金屬組織控制技術

第一章鋼的退火和正火將組織偏離平衡狀態的金屬及合金加熱到適當的溫度，保持一定的時間，然后緩慢冷卻以達到接近平衡狀態組織的熱處理工藝稱為退火。§1-1退火工藝分類及目的一、完全退火加熱溫度：碳鋼：Ac3+20～30℃

合金鋼：Ac3+30～50℃保溫時間：以工件的有效厚度來計算。在箱式電阻爐中可按下式計算：τ（min）=KDD（mm）為工件有效厚度；K為加熱系數，一般K=1.5～2.0min/mm。完全退火目的：用于亞共析鋼（WC=0.3～0.6%），細化晶粒、均勻組織、消除內應力、降低硬度和改善鋼的切削加工性能。實際生產時，為了提高生產率，退火冷卻至500℃左右即可出爐空冷二、不完全退火加熱溫度：亞共析鋼在Ac1～Ac3

過共析鋼Ac1～Accm目的：降低硬度、消除內應力。不完全退火的加熱溫度比完全退火低，過程時間也較短，因而是比較經濟的一種工藝。注意：不完全退火一般僅用于正確熱加工后的亞共析鋼，不需要改變其組織狀態。過共析鋼的不完全退火，實質上是球化退火的一種。三、球化退火

球化退火是使鋼中碳化物球狀化，獲得球化體的一種熱處理工藝。目的：用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼，降低硬度、均勻組織、改善切削加工性，并為淬火作組織準備。球化退火加熱溫度一般在Ac1+20～30℃，保溫時間一般2～4h。采用隨爐冷卻，或在Ar1以下20℃左右進行較長時間等溫。四、等溫退火鋼加熱到Ac3以上30～50℃保溫后以較快的冷卻速度冷至稍低于Ar1的溫度等溫，使奧氏體轉變為珠光體，再空冷至室溫的熱處理工藝。目的：加速工藝過程。等溫溫度的選擇應依據“C”曲線選在P轉變區過冷A不穩定區域。但要保證P片層間距不至于過細，以獲得適合的硬度。五、擴散退火（均勻化退火）

將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱到略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現象的熱處理工藝。目的：消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產生的枝晶偏析及區域偏析，使成分和組織均勻化。加熱溫度：碳鋼：1100～1200℃

合金鋼：1200～1300℃。保溫時間：10～15h

擴散退火后，晶粒特別粗大，必須補充一次完全退火或正火。六、去應力退火

消除由于變形加工以及鑄造、焊接過程引起的殘余內應力而進行的退火稱為去應力退火。加熱溫度在Ac1點以下，一般為500～650℃鑄鐵工件：一般為500～550℃，超過550℃容易造成珠光體的石墨化。焊接工件：一般為500～600℃對切削加工量大，形狀復雜而要求嚴格的刀具、模具等，淬火之前常進行600～700℃、2～4h的去應力退火。去應力退火后的冷卻應盡量緩慢，以免產生新的應力。七、再結晶退火

加熱溫度：TR+（150～250℃）大部分鋼件為600～700℃。保溫時間：1～4h，空冷。目的：消除冷作硬化，提高塑性，改善切削性能及壓延成型性能對于臨界變形度范圍形變的工件，采用完全退火或正火來代替再結晶退火。練習：確定下列工件的退火方法，并指出退火目的及退火后的組織：（1）經冷軋后的15鋼板要求降低硬度；（2）

ZG35鑄造齒輪；（3）

鍛造過熱的60鋼坯；（4）

具有片狀滲碳體的T12鋼坯。§1-3鋼的正火將鋼加熱到Ac3（或Accm）以上適當溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。目的：①細化晶粒、消除內應力。（主要針對鑄鍛件，可采用二次正火）②消除網狀碳化物。（主要針對過共析鋼③提高切削加工性能（主要針對低碳鋼，對于鐵素體過多的低碳鋼可適當提高溫度：Ac3+100℃，快冷。）§1-4退火、正火后鋼的組織和性能一、退火和正火后的組織特點1正火的P組織比退火狀態的片間距小。2正火時先共析產物不能充分析出，會形成偽共析組織。3由于合金鋼中碳化物更穩定，不易充分固溶到A中，因此在退火后不易形成片狀P，正火后的粒狀S或T硬度較高。二、退火和正火組織與性能關系當碳含量＜0.2%時，退火與正火后鋼的力學性能相近。當碳含量升高時，正火比退火組織的強度、硬度要高，但塑性較低。只有在球化退火時，其綜合力學性能優于正火。三、退火與正火的選用

①含碳量＜0.25%的低碳鋼，通常采用正火代替退火。防止低碳鋼沿晶界析出游離三次滲碳體，提高沖壓件的冷變形性能。改善低碳鋼的切削加工性能。②含碳量為0.25～0.5%的中碳鋼也可以用正火代替退火，雖然接近上限碳量的中碳鋼正火后硬度偏高，但尚能進行切削加工。③含碳量為0.5～0.75%的鋼，采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。④含碳量為0.75%以上的高碳鋼或工具鋼一般均采用球化退火作為預備熱處理。

從經濟原則考慮，正火比退火生產周期短，操作簡便，工藝成本低。四、退火與正火常見缺陷及補救方法1黑脆碳素工具鋼或低合金工具鋼在退火后，有時發現硬度雖然很低，但脆性卻很大，一折就斷，斷口呈灰黑色，所以叫做“黑脆”。金相組織特點是部分滲碳體轉變成石墨。產生原因：主要是由于退火溫度過高，保溫時間過長，冷卻緩慢，珠光體轉變按更穩定的Fe—C平衡相圖進行所致。鋼中含碳量過高，含錳量過低，以及含有微量促進石墨化的雜質元素（如鋁）等均能促進石墨化。2反常組織組織特征：①亞共析鋼在先共析鐵素體晶界上有粗大的滲碳體存在，珠光體片間距很大，②共析鋼在先共析滲碳體周圍有很寬鐵素體條，而先共析滲碳體也很寬。反常組織產生的原因：亞共析鋼或過共析鋼退火時，在Ar1點附近冷卻過慢，特別是略低于Ar1點（例如低10℃）的溫度下長期停留。先共析相析出后，在后續的珠光體轉變中，鐵素體或滲碳體自由長大，而形成游離的鐵素體或滲碳體。反常組織將造成淬火軟點。出現這種組織時應進行重新退火消除。3網狀組織網狀組織主要是由于加熱溫度過高，冷卻速度過慢所引起的。網狀鐵素體或滲碳體會降低鋼的機械性能，特別是網狀滲碳體，在后續淬火加熱時很難消除，因此必須嚴格控制。網狀組織一般采取重新正火的辦法來消除。第二章鋼的淬火及回火把鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上，保溫并隨之以大于臨界冷卻速度（Vc）冷卻，以得到馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝方法稱為淬火。§2-1淬火目的、淬火的必要條件一淬火目的①提高工具、滲碳零件和其他高強度耐磨機器零件等的硬度、強度和耐磨性。②為隨后的回火獲得一定的力學性能而進行淬火。（如彈簧、調質件）③為了改變鋼的某些物理和化學性能。二、淬火的必要條件三個必須：加熱溫度必須高于臨界點（亞共析鋼Ac3，過共析鋼Ac1）；冷卻速度必須大于Vc；組織必須是M或B下。§2-2淬火介質理想的淬火冷卻速度淬火冷卻時怎樣才能既得到馬氏體而又減小變形與避免裂紋呢？可以從兩方面著手：①是尋找一種比較理想的淬火介質。②是改進淬火的冷卻方法。一、淬火介質的冷卻機理最常用的淬火介質是液態介質。淬火介質按其冷卻特性分為二類：①有物態變化的淬火介質②無物態變化的淬火介質（一）有物態變化的淬火介質是國內外廣泛發展的類型。按基本組成可分為水基與油基。在有物態變化的淬火介質中淬火時，鋼件的冷卻分三個階段：①蒸汽膜階段②沸騰階段蒸汽膜破裂的極限溫度稱為特性溫度。③對流階段（二）無物態變化的淬火介質這類介質主要是熔鹽、熔堿、熔融金屬及氣體等，主要用于分級淬火和等溫淬火。特點：①依靠周圍介質的傳導和對流將工件的熱量帶走。所以介質的冷卻能力主要取決于介質本身的物理特性。②介質在高溫下冷速很快，而在工件接近介質溫度時冷速迅速降低。決定冷卻速度的主要因素是工件與介質的溫差。溫差越大，冷卻速度越快。（三）影響淬火介質冷卻能力的因素1內在因素比熱、汽化熱、蒸汽壓、導熱性、粘度、表面張力等。2外界因素添加物、淬火介質溫度、攪拌、工件投入介質的溫度等添加物：①所有不溶或微溶于水的物質均提高水的蒸汽膜穩定性。如油、肥皂等這類物質均使水的冷卻能力降低。②所有溶于水，形成水溶液的物質均降低水的蒸汽膜穩定性。如鹽、堿等。二、淬火介質冷卻特性的測定若工件尺寸及所用鋼材均不變，則淬火硬化結果就取決于淬火介質對工件的淬火能力。這種能力是用硬度變化的情況反映出來，稱為淬火介質的淬硬能力。淬硬能力通常用急冷度來評價，它是一種用鋼硬化層深度來評定淬火介質冷卻能力的方法。

H=α熱交換系數

λ導熱系數冷卻強度對一般鋼來講，λ為一定值，所以H取決于鋼與冷卻介質之間的熱交換情況。三、常用淬火介質及其冷卻特性1水最常用且最經濟的冷卻介質。化學穩定性高、熱容量較大。特點：（1）水的冷卻速度較大。冷卻特性與理想介質要求相反。（2）水的特性溫度很低。（3）水溫升高，高溫區冷卻能力降低，低溫區冷卻能力不變。（4）增加水的攪拌，可增加高溫區的冷卻能力，但不會減少開裂危險。

水只適用于形狀簡單、尺寸不大的碳鋼工件。2堿和鹽的水溶液鹽水和堿水的溶液的冷卻特點為：蒸汽膜階段極短，特性溫度高，冷卻能力大大增加。在水中添加10～15%的NaCl，或10～20%的NaOH，可大大提高在高溫區冷卻速度。適用于形狀簡單、尺寸較大的碳素結構鋼工件的淬火，對大截面的碳素工具鋼，低合金鋼的工件用鹽水-油雙液淬火。3油（1）油的冷卻特性接近理想冷卻介質。但由于油的汽化熱、比熱、熱傳導速度小及粘度大，整個冷卻過程均比水小。（2）油溫升高冷卻能力增強。油溫在60～80℃之間使用較好。適用于合金鋼和小截面的碳鋼工件。防止油老化的措施：（1）控制油溫。（2）經常清除油渣和氧化皮，及時補充新油。（3）避免水分帶入。

工件淬入方式§2-3鋼的淬透性一、淬透性的基本概念鋼的淬透性是表征鋼材淬火時獲得馬氏體能力的特性。鋼的淬透性與淬硬性區別：淬透性是指淬火時獲得馬氏體的難易程度。它主要和鋼的過冷奧氏體的穩定性有關，或者說與鋼的臨界淬火冷卻速度有關。淬硬性指淬成馬氏體可能得到的最高硬度，因此它主要和鋼中含碳量有關。二、淬透性的測定方法1臨界直徑法淬火臨界直徑：該種鋼在該種淬火介質中能淬透的最大直徑。臨界直徑的數值是隨淬火介質的冷卻能力而變的。為了排除冷卻條件的影響，引入了理想臨界直徑的DI。用臨界直徑法來表示鋼的淬透性，必須表明鋼的冷卻烈度H。兩種鋼用同一種介質中，D0越大，則鋼的淬透性越好。已知：H＝1.2時，D＝27mmH＝0.4時，D＝？2端淬法由于鋼的化學成分允許在一個范圍內波動，因此手冊上給出的各種鋼的淬透性曲線通常是一條淬透性帶。用J表示鋼的淬透性(老標準）。

J

HRCd456表示在淬透性帶的距離末端6mm處的硬度為45HRCJ××-d

（新標準）表示硬度值水冷端距離三、淬透性在生產中的應用1根據淬透性曲線預測材料的組織與硬度舉例：端淬曲線幾個注意點：①近端面1.5處的硬度可代表鋼的淬透性。此處一般情況下表示99.9%M的硬度。②曲線上拐點處大致與50%M硬度一致。該點距水冷端距離的遠近代表該鋼的淬透性高低。③硬度變化平穩標志著鋼的淬透性大。請同學們閱讀書中的實例：（1）根據端淬曲線求沿工件截面上硬度分布（2）根據所要求的硬度求工件的截面尺寸端淬法的局限性：對低淬透性鋼其末端的冷速可能還不能淬透；對高淬透性鋼則冷速顯得太快，甚至使整個試樣完全淬透。必須采取特殊的方法，但目前這些方法還沒有標準化。2合理選擇淬硬層深度①一般對于重要工件承受危險應力的部位應獲得90%以上的M。如連桿、彈簧等。②對于要求不很高的調質件，一般只要求不出現F即可滿足要求。③對于工作條件繁重的熱鍛模，要求高強度和高韌性，硬化層越深，其工作壽命越高。小型鍛模要求全部淬透，大鍛模硬化層厚度應在100mm以上。未淬透鋼淬透鋼淬透性不同的鋼調質后力學性能

3合理選材不是一切工件都要求鋼的淬透性越高越好，要具體分析：①焊接件②滲碳鋼③高頻淬火工件§2-4淬火應力、變形及開裂一、淬火應力工件在淬火過程中會發生形狀和尺寸的變化，有時甚至要產生淬火裂紋，工件變形或開裂的原因是由于淬火過程中，在工件內產生的內應力造成的。淬火內應力主要有熱應力和組織應力兩種。1熱應力及其變化規律工件在加熱和冷卻時，由于表面和心部存在著溫度差，脹縮時間不一致，而產生的內應力稱為熱應力。熱應力變化規律：存在于工件冷卻的全過程，開始時，熱應力使表層受拉，心部受壓，最終殘留的熱應力則使表面受壓，心部受拉，最大拉應力分布在心部軸向。

2組織應力及其變化規律工件在淬火冷卻時，表層和心部組織轉變不同時所產生的內應力稱為組織應力。組織應力變化規律：工件表層先冷到Ms點，發生馬氏體轉變而膨脹，心部并未發生相變，使表層產生壓應力，心部產生拉應力；當心部也冷到Ms點發生相變，體積膨脹時，已完成馬氏體轉變的表層受拉應力，而心部則受壓應力。最大拉應力發生在切向。組織應力狀態正好和熱應力狀態相反，并且組織應力是發生在工件塑性較低的低溫階段，是產生淬火開裂的主要原因。淬火冷卻過程中同時存在兩種應力，共同作用于工件。二、影響淬火應力的因素1對熱應力的影響加熱或冷卻速度越大、截面溫差越大，熱應力就越大。熱應力引起鋼件在較高溫度下的不均勻塑性變形，淬火時引起鋼件淬火變形。熱應力引起工件開裂的特點：裂紋由內向外發展，形成橫向弧狀裂紋。橫向裂紋往往在未淬透情況下形成，屬于熱應力所引起。橫向裂紋常發生于大型軸類工件上，如軋輥、汽輪機轉子等，且常在工件形狀突變的部位以弧形分布。2對組織應力的影響M轉變區的冷速小、鋼的導熱性好、A的屈服強度高、工件尺寸大、碳含量降低、M比容小等均使組織應力降低。組織應力引起工件開裂的特點：沿軸向分布的縱向裂紋。縱向裂紋多產生在工件完全淬透的情況下。注意：工件淬裂的危險尺寸。

三、淬火時工件的變形淬火變形包括工件體積的變化和幾何形狀的變化。體積的變化表現為尺寸的脹縮，是由于組織轉變時比容變化所引起的；幾何形狀的變化表現為外形的彎曲或歪扭，是由于淬火內應力所造成的。1熱應力引起淬火變形的特點工件在心部受多向壓應力作用失去原形，使形狀趨于球狀。2組織應力引起淬火變形的特點工件沿最大尺寸方向伸長，沿最小尺寸方向收縮，并且表面內凹，棱角變尖。3組織轉變引起的體積變形特點工件的各部分尺寸按比例同速率的膨脹或收縮，并不改變工件的外形。§2-5淬火工藝規范原則、方法及應用為了獲取M組織，它是強化鋼材最主要的熱處理方法。淬火工藝規范:加熱溫度、保溫時間、淬火方法一、淬火加熱溫度鋼淬火加熱溫度主要根據其化學成分來決定。1碳鋼淬火溫度的選擇①亞共析碳鋼淬火加熱溫度：Ac3+30～50℃，淬火后可得到細小的馬氏體組織②共析碳、過共析鋼淬火加熱溫度為：Ac1+30～50℃，即760～800℃，淬火后得細針狀馬氏體組織。問題：過共析鋼為什么不是Accm以上？2合金鋼淬火溫度選擇一般為Ac1或Ac3+50～100℃因為合金滲碳體和合金碳化物的溶解困難，所以需要加熱到更高的溫度。由于Mn元素具有過熱傾向，所以含Mn的合金鋼淬火加熱溫度應取下限。注意：1當亞共析鋼存在有帶狀組織時淬火加熱溫度應適當高一些。2過共析鋼中有碳化物偏析時淬火加熱溫度應適當低一些3小工件淬火加熱取下限；大工件取上限，甚至可取臨界點以上50～80℃（碳鋼）。4鹽浴爐淬火加熱取下限；箱式爐取上限。二、淬火加熱時間加熱時間包含升溫和保溫時間。淬火加熱時間的確定，基本原則和具體計算方法與退火、正火相同。

t=α·K·D

但由于淬火前組織已經均勻細化過了，所以淬火加熱時間可以比退火和正火短一些。三、組織缺陷過熱組織：淬火加熱溫度過高，保溫時間過長，造成A晶粒粗大，淬火后馬氏體尺寸過大，稱為過熱組織。過熱的工件進行一次退火或正火，使組織細化及均勻化，然后再重新加熱淬火可糾正過熱組織。過燒組織淬火加熱時，溫度過高，導致A晶界發生氧化或局部熔化的現象。出現過燒的工件，只能報廢，無法挽救。四、淬火方法1單液淬火將奧氏體化的工件淬入一種淬火介質中一直冷至室溫的淬火方法。優點：操作簡單，易于實現機械化和自動化。缺點：水淬易產生變形與開裂，油淬又不易達到硬度要求。適用于形狀簡單的碳鋼和合金鋼工件2雙液淬火先將奧氏體化工件淬入冷卻能力強的介質中，待其冷至Ms點稍上（約300℃）程度，立即移入冷卻能力較弱的介質中冷卻。最常用的是水——油雙液淬火。優點：工件變形小。缺點：難控制。適用于形狀復雜的小型工件和碳鋼制造的大型工件。3分級淬火將加熱好的工件先置于溫度略高于Ms點的鹽浴或堿浴中，停留一定時間，使其表面和心部的溫度均勻一致，然后取出空冷的冷卻方法。由于分級保溫，使工件內外溫度均勻，所以減少了熱應力和組織應力。適合于處理形狀復雜的工件，但由于熱浴的冷卻能力不大，因此一般只適用于截面尺寸不大的工件。（高速鋼除外）4等溫淬火

將加熱好的工件放入高于Ms點的熱浴中，經一定時間保溫，使奧氏體發生下貝氏體轉變后取出空冷的冷卻方法。由于下貝氏體的比容比馬氏體小，所以淬火應力較小，變形很小，一般不會開裂。適用于變形要求嚴格和要求具有良好強韌性的高中碳鋼制造的且尺寸不大的精密零件。5噴射淬火向工件噴射水流的方法，此法不會在工件表面形成蒸汽膜，可獲得比普通淬火更深的硬化層。適用于局部淬火（厚薄相差懸殊的工件）。6.冷處理

冷處理（-70～-80℃）實際上是淬火過程的繼續。目的：最大限度的減少殘余奧氏體。量具及精密工件的熱處理特點之一就是進行冷處理。介質：干冰（即固體CO2）或干冰加酒精。節能熱處理：采用冷處理加一次回火代替高速鋼的三次回火。

§2-6鋼的回火回火的目的:1改變強度、硬度高，塑性、韌性差的淬火組織。2使不穩定的淬火組織M和殘余A轉變為穩定組織，保證工件不再發生形狀和尺寸的改變。3消除淬火內應力，防止進一步變形、開裂。鋼淬火后一般都必須進行回火處理，回火決定了鋼在使用狀態的組織和壽命。一、碳鋼的回火特性淬火鋼回火后的力學性能常以硬度來衡量。低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼均顯示硬度隨回火溫度升高而降低的趨勢。中碳鋼（35鋼）強度硬度隨回火溫度升高而降低，塑性韌性隨回火溫度升高而增加。（一）回火溫度1低溫回火（＜250℃）回火后主要得到回火馬氏體組織M回。低溫回火目的：保持高硬度、高強度和高耐磨性，降低淬火應力和脆性。回火后硬度一般可達到55～64HRC。低溫回火主要用于各種高碳鋼制作的切削工具、冷作模具、滾動軸承、滲碳零件等。二、回火工藝制定2中溫回火（350～500℃）回火后獲得回火屈氏體組織T回。獲得高屈服強度、彈性極限和較高的韌性。硬度一般為35～50HRC。中溫回火主要用于各種彈簧和其他模具（塑料模、熱鍛模）以及要求較高強度的軸、軸套、刀桿等零件。

3高溫回火（500～650℃）回火后得到回火索氏體組織S回。通常將淬火+高溫回火得到回火索氏體組織的工藝稱為調質處理。調質的目的是得到強度、硬度、塑性和韌性都較好匹配的綜合機械性能。調質處理廣泛用于汽車、拖拉機、機床、飛機等重要的結構件，如連桿、螺栓、齒輪及軸等。鋼經過調質后硬度一般為200～350HB。（二）回火保溫時間回火保溫時間，應保證工件表面與心部溫度均勻一致，組織轉變充分進行，淬火應力得到充分消除。回火溫度雖然是決定回火后硬度的主要因素，但是在溫度一定的情況下，隨著保溫時間的延長，鋼的硬度將下降，經過一段時間后，下降速度趨于平緩。如果保溫時間不足，導致回火不充分，將會造成磨削時出現裂紋。刃具、模具等容易崩刀，精密件使用一段時間尺寸會發生變化。回火時間與工件的有效厚度、回火溫度、加熱介質有關。另外，回火時間還與鋼中合金元素含量有關。合金元素使鋼導熱性變差，且其本身擴散較慢，又阻礙整個擴散，對于高合金鋼，回火時間可延長。如果裝爐量大，也應適當延長回火保溫時間，以保證透熱。（三）回火后的冷卻回火冷卻一般在空氣中進行，也有的在水、油等介質中進行。為了防止鋼在回火時，產生第二類回火脆性，回火后應快冷。為消除快速冷卻后產生的殘余應力，可以補充一次低溫回火。回火注意事項：（1）淬火后工件冷至用手可以觸摸時就可以進行回火。（2）高碳高合金鋼應冷透后再進行回火，以減少AR。（3）要避免在第一類回火脆性區回火；具有第二類回火脆性的鋼，回火后要快冷，若已產生回火脆性可將工件重新加熱到回火溫度后快冷，即可消除回脆。三、淬火、回火缺陷及其預防1淬火硬度不足原因有：①加熱溫度過低，保溫時間不足。檢查金相組織，在亞共析鋼中