钢的加热冷却组织转变

（F和Fe3C），转变为另一种晶格形式的单相（A）的过程，在这样的相变过程中，必然伴随 着Fe、C原子的扩散和相应的晶格重构。研究证明，α-γ晶格重构过程实际上是固态下重结
晶的过程，因此，同样遵循结晶的基本规律，是一个形核、长大和均匀化的过程。
珠光体向奥氏体的转变可分为以下3个步骤，共析钢中奥氏体形成过程示意图如图6－3
亚共析钢室温下的平衡组织是铁素体和珠光体，因此亚共析钢的奥氏体转变由两个阶段 组成。① 是珠光体向奥氏体的转变（加热到略高Ac1 ）；② 是铁素体向奥氏体的转变（加热 到Ac1～Ac3之间）。珠光体向奥氏体的转变与共析钢相同。当珠光体向奥氏体转变结束时，在 铁素体晶界上开始形成新的奥氏体晶核，这些新的晶核依靠吸收由先形成的奥氏体中越过晶 界扩散过来的碳原子而不断向铁素体晶粒内部长大。当温度略高于Ac3时，铁素体全部转变成 奥氏体，之后碳原子的扩散还要维持一段时间才能使所有奥氏体的成分达到均匀一致。 2.2.2 过共析钢的奥氏体转变
指在规定加热条件下（把钢加热到930±10℃、保温3～8h）所测得的奥氏体晶粒度。本 质晶粒度的实质是表示钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向。不同牌号的钢奥氏体晶粒长大的倾 向是不同的，在一定的温度下把随着温度的升高奥氏体晶粒迅速长大的钢称为本质粗晶粒钢， 而奥氏体的晶粒随温度的升高不易长大的钢称为本质细晶粒钢，钢的本质晶粒度示意图如图 6-8所示。一般需要进行热处理的零件大多采用的是本质细晶粒钢，因为本质细晶粒钢热处理 后易获得细小的实际晶粒度。
过冷或过热现象，在相图上实际的相变温度和平衡临界点就会产生偏移的现象，而且加热或
冷却速度越快，偏移量越大。为了便于区别，通常把实际加热时的各临界点用Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却时的各临界点用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢的各实际临界点的含义如下：
Ac1：加热时珠光体转变为奥氏体的温度； Ar1： 冷却时奥氏体转变为珠光体的温度； Ac3：加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度； Ar3：冷却时奥氏体中析出铁素体的开始温度； Accm：加热时二次渗碳体溶入奥氏体的终了温度； Arcm：冷却时二次渗碳体从奥氏体中析出的开始温度。 钢的临界点，是热处理时正确选择温度的主要依据。
共析钢在室温时的平衡组织为珠光体，当加热到Ac1点以上温度时，珠光体应该全部转变
为奥氏体，其转变可用下式表示：P源自(F+ Fe3C )
0.77% 0.0218%
6.69%
加热到 Ac1 以上
A
0.77%
体心立方晶格
复杂晶格
面心立方晶格
由上式可以看出，珠光体向奥氏体的转变是由含碳相差悬殊、晶格类型截然不同的两相
由于热处理后钢材的性能不同，所以采用的热处理的方法也很多，但各种热处理工艺过 程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成的。通常将这一工艺过程用“ 温度—时间”为坐标 的曲线来表示，称之为热处理工艺曲线。如图6－1 所示为简单的热处理工艺曲线。
图6－1 简单的热处理工艺曲线 根据加热和冷却方式的不同以及组织、性能变化的特点，钢的热处理工艺可分类如下：
由铁素体向奥氏体转变和渗碳体向奥氏体中溶解两个基本过程组成。由于含碳量和晶格 结构上的差异，使渗碳体向奥氏体的溶解速度滞后于铁素体向奥氏体转变的速度，当铁素体 全部消失,奥氏体形成之后，总会残留一部分未溶的渗碳体。随着保温时间的延长，这些残余 的渗碳体会继续向奥氏体中溶解，直至全部消失。 2.1.3 奥氏体的均匀化
钢的加热、冷却组织转变
钢的热处理定义：钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组 织结构与性能的工艺。热处理工艺与其它工艺（ 切削加工、焊接、铸造、压力加工等）不同 之处在于，其主要目的是通过改变钢的组织来达到改变材料的加工工艺性能和使用性能，而 不是改变零件的形状和尺寸。通过热处理能提高产品质量，节约钢材。提高劳动生产率和产 品的使用寿命。所以热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。
整体热处理： 退火 正火 淬火 淬火＋回火 稳定化处理 固溶处理（水爆处理、时效处理） 表面热处理 表面淬火回火（感应加热淬火、火焰加热淬火） 气相沉积（物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体化学气相沉积） 化学热处理 渗碳 渗氮 碳碳共渗 渗其他非金属（渗硼、渗硫…） 渗金属（渗铝、渗钒…） 其他热处理 真空热处理 可控气氛热处理 形变热处理
图6－9 不同冷却方式示意图
1 等温冷却 2 连续冷却
将已奥氏体化的钢迅速冷却到临界点Ar1以下某一预定的温度等温一段时间，使奥氏体在 该温度下完成转变，然后再以一定的方式冷却到室温，这种冷却称为等温冷却。由于等温前 的冷却速度很快，使奥氏作组织被过冷到等温温度还未发生转变。我们把Ar1线以下，由于过 冷现象暂时存在的处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。将奥氏体化的钢以一定速度连 续冷却到室温，使其在临界点以下的不同温度进行转变的冷却方式称为连续冷却。为了揭示 奥氏体在冷却时的转变规律，有必要研究过冷奥氏体在上述两种冷却方式下进行的各种组织 转变以及转变温度、转变时间、转变过程及转变产物之间的关系。 1 过冷奥氏体转变曲线 1.1 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
合金元素加入钢中使得A1、A3、Acm位置发生改变；与碳钢相比，过热度不同，影响到A 形成速度。同时由于合金元素加入到钢中，改变了碳的扩散速度，所以也影响到A形成速 度。其中：Co、Ni提高A形成速度；Si、Al、Mn几乎无影响；Cr、Mo、W、Ti、V等延缓A
基础知识――钢加热时组织转变
形成速度。 合金元素加入明显提高碳化物溶解温度。 合金元素的加入延长A均匀化时间。 3 合金元素对A晶粒长大影响影响
基础知识――钢加热时组织转变
多数合金元素（除Mn、P外），均能使奥氏体晶粒细化。
100× 45＃ 840℃→600℃正火
100× 45＃ 锻造空冷
100× 45＃ 带状组织
〖重点说明〗： 1 对应每一个温度下，都存在一个奥氏体晶粒长大速度最快的碳浓度，即碳在奥氏体中的最 大溶解度。超过这个含碳量因为析出Fe3CⅡ成为A晶粒长大的阻碍物，反而减小A晶粒长大倾向。 2 合金元素对加热转变影响
图6-7 钢的标准晶粒度等级
生产中实际工件的晶粒度是在规定条件下，在金相显微镜下观察到的晶粒大小与标准晶 粒度图谱对比来确定的。
基础知识――钢加热时组织转变
3.2.1 实际晶粒度 指实际生产中具体加热条件下得到的奥氏体晶粒度。钢经热加工或热处理后晶粒大小一
般指的就是实际晶粒度。 3.2.2 本质晶粒度
基础知识——过冷 A 的组织转变
钢在冷却时的转变
钢在加热时所形成的奥氏体，在冷却时要重新发生转变或分解。冷却条件不同，转变后 所得到的组织也不同，因而性能也会产生明显的差别。显然， 冷却过程是热处理工艺中的关 键工序，它决定着钢热处理后的组织和性能。
生产中，常用的冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。如图6－9所示为不同冷却方式示 意图。
所示。
基础知识――钢加热时组织转变
图6－3 共析钢中奥氏体形成过程示意图
a）形核 b）Fe3C的溶解 c）A中残余渗碳体的溶解 d） A成分均匀化
2.1.1 奥氏体晶核的形成和长大 当加热温度略高于AC1时在铁素体和渗碳体的晶界上，首先产生奥氏体的晶核。奥氏体晶
核周围的铁素体和渗碳体在原子扩散过程中，被奥氏体吞并进来，使其同时向两侧长大，同 时又有许多新的晶核出现并长大，直至长大的奥氏体晶粒相遇，珠光体全部转变为奥氏体为 止。 2.1.2 残留渗碳体的溶解、奥氏体晶核的长大
相图中钢部分在加热和冷却时各临界点的位置如
图6－2所示。
图6－2钢在加热和冷却时各临界点的位置
对钢进行热处理时，首先要进行加热。由Fe-Fe3C相图可知，任何成分的钢加热到Ac1线 以上温度时，都要发生珠光体向奥氏体的转变。下面以共析钢为例来分析奥氏体的形成过程。
2 钢的组织向奥氏体转变
2.1 珠光体向奥氏体转变
钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后所得到的组织和性能。图6-5为奥氏体晶粒长大 对其转变产物晶粒大小的影响，由图6-5看出，钢在冷却前奥氏体的晶粒越细，冷却后得到的 组织就越细。反之，就越粗大。粗大的晶粒会使钢的力学性能下降，尤其是塑性和韧性将明 显下降，淬火时也易产生变形和开裂。因此，钢在加热时，为防止奥氏体晶粒的长大，获得 均匀细小的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间。
基础知识――钢加热时组织转变
过共析钢室温下的平衡组织是珠光体和二次渗碳体。当加热到略高于Ac1 温度时，是珠光体向 奥氏体的转变，其转变过程与共析钢、亚共析钢相同。所不同的是，当温度在Ac1至Accm之间 逐渐增高时，二次渗碳体将不断分解，溶入已形成的奥氏体晶粒，使之不断长大， 直到略高 于Accm温度，二次渗碳体完全溶解成单相奥氏体组织。亚共析钢和过共析钢加热时的转变示意 图如图6－4 所示。
图6-8钢的本质晶粒度示意图
3.3 影响奥氏体晶粒大小的因素 钢加热时珠光体向奥氏体的转变过程， 实质上是铁和碳原子的扩散过程。因此，凡是影
响扩散的因素如加热温度和保温时间、加热速度、钢的化学成分等都会对奥氏体的晶粒大小 产生不同程度的影响。 3.3.1 加热温度和保温时间的影响
加热温度和保温时间是诸多影响奥氏体晶粒大小的因素中最重要的，其中加热温度更为 关键。因为原子扩散能力的大小，主要取决于温度的高低。加热温度越高、保温时间越长， 原子扩散的条件就越充分，奥氏体的晶粒越大。因此，在热处理工艺中，必须要求有一个严 格的加热规范，以求获得理想均匀的奥氏体晶粒。 3.3.2 加热速度的影响
由于原子的扩散需要一定的时间过程，因此当残余渗碳体全部溶入奥氏体后，奥氏体中 的含碳量是不均匀的。原来铁素体的部位合碳量较低，原来渗碳体的部位含碳量较高。只有 在指定的温度下停留足够的时间，让碳在奥氏体中充分扩散，才能使奥氏作的成分达到均匀 化。
由此可知，热处理工艺中的保温阶段，除了使工件截面上温度均匀一致外，更重要的是 为了获得成分均匀的奥氏体晶粒，以便冷却后获得良好的组织与性能。 2．2 亚共折钢和过共析钢的奥氏体转变 2.2.1 亚共析钢的奥氏体转变