现代材料可以分为四大类--金属、高分子、陶瓷和复合材料。尽管目前高分子材料飞速发展，但金属材料中的钢铁仍是目前工程技术中使用最广泛、最重要的材料，那么到底是什么因素决定了钢铁材料的霸主地位呢。下面就为大家详细介绍吧。
钢铁由铁矿石提炼而成，来源丰富，价格低廉。钢铁又称为铁碳合金，是铁（Fe）与碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）以及其他少量元素（Cr、V等）所组成的合金。通过调节钢铁中各种元素的含量和热处理工艺（四把火：淬火、退火、回火、正火），可以获得各种各样的金相组织，从而使钢铁具有不同的物理性能。将钢材取样，经过打磨、抛光，最后用特定的腐蚀剂腐蚀显示后，在金相显微镜下观察到的组织称为钢铁的金相组织。钢铁材料的秘密便隐藏在这些组织结构中。
在Fe-Fe3C系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，他们在不同温度下的平衡组织各不相同，但由几个基本相（铁素体F、奥氏体A和渗碳体Fe3C）组成。这些基本相以机械混合物的形式结合，形成了钢铁中丰富多彩的金相组织结构。常见的金相组织有下列八种：
一、铁素体
碳溶于α-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为铁素体， 属bcc结构，呈等轴多边形晶粒分布，用符号F表示。其组织和性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，而强度与硬度较低（30-100 HB）。在合金钢中，则是碳和合金元素在α-Fe中的固溶体。碳在α-Fe中的溶解量很低，在AC1温度，碳的最大溶解量为0.0218%，但随温度下降的溶解度则降至0.0084%，因而在缓冷条件下铁素体晶界处会出现三次渗碳体。随钢铁中碳含量增加，铁素体量相对减少，珠光体量增加，此时铁素体则是网络状和月牙状。
二、奥氏体
碳溶于γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为奥氏体，具有面心立方结构，为高温相，用符号A表示。奥氏体在1148℃有最大溶解度2.11%C，727℃时可固溶0.77%C；强度和硬度比铁素体高，塑性和韧性良好，并且无磁性，具体力学性能与含碳量和晶粒大小有关，一般为170~220 HBS、 =40~50%。TRIP钢（变塑钢）即是基于奥氏体塑性、柔韧性良好的基础开发的钢材，利用残余奥氏体的应变诱发相变及相变诱发塑性提高了钢板的塑性，并改善了钢板的成形性能。碳素或合金结构钢中的奥氏体在冷却过程中转变为其他相，只有在高碳钢和渗碳钢渗碳高温淬火后，奥氏体才能残留在马氏体的间隙中存在，其金相组织由于不易受侵蚀而呈白色。
三、渗碳体
渗碳体是碳和铁以一定比例化合成的金属化合物，用分子式Fe3C表示，其含碳量为6.69%，在合金中形成(Fe,M)3C。渗碳体硬而脆，塑性和冲击韧度几乎为零，脆性很大，硬度为800HB。在钢铁中常呈网络状、半网状、片状、针片状和粒状分布。
四、珠光体
由铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号P表示。其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。珠光体是钢的共析转变产物，其形态是铁素体和渗碳体彼此相间形如指纹，呈层状排列。按碳化物分布形态又可分为片状珠光体和球状珠光体二种。
（1）片状珠光体：又可分为粗片状、中片状和细片状三种。
（2）球状珠光体：经球化退火获得，渗碳体成球粒状分布在铁素体基体上；渗碳体球粒大小，取决于球化退火工艺，特别是冷却速度。球状珠光体可分为粗球状、球状、细球状和点状四种珠光体。
五、贝氏体
是钢的奥氏体在珠光体转变区以下，Ms点以上的中温区转变的产物。贝氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物，介于珠光体与马氏体之间的一种组织，用符号B表示。根据形成温度不同，分为粒状贝氏体、上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。粒状贝氏体强度较低,但具有较好的韧性;下贝氏体既具有较高的强度，又具有良好的韧性;粒状贝氏体的韧性最差。贝氏体形态多变，从形状特征来看，可将贝氏体分为羽毛状、针状和粒状三类。
（1）上贝氏体：上贝氏体特征是：条状铁素体大体平行排列，其间分布有与铁素体针轴平行的细条状（或细短杆状）渗碳体，呈羽毛状。
（2）下贝氏体：呈细针片状，有一定取向，较淬火马氏体易受侵蚀，极似回火马氏体，在光镜下极难区别，在电镜下极易区分；在针状铁素体内沉淀有碳化物，且其排列取向与铁素体片的长轴成55~60度，下贝氏体内不含孪晶，有较多的位错。
（3）粒状贝氏体：外形相当于多边形的铁素体，内有许多不规则小岛状的组织。当钢的奥氏体冷至稍高于上贝氏体形成温度时，析出铁素体有一部分碳原子从铁素体并通过铁素体/奥氏体相界迁移到奥氏体内，使奥氏体不均匀富碳，从而使奥氏体向铁素体的转变被抑制。这些奥氏体区域一般型如孤岛，呈粒状或长条状，分布在铁素体基体上，在连续冷却过程中，根据奥氏体的成分及冷却条件，粒贝内的奥氏体可以发生如下几种变化。
（i）全部或部分分解为铁素体和碳化物。在电镜下可见到弥散多向分布的粒状、杆状或小块状碳化物；
（ii）部分转变为马氏体，在光镜下呈综黄色；
（iii）仍保持富碳奥氏体。
粒状贝氏体中的铁素体基体上布有颗粒状碳化物（小岛组织原为富碳奥氏体，冷却时分解为铁素体及碳化物，或转变为马氏体或仍为富碳奥氏体颗粒）。羽毛状贝氏体，基体为铁素体，条状碳化物于铁素体片边缘析出。下贝氏体，针状铁素体上布有小片状碳化物，片状碳化物于铁素体的长轴大致是55~60度角。
六、 魏氏组织
它是一种过热组织，由彼此交叉约60°的铁素体针片嵌入钢铁的基体而成。粗大的魏氏组织使钢材的塑性、韧性下降，脆性增加。亚共析钢加热时因过热而形成粗晶，冷却时又快速析出，故铁素体除沿奥氏体晶界成网状析出外，还有一部分铁素体从晶界向晶内按切变机制形成并排成针状独自析出，这种分布形态的组织称为魏氏组织。过热过共析钢冷却时渗碳体也会形成针状自晶界向晶内延伸而形成魏氏组织。
七、马氏体
碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体。马氏体有很高的强度和硬度，但塑性很差，几乎为零，用符号M表示，不能承受冲击载荷。马氏体是过冷奥氏体快速冷却，在Ms与Mf点之间的切变方式发生转变的产物。这时碳（和合金元素）来不及扩散只是由γ-Fe的晶格（面心）转变为α-Fe的晶格（体心），即碳在γ-Fe中的固溶体（奥氏体）转变为碳在α-Fe中的固溶体，故马氏体转变是“无扩散”的根据马氏体金相形态特征，可分为板条状马氏体（低碳）和针状马氏体。
（1）板条状马氏体：又称低碳马氏体。尺寸大致相同的细马氏体条定向平行排列，组成马氏体束或马氏体领域；在领域与领域之间位向差大，一颗原始奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的领域。由于板条状马氏体形成的温度较高，在冷却过程中，必然发生自回火现象，在形成的马氏体内部析出碳化物，故它易受侵蚀发暗。
（2）针状马氏体：又称片状马氏体或高碳马氏体，它的基本特征是：在一个奥氏体晶粒内形成的第一片马氏体片较粗大，往往贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使以后形成的马氏体大小受到限制，因此片状马氏体的大小不一，分布无规则。针状马氏体按一定方位形成。在马氏体针叶中有一中脊面，碳量越高，越明显，且马氏体也越尖，同时在马氏体间伴有白色残留奥氏体。
（3）淬火后形成的马氏体经过回火还可以形成三种特殊的金相组织：
（i）回火马氏体：指淬火时形成的片状马氏体（晶体结构为体心四方）于回火第一阶段发生分解—其中的碳以过渡碳化物的形式脱溶—所形成的、在固溶体基体（晶体结构已变为体心立方）内弥散分布着极其细小的过渡碳化物薄片（与基体的界面是共格界面）的复相组织；这种组织在金相（光学）显微镜下即使放大到最大倍率也分辨不出其内部构造，只看到其整体是黑针（黑针的外形与淬火时形成的片状马氏体（亦称“α马氏体”）的白针基本相同），这种黑针称为“回火马氏体”。
（ii）回火屈氏体：淬火马氏体经中温回火的产物，其特征是：马氏体针状形态将逐步消失，但仍隐约可见（含铬合金钢，其合金铁素体的再结晶温度较高，故仍保持着针状形态），析出的碳化物细小，在光镜下难以分辨清楚，只有电镜下才可见到碳化物颗粒，极易受侵蚀而使组织变黑。如果回火温度偏上限或保留时间稍长，则使针叶呈白色；此时碳化物偏聚于针叶边缘，这时钢的硬度稍低，且强度下降。
（iii）回火索氏体：淬火马氏体经高温回火后的产物。其特征是：索氏体基体上布有细小颗粒状碳化物，在光镜下能分辨清楚。这种组织又称调质组织，它具有良好的强度和韧性的配合。铁素体上的细颗粒状碳化物越是细小，则其硬度和强度稍高，韧性则稍差些；反之，硬度及强度较低，而韧性则高些。
八、莱氏体
铁碳合金中的共晶混合物，即碳的质量分数（含碳量）为4.3%的液态铁碳合金，在1480摄氏度时，同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，故在室温时莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区別起见将727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体（Ld)，727℃以下 的莱氏体称为低温莱氏体(L'd)。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高塑性差。
表1 钢铁材料的基本组织
序号 | 名 称 | 含 义 |
1 | 晶粒和晶界 | 金属结晶后形成的外形不一致、内部品格排列方向一致的小晶体，称为晶粒。晶粒与晶粒之间的分界面，称为晶界 |
2 | 相和相界 | 在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并有界面相互隔开的均匀组成部分，称为相。相与相之间的界面，称为相界 |
3 | 固溶体 | 在组成合金的一种金属元素的晶体中溶有另一种元素的原子形成的固态相，称为固溶体。固溶体一般有较高的强度、良好的塑性、耐蚀性以及较高的电阻和磁性 |
4 | 金属化合物 | 合金中不同元素的原子相互作用形成的、晶格类型和性能完全不同于其组成元素的、具有金属特性的固态相，称为金属化合物 |
5 | 奥氏体 | 奥氏体是碳和其他元素溶解在y-Fe中的固溶体。奥氏体具有面心立方晶体，塑性好，一般在高温下存在 |
6 | 铁索体 | 铁素体是碳和其他元素溶解于a-Fe中的固溶体。铁素体具有体心立方晶格，含碳量极少，其性能与纯铁极为相似，也叫纯铁体 |
7 | 渗碳体 | 渗碳体是铁和碳的化合物，也称碳化三铁(№c)，含碳量6.69％，具有复杂的品格结构。其性能硬而脆，几乎没有塑性 |
8 | 珠光体 | 珠光体是铁索体和渗碳体相间的片层状组织。因其显微组织有指纹状的珍珠光泽而得名。其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并具有良好的塑性和韧性 |
9 | 索氏体 | 亦称细珠光体，是奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合物。其层片比珠光体细，仅在高倍显微镜下才能辨别。硬度、强度和冲击韧性均高于珠光体 |
10 | 屈氏体 | 亦称极细珠光体，由奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合体。其层片比索氏体更细。其硬度和强度均高于索氏体 |
11 | 贝氏体 | 贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。贝氏体又分为上贝氏体和下贝氏体。在较高温度形成的称“上贝氏体”，呈羽毛状；在较低温度形成的称“下贝氏体”，呈针状或竹叶状。下贝氏体与上贝氏体相比，其硬度和强度更高，并保持一定的韧性和塑性 |
12 | 马氏体 | 马氏体通常是指碳在a-Fe中的过饱和固溶体。钢中马氏体的硬度随碳含量的增加而提高。高碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。马氏体在奥氏体转变产物中硬度最高 |
13 | 莱氏体 | 是碳合金中的一种共晶组织。在高温时由奥氏体和渗碳体构成；在低温时(727℃以下)，由珠光体和渗碳体构成。含碳量为4.3％，组织中含有大量渗碳体，所以硬度高，塑性、韧性低 |
14 | 断口检验 | 断口组织是钢材质量标志之一。将试样刻槽或折断后用肉眼或lO倍放大镜检查断口情况，称为断口检验。从断口可以看出金属的缺陷 |
15 | 塔形车削发纹检验 | 将钢材车成规定的塔形或阶梯形试样，然后用酸蚀或磁粉法检验发纹，简称塔形检验 |
表2 钢铁材料的一般热处理
名称 | 热处理过程 | 热处理目的 | |||
1．退火 | 将钢件加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却到室温 | ①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工 ②细化晶粒，均匀钢的组织，改善钢的性能及为以后的热处理作准备 ③消除钢中的内应力。防止零件加工后变形及开裂 | |||
退 火 类 别 | 完全退火 | 将钢件加热到临界温度(不同钢材临界温度也不同，一般是710-750℃，个别合金钢的临界温度可达800—900℃)以上30—50℃，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却(或埋在沙中冷却) | 细化晶粒，均匀组织，降低硬度，充分消除内应力完全退火适用于含碳量(质量分数)在0.8％以下的锻件或铸钢件 | ||
球化退火 | 将钢件加热到临界温度以上20~30℃，经过保温以后，缓慢冷却至500℃以下再出炉空冷 | 降低钢的硬度，改善切削性能，并为以后淬火作好准备，以减少淬火后变形和开裂,球化退火适用于含碳量(质量分数)大于0.8％的碳素钢和合金工具钢 | |||
去应力退火 | 将钢件加热到500~650℃，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般采用随炉冷却) | 消除钢件焊接和冷校直时产生的内应力，消除精密零件切削加工时产生的内应力，以防止以后加工和用过程中发生变形 去应力退火适用于各种铸件、锻件、焊接件和冷挤压件等 | |||
2．正火 | 将钢件加热到临界温度以上40~60℃，保温一定时间，然后在空气中冷却 | ①改善组织结构和切削加工性能 ②对机械性能要求不高的零件，常用正火作为最终热处理 ③消除内应力 | |||
3．淬火 | 将钢件加热到淬火温度，保温一段时间，然后在水、盐水或油(个别材料在空气中)中急速冷却 | ①使钢件获得较高的硬度和耐磨性 ②使钢件在回火以后得到某种特殊性能，如较高的强度、弹性和韧性等 | |||
淬 火 类 别 | 单液淬火 | 将钢件加热到淬火温度，经过保温以后，在一种淬火剂中冷却。 单液淬火只适用于形状比较简单，技术要求不太高的碳素钢及合金钢件。淬火时，对于直径或厚度大于5~8mm的碳素钢件，选用盐水或水冷却；合金钢件选用油冷却 | |||
双液淬火 | 将钢件加热到淬火温度，经过保温以后，先在水中快速冷却至300~400℃，然后移人油中冷却 | ||||
火焰表面淬火 | 用乙炔和氧气混合燃烧的火焰喷射到零件表面，使零件迅速加热到淬火温度，然后立即用水向零件表面喷射, 火焰表面淬火适用于单件或小批生产、表面要求硬而耐磨，并能承受冲击载荷的大型中碳钢和中碳合金钢件，如曲轴、齿轮和导轨等 | ||||
表面感应淬火 | 将钢件放在感应器中，感应器在一定频率的交流电的作用下产生磁场，钢件在磁场作用下产生感应电流，使钢件表面迅速加热(2~10min)到淬火温度，这时立即将水喷射到钢件表面。 经表面感应淬火的零件，表面硬而耐磨，而心部保持着较好的强度和韧性。 表面感应淬火适用于中碳钢和中等含碳量的合金钢件 | ||||
4．回火 | 将淬火后的钢件加热到临界温度以下，保温一段时间，然后在空气或油中冷却。 回火是紧接着淬火以后进行的，也是热处理的最后一道工序 | ①获得所需的力学性能。在通常情况下，零件淬火后的强度和硬度有很大提高，但塑性和韧性却有明显降低，而零件的实际工作条件要求有良好的强度和韧性。选择适当的回火温度进行回火后，可以获得所需的力学性能 ②稳定组织，稳定尺寸 ③消除内应力 | |||
类 别 | 低温回火 | 将淬硬的钢件加热到150~50℃,并在这个温度保温一定时间，然后在空气中冷却,低温回火多用于切削刀具、量具、模具、滚动轴承和渗碳零件等 | 消除钢件因淬火而产生的内应力 | ||
中温回火 | 将淬火的钢件加热到350~450％，经保温一段时间冷却下来,一般用于各类弹簧及热冲模等零件 | 使钢件获得较高的弹性、一定的韧性和硬度 | |||
高温回火 | 将淬火后的钢件加热到500~650℃，经过保温以后冷却,主要用于要求高强度、高韧性的重要结构零件，如主轴、曲轴、凸轮、齿轮和连杆等 | 使钢件获得较好的综合力学性能，即较高的强度和韧性及足够的硬度，消除钢件因淬火而产生的内应力 | |||
5．调质 | 将淬火后的钢件进行高温(500~600℃)回火多用于重要的结构零件，如轴类、齿轮、连杆等调质一般是在粗加工之后进行的 | 细化晶粒，使钢件获得较高韧性和足够的强度，使其具有良好的综合力学性能 | |||
6．时 效 处 理 | 人工时效 | 将经过淬火的钢件加热到100~160℃，经过长时间的保温，随后冷却 | 消除内应力，减少零件变形，稳定尺寸，对精度要求较高的零件更为重要 | ||
自然时效 | 将铸件放在露天；钢件(如长轴、丝杠等)放在海水中或长期悬吊或轻轻敲打要经自然时效的零件，最好先进行粗加工 | ||||
7．化学热处理 | 将钢件放到含有某些活性原子(如碳、氮、铬等)的化学介质中，通过加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些原子渗入到钢件的表层，从而达到改变钢件表层的化学成分，使钢件表层具有某种特殊的性能 | ||||
化 学 热 处 理 | 钢渗的碳 | 将碳原子渗入钢件表层 常用于耐磨并受冲击的零件，如:轮、齿轮、轴、活塞销等 | 使表面具有高的硬度(HRC60~65)和耐磨性，而中心仍保持高的韧性 | ||
钢渗的氮 | 将氮原子渗入钢件表层 常用于重要的螺栓、螺母、销钉等零件 | 提高钢件表层的硬度、耐磨性、 耐蚀性 | |||
类 别 | 钢的氰化 | 将碳和氮原子同时渗人到钢件表层适用于低碳钢、中碳钢或合金钢零件，也可用于高速钢刀具 | 提高钢件表层的硬度和耐磨性 | ||
8．发黑 | 将金属零件放在很浓的碱和氧化剂溶液中加热氧化，使金属零件表面生成一层带有磁性的四氧化三铁薄膜常用于低碳钢、低碳合金工具钢 由于材料和其他因素的影响，发黑层的薄膜颜色有蓝黑色、黑色、红棕色、棕褐色等，其厚度为0.6~0.8µm | 防锈、增加金属表面美观和光泽，消除淬火过程中的应力 | |||
1．淬火、回火准备工作：1）检查设备，仪表是否正常；2）正确选择夹具；3）检查零件表面是否有碰伤、裂纹、锈斑等缺陷；4）确认零件要求的淬火部位硬度、变形等的技术要求，核对零件的形状、材料的加工状态是否与图样及工艺文件相符合；5）表面不允许氧化、脱碳的零件，当在空气炉加热时，应采取防氧化脱碳剂装箱保护或采用真空炉加热；6）易开裂的部位如尖角靠边的孔，应采取预防措施，如塞石棉、耐火泥等。
2．常见材料淬火、回火工艺规范
1）加热温度
表1 常用材料的常规淬火、回火规范
钢 号 | 淬火温度℃ | 冷却剂 | 回火温度℃ | 表面硬度HRC | 备 注 |
45 | 780～800 | 水 | 200～220 | 38～42 | |
820～850 | 520～560 | 23～28 | |||
760～790 | 180～220 | 43～48 | |||
Cr12MoV | 1060～1070 | 风冷 | 500～510 | 58～62 | 真空淬火炉淬火风冷，回火两次。 |
510～520 | 56～60 | ||||
550～560 | 48～52 | ||||
1020～1040 | 油 | 200～220 | 58～62 | 工件厚度超过60mm，而且淬油的，必须回火三次。 | |
500～520 | 55～58 | ||||
520～530 | 54～56 | ||||
560～580 | 44～48 | ||||
9CrWMn | 820～840 | 油 | 190～210 | 58～62 | 真空淬火炉 |
Cr12Mo1V1 | 1020～1040 | 油 | 500～520 | 50～56 | 真空淬火炉 |
200～220 | 58～62 | ||||
1050～1080 | 风冷 | 510～540 | 56～61 | 真空淬火炉淬火风冷，回火两次；工件厚度超过60mm，而且淬油的，必须回火三次。 | |
4Cr5MoSiV1 | 1000～1040 | 油 | 200～220 | 48～52 | |
4Cr13 | 1020～1050 | 油 | 200～220 | 49～54 | |
7Cr7Mo3V2Si | 1110～1130 | 油 | 560回火三次 | 58～62 | 真空炉淬火、回火 |
HS-1 | 960～980 | 空冷 | 180～200 | 58～62 | 可火焰淬火 |
注：Cr12Mo1V1 即 D2（美国）、1.2379（德国）、SLD（日立）、SKD11（日本）、K110（奥地利）；
9CrWMn 即 O1（美国）、1.2510（德国）、K460（奥地利）；
4Cr5MoSiV1 即 H13（美国）、1.2344（德国）、8407/8402（一胜百）、W302（奥地利）；
7Cr7Mo3V2Si 即 LD1；
HS-1是高级火焰淬火，多用模具钢；
除45号钢或特别说明均采用回火两次的工艺。
2）淬火保温时间t =8～10 min+kαD
k——装炉系数（1～1.5）；α——保温系数（见表2）；D——零件有效厚度。
表2 淬火保温系数
钢 种 | 加热温度℃ | 保温系数 | |
电 炉 | 真 | ||
碳素工具钢 | 550～650℃（预热） | 1.2～1.5 | 2～2.5 |
760～840 | 0.6～0.8 | 1.2～1.5 | |
低合金模具钢 | 550～650（预热） | 1.5～1.8 | 2.5～3 |
820～950 | 1.2～1.3 | 0.8～1 | |
中、高合金模具钢 | 580～650 | 1～1.2 | 1.4～1.7 |
800～850 | 1～1.5 | 0.8～1.2 | |
950～1100 | 0.8～1 | 0.5～0.8 | |
3）回火保温时间
①工件有效厚度d<=50mm，保温2小时；
②工件有效厚度d>50mm，按照保温时间t=d/25（小时）计算；
③ 每次回火后空冷至室温，再进行下次回火。
4）去应力（入炉时效）
①高合金钢550~650℃，热透后，保温时间>3小时；
3．淬火和回火设备
1）淬火设备——真空淬火炉、中温箱式炉、高温箱式炉。
2）回火设备——真空回火炉、中温箱式炉。
3）冷却设备——水槽、油槽、风箱。
设备名称 | 有效工作尺寸 | 功率 | 最高使用温度 |
真空淬火炉 | 900 | 125Kw | 13000C |
真空回火炉 2R-48 | 900 | 48Kw | 7000C |
铝型材加热炉 863-008 | 800 | 25Kw | 6000C |
箱式电阻炉 863-004 | 500 | 12Kw | 10000C |
箱式电阻炉 863-003 | 810 | 20Kw | 13500C |
高温箱式电阻炉 863-007 | 950 | 45Kw | 12000C |
4．操作方法
1）零件应均匀摆放于炉内有效加热区，在箱式炉中一般为单层排列加热，工件间适当间隙。小件可适当堆放，但要酌情增加保温时间。
2）细长零件加热要考虑装炉方法，以减少工件变形，如垂直吊挂，侧立放平支稳等。
3）零件同炉加热,截面尺寸不宜相差过大,厚度10～50mm同一炉,50～80mm同一炉，大截面零件应摆放在炉膛里面,以便小工件先出炉。大小零件分别计算加热时间(仅指箱式炉)。
4）高合金钢及形状复杂的中小截面零件，应在550～650℃装炉，并经预热保温后，才能进行升温加热。
5）高温合金钢零件要经过一次或两次预热，才能加热淬火（见下图）。
6）不同类型的零件在淬火冷却过程中应遵守下列原则：
轴、套筒、圆环类零件：应沿轴心方向垂直进入冷却剂，并在冷却剂中上下窜动。
垫圈类零件：应径向垂直进入冷却剂。
长板类零件：选择横向侧面进入冷却剂为好。
有盲孔凹面的零件：盲孔凹面向上进入冷却剂。
截面厚薄相差较大的零件：大截面部分应先进入冷却剂。
带单面长槽的零件：应槽口向上，一端倾斜45°进入冷却剂。
7）淬火后应及时回火,一般零件淬火至回火不超过4小时，大型或复杂易裂零件应立即回火。
8）返修的零件在重淬前一般需经高温回火或正火处理；合金工具零件应退火处理。
9）有淬裂危险的零件，在淬火冷却至50～80℃即应入炉回火。
10）需多次回火的零件，每次回火均应冷至室温。
11）凸、凹模和成形零件等硬件主要进真空炉热处理，真空度＜＝2.66Pa。以防氧化、脱碳。
5．常见的缺陷及解决的办法
表3 淬火缺陷原因及解决办法
缺陷特征 | 产 生 原 因 | 解 |
表面硬度低或软点 | 加热温度低，保温时间短；冷却速度慢或不均匀；从冷却介质中提出过早；表面或局部脱落；回火温度高；原始组织不良。 | 核对温度仪表，正确执行工艺；改变或搅拌冷却介质；严格检查原材料，改进预先热处理；采取保护加热。 |
马氏体 组织粗大 | 加热温度过高；原始晶粒太大。 | 严格控制温度；进行预先热处理。 |
变形与 开裂 | 原材料组织不均匀，有冶炼金属缺陷；加热温度过高；冷却太快或不均；零件的结构形状复杂；二次淬火前未经正火或退火处理；未及时回火或回火不充分。合金工具钢锻件，锻造比小：材质内碳化物严重，锻打时没击碎。 | 加强原材料进货检验；正确掌握工艺，选择合适冷却介质。 |
1．准备工作
1）检查设备，仪表是否正常，并应事先将炉膛清理干净；
2）核对物料与图样是否相符，了解零件的技术要求与工艺规范；
3）正确选择工装夹具，确定出炉方法；
4）对不允许表氧化，脱碳的零件，应采用进行防氧化脱碳剂保护或真空炉处理。
2．工艺规范：1）加热温度
表4 常用钢退火工艺规范
钢 号 | Acl℃ | 加热温度℃ | 等温温度℃ | 等温时间（H） | 退火硬度HB |
GCr15 | 745 | 790～810 | 700～720 | 1～2 | 207～229 |
Cr12 | 810 | 850～870 | 730～750 | 6～8 | 207～215 |
Cr12MoV | 810 | 850～870 | 720～740 | 3～4 | 207～215 |
表5 常用钢材的正火温度
钢 材 | 正火温度℃ | 硬度HB |
45 | 840～860 | 170～217 |
40Cr | 860～880 | 179～229 |
2）保温时间：电炉加热的保温时间 = 零件有效厚度×保温系数
表6 退火、正火保温系数
钢 种 | 保温时间min/mm | |
退 火 | 正 火 | |
碳素结构钢 | 1.5～1.8 | 1.0～1.5 |
合金结构钢 | 1.8～2.0 | 1.2～1.8 |
合金工具钢 | 2.0～3.0 | |
3）冷却速度
碳素钢退火应以不大于100～200℃/h的冷却速度冷至500～550℃后空冷。合金钢及高合金退火应不大于20～100℃/h的冷却速度冷至500～550℃后室冷，正火应在空气中散开冷却不允许堆放或置于潮湿的地上冷却，大件或要求硬度高的零件方可在流动空气中或其它介质中冷却。
3．加热设备：退火、正火主要采用箱式炉，必要时可选用真空炉。
4．操作方法
1）零件装炉时，必须放置在预先确定的有效加热区内，装置量、装炉方式及堆放形式的确定应以保正零件均匀加热和冷却，且不造成有害缺陷的原则；装箱退火时，箱间距离应大于100mm。
2）装炉后需要检查零件与电热原件确无接触时，方可送电升温，在操作过程中，不得随意打开炉门。
3）零件的升温速度主要根据化学成份，几何形状等因素来确定，对于高碳，高合金钢断面较大或形状复杂的零件，以及装箱退火零件，应采用低温装炉，加热到500～550℃保温一段时间后再加热到规定的温度。
4）保温时间从炉温达到规定的温度算起，但装炉量大时，应适当延长，对于装箱退火，通常应增加2～3h。
5）对于易变形件，装炉时应注意，支平放稳。
5．常见缺陷及解决方法：
缺 陷 特 征 | 产 生 原 因 | 解 决 方 法 |
硬度高，球化不完全，细片状碳化物多 | 加热温度低或保温时间短。 | 重新退火 |
网状碳化物严重 | 正火温度偏低；保温时间太短；冷速不够或退火温度超过Acm。 | 加热到Acm以上温度后快冷到670℃以下空冷再重新退火。 |
碳钢中自由石墨析出呈黑色断口 | 退火时从1000℃缓冷时间太长或在760～780℃停止时间太长。 | 报废 |
1．准备工作
1）检查乙炔，氧气瓶的压力是否符合要求；
2）检查零件是否与图样及文件及工艺文件相符，表面不得有氧化皮、毛刺等；
3）适用于火焰淬火的材料是：含碳量在0.3～0.6%碳素钢最适宜，以及碳含量为0.3～
0.5%的低合金钢。在表面淬火前，为了获得良好的淬火质量，一般先进行正火和调质处理得到细晶粒的索氏体加铁素体或回火索氏体组织。
2．工艺规则
1）气体压力与流速：压力过低会造成淬火表面硬度过低，压力过大会引起火焰跳动，一般情况下氧气压力取0.5～0.8Mpa乙炔气的压力取0.005～0.007Mpa；
2）混合气的比例通常为氧：乙炔 =（1.1：1）～（1.57：1），这样即为中性火焰；
3）喷火器应与零件表面垂直，距冷却水的距离应为10～40mm；
4）零件加热温度一般为880～900℃，目测时呈现樱红色即可淬火；
5）对含碳量0.6%以下的碳钢用15～25℃的水冷却，碳含量大于0.6%的碳钢和含铬及锰的低合金钢用30～40℃的水与空气的联合冷却，部分高合金钢可以空冷；
6）对于易产裂纹的工件，淬火后应及时回火；
7）HS-1火焰淬火：中性焰，火焰长度10～15mm距刃口边缘4～6mm，加热带8～12mm（单喷嘴）12～20mm（双喷嘴）；氧气压力49～69N/mm，乙炔压力4.9～6.9N/mm，可经火焰预热180～200℃，1～1.5小时，淬火加温900～1000℃（目测）；空冷，一般模具淬火后可用火焰回火，回火后表面硬度50～60HRC，淬硬层3～4mm。
3．常见缺陷及解决办法：
缺陷特征 | 产生原因 | 解决办法 |
淬裂 | 原始组织不良；淬火温度高；加热冷却速度快；零件结构复杂。 | 进行预先热处理；调整喷焰器的移动速度和距零件的距离；大型零件可先预热；改变冷却条件；零件淬火表面要避免尖角，小孔。 |
软点 | 加热不够和冷却不充分；零件表面不清洁；局部有脱碳现象。 | 严格控制温度均匀；保证水压稳定；淬火前应认真清理零件表面锈迹。 |
硬度不足 | 淬火温度低，冷却不充分。 | 提高淬火温度；增加冷却速度。 |
1．热处理前仔细消化图纸和工艺要求，检查工件是否和图纸符合，零件表面有无裂纹等；
2．检查所用设备、仪表是否正常，能否满足工艺要求；
3．根据图纸要求和通用工艺规范确定零件的加热工艺参数（温度、时间），并随时检查仪表显示是否符合预定工艺；
4．工件在热处理工艺完成后自检内容：
1）外观：在工件表面不能有裂纹及伤痕等缺陷，按热处理工件数量100%自检；
2）表面硬度：表面硬度自检一般安排在第一次回火后进行，按热处理工件数量大小进行抽检，检测方法按《金属洛氏硬度试验法》的规定进行，未抽检的工件，用刀100%检查；
3）变形：淬火、回火工件的变形应不影响以后的机械加工和使用，允许变形量见下表：
材 料 | 变 形 量 |
D2、Cr12、Cr12MoV | 不大于0.5/400 |
HS-1 | 不大于0.3/400 |
45 | 不大于0.8/400 |
4）变形量采用平尺、塞尺组合测量；
5）对于有特殊要求的工件应进行金相检测、探伤检测。
5．自检过程中发现不符合图纸及工艺要求，应通知现场工艺员做出处理意见，不准许流入下工序。
铁碳相图中的相有：
铁素体：碳溶解于α-Fe中形成的固溶体，用α 或 F 表示；
高温铁素体（δ-铁素体） ：由于δ-Fe是高温相，因此碳溶解于δ-Fe中形成的固溶体也称为高温铁素体，用δ 表示
奥氏体：碳溶解于g－Fe中形成的固溶体，用g 或A 表示
渗碳体：铁和碳形成的化合物，含碳量为6.69%，用Fe3C或Cm表示
铁碳相图中的组织：
珠光体：共析转变的产物，是a 与Fe3C的机械混合物，用P表示。
莱氏体：共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，用符号Ld 表示。
低温莱氏体：这种由P与Fe3C组成的共晶体称，用Le’表示
此外还有Fe3CⅠ、Fe3C Ⅱ、Fe3CⅢ以及Fe3C（共析渗碳体）
是不是已经凌乱了，不要急，看了图就不乱了
组织及相组成计算
接下来让我们们看一下含碳量不同的液相的析晶过程：
C%很低
亚共析
共析
过共析
亚共晶
共晶
过共晶
材料科学基础总复习
1、概念
应力、应变、应力－应变曲线、滞弹性、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、塑性、滑移、孪生、滑移带、临界分切应力、加工硬化、柯氏气团、形变织构、残余应力、金属强化机制、断裂（脆性、延性）、回复、再结晶、多边化、二次再结晶、弓出形核。
2、计算、分析、判断
形变相关物理量计算、相关机理分析判断。
3、晶体的塑性变形—— 单晶体
单晶体的塑性变形，主要通过滑移，还有孪生、扭折等。
变形的微观过程
弹性变形－外力克服单晶原子间的键合力，使原子偏离其平衡位置，试样开始伸长
晶面滑移－当外力大于屈服极限后，沿单晶的某一特定晶面原子的产生相对滑移。随应力的增加，发生滑移的晶面增加，塑性变形量加大。
滑移系 = 滑移面 + 滑移方向
临界分切应力
4、滑移的位错机制—— 点阵阻力（派-纳力）
实测晶体滑移的临界切应力，较理论计算低3~4个数量级，表明晶体滑移是借助位错在滑移面上运动而逐步实现的。
晶体滑移需克服点阵阻力，由派尔斯R. Peierls 和纳巴罗F.R.N. Nabarro 首先估算了此阻力，即派-纳力tN-P，相当于简单立方晶体中使刃形位错运动所需的临界分切应力：
5、滑移与孪生变形的主要区别
孪生通过晶格切变使晶格位向改变，使变形部分与未变形部分呈镜面对称；而滑移不引起晶格位向改变
孪生时，相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距；而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移量是原子间距的整数倍
孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度大得多，接近声速
孪生可在位错滑移受阻时调整晶体的变形能力
滑移 孪生变形
6、晶体的塑性变形——多晶体
晶界的影响：
晶界上原子排列不规则、点阵畸变、两侧滑移方向和滑移面不一致，因此，室温下晶界对滑移具有阻碍效应。位错在晶界处的位错塞积效应抑制了位错源的开动。
金属的强化机制：与约束和钉扎位错的滑移有关
1）固溶强化：柯氏Cotrell气团
2 ) 加工硬化：冷加工程度
3 ) 细晶强化：Hall-Petch公式
4 ) 弥散强化
7、冷变形金属的加热—— 组织变化
回复：晶粒的形态、大小与变形态相同，但亚结构、性能已有变化
再结晶：出现无畸变的等轴晶粒，逐步取代变形晶粒
晶粒长大：再结晶结束后的晶粒继续长大
8、冷变形金属的加热——性能变化
— 强度和硬度：
回复阶段变化小；
再结晶阶段变化大(与位错密度有关)
— 电阻：
回复阶段已有大的变化(与点缺陷有关)
— 内应力：
回复阶段消除大部或全部内应力；
再结晶阶段全部消除微观内应力
— 亚晶粒尺寸：
回复阶段变化小；
接近再结晶时，显著增大
— 密度：
再结晶阶段急剧增高(缺陷减少)
— 储存能的变化：
再结晶阶段释放多
9、回复 Recovery
现象：除内应力大大减少外，在光学显微镜下看不到金相组织的变化。在电子显微镜下观察，点缺陷有所减少，位错在形态上也有变化，但数量没有明显减少
回复阶段退火的作用：提高扩散；促进位错运动；释放内应变能
回复退火产生的结果：电阻率下降；硬度、强度下降不多；降低内应力
10、再结晶 Recrystallization
冷变形金属加热到一定温度后，在原变形组织中重新产生了无畸变的等轴新晶粒，性能发生明显的变化、并恢复到变形前状况的过程
现象：显微组织重新改组的过程，原来的晶粒全部被新的小晶粒所代替，基本消除加工硬化的影响
驱动力：变形金属经回复后未被释放的储存能（相当于变形总储能的90%）
过程：再结晶的形核和长大过程
特点：无晶体结构、化学成分的变化，不是相变；新晶粒长大通过短程扩散；再结晶程度依赖于温度和时间
再结晶形核模式：
— 晶界弓出形核（应变诱导晶界移动、凸出形核）
— 亚晶合并机制
— 亚晶迁移机制
11、再结晶温度
再结晶温度：一定条件下，冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。
定义1：一般以显微镜中出现第一颗新晶粒的温度，或硬度下降50%所对应的温度
定义2：工业上通常以经过大变形量（70%以上）的冷变形金属，经1小时退火完成再结晶（转变量大于95%）所对应的温度
通常再结晶温度在 (0.35 ~ 0.5) Tm，最高可达0.7 Tm
12、晶粒长大
晶粒长大：再结晶结束后，材料通常得到细小等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，引起晶粒进一步长大的现象
驱动力：总晶界能的降低
按特点分类：
— 正常长大：大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大
— 异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大
13、再结晶织构
具有变形织构的金属，经再结晶后的新晶粒仍具有择优取向
再结晶织构与变形织构的关系：
— 与原有的织构相一致（类似遗传）；
— 原有织构消失而代之以新的织构（类似变异）；
— 原有织构消失不再产生新的织构
再结晶织构的形成机制
— 定向生长理论：晶核位向各异，只有特殊位向的容易长大
— 定向形核理论：再结晶晶核具有择优取向
1、概念
组元、相、相区、相图、自由度、相律、匀晶转变及条件、共晶转变、包晶转变、平衡与非平衡凝固、枝晶偏析、杠杆定律、共析转变、稳定化合物、包析转变、伪共晶、离异共晶。
Fe-Fe3C相图（能够默画，标注P、S、E、C点成分及共晶、共析转变温度，并用相和组织标注相图），铁素体、奥氏体、渗碳体、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体、工业纯铁、钢、铸铁。
2、分析、计算、判断
利用杠杆定律计算成分、利用相律判断、 Fe-Fe3C相图中特定成分的冷却过程及组织形成。
3、相律
F = C – P + 1 （压力确定）
F ——系统的自由度数，即不影响系统状态的条件下，能够独立变化的因素数
C ——组成物的组元数
P ——系统中能够同时存在的相数
杠杆定律：
两相的重量比为：
4、组织组成物与相
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分，差别主要在形态上。如aⅠ、aⅡ和共晶a的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成。物。
相与相之间的差别主要在结构和成分上。
5、铁碳合金相图