钢的热处理工艺：控制晶粒大小的注意事项和冷却方式

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：一般热处理手册中的数值都是以30～50 ℃／h加热或冷却速度所测得的结果。因此，控制奥氏体晶粒的大小是热处理时必须注意的问题，一般应控制钢的加热温度和保温时间。钢的热处理工艺有两种冷却方式，即等温冷却和连续冷却。

热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料的整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。

进行热处理可以改变钢的结构和组织，以改善与提高钢的使用性能和可加工性，而且还能提高加工质量，发挥钢铁材料的潜力，延长工件的使用寿命。因此，凡是重要的机械零件都要进行热处理。例如，在汽车、拖拉机行业中，需要进行热处理的零件占70%～80%；在机床行业中，占60%～70%；轴承及各种模具，则达到100%；飞机上的几乎所有零件都要进行热处理。

根据应用特点以及加热和冷却方法的不同，常用的热处理方法大致分类如下：

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热处理的方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的。图1－8 所示为最基本的热处理工艺曲线。因此，要了解各种热处理方法对钢的组织与性能的改变情况，就必须首先研究钢在加热（包括保温）和冷却过程中的相变规律。

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图1-8　热处理工艺曲线

1.钢在加热时的组织转变

钢的热处理主要是利用钢在加热和冷却时内部组织发生转变的基本规律，选择合适的加热温度、保温时间和冷却介质等有关参数，来达到改善钢的性能的目的。

（1）纯铁的同素异构转变

纯铁是同素异构体，从液态冷却结晶后具有δ－Fe（1 394～1 538 ℃，体心立方晶格）、γ－Fe（912～1 394 ℃，面心立方晶格）、α－Fe（0～912 ℃，体心立方晶格）3种结构，如图1－9 所示。

钢铁是以铁和碳两种基本元素组成的合金，称为铁碳合金。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。铁素体是指碳溶于α－Fe 中的间隙固溶体，用符号F 表示；奥氏体指碳溶于γ－Fe 中的间隙固溶体，用符号A 表示；渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，用符号Fe3C 表示；珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P 表示；莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用符号L表示。

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图1-9　纯铁的同素异构转变

（2）碳钢的相变

钢的大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部奥氏体组织，即进行奥氏体化。根据Fe－Fe3C 相图，共析钢加热超过A1 时，组织全部转变为奥氏体，而亚共析钢和过共析钢则需要加热到A3 和Acm 以上才能获得单相奥氏体。A1、A3 和Acm 是在极其缓慢的加热和冷却条件下的平衡转变温度。而在实际生产中，加热速度和冷却速度都比较快，故其相变点在加热时要高于平衡相变点，在冷却时要低于平衡相变点，且加热和冷却的速度越大，其相变点偏离得越大。为了区别于平衡相变点，通常用Ac1、Ac3、Acm 表示钢在实际加热条件下的相变点，而用Ar1、Ar3、Arcm表示钢在实际冷却条件下的相变点，如图1－10 所示。一般热处理手册中的数值都是以30～50 ℃／h加热或冷却速度所测得的结果。

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图1-10　加热和冷却时碳钢的相变点在Fe-Fe3C 相图上的位置

（3）奥氏体的形成

钢进行热处理时首先要加热，任何成分的碳钢加热到A1 点以上时，其组织中的珠光体均转变为奥氏体。这种加热到相变点以上从而获得奥氏体组织的过程称为“奥氏体化”。

共析钢是指ω（C）＝0.77%的铁碳合金，亚共析钢是指ω（C）＜0.77%的铁碳合金，过共析钢是指ω（C）＝0.77%～2.11%的铁碳合金。相是指合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分。

加热是热处理的第一道工序，任何成分的碳钢加热到Ac1 线以上时，都将发生珠光体向奥氏体的转变。把钢加热到相变点以上获得奥氏体组织的过程称为奥氏体化。钢只有处在奥氏体状态下才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织，从而获得所需的性能。

奥氏体的转变过程，包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶体的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化等4 个基本过程，如图1－11 所示。

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图1-11　共析碳钢的奥氏体化示意图

（a）奥氏体晶核形成；（b）奥氏体晶核长大；（c）残余渗碳体溶解；（d）奥氏体均匀化

1）奥氏体晶核的形成和长大。钢加热到A1 时，奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面处优先形成的。这是因为相界面上的原子排列较紊乱，处于能量较高状态。此外，因奥氏体的含碳量介于铁素体和渗碳体之间，故在两相的相界面上，为奥氏体的形核提供了良好的条件。

2）奥氏体的长大过程。奥氏体晶核形成后，一面与渗碳体相接，另一面与铁素体相接。它的碳含量是不均匀的，与铁素体相接处碳含量较低，而与渗碳体相接处碳含量较高。所以碳在奥氏体中会不断地从高浓度向低浓度扩散，破坏了碳浓度原来的平衡，引起铁素体向奥氏体的转变及渗碳体的溶解。这样，碳浓度破坏平衡和恢复平衡的反复循环过程，使奥氏体逐渐向渗碳体和铁素体两方面长大，直至铁素体全部转变为奥氏体。

3）残余渗碳体的溶解。由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体差别很大，故渗碳体向奥氏体的溶解必然落后于铁素体向奥氏体的转变，即在铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解，这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的增长，继续不断地向奥氏体溶解，直至全部消失为止。

4）奥氏体的均匀化。奥氏体转变结束时，其化学成分处于不均匀状态，在原来铁素体之处碳的质量分数较低，在原来的渗碳体之处碳的质量分数较高。因此，只有继续延长保温时间，通过碳原子的不断扩散，才能得到化学成分均匀的奥氏体组织，以便在冷却后得到良好的组织与性能。

亚共析钢与过共析钢加热到Ac1 点以上时，珠光体转变成奥氏体，得到的组织为奥氏体和先析出的铁素体或渗碳体，称为不完全奥氏体化。只有加热到Ac3 或Acm 以上，先析出相继续向奥氏体转变或溶解，获得单相的奥氏体组织，才是完全奥氏体化。

钢的奥氏体晶粒大小会直接影响冷却后所得的组织和性能。奥氏体晶粒细小时，冷却后的组织也细小，强度、塑性和韧性较好；反之，则性能较差。因此，控制奥氏体晶粒的大小是热处理时必须注意的问题，一般应控制钢的加热温度和保温时间。

2.钢在冷却时的组织转变

（1）冷却方式

热处理后钢的组织与性能取决于奥氏体冷却转变后所获得的组织，这与冷却方式及冷却速度有关。钢的热处理工艺有两种冷却方式，即等温冷却和连续冷却。

1）等温冷却。将奥氏体化的钢快速冷却到Ar1 以下某一温度，等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。

2）连续冷却。把奥氏体化的钢以某一速度连续冷却到室温，使奥氏体在连续冷却过程中发生转变。

（2）共析钢奥氏体的冷却转变

奥氏体在A1 点以下处于不稳定状态，必然要发生相变。但过冷到A1 以下的奥氏体并不是立即发生改变，而是要经过一个孕育期后才开始转变，这种在孕育期内暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。

1）共析钢奥氏体的等温冷却转变

共析钢加热获得均匀的奥氏体，只有冷却到A1 线以下才发生转变。随着冷却速度的加快、转变温度的降低，所得到的产物和性能见表1－3。

表1-3　共析钢过冷奥氏体等温冷却转变产物的形成温度区及硬度

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珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈片层状分布在铁素体机体上。转变温度越低，获得的珠光体组织片层间距越小，层片状较粗的称为珠光体，较细层片状珠光体称为索氏体，极细层片状珠光体称为屈氏体。珠光体的片间距越小，则珠光体的硬度越高，且强度高、塑性好。

贝氏体由过量碳浓度的铁素体和微小弥散分布的渗碳体混合而成，其硬度比珠光体更高。转变温度不同，则其产物分别为上、下贝氏体。由于引起上贝氏体的铁素体条比较宽，抗塑性变形能力比较低，渗碳体分布在铁素体条之间容易引起脆断，所以上贝氏体的强度和韧性较差，生产上极少采用；下贝氏体中的铁素体呈针状，细小且无方向性，碳的过饱和度大，所以它不仅强度和硬度高，而且塑性和韧性也好，是一种很有实用价值的组织，生产中常用等温淬火来获得综合性能良好的下贝氏体。

2）共析钢奥氏体的连续冷却转变

过冷奥氏体在Ms～Mf 之间的连续冷却转变产物为马氏体（Ms、Mf 分别为马氏体转变的开始、结束温度）。马氏体是碳在α－Fe 中的过饱和固溶体，用符号M 表示，是在转变温度小于240 ℃时得到的。马氏体的形态和性能与含碳量有关：当ω（C）＜0.2%时，钢中马氏体的形态几乎全部为板条状马氏体；当ω（C）＞1.0%时，几乎全部为片状马氏体；当0.2%＜ω（C）＜1.0%时，为两种马氏体的混合组织。随着含碳量的增加，马氏体的强度和硬度随之增高，但塑性与韧性随之降低。板条状马氏体塑性与韧性比较好，是强度和韧性很好的组织，其工程应用广泛。

在实际生产中，奥氏体多数情况下是在连续冷却中发生转变的，如炉冷、空冷、油冷、水冷等，转变产物分别为珠光体、索氏体、屈氏体＋马氏体、马氏体。

由于过冷奥氏体连续冷却转变图测定比较困难，而且有些使用较广泛的钢种，其连续冷却转变图至今尚未被测出，所以在目前生产技术中，常应用过冷奥氏体等温转变图定性、近似地来分析奥氏体在连续冷却中的转变，分析的结果可作为制定热处理工艺的参考。由此可见，等温冷却转变图与连续冷却转变图虽有区别，但本质上还是一致的。

钢的热处理工艺：控制晶粒大小的注意事项和冷却方式

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