鋼的淬火和回火工藝及組織觀察

時間：2013-04-16 19:30:18 來源：作者：

實驗目的

了解常見的淬火方法、回火工藝方法；
熟悉常見鋼種的淬火、回火工藝，并能鑒別淬火、回火后的金相組織；
觀察鋼淬火后淬火、回火后的組織變化；
掌握連續冷卻轉變曲線對淬火工藝確定的指導作用。

實驗設備及材料

45#或40Cr、淬火油、水、金相砂紙、拋光布、拋光劑、腐蝕劑等；
熱處理爐、預磨機、拋光機、金相顯微鏡；

實驗原理

鋼的淬火、回火的組織的獲得主要取決于加熱速率，保溫時間，冷去速率等因素。鋼在淬火加熱時，隨著溫度的升高會發生物質的擴散、遷移、聚集等現象，這會導致局部區域的濃度起伏，在低碳鐵素體中可以出現與該溫度下的奧氏體成分相適應的高碳區域，這就具備了奧氏體晶核的形成條件。另外，在鐵素體中總體上鐵是以體心立方排列的，而對微觀上局部，某一瞬時可能是無續的排列，也可能是面心立方或其他的方式排列，這種現象是結構起伏。由于濃度起伏和結構起伏瞬時所形成的微小區域，如果能達到一定的大小（臨界尺寸），就可能成為奧氏體的晶核。在鐵素體和滲碳體的界面上成分不均勻，原子排列不規則，為奧氏體形核形成有力條件，奧氏體就可以在界面處依靠滲碳體的融解而提供的碳原子逐漸逐漸長大。形核之后，滲碳體溶入奧氏體從而提高界面的碳濃度，鐵素體轉化成奧氏體才能降低界面上的碳濃度，隨著界面的移動，奧氏體長大。之后碳化物逐漸溶解在奧氏體中，奧氏體逐漸均勻化。這是加熱和保溫時的組織變化。

鋼的淬火是在大于臨界的冷卻速率下將鋼冷卻到室溫或 Ms點以下，獲得馬氏體的處理過程。馬氏體相變也有成核和長大的二個過程。但馬氏體相變為共格切變，相變激活能小，約為原子擴散和再結晶的激活能的十分之一，所以馬氏體成核速率非常快。

淬火鋼在回火時，組織結構和性能都有明顯的變化，馬氏體中過飽和的碳要析出，殘余奧氏體要分解析出的碳化物會進一步轉變，將處在熱力學非穩定狀態的組織向比較平衡的狀態轉變。回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉變為穩定的回火組織，并以適當方式冷卻到室溫的工藝過程。回火的主要目的是減少或消除淬火應力，保證相應的組織轉變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強度、塑性和韌性的適當配合，以滿足各種用途工件的性能要求。對于一般碳鋼和低合金鋼，根據工件的組織和性能要求，回火有低溫回火、中溫回火和高溫回火等幾種。

（一）低溫回火

低溫回火溫度約為150～250℃，回火組織為馬氏體。同淬火馬氏體相比，回火馬氏體既保持了鋼的高硬度、高強度和良好的耐磨性，又適當提高了韌性。因此，低溫回火特別適用于刀具、量具、滾動軸承、滲碳件及高頻表面淬火工件。

（二）中溫回火

中溫回火溫度一般在350～500℃之間，回火的組織為回火屈氏體。對于一般的碳鋼和低合金鋼，中溫回火相當于回火的第三階段，此時碳化物開始聚集，基體開始回復，淬火應力基本消失。因此鋼具有高的彈性極限，較高的強度和硬度，良好的塑性和韌性。故中溫回火主要用于各種彈簧零件及熱鍛模具。

（三）高溫回火

高溫回火溫度約為500～650℃，回火組織為回火索氏體。淬火和隨后的高溫回火叫做調質處理。經調質處理后，鋼具有良好的綜合機械性能。因此，高溫回火主要適用于中碳結構鋼或低合金結構鋼，用來制作曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車半軸、機床主軸及齒輪等重要的機器零件。除了上述三種回火工藝外，某些不能通過退火來軟化處理的高合金鋼，可以在600~680℃進行軟化回火。

回火工藝包括回火溫度和回火冷卻方式。鋼淬火、回火后的力學性能常以硬度來衡量。圖1為wc=0.98%的鋼的不同回火溫度和回火時間對硬度的影響。由圖可見，在各個回火溫度下，硬度變化最劇烈的時間一般在最初的半個小時內，回火時間超過1~2h后，硬度變化很小。因此，生產上一般工件的回火時間均為1~2h。由此可見，淬火鋼回火后的硬度主要取決于回火溫度。回火溫度應根據工件的工作條件、性能要求和鋼種等因素確定，同時還應避開低溫回火脆性溫度區間（約300℃左右），有高溫回火脆性的鋼，應盡量采用600℃以上溫度回火，回火保溫后應當快冷。