钢在加热和冷却时的转变

第七章钢在加热和冷却时的转变§7.1 钢的热处理概述一、钢的热处理1.热处理的定义钢的热处理是指在固态下，将钢加热到一定的温度、保温一定的时间，然后按照一定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。

具体的热处理工艺过程可用热处理工艺曲线表示（图7.1）。

从该曲线可以看出：热处理过程由加热、保温、冷却三阶段组成，影响热处理的因素是温度和时间。

2.热处理的原理钢能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变。

通过固态相变，可以改变钢的组织结构，从而改变钢的性能。

钢中固态相变的规律称为热处理原理，它是制定热处理的加热温度、保温时间和冷却方式等工艺参数的理论基础。

热处理原理包括钢的加热转变、冷却转变和回火转变，在冷却转变中又可分为：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。

3.热处理的作用1)热处理通过改变钢的组织结构，不仅可以改善钢的工艺性能，而且可以提高其使用性能，从而充分发挥钢材的潜力。

2)热处理还可以部分消除钢中的某些缺陷，细化晶粒，降低内应力，使组织和性能更加均匀。

4.热处理的分类1)根据加热、冷却方式的不同，热处理可分为：普通热处理，表面热处理和特殊热处理。

普通热处理又包括退火、正火、淬火和回火，俗称四把火。

表面热处理又包括：表面淬火和化学热处理。

特殊热处理又包括形变热处理和真空热处理。

2)根据生产流程，热处理可分为：预备热处理和最终热处理。

前者是指为满足工件在加工过程中的工艺性能要求进行的热处理，主要有退火和正火。

而后者是指工件加工成型后，为满足其使用性能要求进行的热处理，主要有淬火和回火。

5. 热处理的重要性热处理在冶金行业和机械制造行业中占有重要的地位。

常用的冷、热加工工艺只能在一定程度上改变工件的性能，而要大幅度提高工件的工艺性能和使用性能，必须进行热处理。

例如，热轧后的合金钢钢材要进行热处理，汽车中70%——80%的零件也要进行热处理。

如果把预备热处理也包括进去，几乎所有的工件和零件都要进行热处理。

总之，为了保证冶金和机械产品质量，热处理工序往往是最关键的工序，因而引起人们的广泛重视。

二、 钢的临界温度1. 平衡临界温度图7.2是Fe~Fe 3C 相图的共析反应部分。

由图可知：将共析钢缓慢加热至A 1线（也称PSK 线或共析线）以上，可获得单相奥氏体组织，而将共析钢缓慢冷却至A 1线以下，可获得珠光体组织。

因此，A 1线是共析钢在缓慢加热或缓慢冷却时，奥氏体和珠光体相互转变的临界温度。

这个临界温度是在缓慢加热或缓慢冷却条件下得到的，所以把A 1称为奥氏体和珠光体相互转变的平衡临界温度。

相同道理，)(3GS A 线是亚共析钢在缓慢加热或缓慢冷却时，先共析铁素体和奥氏体相互转变的临界温度，所以把3A 称为奥氏体和先共析铁素体相互转变的平衡临界温度；而cm A 线（即ES 线）是过共析钢在缓慢加热或缓慢冷却时，二次渗碳体和奥氏体相互转变的临界温度，所以把cm A 称为奥氏体和二次渗碳体相互转变的平衡临界温度。

对成分一定的钢来说，cm A A A ,,31是确定的温度点，是非常缓慢加热和非常缓慢冷却条件下的临界温度点，统称为称为平衡临界温度。

2. 实际临界温度实际生产中，钢在热处理时的加热和冷却不是缓慢进行的，而是具有一定的加热速度和冷却速度。

因此，相变不是按照平衡临界温度进行的，总存在不同程度的滞后现象。

加热时，实际相变的临界温度高于平衡临界温度；冷却时，实际相变的临界温度低于平衡临界温度。

总之，实际相变的临界温度偏离了平衡临界温度，加热和冷却速度越大，偏离程度也越大。

实际相变的临界温度称为实际临界温度，为了区别于平衡临界温度，加热时的实际临界温度加注脚字母“c ”，用Ccm C C A A A ,,31表示；冷却时的实际临界温度加注脚字母“r ”，用r c m r r A A A ,,31表示。

钢加热和冷却时实际临界温度的意义如下：——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度——加热时先共析铁素体溶入奥氏体的结束温度——冷却时奥氏体析出先共析铁素体的开始温度——加热时二次渗碳体溶入奥氏体的结束温度——冷却时奥氏体析出二次渗碳体的开始温度§7.2 钢在加热时的转变一、 钢的奥氏体化前面介绍过：钢能进行热处理，是因为钢会发生固态相变，因此，钢的热处理大多是将钢加热到临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以不同的方式冷却，使钢获得不同的组织而具有不同的性能。

通常将钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。

奥氏体化过程分为两种：一种是使钢获得单相奥氏体，这称为完全奥氏体化；另一种是使钢获得奥氏体和渗碳体（或者奥氏体和铁素体）的两相组织，这称为不完全奥氏体化。

下面以共析钢为例，介绍钢的奥氏体化过程。

二、 共析钢的奥氏体化过程1. 奥氏体化过程是扩散型相变前面我们学习过：共析钢缓慢冷却得到的平衡组织是片状珠光体。

它是由片状的铁素体和渗碳体交替组成的两相混合物。

当以一定的加热速度加热至1c A 温度以上时，将发生珠光体向奥氏体的转变。

转变的反应式为：γα−→−+C Fe 3体心立方 正交晶系 面心立方0.0218% 6.69% 0.77%铁素体的晶体结构是体心立方结构，含碳量是0.0218%，而渗碳体的晶体结构属于正交晶系，含碳量是6.69%。

它俩转变的产物是面心立方结构的、含碳量0.77%的奥氏体。

转变的反应物和生成物的晶体结构和成分都不相同，因此转变过程中必然涉及碳的重新分布和铁的晶格改组，这两个变化是借助于碳原子和铁原子的扩散进行的，所以，珠光体向奥氏体的转变（即奥氏体化）是一个扩散型相变，是借助于原子扩散，通过形核和长大方式进行的。

2. 奥氏体化的四个阶段珠光体向奥氏体化是扩散型相变，转变过程分为四个阶段，如图7.4所示。

1) 奥氏体的形核将共析钢加热到1c A 温度以上，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体相界面上形核。

这是因为相界面上原子排列不规则，偏离了平衡位置，处于能量较高的状态，并且相界面上碳浓度处于过渡状态（即界面一侧是含碳量低的铁素体，另一侧是含碳量高的渗碳体），容易出现碳浓度起伏，因此相界面上了具备形核所需的结构起伏（原子排列不规则）、能量起伏（处于高能量状态）和浓度起伏，所以，奥氏体晶核优先在相界面上形核。

2) 奥氏体的长大在相界面上形成奥氏体晶核后，与含碳量高的渗碳体接触的奥氏体一侧含碳量高，而与含碳量低的铁素体接触的奥氏体一侧含碳量低。

这必然导致碳在奥氏体中由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。

碳在奥氏体中的扩散一方面促使铁素体向奥氏体转变，另一方面也促使渗碳体不断地溶入奥氏体中。

这样奥氏体就随之长大了。

实验证明：铁素体向奥氏体的转变速度，通常要比渗碳体的溶解速度快得多，因此铁素体总比渗碳体消失得早。

铁素体的消失标志着奥氏体长大结束。

3) 残余渗碳体的溶解铁素体消失后，随保温时间的延长，剩余渗碳体通过碳原子的扩散，逐渐溶入奥氏体中，直至渗碳体消失为止。

4) 奥氏体的均匀化渗碳体完全消失后，碳在奥氏体中的成分是不均匀的，原先是渗碳体的位置碳浓度高，原先是铁素体的位置碳浓度低。

随着保温时间的延长，通过碳原子的扩散，得到均匀的、共析成分的奥氏体。

总之，共析钢的奥氏体化过程包括：奥氏体形核、奥氏体长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体均匀华四个阶段。

三、奥氏体的等温形成速度（不讲）上面以共析钢为例介绍了碳钢的奥氏体化过程。

过程是粗略的，没有涉及时间，这对于制定热处理工艺是不够的，无法确定保温时间，因此必须了解不同温度等温时奥氏体化过程和时间的关系，即奥氏体等温形成速度。

下面我们先以共析钢为例，介绍奥氏体的等温形成速度，然后在此基础上，了解合金钢奥氏体化的一些情况。

1.奥氏体等温形成曲线图的结构碳钢的奥氏体等温形成速度可从奥氏体等温形成图上反映出来。

如图是共析钢的奥氏体等温形成图，横坐标是时间，纵坐标是温度，图中有四条曲线。

从左往右，依次是奥氏体形核开始线，奥氏体长大结束线，残余渗碳体溶解结束线，奥氏体碳成分均匀化结束线。

这四条曲线将图划分为五个区域：ⅰ区是珠光体区，即转变的孕育期，ⅱ区是珠光体和奥氏体共存区。

ⅲ区是奥氏体和残余渗碳体共存区。

ⅳ区是碳成分不均匀的奥氏体区，ⅴ区是碳成分均匀的奥氏体区。

2.奥氏体等温形成曲线图的分析从图中可以看出以下三点：（1）奥氏体化存在孕育期。

在一定温度下，奥氏体化不是立即进行，而需要一定的时间，这段时间称为孕育期。

这是因为奥氏体化是借助原子扩散进行的，而原子扩散是需要时间的。

随温度的升高，原子扩散加快，孕育期缩短。

（2）奥氏体均匀化需要的时间最长。

在奥氏体化的四个阶段中，奥氏体均匀化需要的时间最长，这是因为碳浓度越趋于均匀，浓度梯度越小，碳原子的扩散越慢，需要很长的时间来完成奥氏体均匀化。

（3）温度升高，奥氏体化过程加速。

随加热温度的提高，奥氏体化的四个阶段所需要的时间都缩短，奥氏体化过程加速进行。

因此在热处理加热和保温过程中，温度升高，保温时间应相应缩短。

四、奥氏体晶粒大小及其影响因素钢加热的目的是为了得到成分均匀的、细小的奥氏体晶粒，以便钢在冷却后得到细小的组织，具有好的力学性能。

因此奥氏体晶粒大小是评价钢加热质量的重要指标之一。

所以了解并掌握奥氏体晶粒大小的表示方法及其影响因素极为重要。

1.奥氏体晶粒大小的表示方法奥氏体的晶粒大小用晶粒度来表示。

所谓晶粒度是指在金相显微镜下，单位面积上的晶粒个数。

不过每次测定钢的晶粒度是一件很麻烦的事。

为方便起见，目前国际上将奥氏体晶粒度分为8个级别，并制定了每个级别的标准金相图片（见图7.10）。

若要测定某种钢的奥氏体晶粒度，只需要把该钢的奥氏体金相图片与标准图片比较，就可以得到钢的奥氏体晶粒度级别，以此来判定奥氏体晶粒大小。

奥氏体晶粒大小与晶粒度级别的关系为：1n=N2-式中n——在显微镜下放大100倍时，每平方英寸面积上的奥氏体晶粒个数；N——奥氏体的晶粒度级别。

此式表明，晶粒度级别N越小，每平方英寸面积上的奥氏体晶粒个数越少，奥氏体晶粒越粗大。

一般规定；●N＜1——超粗晶粒●N=1～4——粗晶粒●N=5～8——细晶粒●N＞8——超细晶粒2.奥氏体晶粒度的分类奥氏体晶粒度有以下三类1)起始晶粒度2)实际晶粒度3)本质晶粒度3.影响奥氏体晶粒大小的因素晶粒长大的原理在上一章已介绍过。

奥氏体晶粒长大的原理同样是，通过原子扩散促使晶界迁移来完成的。

因此，所有加速原子扩散的因素都促进奥氏体晶粒长大。

1)加热温度和保温时间——对实际晶粒度的影响提高加热温度和延长保温时间，会加速原子扩散，有利于晶界迁移，使奥氏体晶粒长大，看图7.12。

从图中可见，在一定温度保温，最初奥氏体晶粒长大迅速，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大放缓，并且加热温度升高，最初奥氏体晶粒长大越来越迅速。