熱處理工入門(mén)基礎(chǔ)知識(shí) 建議做熱處理的人都看看!
金屬的晶體結(jié)構(gòu)（物質(zhì)是由原子組成的）
根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列方式不同，可將物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類(lèi)。凡內(nèi)部原子呈規(guī)則排列的物質(zhì)稱(chēng)為晶體。所有固態(tài)金屬都是晶體。
凡內(nèi)部原子呈不規(guī)則排列的物質(zhì)稱(chēng)為非晶體。如：玻璃，松香，瀝青等。
電子顯微鏡觀察到晶體內(nèi)部原子各種規(guī)則排列，稱(chēng)為金屬的晶體結(jié)構(gòu)。晶體內(nèi)部原子的排列方式稱(chēng)為晶體結(jié)構(gòu)。
金屬原子是通過(guò)正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱(chēng)為金屬鍵。
常見(jiàn)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)有：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。
什么是晶格？
晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱(chēng)結(jié)點(diǎn)。晶胞：能夠完整地反映晶格特征的最小幾何單元。
體心立方晶胞Body Centered Cubic Lattice（BCC）
體心立方晶胞中的原子數(shù)為1/8x8+1=2個(gè)，致密度為0.68。
體心立方：Cr鉻、W鎢、V釩、Cb鈮、Ta鉭、Mo鉬、鋼鐵（α-Fe、δ-Fe）。
面心立方晶胞Face Centered Cubic Lattice（FCC）
面心立方晶胞中的原子數(shù)為1/8x8+1/2x6=4個(gè)，致密度為0.74。
面心立方：Al鋁、Cu銅、Au金、Pb鉛、Ni鎳、Pt鉑、Ag銀、鋼鐵（γ-Fe）。
密排六方晶胞Hexagonal Close Packed Lattice（HCP）
密排六方晶胞中的原子數(shù)為1/6x12+1/2x2+3=6個(gè)，致密度為0.74。
密排六方：Zn鋅、Mg鎂、Zr鋯、Ca鈣、Co鈷、Mn錳、Ti鈦。
沖擊韌度是指材料在外加沖擊載荷作用下斷裂時(shí)消耗能量大小的特性。
體心立方晶格的沖擊韌性值會(huì)急劇降低，具有脆韌轉(zhuǎn)變溫度。
實(shí)際使用的金屬是由許多晶粒組成的，又叫多晶體。每一晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體，晶粒內(nèi)的原子的排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的。晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界。
高溫的液態(tài)金屬冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過(guò)程，是一個(gè)結(jié)晶過(guò)程態(tài)，即原子由不規(guī)則態(tài)（液態(tài)）過(guò)渡到規(guī)則狀態(tài)（固態(tài)）的過(guò)程。結(jié)晶過(guò)程總是從晶核開(kāi)始，晶核通常是依附于液態(tài)金屬中固態(tài)微粒雜質(zhì)而形成，液體中原子不斷向晶核聚集，使晶核長(zhǎng)大；同時(shí)液體中又不斷產(chǎn)生新的晶粒，并不斷長(zhǎng)大，直至所有的晶粒長(zhǎng)大到互接觸，結(jié)晶即告結(jié)束。
實(shí)際晶體的原子排列并非完美無(wú)缺，由于種種原因使晶體的許多部位的原子排列受到破壞，從而產(chǎn)生各種各樣的缺陷。
常見(jiàn)的缺陷有：
①點(diǎn)缺陷------空位、間隙原子、置代原子；
②位錯(cuò)。
點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子、置換原子）破壞了原子的平衡狀態(tài)，引起周?chē)Ц癜l(fā)生曲，稱(chēng)晶格畸變。其結(jié)果使金屬屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度增高，塑性、韌性下降。
位錯(cuò)，晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱(chēng)作位錯(cuò)。位錯(cuò)的存在則使金屬容易塑性變形，強(qiáng)度降低。
鐵碳合金
通常把鋼和鑄鐵統(tǒng)稱(chēng)為鐵碳合金。鐵碳合金是由95％以上鐵和0.05％～4％碳及1％左右雜質(zhì)元素所組成合金。
當(dāng)含碳量小于0.02％時(shí)稱(chēng)純鐵（工業(yè)純鐵）。
一般把碳含量0.02％～2％的稱(chēng)為鋼。
含碳量大于2％的稱(chēng)為鑄鐵。
合金相圖是什么？
鐵碳合金相圖又稱(chēng)鐵碳相圖或鐵碳合金平衡圖，是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法建立起來(lái)的，表示鐵碳合金在不同成分和溫度下的組織、性能以及他們之間相互關(guān)系的圖形。
橫、縱坐標(biāo)代表什么？
橫坐標(biāo)：碳的百分含量（0～6.69%），縱坐標(biāo)：溫度，多條分界線把相圖分成多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均對(duì)應(yīng)著某一種組織。
鐵碳合金相圖中有那些關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵線？
P點(diǎn)：純鐵與鋼的分界點(diǎn)（0.0218%碳含量）
S點(diǎn)：共析線（0.77%碳含量）
E點(diǎn)：鋼與生鐵的分界點(diǎn)（2.11%含碳量）
C點(diǎn)：共晶點(diǎn)（4.3%含碳量）
ACD：液相線、AECF：固相線、GS：A3線、ES：ACM線、ECF：共晶線（1148℃）、PSK：共析線，又稱(chēng)A1線（727℃）。
工業(yè)純鐵（小于0.0218%含碳量）
顯微組織：F+Fe3CⅢ，鐵素體（F）是呈亮白色的等軸狀晶純鐵的基體組織，主要為白色。鐵素體，晶粒均勻分布（6級(jí)），圖中黑色細(xì)條為晶界腐蝕線。
鋼的基本組織有奧氏體、鐵素體、滲碳體（3種）
①鐵素體（F-ferrite）
碳在α-Fe（低于910℃）中的固溶體，稱(chēng)鐵素體,用F或α表示。
碳在δ-Fe（1390～1535℃之間）中的固溶體，稱(chēng)δ-鐵素體，用δ表示。
α鐵和δ鐵，都是體心立方晶格（有冷脆性的）。鐵素體溶碳量極差，在727℃時(shí)為0.02%；室溫時(shí)為0.0008%，幾乎為零。金相組織為明亮的多邊形晶粒。其強(qiáng)度和硬度高，具有良好的塑性和韌性，在770℃以下它具有鐵磁性，超過(guò)770℃則喪失鐵磁性。晶粒度：常見(jiàn)1～8級(jí)。8級(jí)細(xì)小而均勻、綜合力學(xué)性能好。
②奧氏體（A-austenite）
碳熔于γ-Fe中（910~1390℃）的所形成的固溶體。γ-鐵是面心立方晶格。用A表示。
奧氏體溶碳能力比鐵素體大，1148℃時(shí)達(dá)2.11%，在727℃時(shí)為0.77%。奧氏體與鐵素體相比，塑性很高，硬度和屈服點(diǎn)較低。在鐵碳合金系中，僅存在于727℃以上的高溫范內(nèi)，不具有鐵磁性，因此，在軋制、鍛造時(shí)常加熱到奧氏體狀態(tài)，以提高其塑性。奧氏體組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較鐵素體平直。
③滲碳體（Fe3C-cementite）
鐵和碳的金屬化合物，具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。滲碳體的熔化溫度為1600℃，碳含量為6.67％，滲碳體的硬度很高，脆性極大，而塑性和韌性幾乎為零。滲碳體在低溫下弱磁性，高于217℃磁性消失。
鐵碳合金含碳量小于2％時(shí)，其組織是在鐵素體中散布著滲碳體，是碳素鋼。含碳量大2％時(shí)，部分碳以石墨形式存在，稱(chēng)鑄鐵。抗拉強(qiáng)度和塑性都比碳鋼低。但鑄鐵具有一定消震能力。由于碳在α-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳大部分以滲碳體Fe3C的形式存在。
鋼的基本組織除了奧氏體、鐵素體、滲碳體基本相組成的單相組織外，還有由兩種基本相組成多相組織，即珠光體、萊氏體。
④珠光體（P-pearlite）
珠光體是鐵素體與滲碳體以片層相間排列而成機(jī)械混合物。片層間距和片層厚度主要取決于奧氏體分解時(shí)的過(guò)冷度，據(jù)片層厚薄分：粗珠光體P、索氏體S、屈氏體T。
在緩慢冷卻的條件下，含碳量為0.77%的鐵碳合金只發(fā)生共析反應(yīng)，其組織是100%珠光體，稱(chēng)為共析鋼。
珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度和硬度較高，塑性也較好。
含碳量大于0.77%的鐵碳合金為過(guò)共析鋼，其組織為:P+Fe3C。
含碳量小于0.77%的鐵碳合金為亞共析鋼，其組織為:F+P。
⑤萊氏體（Ld-ledeburite）
萊氏體是奧氏體與滲碳體的混合物，萊氏體是一種高溫組織，在高于1148℃時(shí)存在，4.3%C。
萊氏體的硬度很高，脆性很大，塑性很差。
低碳鋼是亞共析鋼，其正常組織是鐵素體F＋珠光體P。碳含量越低，組織中鐵素體F的含量就越多，材料的塑性和韌性就越好，但強(qiáng)度和硬度就隨之降低。
強(qiáng)度：當(dāng)C<0.9％時(shí)，隨著C增加，不斷提高；當(dāng)C>0.9％時(shí)，由于滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀分布，使鋼的強(qiáng)度下降。
硬度：隨C的增加而提高。
塑性：隨C的增加而迅速降低。
沖擊韌性：隨C的增加而迅速降低。
熱處理知識(shí)
熱處理的一般過(guò)程
熱處理過(guò)程：熱處理過(guò)程主要是由加熱、保溫（時(shí)間）、冷卻三個(gè)階段構(gòu)成的，溫度和時(shí)間是影響熱處理的主要因素，因此熱處理過(guò)程都可以用溫度－時(shí)間曲線來(lái)表述。
鋼的冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，成分相同的鋼經(jīng)加熱獲得奧氏體組織后，以不同的速度冷卻時(shí)，將獲得不同的力學(xué)性能。
加熱時(shí)，高于合金相圖臨界溫度才發(fā)生相變的現(xiàn)象。如圖所示Ac3、Ac1、Acm為加熱時(shí)鋼的臨界溫。
實(shí)際生產(chǎn)中鋼的熱處理的冷卻總是在一定速度條件下進(jìn)行的，即存在過(guò)冷現(xiàn)象，冷卻時(shí)理論臨界點(diǎn)與實(shí)際臨界點(diǎn)溫度的差值為過(guò)冷度。對(duì)于同一金屬，冷卻速度越快，成分過(guò)冷度也越大。
鋼在熱處理過(guò)程中，組織變化，一是加熱時(shí)，二是冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變：
①加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變—奧氏體的形成：
常溫組織系F+P，加熱溫度超過(guò)AC1，珠光體P向奧氏體A的轉(zhuǎn)變，繼續(xù)加熱，剩余鐵素體F向奧氏體A溶解，直至組織為單一奧氏體A。
②冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變—奧氏體A的分解：
冷卻的目的，是使高溫下的奧氏體A組織隨著溫度的降低發(fā)生分解，當(dāng)緩慢冷卻時(shí)，A轉(zhuǎn)化為F+P；但實(shí)際冷卻不是一個(gè)緩慢的過(guò)程，存在著一定的過(guò)冷度，那么隨著冷卻速度的不同，奧氏體分解的產(chǎn)物的形態(tài)、分散度及性能都將發(fā)生不同的變化。
研究奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程的冷卻方法有兩種：連續(xù)冷卻（與實(shí)際相近）和等溫冷卻（奧氏體轉(zhuǎn)變易于測(cè)量）。
a連續(xù)冷卻：
這個(gè)冷卻過(guò)程中，更加接近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，冷卻方式一般為空冷或水冷等快速冷卻方式，如正火、淬火。
實(shí)際生產(chǎn)中，過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過(guò)程中進(jìn)行的，在連續(xù)冷卻過(guò)程中，只要過(guò)冷度與等溫轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)，則所得到的組織與性能也是對(duì)應(yīng)的。
b等溫冷卻：
這個(gè)冷卻過(guò)程中，由于存在保溫過(guò)程，占用設(shè)備且耗費(fèi)時(shí)間，不利于連續(xù)生產(chǎn)，因此常用于保溫溫度較高的退火，以及熱處理理論分析。
將溫度在727℃以上，組織為均勻奧氏體的鋼試樣，急冷至727℃以下的某一溫度，然后保持這一溫度不變，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，奧氏體轉(zhuǎn)變束，整個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程的時(shí)間變化范圍可以從幾秒至幾晝夜。將不同溫度下奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間繪制成曲線，即得到奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，由于曲線形狀像字母C，所以又稱(chēng)C曲線。
備注：Ⅰ：珠光體（P）Ⅱ:西珠光體（S）Ⅲ:極西珠光體（T）Ⅳ：上貝氏體（B上）Ⅴ：下貝式體（B下）Ⅵ：馬氏體（M）
實(shí)際生產(chǎn)中幾乎不可能得到100%的某一種組織，通常是各種組織的混合形態(tài)。
影響C曲線的因素？
碳的影響：在正常加熱條件下，亞共析碳鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移（亞共析鋼在過(guò)冷奧氏體冷卻時(shí)發(fā)生共析分解，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類(lèi)型組織之前就開(kāi)始析出鐵素體新相）；過(guò)共析碳鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移。
合金元素的影響：除了鈷以外，所有合金元素溶入奧氏體后，都增大其穩(wěn)定性，使C曲線右移。碳化物形成元素含量較多時(shí)，C曲線的形狀也發(fā)生改變。
加熱溫度和保溫時(shí)間的影響：隨著加熱溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體的成份更加均勻，作為奧氏體轉(zhuǎn)變的晶核數(shù)量減少，同時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大，晶界面積減少，這些都不利于過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。
熱處理工藝
退火
將鋼試件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋匾欢ǖ臅r(shí)間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝，稱(chēng)為退火。根據(jù)材料化學(xué)成分和熱處理的目的的不同。退火又可分為完全退火、不完全退火、消除應(yīng)力退火以及等溫退火、球化退火等。
完全退火又稱(chēng)重結(jié)晶退火，其方法是將工件加熱到Ac3以上30～50℃，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻。
其目的是在于均勻組織，消除應(yīng)力，降低硬度，改善切削加工性能。
主要用于各種亞共析鋼中的碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件，有時(shí)也用于焊接結(jié)構(gòu)件。
完全退火組織是接近Fe-Fe3C相圖的平衡組織（F+P）。
不完全退火是將工件加熱到Ac1以上30～50℃，保溫后緩慢冷卻的方法。
其主要目的是降低硬度，改善切削加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力。
應(yīng)用于低合金鋼、中高碳鋼的鍛件和軋制件。
消除應(yīng)力退火（PWHT）是將工件加熱到AC1以下100～200℃，保溫后緩慢冷卻使工件產(chǎn)生塑性變形或蠕變變形帶來(lái)的應(yīng)力松弛的方法。
其目的是消除焊接、冷變形加工、鑄造、鍛造等加工方法所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)還能使焊縫的氫較完全地?cái)U(kuò)散，提高焊縫的抗裂性和韌性，此外改善焊縫及熱影響區(qū)。
正火
正火是將工件加熱到Ac3或Acm以上30～50℃，保持一定時(shí)間后在空氣中冷卻的熱處理工藝。
正火與退火的目的基本相同，主要是細(xì)化晶粒，均勻組織，降低應(yīng)力。
與退火不同的是，正火的冷卻速度較快，過(guò)冷度較大，易使組織中珠光體量增多，且珠光體片層厚度減小，所以正火后的鋼強(qiáng)度、硬度、韌性都比退火的鋼高。
超聲波檢測(cè)一些晶粒粗大的鍛件，會(huì)由于鍛件出現(xiàn)聲能衰減，可通過(guò)正火處理，使情況得到改善。
淬火
淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上（一般情況是：亞共析鋼為Ac3以上30～50℃；過(guò)共析鋼為Ac1以上30～50℃），經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋睾罂炖洌箠W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過(guò)程。
目的是通過(guò)淬火獲得馬氏體組織，以提高材料硬度和強(qiáng)度，這對(duì)于軸承、模具等工件是有益的，但鍋爐壓力容器材料和焊縫的組織中不希望出現(xiàn)馬氏體。
表面淬火
火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火使零件表面層比心部具有更高的強(qiáng)度、硬度、耐而心部則具有一定的韌性。如軸承滾子、軸等
回火
回火是將經(jīng)過(guò)淬火的鋼加熱到Ac1以下的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后用符合要求的方法冷卻（通常是空冷），以獲得所需組織和性能的工藝。
回火的目的是降低材料的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。通過(guò)調(diào)整回火溫度，可以獲得不同的度、強(qiáng)度和韌性，以滿(mǎn)足所要求的力學(xué)性能。此外回火還可以穩(wěn)定工件的尺寸，改善加工性能。
150℃～250℃低溫回火。得到的回火馬氏體有較高的硬度和耐磨性。主要用于高碳鋼制成的工具、量具、滾珠軸承等低溫回火處理。
300℃～450℃中溫回火。得到的回火屈氏體有一定的彈性和韌性，并有較高硬度。主要用于模具、彈簧等中溫回火處理。
500℃～680℃高溫回火。得到的回火索氏體具有一定的強(qiáng)度，又有較高的塑性和韌性。淬火加高溫回火的熱處理又稱(chēng)為“調(diào)質(zhì)處理”。許多機(jī)械零件如齒輪、曲軸等均需經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，一些承壓類(lèi)特種設(shè)備用的低合金高強(qiáng)度鋼板也有采用調(diào)質(zhì)處理的。
奧氏體不銹鋼的固溶處理和穩(wěn)定化
把奧氏體不銹鋼加熱到1050～1100℃（此溫度下碳能在奧氏體中固溶），保溫一定間（約每25mm厚度不小于1小時(shí)），然后快速冷卻至427℃以下（要求從925℃至538℃冷卻時(shí)間小于3分鐘），以獲得均勻的奧氏體組織，這種方法稱(chēng)為固溶處理的鉻鎳奧氏體不銹鋼，其強(qiáng)度和硬度較低而韌性較好，并具有很高的耐腐蝕性和良好的高溫性能。
對(duì)于含有鈦或鈮的鉻鎳奧氐體不銹鋼，為防止晶間腐蝕，必須使鋼中的碳全部固定在碳化鈦或碳化鈮中，以此為目的的熱處理稱(chēng)為穩(wěn)定化處理。穩(wěn)定化處理的工藝是：將工件加熱到850～900℃，保溫6小時(shí)，在空氣中冷卻或緩冷。
穩(wěn)定化處理只適合于含鈦或鈮的鉻鎳奧氏體不銹鋼。
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