，其強度較低，很少淬火，無回火脆性。冷變形塑性高、一般供彎曲、壓延、彎邊和錘拱等加工，切削加工性、冷拔或正火狀態較退火狀態好、一般用于制造受力不大而韌性要求高的零件，如杠桿軸，變速箱變速叉，齒輪，重型機械拉桿，鉤環等。Q235和20鋼因為含碳量較低，淬火后表面硬度值也不是太高，在360HBS400HBS范圍內。所用的熱處理一般選用化學熱處理，像滲碳淬火等，一般不會直接淬火，20鋼滲碳淬火回火后的硬度在43HRC48HRC之間。 2、45鋼45號鋼也屬于碳素結構鋼，其含碳量高于20鋼，硬度不高，易切削加工。45鋼調質處理后具有良好的綜合機械性能，廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。45鋼經過調質（或正火）后可得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強度和韌性等綜合機械性能，淬火后表面硬度可達4552HRC。3、40Cr40Cr是一種合金結構鋼，價格適中，加工容易，該鋼的淬透性高于45鋼，適合于高頻淬火，火焰淬火等表面硬化處理等。經適當的熱處理以后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性。正火可促進組織球化，改進硬度小于160HBS毛坯的切削性能。這種鋼經調質后用于制造承受中等負荷及中等速度工作的機械零件，如汽車的轉向節、后半軸以及機床上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等；經淬火及中溫回火后用于制造承受高負荷、沖擊及中等速度工作的零件，如齒輪、主軸、油泵轉子、滑塊、套環等；經淬火及低溫回火后用于制造承受重負荷、低沖擊及具有耐磨性、截面上實體厚度在25mm以下的零件，如蝸桿、主軸、軸、套環等；經調質并高頻表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零件，如齒輪、套筒、軸、主軸、曲軸、心軸、銷子、連桿、 螺釘、螺帽、進氣閥等。 4、T8鋼T8鋼為碳素工具鋼，也是共析鋼，淬火加熱時容易過熱，變形也大，塑性及強度比較低，不宜制造承受沖擊較大的工具，但熱處理后，具有較高的硬度與耐磨性。用途舉例：用于制造切削刃口在工作時不變熱的工具，如木工用的銑刀、埋頭鉆。 T8是淬硬型塑料模具用鋼。淬火回火后有較高硬度和耐磨性，但熱硬性低、淬透性差、易變形、塑性及強度較低。用作需要具有較高硬度和耐磨性的各種工具，如形狀簡單的模子和沖頭、切削金屬的、打眼工具、木工用的銑刀、埋頭鉆、斧、鑿、縱向手用鋸、以及鉗工裝配工具、鉚釘沖模等次要工具。 T10鋼T10鋼為碳素工具鋼，碳含量、強度及耐磨性均較T8高，淬火硬度超過62HRC，但熱硬性低、淬透性不高且淬火變形大。適于制造切削條件差、耐磨性要求較高，且不受忽然和劇烈振動，需要一定韌性及具有鋒利刀口的各種工具，如車刀、刨刀、鉆頭、切紙機、低精度而外形簡單的量具（如卡板等），可用作不受較大沖擊的耐磨零件。第三節 熱處理熱處理是指將鋼在固態下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結構，從而獲得所需要性能的一種工藝。熱處理是一種重要的加工工藝，在機械制造業已被廣泛應用。熱處理區別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。熱處理只適用于固態下發生相變的材料，不發生固態相變的材料不能用熱處理來強化。根據加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點不同，將熱處理工藝分類如下： 普通熱處理：退火、正火、淬火和回火。 表面熱處理：表面淬火、化學熱處理。 其他熱處理：真空熱處理、形變熱處理、控制氣氛熱處理、激光熱處理等。根據在零件生產過程中所處的位置和作用不同，又可將熱處理分為預備熱處理與最終熱處理。預備熱處理是指為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進一步熱處理做準備的熱處理。而最終熱處理是指賦予工件所要求的使用性能的熱處理。 機械零件的一般加工工藝路線為：毛坯（鑄、鍛）預備熱處理機加工最終熱處理。退火與正火工藝主要用于預備熱處理，只有當工件性能要求不高時才作為最終熱處理。一、退火將鋼加熱至適當溫度保溫，然后緩慢冷卻（爐冷）的熱處理工藝叫做退火。退火后的組織接近于鋼在平衡狀態下的組織。退火的目的主要是調整硬度，適當的退火處理可使工件的硬度調整為HB170-250，從而改善切削加工性能。退火也可以消除殘余內應力，防止在后續加工或熱處理中發生變形和開裂。退火還可以細化晶粒，提高力學性能或為最終熱處理作組織準備。退火的種類很多，常用的有完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應力退火、再結晶退火。完全退火是指將工件加熱到Ac3+3050保溫后緩冷的退火工藝。完全退火主要用于亞共析鋼，使中碳以上的鋼軟化以便于切削加工，并消除內應力。等溫退火是指將亞共析鋼加熱到Ac3+3050，共析、過共析鋼加熱到Ac1+3050，保溫后快冷到A1以下的某一溫度，在此溫度下停留，待相變完成后出爐空冷的退火工藝。等溫退火可縮短工件在爐內停留時間，更適合于孕育期長的合金鋼。圖5-29 各種退火及正火的加熱溫度范圍圖5-32 鋼的含碳量對熱處理后硬度的影響 （影線部分為合適的切削加工硬度范圍）球化退火是指將工件加熱到Ac1+3050充分保溫后緩冷，或者加熱后冷卻到略低于A1的溫度下保溫,從而使珠光體中的滲碳體球狀化的退火工藝。球化退火主要用于共析鋼和過共析鋼，目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并為后續熱處理作組織準備。二、正火正火是指將亞共析鋼加熱到Ac3 +3050，共析鋼、過共析鋼加熱到Accm+3050保溫后空冷的熱處理工藝。由于正火比退火冷卻速度快，因而正火組織比退火組織細，強度和硬度也比退火組織高。當碳鋼的含碳量0.5%時，淬火后組織為馬氏體與少量殘余奧氏體。亞共析鋼在Ac1Ac3之間加熱淬火后的組織為馬氏體加鐵素體，如圖5-35所示,由于組織中有自由鐵素體存在，使鋼的強度和硬度降低，但可改善韌性，這種淬火稱為亞溫淬火，如處理得當，亞溫淬火也可作為一種強韌化處理方法。圖5-33 碳鋼的淬火溫度范圍圖5-34 45鋼的正常淬火組織 400對于共析鋼和過共析鋼，淬火溫度為Ac1+3050。共析鋼淬火后的組織為馬氏體和少量殘余奧氏體。而過共析鋼由于淬火前經過球化退火，因而淬火后組織為細馬氏體加顆粒狀滲碳體和少量殘余奧氏體，如圖5-36所示。分散分布的顆粒狀滲碳體對鋼的硬度和耐磨性有利。如果將過共析鋼加熱到Accm以上，則由于奧氏體晶粒粗大、含碳量提高，使淬火后馬氏體晶粒也粗大、且殘余奧氏體量增多，這將使鋼的硬度、耐磨性下降，脆性和變形開裂傾向增加。圖5-35 35鋼760淬火組織 400圖5-36 T12鋼的正常淬火組織 400對于合金鋼，由于大多數合金元素（Mn、P除外）有阻礙奧氏體晶粒長大的作用，因而淬火溫度比碳鋼高，一般為臨界點以上50100。2、淬火介質理想淬火介質的冷卻曲線（見圖5-37）應只在C曲線“鼻尖”處快冷，而在Ms附近盡量緩冷，以達到既獲得馬氏體組織，又減小內應力的目的。常用的淬火介質是水和油。水是經濟的且冷卻能力較強的淬火介質。如表5-1 所示，水的缺點是在650550范圍內的冷卻能力不夠強，而在300200范圍內冷卻能力又太大。因此生產上水主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼件的淬火。從表5-1可以看出，油在低溫區冷卻能力較理想，但在高溫區冷卻能力太低，因此主要用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件的淬火。大尺寸碳鋼件油淬時由于冷卻不足會出現珠光體型分解，如圖5-38所示。圖5-37 理想淬火冷卻曲線示意圖圖5-38 45鋼850油淬組織（M+T） 400熔融的堿和鹽也常用作淬火介質，稱堿浴或鹽浴。它們的冷卻能力介于水和油之間，使用溫度范圍多為150500。這類介質只適用于形狀復雜和變形要求嚴格小型件的分級淬火和等溫淬火。其他淬火介質如聚乙烯醇、硝鹽水溶液等也是工業上常用的。四、回火回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。1、回火的目的 減少或消除淬火內應力，防止工件變形或開裂。 獲得工藝所要求的力學性能。淬火鋼一般硬度高、脆性大，通過適當回火可調整硬度和韌性。 穩定工件尺寸。淬火馬氏體和殘余奧氏體都是非平衡組織，有自發向平衡組織鐵素體加滲碳體轉變的傾向?；鼗鹂墒柜R氏體與殘余奧氏體轉變為平衡或接近平衡的組織，防止使用時變形。 對于某些高淬透性的鋼，由于空冷即可淬火，如采用退火則軟化周期太長，而采用回火軟化則既能降低硬度，又能縮短軟化周期。對于未經淬火的鋼，回火是沒有意義的，而淬火鋼不經回火一般也不能直接使用，為避免淬火件在放置過程發生變形或開裂，鋼件經淬火后應及時進行回火。2、回火的種類根據鋼的回火溫度范圍，可將回火分為三類。 低溫回火回火溫度為150250。低溫回火時，馬氏體將發生分解，從馬氏體中析出e-碳化物（FeXC），使馬氏體過飽和度降低。析出的碳化物以細片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱為回火馬氏體，用M回表示。在光學顯微鏡下M回為黑色，A為白色，如圖5-41所示。由于馬氏體分解，其正方度下降，減輕了對殘余奧氏體的壓力，馬氏體點上升，因而殘余奧氏體分解為e-碳化物和過飽和鐵素體，即轉變為M回。圖5-41 回火馬氏體 400低溫回火的目的是在保留淬火后高硬度（一般為5864HRC）、高耐磨性的同時，降低內應力，提高韌性。主要用于處理各種工具、模具、軸承及經滲碳和表面淬火的工件。 中溫回火圖5-42 回火托氏體 400回火溫度為350500。中溫回火時，e-碳化物溶解于鐵素體中,同時從鐵素體中析出Fe3C。到350，馬氏體中的含碳量已降到鐵素體的平衡成分，內應力大量消除，M回轉變為在保持馬氏體形態的鐵素體基體上分布著細粒狀組織，稱為回火托氏體，用T回表示，如圖5-42所示?；鼗鹜惺象w組織具有較高的彈性極限和屈服極限，并具有一定的韌性，硬度一般為3545HRC。主要用于各類彈簧的處理。 高溫回火回火溫度為500650。此時，Fe3C發生聚集長大，鐵素體發生多邊形化，由針片狀轉變為多邊形，這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀Fe3C的組織稱為回火索氏體，用S回表示，如圖5-43所示。圖5-43 回火索氏體 400回火索氏體組織具有良好的綜合力學性能，即在保持較高的強度同時，具有良好的塑性和韌性，硬度一般為2535HRC。通常把淬火加高溫回火的熱處理工藝稱作“調質處理”，簡稱“調質”。表5-3為45鋼經調質和正火處理后力學性能的比較，由于調質組織中的滲碳體是顆粒狀的，正火組織中的滲碳體是片狀的，而粒狀滲碳體對阻礙裂紋擴展比片狀滲碳體更有利，因而調質組織的強度、硬度、塑性及韌性均高于正火組織。調質廣泛用于各種重要結構件如連桿、軸、齒輪等的處理。也可作為某些要求較高的精密零件、量具等的預備熱處理。3、回火脆性回火時的組織變化必然引起力學性能的變化?？偟内厔菔请S回火溫度提高，鋼的強