金属结构和钢的热处理方法优化

任务介绍

一切物质都是由原子组成的，根据原子在固体物质内部聚集状态的不同，可将物质分为晶体和非晶体两类。晶体物质的原子在三维空间呈现有规律的周期性重复排列，而非晶体物质不具有这一特点。不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种金属材料，由于所处的状态不同，力学性能也不同，这主要是由于金属材料的原子排列方式不同。因此，掌握金属的内部 结构及热处理方法对其性能的影响，对加工和选用金属材料具有非常重要的意义。

学习目标

1.了解金属晶体结构、铁碳合金相图及应用。

2.掌握金属材料的热处理方法及应用。

相关知识

一、纯金属的晶体结构

1.晶体结构的基本概念

在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的物质称为非晶体，如普通玻璃、松香、树脂等。相反，凡原子呈有序、有规则排列的物质称为晶体。汽车上使用的金属材料都是晶体。

晶体内部原子是按一定规律排列的，为了形象地表示晶体中原子的排列规律，可以将原子简化为一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格。能够反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。

2.金属的晶体结构

金属的晶格类型很多，但绝大多数金属（占85％）的晶格类型是表2-1所示3种晶格中的一种。

表2-1　晶格示意图及典型金属

续表

二、铁碳合金相图

碳钢和铸铁是现代汽车工业生产中使用广泛的金属材料，它们主要由铁和碳两种元素组成的合金，一般又称铁碳合金。

1.合金结构的基本概念

合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经过熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。通常把组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物质称为组元，简称元。根据组元数目的多少，可以将合金分为二元合金、三元合金和多元合金，如普通黄铜就是由铜和锌组成的二元合金。

根据合金中各组元之间的结合方式，合金的组织可以分为固溶体、金属化合物和混合物3类。

2.纯铁的同素异晶转变

金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异晶转变。纯铁具有同素异晶转变的特性，因此生产中才能通过不同的热处理方法来改变钢的组织和性能。

纯铁的同素异构转变可概括如下：

3.铁和碳相互作用构成的基本相及组织

1）液相：铁碳合金在熔化温度以上形成的铁碳均匀溶体，用符号L表示。

2）铁素体：碳溶入α-Fe中的间隙固溶体，用符号F表示。其力学性能是强度、硬度较低，但具有良好的塑性与韧性。

3）奥氏体：碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体，用符号A表示。其力学性能是强度、硬度较低，具有良好的塑性和低的变形抗力，适于进行压力加工。

4）渗碳体：化学式为Fe3C的金属化合物。其碳的质量分数为6.69％，硬度极高（约800HBW），脆性大，塑性几乎为零，是一个硬而脆的相。

5）珠光体：铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，用P表示。

6）莱氏体：奥氏体和渗碳体两相组成的机械混合物，用Ld表示。

4.Fe-Fe3C相图及其分析

Fe-Fe3C相图是表示在缓慢冷却（或加热）条件下（即平衡状态）不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。它表明了铁碳合金的成分、温度与组织变化规律之间的关系，是研究钢和铸铁及制定其焊接、热处理、铸造和锻造等热加工工艺的重要依据。图2-7为简化的Fe-Fe3C相图。

图2-7　简化的Fe-Fe3C相图

1）Fe-Fe3C相图的主要特性点如表2-2所示。

表2-2　Fe-Fe3C相图的主要特性点

2）Fe-Fe3C相图的主要特性线如表2-3所示。

表2-3　Fe-Fe3C相图的主要特性线

5.铁碳合金的分类

根据铁碳合金中碳的质量分数及室温组织不同，可将铁碳合金相图中所有合金分成三大类：工业纯铁、钢和白口铸铁。

工业纯铁是碳的质量分数WC小于0.0218％的铁碳合金。

钢是碳的质量分数WC在0.0218％～2.11％的铁碳合金。钢可细分为亚共析钢（0.0218％<WC<0.77％）、共析钢（WC= 0.77％）、过共析钢（0.77％<WC<2.11％）

白口铸铁是含碳量WC在2.11％～6.69％的铁碳合金。白口铸铁可细分为亚共晶白口铸铁（2.11％≤WC<4.3％）、共晶白口铸铁（WC=4.3％）、过共晶白口铸铁（4.3％<WC<6.69％）。

6.碳的质量分数对铁碳合金性能的影响

由图2-8可知，碳的质量分数越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。这是由于碳的质量分数越高，钢中的硬脆相Fe3C越多的缘故，但当碳的质量分数超过0.9％时，二次渗碳体呈明显网状，使钢的强度有所降低。

为了保证汽车材料使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中的碳的质量分数一般不超过1.4％。

图2-8　碳的质量分数对钢力学性能的影响

三、钢的热处理

钢的强化及表面改性技术是钢材研究与应用领域重要的技术之一。它不仅可以用来提高材料的力学性能，充分发挥材料的性能潜力，还可以获得一些特殊的性能，以满足特殊条件下工作零件的使用要求。

钢的热处理是通过加热、保温和冷却工序改变钢的内部组织结构，从而获得预期性能的工艺。热处理只改变材料的组织和性能，不改变其形状和尺寸，是提高金属使用性能和改善工艺性能的重要的加工工艺方法。在汽车等制造业中，80％的零件要进行热处理，而工具模具及轴承几乎100％要进行热处理。

根据加热和冷却方法的不同，热处理工艺分类如下。

（1）整体热处理。整体热处理工艺有退火、正火、淬火、回火等。

（2）表面热处理。表面热处理工艺有表面淬火和回火等。

（3）化学热处理。化学热处理工艺有渗碳、碳氮共渗、渗氮等。

根据热处理在零件加工过程中工序位置及作用的不同，热处理还可分为预备热处理和最终热处理。

虽然热处理方法很多，但是任意一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却3个阶段组成的。

（一）钢的热处理原理

钢的热处理主要利用钢在加热和冷却时内部组织发生转变的基本规律来确定加热温度、保温时间和冷却介质等参数，以达到改善材料性能的目的。

由Fe-Fe3C相图可知，非合金钢在缓慢加热和冷却过程中，经过PSK线、GS线和ES线时都要发生组织转变。因此，将PSK线、GS线和ES线称为组织转变的临界点，分别记为A1线、A3线和Acm线。A1、A3和Acm上的点都是新相与旧相相等的平衡温度点。在实际转变过程中，由于加热和冷却速度较快，转变温度会偏离平衡温度点。加热和冷却速度越快，偏离平衡温度点越远。为方便起见，通常将实际加热转变点和实际冷却转变点分别加注下脚c和r，成为Ac1、Ac3、Accm和Ar1、Ar3、Arcm。

在加热时，非合金钢的室温组织基本上由铁素体和滲碳体两个相组成，只有在奥氏体状态下才能通过不同冷却方式使钢转变为不同组织，获得所需要的性能。所以，热处理时须将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体。

钢的冷却过程是钢热处理的关键工序，其冷却转变温度决定了冷却后的组织和性能。实际生产中采用的冷却方式主要有连续冷却（如炉冷、空冷、水冷等）和等温冷却（如等温淬火）。

钢在铸造、锻压、焊接以后，要经过由高温到室温的冷却过程。此过程虽然不作为热处理的一道工序，但实质上其也是一个冷却转变过程，应加以正确控制，否则会形成某种组织缺陷。所以，钢在冷却时的转变规律不仅是制定热处理工艺的基本依据，还是制定热加工后的冷却工艺的理论依据。

热处理有两种冷却方式：一种是等温冷却，即将钢由加热温度迅速冷却到临界点Ar1以下的既定温度，保温一定时间进行恒温转变，然后冷却到室温；另一种是连续冷却，即将钢由加热温度连续冷却到室温，在临界点以下进行连续转变。

（二）钢的热处理工艺对其性能的影响

根据钢在加热和冷却过程中组织和性能的变化规律，常规热处理常用工艺可分为退火、正火、淬火、回火等。(www.xing528.com)

1.退火

将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却）的热处理工艺称为退火。退火的目的是降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能、消除钢的内应力、细化晶粒、均匀组织，为以后的热处理做好准备。

由于钢的成分和退火的目的不同，退火可分为完全退火、球化退火、去应力退火等几种。

（1）完全退火

完全退火即将钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一段时间，然后随炉冷却到500℃以下出炉空冷的退火方式。完全退火的目的是细化晶粒、消除内应力，以降低硬度、利于切削加工。完全退火主要用于亚共析钢铸锻件的热处理。

（2）球化退火

球化退火即将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温足够时间，随炉缓冷或用等温冷却方式冷却，将渗碳体球化的退火方式。球化退火的目的是降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。这种退火方式主要用于共析钢和过共析钢。

（3）去应力退火

去应力退火又称低温退火，即将钢加热到500～600℃，保温后随炉缓冷至200～300℃出炉空冷的退火方法。这种退火方式主要用于消除铸件、焊件及切削加工件的应力。其适用于所有的钢。

提示：退火一般作为预备热处理，为以后加工或处理做准备。

2.正火

正火是将钢加热到Ac3或Acm以上30～50℃，保温后再在空气中冷却的热处理工艺。碳钢的各种退火和正火加热温度范围如图2-9所示。

图2-9　碳钢的各种退火和正火加热温度范围

正火和退火的明显区别是正火冷却速度较快，所以生产周期比退火短，又因为正火后材料强度、硬度、塑性和韧性比退火高，所以大多数低碳钢不做退火处理，而采用正火处理。对于力学性能要求不高的中碳钢零件，常采用正火作为最终热处理。高碳钢经正火处理后可以消除网状渗碳体，为球化退火做组织准备。

3.淬火

将亚共析钢加热到Ac3以上的温度，将共析钢与过共析钢加热到Ac1以上（低于Acm）的温度，保温烧透后快速冷却，使奥氏体迅速转变成马氏体或下贝氏体的热处理工艺称为钢的淬火。

淬火的主要目的是提高工件的力学性能，它是强化钢材最重要的热处理方法。例如，对于工具钢，淬火的主要目的是提高钢的硬度，以保证刀具的切削性能和工具的耐磨性；对于中碳钢，淬火的主要目的是提高强度和韧性，获得综合的力学性能；以及改善某些特殊钢的物理性能或化学性能，如提高不锈钢的耐磨性。但要注意，对于低碳钢，淬火后其强度、硬度提高不大，故对其进行一般的淬火没有意义。经过淬火处理的零件或工具不仅要有高的强度和硬度，还要求有足够的塑性和韧性相配合，因此淬火后需进行回火。淬火为回火做好了组织准备，而回火决定了零件的使用性能和寿命。

钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为淬透性。淬透性是衡量材料热处理性能的重要指标之一。大多数工件淬火时，希望表面和芯部都能得到高硬度。若表面硬度已达到要求，而芯部的硬度偏低，这种情况表示零件“未淬透”。淬透性越好，淬硬层越深。淬硬性是指材料在淬火后所能达到的最高硬度。材料的淬硬性取决于碳的质量分数，碳的质量分数越高，淬硬性越好。

淬火时，工件的冷却速度是由冷却介质所决定的。常用的冷却介质有水、油、盐水、碱水溶液。水具有价格低廉、使用安全、无燃烧和腐蚀危险等特点，是应用最广泛的冷却介质。一般碳钢零件用水作冷却介质，硬度都能达到要求，但水的冷却速度太快，使零件内外温差大，易产生严重变形，甚至开裂。故水冷却适用于低合金钢及碳素工具钢的淬火。为了提高水的冷却能力，常在水中加入某种盐或碱（氯化钠或氢氧化钠）形成水溶液。水溶液冷却适用于低碳钢和中碳钢的淬火。油也是广泛应用的冷却介质。常用的淬火油有柴油、机油、变压器油等。油类的冷却能力较弱，冷却速度较慢，零件不易变形和开裂，但也不易淬硬、淬透，所以不适用于超过5～8mm厚的碳素钢。油被广泛用作各种合金钢和碳素钢小型零件的淬火冷却介质。盐水、碱溶液指熔化的NaNO3、NaOH等，其冷却能力在水和油之间，常用于截面面积不大、形状复杂、对控制变形要求严格的碳素工具钢、合金工具钢。

4.回火

回火是把淬火以后的钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温一段时间，再以适当的冷却速度冷却到室温的热处理工艺。

回火的目的在于降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。

淬火钢回火的性能，与回火时加热温度有关，硬度和强度随回火温度的升高而降低。按回火时加热温度的高低，可将回火分为以下3种：

1）低温回火。回火温度是150～250℃。目的是保持较高的硬度和耐磨性，降低内应力，减少脆性。这种回火方式主要适用于刃具、量具、模具和轴承等要求高硬度、高耐磨性的工具和零件。

2）中温回火。回火温度是350～500℃。目的是要获得较高的弹性和屈服极限，同时又有一定的韧性。这种回火方式主要用于弹簧、发条、热锻模等零件的处理。

3）高温回火。回火温度是500～650℃。目的是要获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。生产中把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。调质处理广泛应用于受力构件，如螺栓、连杆、齿轮、曲轴等。调质处理后材料的硬度可达25～35HRC、200～350H BS。

任务小结

1）金属的晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

2）铁碳合金的分类：

工业纯铁（WC<0.0218％）、钢（WC=0.0218％～2.11％）和白口铸铁（WC=2.11％～6.69％）。

3）碳的质量分数对铁碳合金性能的影响：

当碳的质量分数小于0.9％时，碳的质量分数越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低，但当含碳量超过0.9％时，钢的强度有所降低。

4）钢的热处理：

常 用方法有退火、正火、淬火、回火等。

拓展提高

表面热处理

在汽车零部件中，许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件必须具有高硬度和耐磨性，并且其芯部要有足够的塑性和韧性。因此，对于这类零件，一般选用中碳钢、中碳合金钢、碳素工具钢、低合金工具钢和球墨铸铁，经表面淬火即可达到要求；也可选用低碳钢采用表面化学热处理。

常用的热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。

1.表面淬火

表面淬火是指仅对表面进行淬火的工艺。对于承受冲击载荷、交变载荷，同时又承受强烈摩擦的零件，如曲轴、齿轮轴、齿轮等，生产中常采用表面淬火进行热处理。

表面淬火的钢一般为中碳钢，这是因为碳的质量分数低淬火后表面硬度不足，碳的质量分数高淬火后芯部韧性不好。表面淬火零件在淬火前一般要进行正火或调质处理，表面淬火后要进行低温回火。

根据加热方法不同，淬火主要有火焰表面淬火、感应加热表面淬火等。

（1）火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是利用氧-乙炔火焰（或其他可燃气体）将工件表面迅速加热到淬火温度后，立即喷水或用乳化液进行冷却的一种方法，如图2-10所示。

图2-10　火焰加热表面淬火示意图

火焰表面淬火的淬硬层深度一般为2～6mm。火焰表面淬火不需特殊设备，淬硬速度快、变形小，常用于中碳钢及中碳合金结构钢零件，适用于单件和小批量生产或对大型零件的局部热处理，如机床导轨、大型轴类、大模数齿轮等。此工艺对于特大工件的局部淬火更为经济。但这一工艺容易产生过热，淬火质量不稳定，生产率也较低，因此使用受到一定的限制。

（2）感应加热表面淬火

感应加热表面淬火是采用交变电磁场在零件表层产生涡流，将零件表层迅速加热到淬火温度，并迅速冷却的一种淬火热处理工艺。此法的原理如图2-11所示。

图2-11　感应加热表面淬火的原理

将工件放在空心铜管（内部有冷却水）绕成的线圈（感应器）内，线圈通以一定频率的交流电，工件表层便产生同频率的感应电流（涡流），这种电流主要集中在零件的表层。因为零件表层存在电阻，所以当感应电流通过表层电阻时便产生热量，从而使工件表层迅速加热到淬火温度（而工件心部温度仍接近室温），随即喷水冷却，从而达到表层淬火的目的。

这种表面淬火的优点是加热迅速、生产率高、淬硬的深度易于控制且硬度均匀。其缺点是对形状和尺寸不同的零件需不同的感应圈，设备较贵，只适宜用于大批量生产。

2.化学热处理

化学热处理是将钢件放在某种化学介质中通过加热和保温，使介质中的某些元素渗入钢件表面层，以改变表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理均通过（分解、吸收、扩散）3个过程来实现。

分解即介质在一定温度下发生化学分解，产生渗入钢中的活性原子。吸收即活性原子被工件表面吸收。扩散即渗入表面的活性原子，从表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散层（即渗层）。

化学热处理按照渗入元素的不同可以分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

（1）渗碳

钢件表面层渗入碳原子的化学热处理操作称为渗碳。其目的是使工件在热处理后表面具有高的硬度和耐磨性，而芯部仍保持一定强度及较高的塑性和韧性。渗碳后还必须进行热处理，常用的是淬火后低温回火。

（2）氮化（气体氮化）

氮化是向钢件表面渗入氮原子的化学热处理。目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。

（3）碳氮共渗

碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗应用较为广泛。工件经共渗后，须经淬火和低温回火才能提高表面硬度和芯部强度。