热处理工艺基础培训教案

热处理工艺基础培训教案

-.金属材料性能

纯金属与合金统称为金属材料。工业上的金属材料分为黑色金属和有色金属两大类；以

铁为基础的合金称为黑色金属，如钢和铁，除此以外的金属称为有色金属，如铜及铜合金、铝及铝合金。

制成零件的金属材料在使用过程中表现出来的性能，叫做使用性能，如机械性能、物理性能、化学性能等。

金属材料对于各种加工的接受能力以及加工的难易程度，叫做加工性能或工艺性能。 学习热处理，就是要利用热处理的方法来提高或改变材料的性能，来满足零件的使用要求，延长零件的使用寿命，降低其制造成本。

1. 金属材料的机械性能

金属材料的机械性能主要包括：强度、塑性、硬度、弹性、冲击韧性以及疲劳强度等。 强度是金属材料对外力作用所引起的变形或断裂的抵抗能力。根据外力的作用形式，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，机械制造中，常用抗拉强度作为金属材料机械性能的主要指标。测定金属材料的抗拉强度，广泛采用静力拦伸试验法。

金属材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力叫做塑性；金属塑性指标有两个：一个是延伸率，另一个是断面收缩率。

冲击韧性是金属材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，它的衡量指标是以试样冲断缺口处单位面积所消耗的功来表示。

硬度是金属材料是表面抵抗变形的能力。常用的是布氏硬度试验及洛氏硬度试验。

2.金属材料的物理性能

金属材料的物理性能主要包括：密度、比容、熔点、热膨胀性、导电性和导热性等。 3.金属材料的化学性能

金属材料的化学性就是指它在室温或高温下，抵抗外界介质对它化学侵蚀的能力。它可

分为耐腐蚀性和抗氧化性两个方面。

4.金属材料的工艺性能

根据不同的工艺方法，工艺性能一般包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加

工性能和热处理工艺性能等。设计和制造零件时必须考虑材料的工艺性能，因为它直接影响加工方法、生产效率及成本等。

二．铁碳合金相图及碳钢

1.金属的晶体结构

一切物质都是有原子组成的，根据原子在物质内部的排列特征，固态物质可分为晶体和非晶体两类。晶体内部原子在空间呈一定的有规则排列，如金刚石、石墨及一切固态金属与合金，非晶体内部原子是无规则堆积在一起的，如玻璃、沥青、石蜡、松香等。

晶格---为了便于描述内部原子排列的规律，人为地将原子看作一个点，并用一些假想的

几何线条（直线）将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。

晶胞---从晶格中选一个能够完全反映晶体特征的，最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞。实际上晶格是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。

2.常见金属的晶格类型

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体心立方晶格---它的晶胞是一个长、宽、高相等的立方体。立方体的八个角上各有一个与其它晶胞共有的原子，除此之外，在立方体中心还有一个原子。

面心立方晶格---它的晶胞也是一个长、宽、高相等的立方体。在立方体的八个角上和每个面的中心各有一个与其它晶胞共有的原子。

密排六方晶格---它的晶胞是一个正六方柱体。在正六方柱体的十二个角上及上、下底面的中心各有一个与其它晶胞共有的原子，除此以外，在柱体中心还有三个原子。

3.铁碳合金的基本组织

金属在固态下晶格类型随温度发生变化的现象称为同素异晶转变。液态纯铁在结晶后具有体心立方晶格，称为σ-Fe,继续冷却到1394度时，铁原子重新排列，由体心立方晶格转变为面心立方晶格，称为γ-Fe,再继续冷却到912度时，铁原子排列又发生变化，由面心立方晶格转变为体心立方晶格，称为α-Fe,若再冷却下来，晶格类型不再发生改变。

由于铁和碳原素相互作用的不同，铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体。珠光体和莱氏体。

铁素体---碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体仍保持α-Fe体心立方晶格。碳在体心立方晶格中的溶解度小，在600度时碳的质量分数为0.008%，当温度升高到727度时，碳的质量分数为0.0218%。铁素体的性能与纯铁相似，强度和硬度较低，塑性和韧性好（邻碳量近似等于0）。

奥氏体---碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体仍何持γ-Fe的面心立方晶格。溶碳量较铁素体多，在727度时碳的质量分数为0.77%，当温度升高到1148度时，碳的质量分数为2.11%。奥氏体具有很好的塑性和韧性，有一定的强度和硬度。生产中常将钢材加热到奥氏体状态进行锻造。

渗碳体—是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的间隙化合物，用化学式Fe3C表示。渗碳体中碳的质量分数为6.99%，硬度很高，塑性和韧性极低，脆性大，溶点为1227度。在钢和生铁中渗碳体常以片状、球状和网状等不同形态存在，它的形态、大小、数量和分布对钢和生铁、铸铁性能有很大影响。

珠光体---是铁素体和渗碳体组成的两相复合物，用符号P表示。碳的质量分数为0.77%，是一个双向组织，性能介于铁素体和渗碳体之间，具有足够的强度、塑性和硬度。

莱氏体---碳的质量分数为4.3%的液态铁碳合金，冷却到1148度时，由液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的复相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

4．铁碳合金相图

铁碳合金相图是指在极其缓慢加热（或冷却）条件下，不同成分的铁碳合金，在不同的温度下所处状态的一种图形。它是选择材料和制定有关热加工工艺时的参考，也是钢

和铸铁进行热处理的理论基础。

Fe-Fe3C相图纵坐标表示温度，横坐标表示碳的质量分数。横坐标端碳的质量分数为零，是纯铁的成分；右端碳的质量分数为6.99%。是Fe3C的成分。 Fe-Fe3相图中的物性点

特性点 温度 碳的质量分数 含义 A 1538 0 纯铁的熔点 C 1148 4.3 共晶点，L---Ld D ～1227 6.69 渗碳体的熔点

E 1148 2.11 在γ-Fe中的最大溶解度 G 912 0 α-Fe---γ-Fe纯铁的同素异晶转变 P 727 0.0218 碳在α-Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点，A---P

Q 600 0.008 碳在α-FeK中的溶解度 Fe-F3C相图中的特性线

特性线 名称 含义

ACD线 液相线 任何成分的铁碳合金在此线以下均处于液态（L）,液态 合金缓冷到AC线时，从液体中开始结晶出奥氏体（A）,

缓冷到CD线时，从液体中开始结晶出渗碳体，这种渗碳体称为一次渗碳体（Fe3C1）

AECF线 固相线 任何成分的铁碳合金缓冷到此线时全部结晶为固休 ECF水平线 共晶线 凡是碳的质量分数＞2.11%的铁碳合金缓冷到该线

（1148度）时均发生共晶转变，生成莱氏体。

PSK水平线 共析线 凡是碳的质量分数＞0.0218%的铁碳合金（奥氏体）缓

冷到727度时均发生共析转变，由奥氏体生成珠光体。

ES线 Acm线 碳在γ-Fe中的溶解度曲线。随着温度的降低，含碳

量在减小，在1148度时，碳的质量分数为2.11%（E）点，在727度时，碳的质量分数为0.77%（S）点，或者说碳的质量分数为0.77%的铁碳合金由高温缓冷时从奥氏体中析出渗碳体的开始线，这种渗碳体称为二次渗碳体，加热时为二次渗碳体溶入奥氏体的终了线。

PQ线 碳在α-Fe中的溶解度曲线，随着温度的降低，含碳量

在减小，在727度时碳的质量分数为0.0218%，在600度时碳的质量分数为0.008%（Q）点，因此，由727度缓冷时，铁素体中多余的碳将以渗碳体的形式析出，这种渗碳体称这三次渗碳体。

GS线 A3线 碳的质量分数＜0.77%的铁碳合金由奥氏体中析出铁素

体的开始线，或者说加热时铁素体转变为奥氏体的终了线。

5.铁碳合金的分类

（1）工业纯铁 碳的质量分数小于等于0.0218% （2）钢 大于0.0218%小于等于2.11% 共析钢 碳的质量分数等于0.77%。

亚共析钢 碳的质量分数小于0.77%。 过共析钢 碳的质量分数大于0.77%。

（3）白口铁 碳的质量分数大于2.11%小于6.99% 共晶白口铁 碳的质量分数等于4.3%。

亚共晶白口铁 碳的质量分数大于2.11%小于4.3%。 过共晶白口铁 碳的质量分数大于4.3%小于6.69%。

碳钢及钢中的杂质

碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。 按钢中含碳量的多少碳钢分为

低碳钢 碳的质量分数＜0.25%

中碳钢 碳的质量分数为大于等于0.25%小于0.60% 高碳钢 碳的质量分数＞0.60% 按钢中有害杂质硫、磷含量多少分为

普通质量钢 钢中硫、磷含量较高 优质钢 钢中硫、磷含量较低 高级优质钢 钢中硫、磷含量很低 按钢的用途可分为

碳素结构钢 用于制作各种机器零件和工程机械。 碳素工具钢 用于制作和种量具、刃具和模具等。

铸钢 用于制作形状复杂，难于锻压等方法成型的铸钢件。 钢中有杂质锰和硅都是有益元素，而钢中的硫和磷是有害元素，因此钢中应严格控制硫和磷的含量，以免对钢的质量产生影响。

三.钢的热处理

钢的热处理是将钢在固态范围内，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以改变内部组织，获得所需性能的一种工艺方法。通过热处理能显著提高钢的力学性能，增加零件的强度韧性和使用寿命。

根据加热和冷却方式不同，热处理分为

普通热处理—退火，正火，淬火，回火 热处理

表面热处理：表面淬火---火焰加热，感应加热

化学热处理---渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗金属等。 虽然热处理方法很多，但过程都是由加热、保温和冷却三个阶段。

1.钢加热时组织有转变

由铁碳合金相图可知，共析钢、亚共析钢和过共析钢分别被缓慢加热到A1、As 、Acm温度以上时均可获得单相的奥氏体组织。A1、As、Acm是平衡时的相变点（温度）。加热和冷却速度的增大，相变点的偏离程度也增大。为了与平衡的相变点区别，通常将实际加热时的各相变点用Ac1、Ac3、ACcm表示，冷却时的各相变点用Ar1、Ae3、Arcm表示。 大多数机械零件进行热处理时，都需要加热到相变点以上，以获得全部或部分均匀的奥氏体组织，称这一过程为奥氏体化。

2、钢的退火与正火

钢的退火

退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 退火的目的

（1） 降低钢件的硬度，以利于切削加工。 （2） 消除残余应力，以防钢件变形与开裂。

（3） 细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做好准备。 退火的分类

根据钢的成分和退火的目的不同，退火可分为：完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火（扩散退火）和去应力退火。

（1） 完全退火 完全退火是钢件完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组

织的退火工艺。实际生产中，为了提高生产效率，冷却至600度左右时可以将工件出炉空冷。完全退火因为所需时间很长，对于某些合金钢需要数十小时，甚至数天时间，因此是一种费时工艺，

（2） 等温退火 等温退火是将钢件加热到Ac3(Ac1)温度经上，保温一定时间后，以

较快的速度冷却到Ar1以下某一温度，并在此温度等温停留，使奥氏体转变为珠光型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。等温退火能缩短退火时间，得到均匀的组织和性能。主要用于处理高碳钢，、合金工具钢和高合金钢。

（3） 球化退火 球化退火是将过共析钢或共析钢加热至Ac1以上20～40度，保温一

定时间，然后随炉缓冷至室温，或者在略低于Ar1的温度下保温之后再出炉空冷的退火工艺。球化退火可以使网状二次渗碳体和珠光体中的片层渗碳体都变为球状。

（4） 均匀化退火（或称扩散退火） 均匀化退火是将金属铸锭、铸件或锻坯加热到高

温，在此温度长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺。加热温度一般为Ac3以上150～250度，保温时间10～15小时。均匀化退火的钢晶粒往往过分粗大，要再进行一次完全退火或正火处理。均匀化退火是一种耗费能量很大，成本很高的热处理工艺，因此主要用于质量要求高的优质合金钢铸锭或铸件。

（5） 去应力退火 去应力退火是将钢件随炉缓慢加热到Ac1以下某一温度，约500～

650度，经一定时间保温后，随炉缓慢冷却至300～200度出炉空冷的退火工艺。去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊件的内应力，稳定尺寸，减少使用过程中的变形。

钢的正火

正火是将钢件加热到Ac3(或ACcm)以上30～50度，保温一定时间，在空气中冷却的热处理工艺。把钢件加热到Ac3以上100～150度的正火称为高温正火。

正火与退火的主要区别是冷却速度比退火快，因此正火后得到的组织比退火细小，钢材的强度、硬度也稍有提高。

正火的目的是：细化晶粒，调整硬度消除网状渗碳体，为后续加工、球化退火及淬火等做好准备。

正火操件简单、生产周期短、成本较低，应用广泛，主要用于：

（1） 改善切削加工性 低碳钢和低碳合金钢经退火后，组织中铁素体量过多，硬度偏

低，切削加工中易产生“粘刀”现象，表面粗焅度增大。通过正火处理可得到细小的珠光体组织，硬度有所提高，改善了切削加工性能。

（2） 消除网状渗碳体为球化退火做好准备。由于正火加热温度高于Acm，冷却速度又

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