Unit2 金属热处理

      冶金学的广泛研究其实就包括热处理。冶金学指的是金属从矿石中提取到最终生成产品的过程中涉及到的物理学，化学和工程学。热处理是固体金属通过加热、冷却而改变其物理特性的一种加工工艺。根据加工的程序，通过硬化来提高钢的抗切削性和耐磨性，或者通过软化易于加工。通过适当的热处理，可以xx内部应力，细化晶粒，增加韧性，或者在脆性物体的表面做硬化处理。由于钢中的某些元素的含量，尤其是碳元素大大影响其物理特性，因此需要对钢进行分析。
      合金钢的性能取决于其含有的除碳以外的一种或几种元素，如镍、铬、锰、钼、钨、硅、钒和铜。由于可以改善其物理特性而广泛的在商业上使用。
      下面主要讨论一般型钢里常见的普通碳钢的热处理。这一加工工艺，冷却速率是主要的因素，从临界温度快速冷却可以得到高硬度结构，而缓慢冷却可以得出相反的结构。
简单的铁碳合金相图
      如果我们只研究钢的话，可以使用简单的相图。对于工程人员来讲，铁碳图中的进铁素体区和含碳量大于2%部分并不重要，所以这两部分被去掉。简单的铁碳合金相图主要集中在共析区域，对于理解钢的性能和热处理工艺非常有用。
      图中主要描述的是随着温度的下降单相体奥氏体向两相体铁素体和渗碳体的过渡。控制这一反应，根据铁素体和渗碳体显著不同的碳溶性，可以通过热处理得到不同性能的钢。
      为了理解这些工艺，含碳量为0.77％的共析钢的如图2.1所示沿着下x－x’缓慢冷却的过程。{zg}温度时，只有奥氏体，0.77%碳和铁互溶形成固溶体。当钢冷却到727℃时，几种变化同时发生。铁从FCC的奥氏体转化为BCC的铁素体，但是铁素体的含碳量仅有0.02％。析出的碳形成富碳化合物渗碳体。
      由于碳的化学分离xx发生在固体状态，得到的结果是铁素体和渗碳体的机械混合物。通过在弱酸或弱碱的条件下对试样进行打磨和刻蚀，在缓慢冷却下显示出片层结构。这种结构由两种截然不同的状态组成，但是他本生具有一系列的特性，且因与低倍放大时的珠母层有类同之处而被称作珠光体。
      钢的含碳量少于共析钢里的含碳量（小于0.77％）时称为亚共析钢。看看亚共析钢在冷却条件下沿着如图2。1y-y的转变。高温时，材料xx是奥氏体，但是随着冷却分解成由铁素体和渗碳体组成的稳定的区域。由截线及杠杆定律分析可知，低碳铁素体成核并长大，余下的含碳量高的奥氏体。在727℃，共析成分的奥氏体，进一步冷却剩余的奥氏体xx转化为珠光体。得到先共析铁素体和珠光体的混合物。
      过共析钢含碳量多于共析钢里的含碳量的钢。当这种钢冷却沿着z－z时，这个过程和亚共析钢的冷却过程相似，除了先共析相时渗碳体而不是铁素体。随着富碳相形成，剩余奥氏体中的含碳量减少，在727℃时达到共析成分。像亚共析钢那样，剩余奥氏体随着文的下降到到达此温度时xx转化为珠光体。
      值得记住的是相图中描述的转变是在缓慢冷却近似接近平衡状态下完成的。随着缓慢加热，此转变逆向进行。然而，当合金快速冷却时，由于正常的相反应没有足够的时间而得到xx不同的结果，这种情况下，相图对于工程分析来说不再是有用的工具了。
淬火
      淬火是将钢加热到临界温度或高于临界温度然后快速冷却的热处理工艺。如果知道了钢里面的含碳量。则钢可以加热到的合适温度就可以通过合金相图查到。如果不知道钢中的含碳量，需要做一个简单的试验来确定温度范围。试验步骤是把许多的小的钢片在不同的温度下加热并进行淬火，通过硬度测试或金相试验观察结果。当正确温度达到时，其硬度和其他特性将有显著的变化。
      在任何热处理工艺中，加热的速度是很重要的。热量以一定的速率由钢的外部向到里传递。假如加热的特快，外面的就比内部的热，则里外的结构就不一致。如果钢块的形状不规则，缓慢加热对于减少变形和断裂是非常必要的。横截面积越厚，需要加热的时间越长，以获得均匀的组织。即使达到正确的温度后，钢件应该在此温度下保持足够长的时间以保证其最厚的截面处的温度也能达到。
      对于给定的热处理获得的硬度依赖于淬火的速率，碳含量和工件尺寸。对于合金钢合金的量和成分只影响钢的淬火能力而不影响其硬度。
      低碳钢对于热处理的反应不明显。当钢的含碳量增加到大约0。6％时，硬度增加。超过此点时，因为共析钢主要由珠光体和渗碳体组成，硬度稍微增加。珠光体对热处理的反应显著，任何由珠光体组成的钢都可以通过热处理硬化。
      随着淬火零件的尺寸增加，即使是所有的条件都相同时，表面硬度有点降低。通过钢件的热流有一定的限制。如果大钢块内部的热量不能以临界速度冷却的话，无论冷却介质的冷却能力多大，内部的硬度达不到。然而，盐水或水介质能快速的把零件表面的温度降低至其温度并保持钢件温度在此温度或接近于此温度。在油中淬火就不是这样，在淬火临界状态时，钢件的表面温度仍然很高。
回火
      通过快速淬火硬化的钢非常脆不适合广泛使用。通过回火，硬度和脆性可以减少到使用性能。随着这些性能的减少，抗拉强度减小，而钢的脆性和韧性增强。它是把淬火硬化的钢重新加热到临界温度的某一温度，然后冷却下来的一种热处理工艺。虽然这一工艺使钢软化，但是它和退火十分不同，回火工艺可以使钢本身接近所控制的物理特性，大部分情况下并不象退火那样把钢软化到某一程度。通过回火获得的最终结构xx硬化的钢称为马氏体。
      由于马马氏体的不稳定性，淬火钢的可能的主要成分为回火马氏体。在150℃～205℃的低温下回火，硬度并不降低，主要是xx内应力。随着回火温度的增加，马氏体以较快的速度分解，在315℃，向另一种结构（回火马氏体）转化的速度较快。回火操作可以看作是渗碳体的析出、聚合的过程。在325℃，大量的渗碳体析出，硬度降低。温度继续增加引起碳化物继续聚合，硬度连续下降。
      回火过程应该注意回火时间和温度。虽然回火温度到达后的最初的几分钟金属软化，假如此温度保持足够长的时间，则硬度有所下降。实际情况下，把钢件加热到要求的温度时，再保持此温度足够长的时间使钢件充分加热。
      分级淬火的两种特殊工艺也是一种回火工艺。这两种工艺，在允许冷却之前，淬火钢在选择好的温度下采用盐浴淬火。此工艺称为等温淬火和分级淬火，可获得所需的物理特性。
退火
      退火的主要目的是软化硬钢以便于加工和冷处理。它通常是通过把钢加热到稍微高于临界温度，然后保持钢体的温度内外一致在以缓慢的可控制的冷却速率冷却这样钢体的表面温度和内部温度大体一致的一种热处理工艺。因为它改善组织、细化晶粒结构、软化金属，所以这种工艺称为全退火。它还可以xx残余应力。
      给定钢件的退火时应该加热温度取决于钢的成分；对于碳钢，我们可以从铁碳合金相图中获得此温度。加热速度和截面的尺寸和均匀度相一致，以便于整个零件都能达到此温度。当退火温度达到时，应钢件使保持此温度直到零件的内外温度相等。为了软化金属，获得较高的塑性，冷却速度应尽量低，像让零件随炉缓冷。含碳量越高，冷却速度越慢。
正火和球化处理
      正火是将钢加热到临界温度10℃-40℃，在空气中冷却到室温的热处理工艺。低碳钢和中碳钢还有合金钢采用这种工艺来细化晶粒，xx应力或以获得所需的性能。大部分型钢在磙压或铸造后采用正火处理。
      球化处理是生产球化分布的渗碳体结构的一种热处理工艺。如果钢缓慢加热正好到临界温度，保持一段时间，可以得到这种结构。获得的球状结构可以提高钢的机械加工性。这种处理对于所要进行加工的过共析钢十分有用。
表面硬化
渗碳
      最古老的使钢体表面硬化的方法是表面硬化和渗碳。铁在接近或高于临界温度是对碳具有亲和性。碳原子被吸附到金属体内形成铁溶体进而钢体表面转换成高碳钢，再逐步的扩散到零件的内部。渗透层厚度取决于处理的时间和温度。装箱渗碳是把要处理的零件放入一个充满含碳物质（象木炭和焦炭）密闭容器内，这是一个费时的过程可以得到渗碳层厚度为0.03-0.06in.（0.76mm-4.06mm）
氮化
      氮化和普通层硬化很相似，但是它用不同的材料和处理使表面硬化。这一工艺把金属加热到510℃左右，让它和氨气充分接触。气体中的氮原子进入钢体，在钢体的表面形成非常硬的氮层。
      氮原子和某些元素结合比其他的更具有硬化能力，因此，可以得到特殊的渗氮合金钢。