金属材料热处理基础知识

热处理定义：钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。

热处理目的：

1、消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。

2、提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。

加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。

退火

1、定义：将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺。

2、目的：降低硬度，均匀化学成分、改善切削加工性能和冷塑性变形性能、消除或减少内应力、为零件最终热处理准备合适的内部组织。

3、分类

球化退火：为使工件中的碳化物球状化而进行的退火。

去应力退火：为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行退火。

正火

1、定义：将钢材或钢件加热到一定温度，保温适当时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺。

2、目的：改善切削性能，消除毛坯内应力，细化晶粒、提高硬度、获得比较均匀的组织和性能。

退火和正火的区别

退火和正火属于预备热处理工艺，对于含碳量相同的工件，正火后的强度和硬度要高于的退火的。

例如：含碳量大于0.7%的碳钢和合金钢，为降低硬度便于切削加工采用退火处理；含碳量低于0.3%的低碳钢和低合金钢，为避免硬度过低切削时粘刀，而采用正火适当提高硬度。一般用于锻件、铸件和焊接件。退火一般安排在毛坯制造之后，粗加工之前进行。

渗碳

1、定义：为提高工件表层的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度,在渗碳炉中将低碳钢在

渗碳介质中加热、保温,使碳原子渗入工件表面，然后进行淬火的化学热处理工艺。

2、目的：使低碳钢的表面层含碳量增加到0.85～1.10%，然后再经淬火、低温回火处理以消除应力和稳定组织，使钢件表面层具有高硬度(HRc56～62)，增加耐磨性及疲劳强度等。而心部仍保持原有的塑性和韧性。

3、应用：渗碳一般用于15Cr、20Cr等含碳量低的钢种，渗碳层的深度是根据零件的要求不同，一般为0.2～2mm。

设计时可根据工件尺寸和心部强度要求来选择材料和渗碳层深度。

渗碳层深的选择要根据实际需要进行设计，以节约成本。

层深的增加意味着渗碳时间的延长，齿轮一般是根据经验公式来设计层深。

淬火

1、定义：将钢加热到临界温度以上，保温一定时间使其奥氏体化，以大于临界冷却速度进行冷却的工艺。

2、淬火目的：

提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具

提高强韧性：轴类、杆件、销、受力件

提高弹性：各类弹簧

提高耐蚀和耐热性：耐热钢和不锈钢

3、淬火分类

按加热温度：完全淬火、不完全淬火、循环加热淬火

按加热介质及热源条件：盐浴加热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬火、接触电加热淬火等

按淬火部位：整体淬火、局部淬火、表面淬火等

按冷却方式：单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火等

4、工艺过程：

冷却速度是钢在淬火过程中最主要的因素，它直接影响淬火产物和性能。

一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免工件变形和开裂。

为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和冷却方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650℃～550℃)快冷，超过临界冷却速度，以防珠光体类型转变发生；而在马氏体转变区域范围内(300℃～100℃)，则冷却减慢，以减少淬火工件产生的应力。

5、不同淬火温度下的内部组织

在完全淬火时，钢的淬火组织主要是由马氏体组成

在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织

当奥氏体中含碳质量分数大于0.5%时，淬火组织为马氏体和残余奥氏体。

过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。

亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。

在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。

表面淬火

1、定义：是成本最低的表面硬化处理方法，工艺简单而灵活，适合局部处理，特别适合于提高耐磨性的场合。由于只加热表面层，心部强度保持着表淬前的状态。

3、目的：提高材料的硬度、强度和耐磨性，而心部保持良好的塑性和韧性。表面淬火后零件表面将产生很大的残余压应力，因而使材料的疲劳强度大大提高。但需要注意的是，表淬区域的起始点和终结点处于残余拉应力状态下，此处的疲劳强度因此大大降低。设计时要考虑残余拉应力不可留在齿根处、轴的过渡圆角处等零件应力集中部位，以免工作应力与残余拉应力叠加造成零件裂纹或断裂。

3、工艺过程：表面淬火一般工艺是高频感应加热、中频感应加热或火焰加热，喷水冷却，然后进行低温回火。

4、应用：淬硬深度一般是：高频淬火1～2mm；中频淬火2～6mm。一般用于中碳以上结构钢和合金钢主轴、齿轮等零件。当工件淬火后，表面硬度高，除磨削外，一般不能进行其它切削加工。因此工序应尽量靠后，一般安排在半精加工之后，磨削加工之前。

回火

1、定义：回火是将淬火后的钢件加热到指定的回火温度，经过一定时间的保温后，空冷到室温的热处理操作。回火时引起马氏体和残余奥氏体的分解。

2、目的：

⑴减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂。

⑵获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。

⑶稳定尺寸。

⑷对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。

3、分类：钢淬火后都需要进行回火处理，回火温度取决于最终所要求的组织和性能（工厂常根据硬度的要求），通常按加热温度的高低，回火可分为以下三类。

(1)低温回火：加热温度为150℃～250℃。低温回火组织为回火马氏体，马氏体内析出碳化物形成回火马氏体，残余奥氏体也转变为回火马氏体。回火马氏体易受侵蚀，组织呈暗色针

状。回火马氏体具有高的强度和硬度，而韧性和塑性较淬火马氏体有明显改善。

其目的主要是降低淬火钢中的内应力，减少钢的脆性，同时保持钢的高硬度和耐磨性。常用于高碳钢制的切削工具、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。

(2)中温回火：加热温度为350℃～500℃。中温回火组织为回火屈氏体，它是由铁素体和粒状渗碳体组成的极细密混合物。回火屈氏体有较好的强度，最高的弹性，较好的韧性。

其目的主要是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于各种弹簧热处理。

(3)高温回火：加热温度为500℃～650℃。高温回火组织的回火索氏体，它是由粒状渗碳体和等轴形铁素体组成混合物。回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。

其目的主要是获得既有一定的强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合机械性能。通常把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。主要用于处理中碳结构钢，即要求高强度和高韧性的机械零件，如轴、连杆、齿轮等。

4、淬火钢回火时的组织转变阶段

随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化：

(1)马氏体中碳原子偏聚（100℃以下）

(2)马氏体的分解（100～250℃）

(3)残余奥氏体的转变（200～300℃）

(4)碳化物析出和转变（250～400℃）

(5)α相状态变化及碳化物聚集长大（>400 ℃)

调质

1、定义：工件淬火并高温回火的复合热处理工艺,。

2、目的：使材料获得较好的强度、塑性和韧性等方面的综合机械性能，用于各种中碳结构钢和中碳合金钢。调质一般安排在粗加工之后，半精加工之前,并为以后热处理作准备。

大部分的零件都是通过调质处理来提高材料的综合机械性能，即提高拉伸强度、屈服强度、断面收缩率、延伸率、冲击功。

3、应用：调质处理能大大提高材料的拉伸和屈服强度，提高屈强比和冲击功，使材料具有强度和塑韧性的良好配合。一般来讲调质钢应该为中碳钢( C = 0．3％～0．6％)；碳钢中像30、35、40、45、50等钢种则既可以调质处理又可以正回火使用；而对高碳钢和低碳钢则不宜采用调质工艺

4、工艺过程：首先需要将零件加热到材料的Acl点以上30～50℃(800．950℃)，保温一定时间，然后在油中或水中冷却。冷却后立即入炉进行回火(500～650℃)，以降低淬火应力、调整组织成份，进而达到机械性能要求。

马氏体：钢中马氏体的主要特性是高硬度和高强度。

铁素体：铁素体的塑性、韧性很好，但强度、硬度较低。其力学性能几乎与纯铁相同。

奥氏体：奥氏体常存在于727℃以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好，易锻压成形。

渗碳体：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度很高，塑性和韧性极低，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。珠光体:存在于钢的退火或正火组织中,粒状珠光体：在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的两相机械混合物称为粒状珠光体。粒状珠光体一般经球化退火而得到，也可以通过淬火加回火处理得到。

各种组织的硬度性能指标范围如下：

珠光体10～20HRC

索氏体22～25HRC

屈氏体36～42HRC

马氏体62～65HRC

回火马氏体约60HRC

回火屈氏体40～48HRC

回火索氏体25～35HRC。

氮化处理

原则上讲任何钢种都可以进行氮化处理，但是最常用的氮化钢是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)等

氮化是在氮化炉中进行，因此变形小，氮化硬度要根据材质而定。

氮化后一般可不加工，设计时应尽可能采用整体氮化处理，因为氮化层本身对使用来说只有益处，没必要加工处理掉。

对必须进行局部氮化的零件需要做局部保护，氮化后去掉或加工掉保护层，但是如此一来，需要额外的工作很多，增加了制造的复杂性和成本。此外，氮化前必须进行调质处理，以提高心部的机械性能，为氮化做组织准备。

氮化工艺最大的特点是热处理变形小，硬化层浅，特别适用于与调质工艺相结合提高零件的疲劳强度、表面耐磨性、耐蚀性和改善零件的摩擦状态，防止胶合。适用于在周期载荷下工作的零件，比如轴等。

钢的淬透性

1、淬透性：钢在淬火时能够获得马氏体的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。

钢材本身的固有属性，与外部因素无关

2、淬硬层深度：由工件表面到半马氏体区的深度。工件的淬透深度取决于钢材淬透性, 还与冷却介质、工件尺寸等外部因素有关。

3、影响淬透性的因素：临界冷却速度，取决于材料化学成分。一般而言，碳钢的淬透性差，合金钢的淬透性好，且合金元素含量越高，淬透性越好

硬度

硬度是指金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力。

硬度越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大。它是重要的力学性能指标之一，它与强度、塑性指标之间有着内在的联系。

常用的硬度试验方法有：

布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。所用设备为布氏硬度计。

洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后的产品性能检测。所用设备为洛氏硬度计。 维氏硬度试验——主要用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。所用设备为维氏硬度计。

显微硬度试验——主要用于测定金属材料的组织组成物或相的硬度。所用设备为显微硬度计。

布氏硬度试验

用载荷为P 的力,把直径为D 的淬火钢球压入金属试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试件表面上所压出的压痕直径d ，据此计算出压痕球面积F ，然后再计算出单位面积所受的力（P/F 值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号 HB 表示。 布氏硬度试验原理如图3-11所示。

设压痕深度为h 则压痕球面积为

2(22d D D D Dh F --==ππ

试样硬度值为：

22(2d D D P F P HB -==π

式中 P ——施加的载荷，kg 或N ；

D ——压头（钢球）直径，mm ；

d ——压痕直径，mm ；

F ——压痕面积，mm 2。 布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的压力。单位为kg/mm 2或N/mm 2，但一般不标图3-4 布氏硬度计试验原理示意图

出。

硬度值越高，表示材料越硬。实验室只要测出压痕直径d（毫米）,通过计算或查表即可得出HB值。

布氏硬度试验的优缺点：

优点：硬度值代表性全面，由于压痕面积较大，能反映较大范围内材料的平均性能。试验数据稳定，数据重复性强。布氏硬度值和抗拉强度间存在一定的换算关系（见表3-4）。其换算式为经验公式，知道硬度后可以粗略的估计其强度，但铸铁不能用此经验公式。

表4 HB与σb的关系

材料硬度值HB HB—σb近似换算式

钢

钢

铸铝合金

退火黄铜

冷加工后黄铜、青铜125~175

＞175

—

—

—

σb≈3.36 HB (MPa)

σb≈3.55 HB (MPa)

σb≈2.55 HB (MPa)

σb

≈5.39 HB (MPa)

σb≈3.92 HB (MPa)

缺点：采用的压头是淬火钢球，由于钢球本身的变形和硬度问题，致使不能测试太硬的材料。一般在450HB以上就不能使用。由于压痕较大，不适宜成品检验。

布氏硬度试验常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等的原材料以及结构钢调质后的硬度。

洛氏硬度试验

洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法，和布氏硬度一样，也是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。

洛氏硬度试验的压头采用锥角为120o的金刚石圆锥头或直径为1.588毫米（1/16英寸）的钢球。载荷先后两次施加，先加预载荷P0，然后加主载荷P1，在总载荷的作用下，将压头压入金属材料表面来进行的硬度测定。其总载荷为P（P=P0+P1）。

金属越硬，压痕深度越小；金属越软，压痕深度越大。为了适应人们习惯上数值越大硬度越

高的概念，人为的规定，用一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度的指标，并规定每0.002毫米为一个洛氏硬度单位。用符号HR表示，则洛氏硬度值为：HR =（K－h）/0.002 此值为一无名数。并可从硬度计的表盘指示器上直接读出。

使用金刚石压头时，常数K为0.2毫米，黑色表盘刻度所示；

使用钢球压头时，常数K为0.26毫米，红色表盘刻度所示。

为了可以用一种硬度计测定出从软到硬的金属材料硬度，采用了不同的压头和总载荷，组合成几种不同的洛氏硬度标度，每一种标度用一个字母在硬度符号HR后加以注明，常用的是HRA、HRB、HRC三种。

各种洛氏硬度值之间不能直接进行比较，但可通过实验测定的换算表（略）进行相对比较。各种洛氏硬度之间，洛氏硬度和布氏硬度值间都有一定的换算关系。对于钢铁材料，大致有下列关系式：

HRC = 2HRA－104

HB = 10HRC （HRC = 40～60范围）

HB = 2HRB

洛氏硬度试验方法的优缺点：

优点：操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面进行试验，可以各种金属材料的硬度，也可以测量较薄工件或表面薄层的硬度。

缺点：压痕较小，代表性差，由于材料中有偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差，分散度较大。