熱處理
1.熱處理概要
熱處理是指材料在固態(tài)下，通過加熱、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，也有時用于對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，但同時變脆，為了及時消除脆性，一般需要及時回火。
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)行長時間的保溫，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(dāng)溫度下保持較長時間，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效處理。
2.熱處理的理論依據(jù)
Fe-Fe3C相圖對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程中經(jīng)過PSK線(A1)時，發(fā)生P與A之間的相互轉(zhuǎn)變；亞共析鋼經(jīng)過GS線(A3)時，發(fā)生先共析鐵素體完全溶入奧氏體或先共析鐵素體開始從奧氏體中析出的轉(zhuǎn)變；過共析鋼經(jīng)過ES線(Acm)時，發(fā)生先共析滲碳體完全溶入奧氏體或先共析滲碳體開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，不但要使用鐵碳相圖，而且要用鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線（TTT或CCT曲線）來分析。
以45鋼為例，圖1為45鋼的CCT曲線。可用來分析該鋼在退火、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。回火馬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。回火屈氏體中的鐵素體呈白亮色，但仍基本保持原來馬氏體形態(tài)。回火屈氏體中的滲碳體則呈細(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。回火索氏體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)；?檢測材料熱處理對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，打開爐門，用鐵鉗將45鋼放入爐內(nèi)的熱電偶正下方。然后將爐門關(guān)上，打開電源，待實(shí)測溫度達(dá)到設(shè)定溫度時開始計時，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，試樣要用鉗子夾住，動作要快，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，此時不能用手觸摸試樣，以免被燙傷。
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