金屬熱處理工藝熱處理

熱處理殘余力是指工件經(jīng)熱處理后最終殘存下來的應(yīng)力,對工件的形狀,尺寸和性能都有極為重要的影響。當它超過材料的屈服強度時,便引起工件的變形,超過材料的強度極限時就會使工件開裂,這是它有害的一面,應(yīng)當減少和消除。但在一定條件下控制應(yīng)力使之合理分布,就可以提高零件的機械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律,使之合理分布對提高產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠的實際意義。例如關(guān)于表層殘余壓應(yīng)力的合理分布對零件使用壽命的影響問題已經(jīng)引起了人們的廣泛重視。

（一）、鋼的熱處理應(yīng)力

工件在加熱和冷卻過程中,由于表層和心部的冷卻速度和時間的不一致,形成溫差，就會導(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力,即熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下,由于表層開始溫度低于心部,收縮也大于心部而使心部受拉,當冷卻結(jié)束時，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應(yīng)力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現(xiàn)象受到冷卻速度,材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當冷卻速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷卻過程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大,最后形成的殘余應(yīng)力就愈大。另一方面鋼在熱處理過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時,因比容的增大會伴隨工件體積的膨脹,工件各部位先后相變，造成體積長大不一致而產(chǎn)生組織應(yīng)力。組織應(yīng)力變化的最終結(jié)果是表層受拉應(yīng)力,心部受壓應(yīng)力,恰好與熱應(yīng)力相反。組織應(yīng)力的大小與工件在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度,形狀，材料的化學(xué)成分等因素有關(guān)。

實踐證明,任何工件在熱處理過程中,只要有相變,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都會發(fā)生。只不過熱應(yīng)力在組織轉(zhuǎn)變以前就已經(jīng)產(chǎn)生了，而組織應(yīng)力則是在組織轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的,在整個冷卻過程中,熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果,就是工件中實際存在的應(yīng)力。這兩種應(yīng)力綜合作用的結(jié)果是十分復(fù)雜的,受著許多因素的影響,如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發(fā)展過程來說只有兩種類型,即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力,作用方向相反時二者抵消,作用方向相同時二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加,兩個應(yīng)力應(yīng)有一個占主導(dǎo)因素,熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時的作用結(jié)果是工件心部受拉,表面受壓。組織應(yīng)力占主導(dǎo)地位時的作用結(jié)果是工件心部受壓表面受拉。

（二）、熱處理應(yīng)力對淬火裂紋的影響

存在于淬火件不同部位上能引起應(yīng)力集中的因素(包括冶金缺陷在內(nèi)),對淬火裂紋的產(chǎn)生都有促進作用,但只有在拉應(yīng)力場內(nèi)(尤其是在最大拉應(yīng)力下)才會表現(xiàn)出來,若在壓應(yīng)力場內(nèi)并無促裂作用。

淬火冷卻速度是一個能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應(yīng)力的重要因素,也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內(nèi)的冷卻速度,并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應(yīng)力而論,這樣做由于能增加抵消組織應(yīng)力作用的熱應(yīng)力值,故能減少工件表面上的拉應(yīng)力而達到抑制縱裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且,在能淬透的情況下,截面尺寸越大的工件,雖然實際冷卻速度更緩,開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應(yīng)力隨尺寸的增大實際冷卻速度減慢,熱應(yīng)力減小,組織應(yīng)力隨尺寸的增大而增加,最后形成以組織應(yīng)力為主的拉應(yīng)力作用在工件表面的作用特點造成的。并與冷卻愈慢應(yīng)力愈小的傳統(tǒng)觀念大相徑庭。對這類鋼件而言,在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。避免淬裂的可靠原則是設(shè)法盡量減小截面內(nèi)外馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時性。僅僅實行馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷卻不足以預(yù)防縱裂的形成。一般情況下只能產(chǎn)生在非淬透性件中的裂紋,雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可是它的真正形成原因,卻不在快速冷卻(包括馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi))本身,而是淬火件局部位置(由幾何結(jié)構(gòu)決定),在高溫臨界溫度區(qū)內(nèi)的冷卻速度顯著減緩,因而沒有淬硬所致。產(chǎn)生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈,是由以熱應(yīng)力為主要成份的殘余拉應(yīng)力作用在淬火件中心,而在淬火件末淬硬的截面中心處,首先形成裂紋并由內(nèi)往外擴展而造成的。為了避免這類裂紋產(chǎn)生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實施高溫段內(nèi)的快速冷卻,目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織,而從內(nèi)應(yīng)力的角度來看,這時快冷有害無益。其次,冷卻后期緩冷的目的,主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應(yīng)力值,而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度,從而達到減小應(yīng)力值和最終抑制淬裂的目的。

鋼是以鐵、碳為主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 。鋼是經(jīng)濟建設(shè)中極為重要的金屬材料。鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼（簡稱碳鋼）與合金鋼兩大類。碳鋼是由生鐵冶煉獲得的合金，除鐵、碳為其主要成分外，還含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)。碳鋼具有一定的機械性能，又有良好的工藝性能，且價格低廉。因此，碳鋼獲得了廣泛的應(yīng)用。但隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，碳鋼的性能已不能完全滿足需要，于是人們研制了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼基礎(chǔ)上，有目的地加入某些元素（稱為合金元素）而得到的多元合金。與碳鋼比，合金鋼的性能有顯著的提高，故應(yīng)用日益廣泛。

由于鋼材品種繁多，為了便于生產(chǎn)、保管、選用與研究，必須對鋼材加以分類。按鋼材的用途、化學(xué)成分、質(zhì)量的不同，可將鋼分為許多類：

（一）． 按用途分類

按鋼材的用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。

1.結(jié)構(gòu)鋼：

（1）.用作各種機器零件的鋼。它包括滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼及滾動軸承鋼。

（2）．用作工程結(jié)構(gòu)的鋼。它包括碳素鋼中的甲、乙、特類鋼及普通低合金鋼。

2.工具鋼：用來制造各種工具的鋼。根據(jù)工具用途不同可分為刃具鋼、模具鋼與量具鋼。

3.特殊性能鋼：是具有特殊物理化學(xué)性能的鋼?？煞譃椴讳P鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等。

（二）． 按化學(xué)成分分類

按鋼材的化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。

碳素鋼：按含碳量又可分為低碳鋼（含碳量≤0.25%）；中碳鋼（0.25%<含碳量<0.6%）；高碳鋼（含碳量≥0.6%）。

合金鋼：按合金元素含量又可分為低合金鋼（合金元素總含量≤5%）；中合金鋼（合金元素總含量=5%--10%）；高合金鋼（合金元素總含量>10%）。此外，根據(jù)鋼中所含主要合金元素種類不同，也可分為錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳鈦鋼等。

（三）． 按質(zhì)量分類

按鋼材中有害雜質(zhì)磷、硫的含量可分為普通鋼（含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0.050%）；優(yōu)質(zhì)鋼（磷、硫含量含硫量≤0.030%）。

此外，還有按冶煉爐的種類，將鋼分為平爐鋼（酸性平爐、堿性平爐），空氣轉(zhuǎn)爐鋼（酸性轉(zhuǎn)爐、堿性轉(zhuǎn)爐、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼）與電爐鋼。按冶煉時脫氧程度，將鋼分為沸騰鋼（脫氧不完全），鎮(zhèn)靜鋼（脫氧比較完全）及半鎮(zhèn)靜鋼。

鋼廠在給鋼的產(chǎn)品命名時，往往將用途、成分、質(zhì)量這三種分類方法結(jié)合起來。如將鋼稱為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼等。均≤0.040%）；高級優(yōu)質(zhì)鋼（含磷量≤0.035%）

金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機械零件在加工制造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應(yīng)能力。由于加工條件不同，要求的工藝性能也就不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所謂使用性能是指機械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它包括機械性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。

金屬熱處理工藝金屬組織

金屬：具有不透明、金屬光澤良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性并且其導(dǎo)電能力隨溫度的增高而減小，富有延性和展性等特性的物質(zhì)。金屬內(nèi)部原子具有規(guī)律性排列的固體（即晶體）。

合金：一種金屬元素與另外一種或幾種元素，通過熔化或其他方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。

相：合金中同一化學(xué)成分、同一聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的各個均勻組成部分。

固溶體：是一個（或幾個）組元的原子（化合物）溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態(tài)金屬晶體，固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。

固溶強化：由于溶質(zhì)原子進入溶劑晶格的間隙或結(jié)點，使晶格發(fā)生畸變，使固溶體硬度和強度升高，這種現(xiàn)象叫固溶強化現(xiàn)象。

金屬化合物：合金的組元間以一定比例發(fā)生相互作用而生成的一種新相，通常能以化學(xué)式表示其組成。

機械混合物：由兩種相或兩種以上的相機械的混合在一起而得到的多相集合體。

鐵素體：碳在a-Fe（體心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。

奧氏體：碳在g-Fe（面心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。

滲碳體：碳和鐵形成的穩(wěn)定化合物（Fe3c）。

珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機械混合物（F Fe3c 含碳0.77%）

高溫萊氏體：滲碳體和奧氏體組成的機械混合物（含碳4.3%）

金屬熱處理工藝原理

金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻的一種工藝方法。

早在公元前770～前222年，中國人在生產(chǎn)實踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。

隨著淬火技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)冷劑對淬火質(zhì)量的影響。但在古代作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。

1850～1880年，對于應(yīng)用各種氣體(如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利。1889～1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。

二十世紀以來，金屬物理的發(fā)展和其它新技術(shù)的移植應(yīng)用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個顯著的進展是1901～1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進行氣體滲碳 ；30年代出現(xiàn)露點電位差計,使爐內(nèi)氣氛的碳勢達到可控，60年代，熱處理技術(shù)運用了等離子場的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。

金屬熱處理工藝氣體氮化

氮化是向鋼的表面層滲入氮原子的過程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強度和抗腐蝕性。

它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子，被鋼吸收后在其表面形成氮化層，同時向心部擴散。

氮化通常利用專門設(shè)備或井式滲碳爐來進行。適用于各種高速傳動精密齒輪、機床主軸（如鏜桿、磨床主軸），高速柴油機曲軸、閥門等。

氮化工件工藝路線：鍛造－退火－粗加工－調(diào)質(zhì)－精加工－除應(yīng)力－粗磨－氮化－精磨或研磨。

由于氮化層薄，并且較脆，因此要求有較高強度的心部組織，所以要先進行調(diào)質(zhì)熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機械性能和氮化層質(zhì)量。

鋼在氮化后，不再需要進行淬火便具有很高的表面硬度及耐磨性。

氮化處理溫度低，變形很小，它與滲碳、感應(yīng)表面淬火相比，變形小得多

(2).鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程，習(xí)慣上碳氮共滲又稱作氰化。耐磨性和疲勞強度，低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。

10.調(diào)質(zhì)處理quenching and tempering：一般習(xí)慣將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)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。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優(yōu)。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關(guān)，一般在HB200—350之間。

11． 釬焊：用釬料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝

金屬熱處理工藝回火

根據(jù)工件性能要求的不同，按其回火溫度的不同，可將回火分為以下幾種：

（一）低溫回火（150－250℃）

低溫回火所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具，量具，冷沖模具，滾動軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為HRC58－64。

（二）中溫回火（350－500℃）

中溫回火所得組織為回火屈氏體。其目的是獲得高的屈服強度，彈性極限和較高的韌性。因此，（它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為HRC35－50。

（三）高溫回火（500－650℃）

高溫回火所得組織為回火索氏體。習(xí)慣上將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，其目的是獲得強度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機，機床等的重要結(jié)構(gòu)零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB200－330。

金屬熱處理工藝化學(xué)反應(yīng)

（一）．氣氛與鋼鐵的化學(xué)反應(yīng)

1. 氧化

2Fe O2→2FeO

Fe H2O→FeO H2

FeC CO2→Fe 2CO

2. 還原

FeO H2→Fe H2O

FeO CO→Fe CO2

3. 滲碳

[C] CO2→2CO

CH4→[C] 2H2

Fe [C]→FeC

4.滲氮

2NH3→2[N] 3H2

Fe [N]→FeN

（二）．各種氣氛對金屬的作用

氮氣：在≥1000℃時會與Cr,CO,Al.Ti反應(yīng)

氫氣：可使銅，鎳，鐵，鎢還原。當氫氣中的水含量達到百分之0.2—0.3時，會使鋼脫碳

水：≥800℃時，使鐵、鋼氧化脫碳，與銅不反應(yīng)

一氧化碳：其還原性與氫氣相似，可使鋼滲碳

（三）． 各類氣氛對電阻組件的影響

鎳鉻絲，鐵鉻鋁：含硫氣氛對電阻絲有害

鈹青銅

鈹青銅是一種用途極廣的沉淀硬化型合金。經(jīng)固溶及時效處理后，強度可達1250-1500MPa(1250-1500公斤)。其熱處理特點是：固溶處理后具有良好的塑性，可進行冷加工變形。但再進行時效處理后，卻具有極好的彈性極限，同時硬度、強度也得到提高。

1、鈹青銅的固溶處理

一般固溶處理的加熱溫度在780-820℃之間，對用作彈性組件的材料，采用760-780℃，主要是防止晶粒粗大影響強度。固溶處理爐溫均勻度應(yīng)嚴格控制在±5℃。保溫時間一般可按1小時/25mm計算，鈹青銅在空氣或氧化性氣氛中進行固溶加熱處理時，表面會形成氧化膜。雖然對時效強化后的力學(xué)性能影響不大，但會影響其冷加工時工模具的使用壽命。為避免氧化應(yīng)在真空爐或氨分解、惰性氣體、還原性氣氛（如氫氣、一氧化碳等）中加熱，從而獲得光亮的熱處理效果。此外，還要注意盡量縮短轉(zhuǎn)移時間（此淬水時），否則會影響時效后的機械性能。薄形材料不得超過3秒,一般零件不超過5秒。淬火介質(zhì)一般采用水（無加熱的要求），當然形狀復(fù)雜的零件為了避免變形也可采用油。

2、鈹青銅的時效處理

鈹青銅的時效溫度與Be的含量有關(guān)，含Be小于2.1%的合金均宜進行時效處理。對于Be大于1.7%的合金，最佳時效溫度為300-330℃，保溫時間1-3小時（根據(jù)零件形狀及厚度）。Be低于0.5%的高導(dǎo)電性電極合金，由于熔點升高，最佳時效溫度為450-480℃，保溫時間1-3小時。而后在低溫下長時間保溫時效，這樣做的優(yōu)點是性能提高但變形量減小。為了提高鈹青銅時效后的尺寸精度，可采用夾具夾持進行時效，有時還可采用兩段分開時效處理。

3、鈹青銅的去應(yīng)力處理

鈹青銅去應(yīng)力退火溫度為150-200℃，保溫時間1-1.5小時，可用于消除因金屬切削加工、校直處理、冷成形等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定零件在長期使用時的形狀及尺寸精度。

熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進而應(yīng)用液體和氣體燃料。電的應(yīng)用使加熱易于控制，且無環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。

金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應(yīng)在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進行保護加熱。

加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度 ，是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉(zhuǎn)變需要一定的時間，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學(xué)熱處理的保溫時間往往較長。

冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬。

書 名: 熱處理工藝學(xué)

作　者：潘健生

出版社：高等教育出版社

出版時間： 2009年01月

ISBN: 9787040224207

開本： 16開

定價: 80元

《金屬熱處理工藝學(xué)》經(jīng)審定為工科高等學(xué)校金屬材料與熱處理專業(yè)教材。

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。

整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。

退火是將工件加熱到適當溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善低碳材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。

“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝 。為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。

把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結(jié)合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理；在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學(xué)熱處理。

表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內(nèi)部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等。

化學(xué)熱處理是通過改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理與表面熱處理不同之處是前者改變了工件表層的化學(xué)成分?；瘜W(xué)熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火?；瘜W(xué)熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。

熱處理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一。它可以控制工件的各種性能 ，如耐磨、耐腐蝕、磁性能等。還可以改善毛坯的組織和應(yīng)力狀態(tài)，以利于進行各種冷、熱加工。

例如白口鑄鐵經(jīng)過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵，提高塑性 ；齒輪采用正確的熱處理工藝，使用壽命可以比不經(jīng)熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高；另外，價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的合金鋼性能，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼；工模具則幾乎全部需要經(jīng)過熱處理方可使用。

本書經(jīng)審定為工科高等學(xué)校金屬材料與熱處理專業(yè)教材。

§1　金屬熱處理工藝學(xué)的發(fā)展過程

§2　學(xué)習(xí)本課程的目的、任務(wù)及要求

§3　學(xué)習(xí)本課程的方法

參考文獻

第一章　金屬的加熱

§1-1　金屬加熱的物理過程及其影響因素

一、加熱介質(zhì)與工件表面的傳熱過程，影響給熱系數(shù)a的因素

二、工件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程

三、熱處理加熱時間的確定

四、影響熱處理工件加熱的因素

§1-2　金屬及合金在不同介質(zhì)中加熱時常見的物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)選擇

一、金屬在加熱時的氧化反應(yīng)及氧化過程

二、鋼加熱時的脫碳及脫碳過程

三、加熱介質(zhì)的選擇

習(xí)題

參考文獻

第二章　退火和正火

§2-1　退火、正火的定義、目的和分類

§2-2　常用退火工藝方法

一、擴散退火

二、完全退火

三、不完全退火

四、球化退火

五、再結(jié)晶退火和消除應(yīng)力退火

§2-3　鋼的正火

§2-4　退火、正火后鋼的組織和性能

§2-5　退火、正火缺陷

習(xí)題

參考文獻

第三章　鋼的淬火及回火

§3-1　淬火的定義、目的，淬火的必要條件

§3-2　淬火介質(zhì)

一、淬火介質(zhì)的冷卻作用

二、淬火介質(zhì)冷卻特性的測定

三、常用淬火介質(zhì)及其冷卻特性

§3-3　鋼的淬透性

一、淬透性的基本概念及其影響因素

二、淬透性的實驗測定方法

三、淬透性的計算方法

四、淬透性在選擇材料和制訂熱處理工藝時的應(yīng)用

§3-4　淬火應(yīng)力、變形及開裂

一、淬火時工件的內(nèi)應(yīng)力

二、淬火時工件的變形

三、淬火裂縫

§3-5　確定淬火工藝規(guī)范的原則，淬火工藝方法及其應(yīng)用

一、淬火加熱方式及加熱溫度的確定原則

二、淬火加熱時間的確定原則

三、淬火介質(zhì)及冷卻方式的選擇與確定

四、淬火方法及其應(yīng)用

§3-6　鋼的回火

一、碳鋼的回火特性

二、回火工藝的制訂

§3-7　淬火新工藝的發(fā)展與應(yīng)用

一、循環(huán)快速加熱淬火

二、高溫淬火

三、高碳鋼低溫、快速、短時加熱淬火

四、亞共析鋼的亞溫淬火

五、等溫淬火的發(fā)展

六、其他淬火方法

§3-8　淬火、回火缺陷及其預(yù)防、補救

一、淬火缺陷及其預(yù)防、補救

二、回火缺陷及其預(yù)防、補救

習(xí)題

參考文獻

第四章　鋼的表面淬火

§4-1　表面淬火的目的、分類及應(yīng)用

一、表面淬火的目的

二、表面淬火的分類

三、表面淬火的應(yīng)用

……

第五章 金屬的化學(xué)熱處理

第六章 熱處理工藝設(shè)計

附錄2100433B

金屬熱處理大分類

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。

金屬熱處理特點

金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。所以，它是機械制造中的特殊工藝過程，也是質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)?！?/p>

為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。

金屬熱處理發(fā)展

在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在商代，就已經(jīng)有了經(jīng)過再結(jié)晶退火的金箔飾物。公元前770～前222年，中國人在生產(chǎn)實踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而 變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。

公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經(jīng)過淬火的。

隨著淬火技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對淬火質(zhì)量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就注意到不同水質(zhì)的冷卻能力了，同時也注意了油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍，心部含碳量為0.15～0.4%，而表面含碳量卻達0.6%以上，說明已應(yīng)用了滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。

1863年，英國金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內(nèi)部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)。與此同時，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。

1850～1880年，對于應(yīng)用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利。1889～1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。

二十世紀以來，金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)的移植應(yīng)用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個顯著的進展是1901～1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進行氣體滲碳 ；30年代出現(xiàn)露點電位差計，使爐內(nèi)氣氛的碳勢達到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢的方法；60年代，熱處理技術(shù)運用了等離子場的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝 ；激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。

金屬材料的應(yīng)用

在當今社會生產(chǎn)中，金屬材料的應(yīng)用是十分廣泛的 ，尤其是鋼鐵材料，在工業(yè)。農(nóng)業(yè)。交通運輸。建筑以及國防等各方面都離不開他。隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對金屬材料的性能要求越來越高。為滿足這一點，一般可以采取兩種方法：研制新材料和對金屬材料進行熱處理。后者是最廣泛，最常用的方法。熱處理是一種綜合工藝。熱處理工藝學(xué)就是研究這種綜合工藝的原理及規(guī)律的一門學(xué)科。

熱處理工藝在我國已有悠久的歷史，早在商代就已經(jīng)有了經(jīng)過再結(jié)晶退火的金箔飾物，在洛陽出土的戰(zhàn)國時代的鐵錛，系由白口鐵脫碳退火制成。熱處理工藝最早的史料記載見于《漢書。王褒傳》中。金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻的一種工藝方法。

悠久的歷史

在戰(zhàn)國時代燕都遺址出土的大量兵器，向人們展示了在當時鋼件已經(jīng)采用了淬火，正火，滲碳等工藝。近代出土的秦兵俑佩帶的長劍，箭鏃等都有力的證明當時已經(jīng)出現(xiàn)銅合金的復(fù)合材料，而且還掌握了精湛的表面保護處理方法，從而保持數(shù)千年不銹。

最早的史料記載

中國明代科學(xué)家宋應(yīng)星在《天工開物》一書中對熱處理工藝已有記載。大量事實證明，中國曾是世界上發(fā)展和應(yīng)用熱處理技術(shù)最早的國家之一。但是長期的封建統(tǒng)治，阻礙了中國科學(xué)技術(shù)的進步，在一段相當長的時間內(nèi)，中國熱處理技術(shù)的發(fā)展處于停止狀態(tài)，有的技術(shù)甚至失傳。直至解放以后熱處理技術(shù)在中國才重新迅速發(fā)展起來，出現(xiàn)了許多新工藝，新設(shè)備。但和當代世界先進水平比較，中國的熱處理技術(shù)仍較落后。

熱處理工藝性，是金屬材料的工藝性能之一。熱處理是指金屬或合金在固態(tài)范圍內(nèi)，通過一定的加熱、保溫和冷卻方法，以改變金屬或合金的內(nèi)部組織，而得到所需的性能的一種操作工藝。

熱處理工藝性能就是指金屬經(jīng)過熱處理后其組織和性能改變的能力，包括淬硬性、淬透性、回火脆性等，其含義是：

（1）淬硬性：以鋼在理想條件下淬火所能達到的最高硬度來表征的材料特征。

（2）淬透性：以在規(guī)定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特征。

（3）回火脆性：淬火鋼回火后出現(xiàn)韌性下降的現(xiàn)象。2100433B