第二节 金属材料的热处理
热处理是将固态金属或合金在一定的介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性的一种工艺。热处理是改善金属材料的组织与性能的基本途径，能提高金属材料的使用性能，节约金属，延长机械的使用寿命。此外，热处理还能改善材料的工艺性能，提高生产率和加工质量，本节将简述钢的热处理原理和主要的热处理方法：退火、正火、淬火、回火和表面热处理。
钢经热处理后性能发生重大变化，其根本原因是钢的组织发生了变化。
一、金属在加热和冷却时的转变
1.加热时的组织转变
以共析网为例，它的加热转变是由珠光体向奥氏体的转变，其转变过程分为奥氏体的形成，残余渗碳体的溶解，奥氏体成分的均匀化。奥氏体的形成速度与加热温度、加热速度、钢的成分及原始组织有关。加热温度升高，碳原子的扩散速度增大，奥氏体的形成速度加快。加热速度增加，转变开始温度升高，转变的速度也加快。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程基本上与共析钢相同，只是在珠光体向奥氏体的转变完成后还有其它的一些转变存在。钢在加热后要保温一段时间，使其心部和表面温度一致，从而获得均匀奥氏体的组织。
2.冷却时的组织转变
热处理冷却时的组织转变是指奥氏体的转变。冷却速度不同，将得到不同形态的组织。碳钢形成奥氏体后，在冷却时随着冷却速度的增加，奥氏体转变的组织顺序是：珠光体、索氏体、屈氏体、上贝氏体、下贝氏体、马氏体等。这些组织的硬度依次由低到高，低速冷却的珠光体的硬度最低，高速冷却的马氏体的硬度最高，其它中温转变的组织的硬度介于二者之间。钢的冷却是热处理的关键阶段，常用的冷却方法有炉冷、空冷、油冷和水冷等，以便在冷却时获得不同的组织和性能。
二、退火和正火
1.退火
退火是将钢加热到高于或低于临界点，保温后随炉冷却的热处理方法。根据加热温度和退火目的不同，常用的退火方法有完全退火、球化退火和去应力退火。
完全退火主要用于亚共析钢的铸、锻件等。加热温度为A3以上30℃～50℃，保温一定时间（使钢的组织完全转变成奥氏体）后缓慢冷却，使奥氏体转变为铁素体和珠光体，达到细化组织、降低硬度和消除内应力的目的。
球化退火主要用于过共析钢的刃具、模具和量具等。加热温度为工A1以上20℃～30℃。使部分渗碳体溶解到奥氏体中，经缓慢冷却后，形成在铁素体基体上分布粒状渗碳体的球状珠光体组织。球化退火可降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火做好组织准备。
去应力退火主要用于消除铸、锻、焊结构或切削、冲压过程中的残余内应力。加热温度一般为500℃～650℃。因为加热温度低于A1，金属组织未发生变化，只是在缓慢冷却过程中，使各部分均匀冷却和收缩，从而消除内应力。
2.正火
正火是将钢加热到A3或Acm以上30℃～50℃，保温后在空气中冷却的热处理方法。正火与退火的主要差别是冷却速度较快，所获得的组织较细，强度、硬度较高，但消除内应力不如退火彻底。生产中对于一些机械性能要求不高的普通结构零件，如螺钉、低速轴等，可将正火作为最终热处理；对重要的结构零件，正火常作为预先热处理；对于低碳钢。经正火后硬度和强度比退火稍高，有利于改善切削加工性能和使用性能，故对低碳钢常用正火代替退火。
退火和正火工艺的加热温度范围如图4.2所示。
图4.2 退火和正火工艺加热温度范围
三、淬火与回火
1.淬火
淬火是将钢加热到A3（亚共析钢）或A1（过共析钢）以上30℃～50℃，保温后在水（碳钢）或油（合金钢）中冷却的热处理方法。淬火的加热温度如图4.3所示。由于冷却速度快，碳原子无法扩散，全部保留在a铁中，形成碳在a铁中的过饱和固溶铁的马氏体。由于a铁中溶解过量的碳，使金属晶格发生岐变，增加了塑性变形的抗力。所以，马氏体有很高的硬度，可达HRC65。淬火是使钢强化的最重要方法。但是马氏体有较大的脆性和存在较大的内应力，一般不能直接使用，故淬火后必须进行回火。
图4.3 淬火加热温度范围
2.回火
回火是将淬火钢重新加热到A1以下的某一温度，保温后冷却的热处理方法。根据加热温度不同，回火可分为低温回火、中温回火、高温回火。
低温回火的加热温度为150℃～250℃。粹火钢经低温回火后，可降低脆性，消除内应力，并保持其高硬度和耐磨性，适用于各种刃具、模具和量具等。
中温回火的加热温度为350℃～500℃。淬火钢经中温回火后，提高了弹性和屈服强度，但硬度有所下降，适用于弹簧、锻模等。
高温回火的加热温度为500℃～650℃。淬火钢经高温回火后，可获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合机械性能，适用于受力情况复杂的重要零件。生产上习惯把淬火后高温回火称为调质处理，是较为重要的热处理方法。
四、表面热处理
1.表面淬火
表面淬火是将钢表面迅速加热到淬火温度，不等热量传至中心，即快速冷却的热处理方法。进行表面淬火的材料是中碳钢和中碳合金钢。加热表面的方法可采用火焰加热或感应电流加热。零件经表面淬火后，表面具有较高硬度而心部仍保持原来的韧性。
2.化学热处理
化学热处理是将钢放在含有某种化学元素的介质中加热和保温，使该元素的活性原子渗入到钢的表面的热处理方法。根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、氮化和氰化等方法。
进行渗碳的材料一般是低碳钢和低碳合金钢。钢经渗碳后，表面层为高碳组织，为达到较高的硬度和耐磨性，还需进行淬火及低温回火。材料心部仍为低碳组织，保持原来的高韧性。
进行氮化的材料要采用专门的氮化用钢（钢中含有等合金元素）。材料经氮化后，表面形成一层氮化物，不需淬火就具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性能等。氮化的温度低，变形小，但生产周期长，成本高，适合高速精密的零件。
氰化是碳氮共渗，其中高温氰化以渗碳为主，低温氰化以氮化为主。
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