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熱處理是金屬加工領域中一項關鍵的技術，它通過精确控制加熱和冷卻過程，顯著改變金屬材料的微觀結構和實體性能。尤其在鋼鐵工業中，熱處理可以極大地提升材料的機械性能，如硬度、韌性和耐磨性。從基本的退火到複雜的化學熱處理，每一種熱處理方式都有其獨特的目的和效果。
本文将深入探讨鋼的熱處理過程，涵蓋材料的加熱和冷卻轉變，以及不同熱處理類型如何影響最終産品的性能。通過對這些關鍵過程的了解，工程師和技術人員可以更好地選擇合适的熱處理方法，以滿足特定的應用需求。
01 One
熱處理定義與目的
1.定義：
通過加熱、保溫和冷卻固态金屬或合金，使其内部結構發生變化，以獲得預期的性能。
2目的：
2.1改善材料的工藝性能，確定後續加工順利進行，這種熱處理稱為預先熱處理。
2.2提高材料的使用性能，延長零件使用壽命，這種熱處理稱為最終熱處理。
3.熱處理分類
3.1普通熱處理：包括退火、正火、淬火、回火（四火）。
3.2表面熱處理：表面淬火、化學熱處理。
3.3其他熱處理：真空熱處理、形變熱處理等。
02 Two
加熱時的組織轉變
在熱處理過程中，加熱時的組織轉變是非常關鍵的一步，尤其是珠光體向奧氏體的轉變。這一轉變通常包括四個主要階段，讓我們簡單了解一下每個階段的特點：
1. 奧氏體形核：在這一階段，随着溫度的升高，珠光體開始分解，新的相——奧氏體開始在原有的晶界或其他缺陷處形成小的“核”。這些“核”是新相生長的起點。
2.奧氏體長大：形成的奧氏體“核”逐漸增長，逐漸取代原有的珠光體。這個過程中，奧氏體晶粒不斷擴大，直到幾乎填滿整個金屬的微觀結構。
3. 剩餘Fe3C溶解：Fe3C（鐵碳化物）是珠光體中較為堅硬的部分。在奧氏體形成并長大的過程中，剩餘的Fe3C逐漸被奧氏體吸收和溶解。這一過程有助于後續的均勻化，確定金屬内部成分更為均一。
4. 奧氏體均勻化：最後，整個結構中的奧氏體将達到一種均勻狀态，其成分和溫度在微觀層面上更加一緻。這種均勻化的奧氏體為下一步的冷卻和轉變過程提供了理想的出發狀态，進而能夠獲得更優良的機械性能。
通過以上四個階段，金屬内部的微觀結構和性能都會得到顯著的改變，為實作更好的材料性能奠定基礎。
03 Three
冷卻時的組織轉變
1.奧氏體的冷卻轉變
奧氏體的冷卻轉變是熱處理過程中極為關鍵的一步，它直接影響到鋼的最終性能群組織結構。讓我們通俗地了解一下這一過程：
當鋼被加熱到臨界點A1以上時，它主要存在于一種穩定的相——奧氏體。奧氏體是在高溫下鋼中碳原子和鐵原子均勻混合的一個相态，具有較高的韌性和延展性。然而，當開始冷卻時，這種穩定的奧氏體相會變得不穩定，必須轉變為其他類型的微觀結構。
這一轉變的開始是在溫度降至A1點以下。此時，奧氏體不再是最穩定的相，開始轉變成例如珠光體、貝氏體或馬氏體等其他微觀結構。這種轉變的過程和最終結果極大地依賴于冷卻的速率和方式。
冷卻速度快的情況下，可能形成硬度較高的馬氏體；而慢速冷卻可能導緻形成珠光體或貝氏體，這些都具有不同的性能特點，如強度、韌性和硬度。是以，即使是同一種鋼，在加熱溫度和保溫時間相同的條件下，采用不同的冷卻方法也會導緻熱處理後性能的巨大差異。
45鋼加熱到840℃，在不同冷卻條件下冷卻後的力學性能
| 冷卻方法 | σb/Mpa | σs/Mpa | δ/% | ψ/% | HRC |
| 随爐冷卻 | 519 | 272 | 32.5 | 49 | 15~18 |
| 空氣冷卻 | 657~706 | 333 | 15~18 | 45~50 | 18~24 |
| 油中冷卻 | 882 | 608 | 18~20 | 48 | 40~50 |
| 水中冷卻 | 1078 | 706 | 7~8 | 12~14 | 52~60 |
2.共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線的建立（金相硬度法）
也稱“TTT曲線”（Time-Temperature-Transformation Curve），因形狀類似“C”，常稱“C曲線”。
借助“C曲線”，可以了解奧氏體在不同的冷卻條件下轉變成何種組織以及轉變産物的性能，為正确制定和選擇熱處理工藝提供理論依據。
3. 共析鋼C曲線及轉變産物
3.1珠光體型轉變（又稱高溫轉變）
轉變溫度：A1~550℃；轉變産物：珠光體
A1~6500℃：珠光體片層較粗，P（珠光體-pearlite ）
6500℃~6000℃：珠光體層片較細，S（索氏體-sorbite ）
6000℃~5500℃：珠光體層片極細，T (屈氏體－troolstite）
珠光體的鐵素體和滲碳體層片粗細與轉變溫度有關。溫度越低，珠光體的層片越細。層片變細，強度硬度增加，塑性韌性有所增加。
3.2貝氏體型轉變（又稱中溫轉變）
轉變溫度：550-Ms（230℃）
轉變産物：貝氏體B（bainite）——由過飽和F和滲碳體組成的混合物。
550~350℃：上貝氏體（upper bainite ）（B上）羽毛狀組織，強度與塑性都較低，脆性很高。
350℃~ Ms：下貝氏體（lower bainite ）（B下）針片狀組織，綜合性能好。
3.3馬氏體轉變（又稱低溫轉變）
轉變溫度：Ms（230℃）~Mf
轉變産物：馬氏體（martensite ）+A′(residual austenite )
馬氏體：碳在α-Fe中形成的過飽和固溶體，用M表示。
分類：
低碳馬氏體（low carbon martensite ）：呈闆條狀，具有較高的強度和塑韌性。也稱闆條M（lath martensite ）。
高碳馬氏體（high carbon martensite ）：呈透鏡狀，片狀，中間有脊線。其強度很高，但塑韌性差，脆性大。
3.4. 亞共析鋼的C曲線
過共析鋼的C曲線
過冷奧氏體連續轉變冷卻曲線（CCT曲線）(Continuous Cooling Transformation)
04 Four
特定熱處理過程
1.退火：
定義：将金屬加熱到一定溫度，保持足夠時間，然後以适宜速度冷卻
目的：
- 細化晶粒；
- 降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能；
- 消除内應力。
分類：按退火的目的和工藝特點可分為完全退火、不完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退火等。
1.1完全退火（full annealing）
- 适用範圍：亞共析鋼
- 加熱溫度：Ac3+30～50℃
- 目的：細化組織，降低硬度，改善切削加工性,消除内應力
- 室溫組織：F+P
1.2球化退火（spheroidizing annealing ）
- 适用範圍：共析鋼和過共析鋼
- 加熱溫度：Ac1+20~30℃
- 目的：使網狀或片狀Fe3CⅡ球化
- 組織：球狀珠光體
1.3等溫退火(isothermal annealing )
- 工藝：加熱到Ac1+30~50℃或Ac3+30~50℃，保溫後，迅速冷卻至Ar1以下某一位溫度，待A都變為P類組織，出爐空冷。
- 組織：P類
- 優點：退火時間短，組織均勻
1.4去應力退火（relief annealing ）
- 目的：去除殘餘應力
- 加熱溫度：T加熱＜AC1（500～600℃）
- 應用：消除鑄件，鍛件，焊接件等的殘餘内應力。
1.5均勻化退火（擴散退火）
- 目的：消除偏析；均勻成分、組織
- 加熱溫度：AC3＋150～250℃
- 組織：亞共析鋼為P+F。
- 應用：主要用于品質要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件。
1.6再結晶退火(recrystallization annealing)
- 工藝：加熱到Ac1以下50-150℃，或T再+30-50℃，保溫，緩冷。
- 目的：消除加工硬化，恢複鋼材的塑韌性。
- 應用：冷加工後的工件消除加工硬化。如在鋼絲拉拔過程中，中間進行的退火。
2.正火
定義：将工件加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫後從爐中取出在空氣中冷卻的熱處理工藝。
目的：低碳鋼：提高硬度，利于切削。
過共析鋼：消除網狀二次滲碳體，利于P球化。
中碳鋼和中碳低合金鋼：受力不大，性能要求不高可作為最終熱處理。
3. 淬火
目的：獲得M或B下組織，提高鋼的的硬度和耐磨性。
淬火溫度的選擇：
- 亞共析鋼：AC3+30～50℃；
- 共析鋼及過共析鋼：AC1+30～50℃。
淬火冷卻是決定淬火品質的關鍵，理想的冷卻速度應是如圖所示的速度。
650℃以上，慢，減小熱應力
650-400 ℃，快，避免C曲線
400 ℃以下，慢，減輕相變應力
常用的淬火媒體(quenching medium)
目前生産中常用的冷卻媒體有油、水、鹽水，其冷卻能力依次增加。
- 水：淬冷能力強，但工件表面有軟點，易變形開裂。
- 鹽水：淬冷能力更強，工件表面光潔、無軟點，但更易變形開裂；
- 油：淬冷能力弱，但工件不易變形開裂
常見的淬火冷卻方法(quench cooling method)
4.回火
回火的主要目的：
- 消除内應力，降低脆性
- 穩定組織和工件尺寸
- 降低硬度，提高塑性
回火的組織和性能變化：
淬火鋼回火時的組織轉變主要發生在加熱階段。随加熱溫度升高，淬火鋼的組織發生四個階段變化。
4.1.馬氏體的分解
- 回火階段：<100℃回火時，組織無變化；100~200℃加熱時，馬氏體将發生分解。
- 獲得組織：回火馬氏體 M回（過飽和α固溶體）。
- 性能變化：内應力逐漸減小，性能基本不變。
4.2殘餘奧氏體分解
- 回火階段：200-300℃。A′分解，轉變為B下。
- 獲得組織：M回（Tempered Martensite）表示
- 性能變化：應力進一步降低，強度和硬度略有下降。
4.3.馬氏體分解完成和滲碳體的形成
- 回火階段：300-400℃。ε碳化物轉變成穩定的滲碳體。
- 獲得組織：回火屈氏體，用T回（Tempered Troostite）表示。
- 性能變化：内應力基本消除，硬度下降，塑韌性增加。
4.4.Fe3C聚集長大和α固溶體的回複與再結晶
- 回火階段：400℃以上。α相開始回複，500℃以上時發生再結晶；
- 獲得組織：回火索氏體，用S回（Tempered Sorbite）表示。
- 性能變化：獲得良好的綜合性能。
鋼材回火後組織與力學性能：
回火時力學性能變化總的趨勢：随回火溫度提高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。
| 工藝 | 回火溫度 (℃) | 回火後組織 | 回火後硬度(HRC) | 性能特點 | 用途 |
| 低溫回火 | 150～250 | M回 | 58～64 | 硬度高，耐磨性高；脆性、内應力降低 | 工具鋼、 滾動軸承 、滲碳件等 |
| 中溫回火 | 250～500 | T回 | 35～50 | 較高的彈性極限和屈服極限，有一定的塑性和韌性 | 彈簧鋼、 熱作模具 |
| 高溫回火 | 500～600 | S回 | 25～35 | 良好的綜合性能 | 重要結構件 |
05 Five
表面熱處理
表面熱處理：隻對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的熱處理工藝。
分類：表面淬火和化學熱處理。
在生産中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有較高的耐磨性和疲勞強度；而心部要求有較好的塑性和韌性。
在這種情況下，單從材料選擇入手或采用普通熱處理方法，都有不能滿足其要求。解決這一問題的方法是表面熱處理。
1.表面淬火(surface quenching )
- 定義：僅對工件表面進行淬火（+回火）的熱處理工藝
- 目的：使工件表硬心韌。
- 表面淬火用鋼：中碳結構鋼（含碳量0.4％-0.5％）
- 方法：感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。
2.感應加熱表面淬火(induction surface quenching)
基本原理：感應圈通入交流電→形成渦流（集膚效應）→表層得A→水冷得M。
分類：
- 高頻感應加熱：200～300kHz，0.5～2.5mm；
- 中頻感應加熱：0.5～10kHz，2～10mm；
- 工頻感應加熱：50Hz，10～20mm。
規律：電流頻率越大，淬硬層深度越淺。
3.火焰加熱表面淬火(flame heating surface quenching)
- 定義：火焰加熱表面淬火是應用氧－乙炔（或其它可瓦斯體）火焰，對零件表面加熱，然後快速冷卻的淬火，淬硬層深度一般為2～6mm。
- 應用：适用于單件、小批量生産。
4.鋼的化學熱處理（chemical heat treatment）
- 定義：将鋼件置于一定溫度的活性媒體中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。
- 分類：根據滲入的元素不同，化學熱處理可分為滲碳（carburizing ）、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。
基本過程：
- 分解：使化學媒體在加熱保溫過程中分解出滲入元素的活性原子；
- 吸收：活性原子被工件表面吸附，形成固溶體或特殊化合物；
- 擴散：滲入原子由工件表層向内擴散，形成具有一定深度的擴散層，即滲層
5.鋼的滲碳（Carburize of steel）
- 目的：提高工件表面的硬度和耐磨性
- 滲碳用鋼：低碳鋼或者低碳合金鋼
- 媒體：最常用的氣體（煤油、苯等),具有活性碳原子。
- 溫度：在奧氏體區，900—950℃
- 時間：根據滲層深度而定，約10小時左右。
6.其他化學熱處理方法
6.1滲氮（nitriding）：在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的熱處理工藝。提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。
6.2碳氮共滲(carbonitriding)：碳氮同時滲入工件表層。提高表面硬度、抗疲勞性和耐磨性，并兼具滲碳和滲氮的優點。
6.3滲鉻(chromizing)：有較好的耐蝕性和優良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不鏽鋼和耐熱鋼用于工具制造。
6.4滲硼(boronizing)：十分優秀的耐磨性、耐腐蝕磨損和泥漿磨損的能力，耐磨性明顯優于滲氮、碳和碳氮共滲層，但不耐大氣和水的腐蝕。主要用于泥漿泵零部件、熱作模具和工件夾具。