15887873230一、钢的热处理原理、过程与用途
钢的热处理是把钢在固态下加热到一定温度，进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。
热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的。因此，热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，如图2-2-11所示。这种曲线称为热处理工艺曲线。
热处理工艺在机械制造业中应用极为广泛。它能提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命。此外，热处理还可以改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具磨损。
二、非合金钢在热处理过程中的组织
1.过冷奥氏体
热处理时须将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体，这种通过加热获得奥氏体组织的过程称为奥氏体化。奥氏体在临界点A1以下是不稳定的，组织要发生转变，但并不是一冷却到A1温度以下立即发生转变。在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在不同温度进行转变，将获得不同的组织。
2.马氏体和回火马氏体
当奥氏体急速冷却（如在水、油等介质中）时，奥氏体中固溶的碳原子来不及析出，形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号“M”表示。马氏体硬度高、耐磨性好、塑性差。奥氏体在转变为马氏体时体积会膨胀，产生内应力，常导致零件变形、开裂：将马氏体进行低温加热后空冷，马氏体中会析出部分极细的ε碳化物，过饱和程度下降，内应力降低，形成回火马氏体，用“M回”表示。
3.贝氏体
在230~550℃温度范围内，因转变温度较低，原子的活动能力较弱，过冷奧氏体虽然仍分解成渗碳体和铁素体的混合物，但铁素体中溶解的碳已超过正常的溶解度，转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和度的铁素休和分散的渗碳体（或碳化物）的混合物，称为贝氏体，用符号“B”表示。贝氏体有上贝氏体和下贝氏体之分，通常把350〜550℃范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，用符号“B上”表示。上贝氏体的硬度为40〜45HRC，但塑性很差。在230〜350℃范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，用符号“B下”表示。下贝氏体中的碳化物呈细小颗粒状或短杆状，均匀分布在针叶状的铁素体内，在显微镜下呈黑色针状的组织，下贝氏体的硬度可达45~55HRC，且强度、塑性、韧性均高于上贝氏体。
4.托氏体和回火托氏体
过冷奥氏体在550〜600℃范围内等温转变时，形成极弥散的铁素体与渗碳体组成的混合物，称为托氏体（属珠光体形组织)，用符号“T”表示。其片层间距平均小于0.1μm。与贝氏体相比，托氏体的强度、硬度较低，塑性、韧性较好。
回火马氏体在继续升高温度时，因碳原子的扩散析出能力增大，过饱和固溶体很快转变成铁素体；同时亚稳定的碳化物也逐渐转变为稳定的渗碳体，使淬火时晶格畸变所保存的内应力大大消除。与回火马氏体相比，冋火托氏体的硬度、强度下降，塑性、韧性提高。此阶段在250〜400℃基本完成，其所形成的尚未再结晶的铁素体和细粒状渗碳体的混合物称为回火托氏体“T回”表示。
5.索氏体和回火索氏体
过冷奥氏体在600〜650℃范围内等温转变时，形成片层的铁素体与渗碳体的混合组织，称为索氏体（属珠光体形组织），用符号“S”表示。其层片间距在250~350nm之间。索氏体具有良好的综合力学性能。
回火托氏体中的α固溶体已恢复为平衡碳浓度的铁素体，但此铁素体仍保留着原马氏体的针状外形，针状铁素体基体在加热过程中，会发生回复和再结晶过程，最后形成位错密度较低的等轴晶粒的铁素体基体。与此同时，渗碳体粒子不断聚集长大，于约400℃时聚集球化，600℃以上迅速粗化。如此所形成的多边形铁素体和粒状渗碳体的混合物称为回火索氏体，用“S回”表示。回火索氏体比索氏体具有更好的力学性能。
三、常用的热处理工艺
1.退火
将钢加热到A3或A1左右一定温度，保温后，缓慢（一般随炉冷却）而均匀冷却的热处理方法称为退火。常用的退火方法有均匀化退火、完全退火、球化退火、去应力退火等。
退火可以降低钢的硬度，提高塑性，使材料便于加工，并可细化晶粒，均匀钢的组织和成分，消除残留应力等。
焊接结构在焊接之后会产生焊接残留应力，容易产生裂纹，因此，重要的焊接结构焊后应该进行去应力的退火处理，以消除焊接残留应力，防止产生裂纹。去应力退火属于低温退火，加热温度在A1以下，一般为600~650℃，保温一段时间，然后在空气中或炉中缓慢冷却。
2.正火
将钢加热到A3或Acm以上50〜70℃，保温后，在空气中冷却的热处理方法称为正火。正火可以细化晶粒，提高钢的综合力学性能，所以常用于碳素钢和低合金钢的最终热处理。对于焊接结构，经正火后能改善焊接接头性能，消除粗晶组织及组织不均匀性等。
3.淬火
将钢（高碳钢和中碳钢）加热到A1（过共析钢）或A3（亚共析钢）以上30~70℃，在此温度下保持一段时间，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解、合金元素来不及扩散而形成马氏体组织，称为淬火。
淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。在焊接高碳钢和某些低合金钢时，近缝区可能发生淬火现象而变硬，容易形成冷裂纹，这是在焊接过程中应注意防止的。
4.回火
回火是把经过淬火的钢加热至低于A1的某一温度，经过充分保温后，以一定速度冷却的热处理工艺。因为淬火后钢材硬而脆，而且内应力很大，易引起裂纹，所以淬火一般不是最终热处理，钢淬火后还要进行回火才能使用。回火可以使钢在保持一定硬度的基础上提高韧度。按回火温度的不同可分为：
(1)低温回火（250℃以下）
低温回火后得到的组织是回火马氏体，其性能是具有高的硬度和耐磨性及一定的韧度，主要用于刀具、量具、拉丝模以及其他要求硬而耐磨的零件。
(2)中温回火（250〜500℃)
中温回火得到的组织是回火托氏体，其性能是具有高弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧度和硬度，主要用于热锻模和弹性零件等。
(3)高温回火（500℃以上）
高温回火得到的组织是回火索氏体，其性能是具有良好的综合力学性能（足够的强度和硬度，塑性和度良好)，并可消除内应力。
某些合金钢在淬火后再进行高温回火的连续热处理工艺称为调质处理，目的是获得良好的综合力学性能：调质处理广泛应用于重要零件和受力构件，如螺栓、连杆,齿轮、曲轴等零件。
5.表面热处理
表面热处理分为两类：表面淬火和化学热处理。
⑴表面淬火
仅对工件表层进行淬火的热处理工艺称为表面淬火。其原理是：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火。适用范围：中碳钢、中碳合金钢。方法有：火焰淬火、感应淬火、接触电阻加热淬火、激光淬火等。下面介绍火焰淬火和感应淬火。
1)火焰淬火
其原理是：利用氧-乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进行快速加热并随之快速冷却的工艺，如图2-2-12所示。
其特点是：加热温度及淬硬层深度不易控制，易产生过热和加热不均匀，淬火质量不稳定。不需要特殊设备，适用于单件或小批量生产。
2)感应淬火
其原理是：利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热，并进行快速冷却的淬火工艺，如图2-2-13所示。
其特点是：加热速快；淬火质量好；淬硬层深度易于控制，易实现机械化和自动化，适用于大批量生产。
(2)化学热处理
将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。化学热处理不仅改变了钢的组织，而且表面层的化学成分也发生了变化，因而能更有效地改变零件表层的性能。根据渗入元素，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等化学热处理。
1)渗碳。将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗碳处理。其目的是増加钢件表层的含碳量。渗碳后还需进行淬火及低温回火等热处理，以提高其硬度和耐磨性，如图2-2-14所示。
2)渗氮。在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮处理。其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。
渗氮与渗碳相比具有以下特点：
①渗氮层具有很高的硬度和耐磨性。
②渗氮层具有渗碳层所没有的耐蚀性。
③渗氮比渗碳温度低，工件变形小。
3)碳氮共渗。在一定温度下，将碳原子、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗处理。
其特点是加热温度低，零件变形小，生产周期短，而且渗层具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。
