熱處理
1.熱處理概要
熱處理是指材料在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。
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。
整體熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，獲得需要的金相組織，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→將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)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(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。
正火→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(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些要求不高的零件作為最終熱處理。
淬火→將工件加熱保溫后，在水、油或其它無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬火介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆，為了及時(shí)消除脆性，一般需要及時(shí)回火。
回火→將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻。目的是降低鋼件的脆性。
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。例如，為了獲得一定的強(qiáng)度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來(lái)的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火形成過(guò)飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當(dāng)溫度下保持較長(zhǎng)時(shí)間，以提高合金的硬度、強(qiáng)度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時(shí)效處理。
2.熱處理的理論依據(jù)
Fe-Fe3C相圖對(duì)于鋼的熱處理工藝的制訂有極為重要的意義，各種熱處理工藝的加熱溫度都是以相圖上的臨界點(diǎn)A1 、A3 、Acm為依據(jù)的。
由Fe-Fe3C相圖可知。共析鋼在加熱或冷卻過(guò)程中經(jīng)過(guò)PSK線(A1)時(shí)，發(fā)生P與A之間的相互轉(zhuǎn)變；亞共析鋼經(jīng)過(guò)GS線(A3)時(shí)，發(fā)生先共析鐵素體完全溶入奧氏體或先共析鐵素體開(kāi)始從奧氏體中析出的轉(zhuǎn)變；過(guò)共析鋼經(jīng)過(guò)ES線(Acm)時(shí)，發(fā)生先共析滲碳體完全溶入奧氏體或先共析滲碳體開(kāi)始從奧氏體中析出的轉(zhuǎn)變。
A1、A3、Acm稱為碳鋼加熱或冷卻過(guò)程中的相變點(diǎn)；
Ac1、Ac3、Accm表示鋼在實(shí)際加熱條件下的相變點(diǎn)；
Ar1、Ar3、Arcm表示鋼在實(shí)際冷卻條件下的相變點(diǎn)。
碳鋼經(jīng)熱處理后的組織大都是不平衡組織，因此，在研究熱處理后的組織時(shí)，不但要使用鐵碳相圖，而且要用鋼的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線（TTT或CCT曲線）來(lái)分析。
以45鋼為例，圖1為45鋼的CCT曲線?？捎脕?lái)分析該鋼在退火、正火、淬火后的組織。
圖一
45鋼經(jīng)完全退火后得到的組織是鐵素體+珠光體。正火后的組織是鐵素體+索氏體,如圖2所示。與退火后的組織比較，正火后的組織中鐵素體量較少，珠光體型組織細(xì)密且數(shù)量較多。
圖2：45鋼的退火組織 45鋼的正火組織
45鋼在正常加熱溫度下油淬，得到的組織是馬氏體（板條狀和針狀）+屈氏體（黑色網(wǎng)狀）+少量上貝氏體（暗灰色羽毛狀），如圖3所示。若在水中淬火可得到全部馬氏體（板條狀和針狀），但由于馬氏體很細(xì)小，在顯微鏡下不易分清其形態(tài)特征，如圖4所示。
圖3 45鋼的油淬組織 圖4 45鋼的水淬組織
45鋼水淬后200℃回火，得到回火馬氏體, 如圖5所示?；鼗瘃R氏體仍保持馬氏體的形態(tài)特征,但容易受浸濁，顏色比馬氏體深。
圖5 45鋼水淬后200℃回火組織
45鋼水淬后400℃回火，得到回火屈氏體，如圖6所示?；鼗鹎象w中的鐵素體呈白亮色，但仍基本保持原來(lái)馬氏體形態(tài)?；鼗鹎象w中的滲碳體則呈細(xì)小粒狀或細(xì)小片狀分布在鐵素體基體上。由于滲碳體顆粒非常細(xì)小，而且彌散度很大，在光學(xué)顯微鏡下不易分清。
圖6 45鋼水淬后400℃回火組織
45鋼水淬后600℃回火，得到回火索氏體，如圖7所示?；鼗鹚魇象w中的鐵素體呈白亮色等軸晶粒，回火索氏體中的滲碳體呈粒狀（比回火屈氏體中的顆粒大）分布在鐵素體基體上。
圖 7 45鋼水淬后600℃回火組織
3.熱處理試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康?
?觀察熱處理后材料的組織形態(tài)；?檢測(cè)材料熱處理對(duì)材料組織性能的影響。
加熱設(shè)備：箱式電阻爐
試驗(yàn)步驟（以45鋼淬火為例）：
1.打開(kāi)電源，將箱式電阻爐加熱到45鋼的淬火溫度45℃。2.關(guān)閉電源，帶好手套，打開(kāi)爐門(mén)，用鐵鉗將45鋼放入爐內(nèi)的熱電偶正下方。然后將爐門(mén)關(guān)上，打開(kāi)電源，待實(shí)測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，保溫10min。3.保溫后，進(jìn)行水冷。出于安全的考慮同樣取出試樣要預(yù)先將爐子電源關(guān)掉。淬火時(shí)，試樣要用鉗子夾住，動(dòng)作要快，并不斷在水中攪拌，確保冷卻均勻，以免影響熱處理質(zhì)量。最后，觀察到試樣表面變黑，此時(shí)不能用手觸摸試樣，以免被燙傷。
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