史上最全：金屬材料熱處理基礎知識

熱處理定義：鋼的熱處理就是利用鋼在固態範圍內的加熱、保溫和冷卻，以改變其內部組織，從而獲得所需要的物理、化學、機械和工藝效能的一種操作。

熱處理目的：

1、提高金屬材料的力學效能，充分發揮材料的潛力，節約材料、延長零件使用壽命。

2、消除材料殘餘應力，改善金屬的切削加工效能。

加熱溫度、保溫時間和冷卻方式是熱處理最重要的三個基本工藝因素。

退火

1、定義：將組織偏離平衡狀態的金屬或合金加熱到適當的溫度，保持一定時間，然後緩慢冷卻以達到接近平衡狀態組織的熱處理工藝。

2、目的：降低硬度，均勻化學成分、改善切削加工效能和冷塑性變形效能、消除或減少內應力、為零件最終熱處理準備合適的內部組織。

3、分類

球化退火：為使工件中的碳化物球狀化而進行的退火。

去應力退火：為去除工件塑性變形加工、切削加工或焊接造成的內應力及鑄件記憶體在的殘餘應力而進行退火。

正火

1、定義：將鋼材或鋼件加熱到一定溫度，保溫適當時間，使之完全奧氏體化，然後在空氣中冷卻，以得到珠光體組織的熱處理工藝。

2、目的：改善切削效能，消除毛坯內應力，細化晶粒、提高硬度、獲得比較均勻的組織和效能。

退火和正火的區別

退火和正火屬於預備熱處理工藝，對於含碳量相同的工件，正火後的強度和硬度要高於的退火的。

例如：含碳量大於0。5%的碳鋼和合金鋼，為降低硬度便於切削加工採用退火處理；含碳量低於0。5%的低碳鋼和低合金鋼，為避免硬度過低切削時粘刀，而採用正火適當提高硬度。

一般用於鍛件、鑄件和焊接件。退火一般安排在毛坯製造之後，粗加工之前進行。

滲碳

1、定義：為提高工件表層的含碳量並在其中形成一定的碳含量梯度，在滲碳爐中將低碳鋼在滲碳介質中加熱、保溫，使碳原子滲入工件表面，然後進行淬火的化學熱處理工藝。

2、目的：使低碳鋼的表面層含碳量增加到0。85～1。10%，然後再經淬火、低溫回火處理以消除應力並穩定組織，使鋼件表面層具有高硬度（HRc56～62），增加耐磨性及疲勞強度等。而心部仍保持原有的塑性和韌性。

3、應用：滲碳一般用於15Cr、20Cr等含碳量低的鋼種，滲碳層的深度是根據零件的要求不同，一般為0。2～2mm。

設計時可根據工件尺寸和心部強度要求來選擇材料和滲碳層深度。

滲碳層深的選擇要根據實際需要進行設計，以節約成本。

層深的增加意味著滲碳時間的延長，齒輪一般是根據經驗公式來設計層深。

淬火

1、定義：將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時間使其奧氏體化，以大於臨界冷卻速度進行冷卻的工藝。

2、淬火目的：

提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具

提高強韌性：軸類、杆件、銷、受力件

提高彈性：各類彈簧

提高耐蝕和耐熱性：耐熱鋼和不鏽鋼

3、淬火分類

按加熱溫度：完全淬火、不完全淬火、迴圈加熱淬火

按加熱介質及熱源條件：鹽浴加熱淬火、火焰加熱淬火、感應加熱淬火、高頻脈衝淬火、接觸電加熱淬火等

按淬火部位：整體淬火、區域性淬火、表面淬火等

按冷卻方式：單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火、預冷淬火等

4、工藝過程：

冷卻速度是鋼在淬火過程中最主要的因素，它直接影響淬火產物和效能。

一方面冷卻速度要大於臨界冷卻速度，以保證全部得到馬氏體組織；另一方面冷卻應儘量緩慢，以減少內應力，避免工件變形和開裂。

為了解決上述矛盾，可以採用不同的冷卻介質和冷卻方法，使淬火工件在奧氏體最不穩定的溫度範圍內（650℃～550℃）快冷，超過臨界冷卻速度，以防珠光體型別轉變發生；而在馬氏體轉變區域範圍內（300℃～100℃），則冷卻減慢，以減少淬火工件產生的應力。

5、不同淬火溫度下的內部組織

在完全淬火時，鋼的淬火組織主要是由馬氏體組成

在不完全淬火時亞共析鋼得到馬氏體和鐵素體組成的組織

當奧氏體中含碳質量分數大於0。5%時，淬火組織為馬氏體和殘餘奧氏體。

過共析鋼得到馬氏體和滲碳體的組織。

亞共析鋼用不完全淬火是不正常的，因為這樣不能達到最高硬度。而過共析鋼採用不完全淬火則是正常的，這樣可使鋼獲得最高的硬度和耐磨性。

在適宜的加熱溫度下，淬火後得到的馬氏體呈細小的針狀；若加熱溫度過高，其形成粗針狀馬氏體，使材料變脆甚至可能在鋼中出現裂紋。

6、一般淬火件的工藝路線：

下料—鍛造—正火（退火）—粗加工—調質—半精加工—表面淬火—精加工

表面淬火

1、定義：是成本最低的表面硬化處理方法，工藝簡單而靈活，適合區域性處理，特別適合於提高耐磨性的場合。由於只加熱表面層，心部強度保持著淬火前的狀態。

2、目的：提高材料的硬度、強度和耐磨性，而心部保持良好的塑性和韌性。表面淬火後零件表面將產生很大的殘餘壓應力，因而使材料的疲勞強度大大提高。但需要注意的是，表面淬火區域的起始點和終結點處於殘餘拉應力狀態下，此處的疲勞強度因此大大降低。設計時要考慮殘餘拉應力不可留在齒根處、軸的過渡圓角處等零件應力集中部位， 以免工作應力與殘餘拉應力疊加造成零件裂紋或斷裂。

3、工藝過程：表面淬火一般工藝是高頻感應加熱、中頻感應加熱或火焰加熱， 噴水冷卻， 然後進行低溫回火。

4、應用：淬硬深度一般是：高頻淬火1～2mm；中頻淬火2～6mm。一般用於中碳以上結構鋼和合金鋼主軸、齒輪等零件。當工件淬火後，表面硬度高，除磨削外，一般不能進行其它切削加工。因此工序應儘量靠後，一般安排在半精加工之後，磨削加工之前。

回火

1、定義：回火是將淬火後的鋼件加熱到指定的回火溫度，經過一定時間的保溫後，空冷到室溫的熱處理操作。回火時引起馬氏體和殘餘奧氏體的分解。

2、目的：

⑴減少或消除淬火內應力， 防止變形或開裂。

⑵獲得所需要的力學效能。淬火鋼一般硬度高，脆性大，回火可調整硬度、韌性。

⑶穩定尺寸。

⑷對於某些高淬透性的鋼，空冷即可淬火，如採用回火軟化既能降低硬度，又能縮短軟化週期。

3、分類：鋼淬火後都需要進行回火處理，回火溫度取決於最終所要求的組織和效能（工廠常根據硬度的要求），通常按加熱溫度的高低，回火可分為以下三類。

（1）低溫回火：加熱溫度為150℃～250℃。低溫回火組織為回火馬氏體，馬氏體內析出碳化物形成回火馬氏體，殘餘奧氏體也轉變為回火馬氏體。回火馬氏體易受侵蝕，組織呈暗色針狀。回火馬氏體具有高的強度和硬度，而韌性和塑性較淬火馬氏體有明顯改善。

其目的主要是降低淬火鋼中的內應力，減少鋼的脆性，同時保持鋼的高硬度和耐磨性。常用於高碳鋼製的切削工具、量具和滾動軸承件及滲碳處理後的零件等。

（2）中溫回火：加熱溫度為350℃～500℃。中溫回火組織為回火屈氏體，它是由鐵素體和粒狀滲碳體組成的極細密混合物。回火屈氏體有較好的強度，最高的彈性，較好的韌性。

其目的主要是獲得高的彈性極限，同時有高的韌性。主要用於各種彈簧熱處理。

（3）高溫回火：加熱溫度為500℃～650℃。高溫回火組織的回火索氏體，它是由粒狀滲碳體和等軸形鐵素體組成混合物。回火索氏體具有強度、韌性和塑性較好的綜合機械效能。

其目的主要是獲得既有一定的強度、硬度，又有良好的衝擊韌性的綜合機械效能。通常把淬火後加高溫回火的熱處理稱做調質處理。主要用於處理中碳結構鋼，即要求高強度和高韌性的機械零件，如軸、連桿、齒輪等。

調質

1、定義：工件淬火併高溫回火的複合熱處理工藝，。

2、目的：使材料獲得較好的強度、塑性和韌性等方面的綜合機械效能，用於各種中碳結構鋼和中碳合金鋼。調質一般安排在粗加工之後，半精加工之前，併為以後熱處理作準備。

大部分的零件都是透過調質處理來提高材料的綜合機械效能，即提高拉伸強度、屈服強度、斷面收縮率、延伸率、衝擊功。

3、應用：調質處理能大大提高材料的拉伸和屈服強度， 提高屈強比和衝擊功，使材料具有強度和塑韌性的良好配合。一般來講調質鋼應該為中碳鋼（ C = 0．3％～0．6％）；碳鋼中像30、35、40、45、50等鋼種則既可以調質處理又可以正回火使用；而對高碳鋼和低碳鋼則不宜採用調質工藝

4、工藝過程：首先需要將零件加熱到一定溫度，保溫一定時間，然後在油中或水中冷卻。冷卻後立即入爐進行回火（500～650℃），以降低淬火應力、調整組織成份，進而達到機械效能要求。

馬氏體：鋼中馬氏體的主要特性是高硬度和高強度。

鐵素體：鐵素體的塑性、韌性很好，但強度、硬度較低。其力學效能幾乎與純鐵相同。

奧氏體：奧氏體常存在於727℃以上，是鐵碳合金中重要的高溫相，強度和硬度不高，但塑性和韌性很好，易鍛壓成形。

滲碳體：滲碳體中碳的質量分數為6。69%，熔點為1227℃，硬度很高，塑性和韌性極低，脆性大。滲碳體是鋼中的主要強化相，其數量、形狀、大小及分佈狀況對鋼的效能影響很大。

珠光體：存在於鋼的退火或正火組織中，粒狀珠光體：在鐵素體基體上分佈著粒狀滲碳體的兩相機械混合物稱為粒狀珠光體。粒狀珠光體一般經球化退火而得到，也可以透過淬火加回火處理得到。

各種組織的硬度效能指標範圍如下：

珠光體10～20HRC

索氏體22～25HRC

屈氏體36～42HRC

馬氏體62～65HRC

回火馬氏體約60HRC

回火屈氏體40～48HRC

回火索氏體25～35HRC。

氮化處理

1、定義：滲氮是使氮原子滲入金屬表面獲得一層含氮化合物的處理方法。

2、目的：提高零件表面的硬度、耐磨性、疲勞強度和抗蝕性。

3、特點：氮化工藝最大的特點是熱處理變形小，硬化層淺，特別適用於與調質工藝相結合提高零件的疲勞強度、表面耐磨性、耐蝕性和改善零件的摩擦狀態，防止膠合。適用於在週期載荷下工作的零件， 比如軸等。

4、應用：原則上講任何鋼種都可以進行氮化處理，但是最常用的氮化鋼是45（HV>300）、40Cr（HV>400）、42CrMo（HV>500）等，氮化後一般可不加工，設計時應儘可能採用整體氮化處理，因為氮化層本身對使用來說只有益處，沒必要加工處理掉。

5、工藝要求：氮化是在氮化爐中進行，因此變形小，氮化硬度要根據材質而定。。此外，氮化前必須進行調質處理，以提高心部的機械效能，為氮化做組織準備。

鋼的淬透性

1、淬透性：鋼在淬火時能夠獲得馬氏體的能力。其大小是用規定條件下淬硬層深度來表示。鋼材本身的固有屬性，與外部因素無關

2、淬硬層深度：由工件表面到半馬氏體區的深度。工件的淬透深度取決於鋼材淬透性， 還與冷卻介質、工件尺寸等外部因素有關。

3、影響淬透性的因素：臨界冷卻速度，取決於材料化學成分。一般而言，碳鋼的淬透性差，合金鋼的淬透性好，且合金元素含量越高，淬透性越好

硬度

硬度是指金屬材料抵抗比它硬的物體壓入其表面的能力。

硬度越高，表明金屬抵抗塑性變形的能力越大。它是重要的力學效能指標之一，它與強度、塑性指標之間有著內在的聯絡。

常用的硬度試驗方法有：

布氏硬度試驗——主要用於黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用於退火、正火鋼鐵零件的硬度測定。所用裝置為布氏硬度計。

洛氏硬度試驗——主要用於金屬材料熱處理後的產品效能檢測。所用裝置為洛氏硬度計。

維氏硬度試驗——主要用於薄板材或金屬表層的硬度測定，以及較精確的硬度測定。所用裝置為維氏硬度計。

顯微硬度試驗——主要用於測定金屬材料的組織組成物或相的硬度。所用裝置為顯微硬度計。

布氏硬度試驗

用載荷為P的力，把直徑為D的淬火鋼球壓入金屬試件表面，並保持一定時間，而後卸除載荷，測量鋼球在試件表面上所壓出的壓痕直徑d，據此計算出壓痕球面積F，然後再計算出單位面積所受的力（P/F值），用此數字表示試件的硬度值，即為布氏硬度，用符號 HB表示。

布氏硬度試驗原理如圖3-11所示。

設壓痕深度為h則壓痕球面積為

試樣硬度值為：

式中

——施加的載荷，kg或N；

——壓頭（鋼球）直徑，mm；

——壓痕直徑，mm；

——壓痕面積，mm2。

布氏硬度值的大小就是壓痕單位面積上所承受的壓力。單位為kg/mm2或N/mm2，但一般不標出。

硬度值越高，表示材料越硬。實驗室只要測出壓痕直徑d（毫米），透過計算或查表即可得出HB值。

布氏硬度試驗的優缺點：

優點：硬度值代表性全面，由於壓痕面積較大，能反映較大範圍內材料的平均效能。試驗資料穩定，資料重複性強。

缺點：採用的壓頭是淬火鋼球，由於鋼球本身的變形和硬度問題，致使不能測試太硬的材料。一般在450HB以上就不能使用。由於壓痕較大，不適宜成品檢驗。

布氏硬度試驗常用於測定鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等的原材料以及結構鋼調質後的硬度。

洛氏硬度試驗

洛氏硬度試驗是目前應用最廣的試驗方法，和布氏硬度一樣，也是一種壓入硬度試驗，但它不是測定壓痕的面積，而是測量壓痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。

洛氏硬度試驗的壓頭採用錐角為120º的金剛石圓錐頭或直徑為1。588毫米（1/16英寸）的鋼球。載荷先後兩次施加，先加預載荷P0，然後加主載荷P1，在總載荷的作用下，將壓頭壓入金屬材料表面來進行的硬度測定。其總載荷為P（P=P0+P1）。

金屬越硬，壓痕深度越小；金屬越軟，壓痕深度越大。為了適應人們習慣上數值越大硬度越高的概念，人為的規定，用一常數K減去壓痕深度h的值作為洛氏硬度的指標，並規定每0。002毫米為一個洛氏硬度單位。用符號HR表示，則洛氏硬度值為：HR =（K－h）/0。002

此值為一無名數。並可從硬度計的錶盤指示器上直接讀出。

使用金剛石壓頭時，常數K為0。2毫米，黑色錶盤刻度所示；

使用鋼球壓頭時，常數K為0。26毫米，紅色錶盤刻度所示。

為了可以用一種硬度計測定出從軟到硬的金屬材料硬度，採用了不同的壓頭和總載荷，組合成幾種不同的洛氏硬度標度，每一種標度用一個字母在硬度符號HR後加以註明，常用的是HRA、HRB、HRC三種。

各種洛氏硬度值之間不能直接進行比較，但可透過實驗測定的換算表（略）進行相對比較。

各種洛氏硬度之間，洛氏硬度和布氏硬度值間都有一定的換算關係。對於鋼鐵材料，大致有下列關係式：

HRC = 2HRA－104

HB = 10HRC （HRC = 40～60範圍）

HB = 2HRB

洛氏硬度試驗方法的優缺點：

優點：操作迅速簡便，壓痕較小，可在工件表面進行試驗，可以各種金屬材料的硬度，也可以測量較薄工件或表面薄層的硬度。

缺點：壓痕較小，代表性差，由於材料中有偏析及組織不均勻等情況，使所測硬度值的重複性差，分散度較大。