钢的淬火和回火工艺及组织观察

时间：2013-04-16 19:30:18 来源：作者：

实验目的

了解常见的淬火方法、回火工艺方法；
熟悉常见钢种的淬火、回火工艺，并能鉴别淬火、回火后的金相组织；
观察钢淬火后淬火、回火后的组织变化；
掌握连续冷却转变曲线对淬火工艺确定的指导作用。

实验设备及材料

45#或40Cr、淬火油、水、金相砂纸、抛光布、抛光剂、腐蚀剂等；
热处理炉、预磨机、抛光机、金相显微镜；

实验原理

钢的淬火、回火的组织的获得主要取决于加热速率，保温时间，冷去速率等因素。钢在淬火加热时，随着温度的升高会发生物质的扩散、迁移、聚集等现象，这会导致局部区域的浓度起伏，在低碳铁素体中可以出现与该温度下的奥氏体成分相适应的高碳区域，这就具备了奥氏体晶核的形成条件。另外，在铁素体中总体上铁是以体心立方排列的，而对微观上局部，某一瞬时可能是无续的排列，也可能是面心立方或其他的方式排列，这种现象是结构起伏。由于浓度起伏和结构起伏瞬时所形成的微小区域，如果能达到一定的大小（临界尺寸），就可能成为奥氏体的晶核。在铁素体和渗碳体的界面上成分不均匀，原子排列不规则，为奥氏体形核形成有力条件，奥氏体就可以在界面处依靠渗碳体的融解而提供的碳原子逐渐逐渐长大。形核之后，渗碳体溶入奥氏体从而提高界面的碳浓度，铁素体转化成奥氏体才能降低界面上的碳浓度，随着界面的移动，奥氏体长大。之后碳化物逐渐溶解在奥氏体中，奥氏体逐渐均匀化。这是加热和保温时的组织变化。

钢的淬火是在大于临界的冷却速率下将钢冷却到室温或 Ms点以下，获得马氏体的处理过程。马氏体相变也有成核和长大的二个过程。但马氏体相变为共格切变，相变激活能小，约为原子扩散和再结晶的激活能的十分之一，所以马氏体成核速率非常快。

淬火钢在回火时，组织结构和性能都有明显的变化，马氏体中过饱和的碳要析出，残余奥氏体要分解析出的碳化物会进一步转变，将处在热力学非稳定状态的组织向比较平衡的状态转变。回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。对于一般碳钢和低合金钢，根据工件的组织和性能要求，回火有低温回火、中温回火和高温回火等几种。

（一）低温回火

低温回火温度约为150～250℃，回火组织为马氏体。同淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好的耐磨性，又适当提高了韧性。因此，低温回火特别适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火工件。

（二）中温回火

中温回火温度一般在350～500℃之间，回火的组织为回火屈氏体。对于一般的碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三阶段，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消失。因此钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。故中温回火主要用于各种弹簧零件及热锻模具。

（三）高温回火

高温回火温度约为500～650℃，回火组织为回火索氏体。淬火和随后的高温回火叫做调质处理。经调质处理后，钢具有良好的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。除了上述三种回火工艺外，某些不能通过退火来软化处理的高合金钢，可以在600~680℃进行软化回火。

回火工艺包括回火温度和回火冷却方式。钢淬火、回火后的力学性能常以硬度来衡量。图1为wc=0.98%的钢的不同回火温度和回火时间对硬度的影响。由图可见，在各个回火温度下，硬度变化最剧烈的时间一般在最初的半个小时内，回火时间超过1~2h后，硬度变化很小。因此，生产上一般工件的回火时间均为1~2h。由此可见，淬火钢回火后的硬度主要取决于回火温度。回火温度应根据工件的工作条件、性能要求和钢种等因素确定，同时还应避开低温回火脆性温度区间（约300℃左右），有高温回火脆性的钢，应尽量采用600℃以上温度回火，回火保温后应当快冷。