钢材在加热过程中的组织变化

1）钢的相变点（临界温度）

相变点是指金属或合金在加热或冷却过程中发生相变的温度，又称临界点。

根据Fe－Fe3C相图可知，钢在缓慢加热或冷却过程中，在PSK线、GS线和ES线上都要发生组织转变。因此，任一成分碳钢的固态组织转变的相变点，都可由这三条线来确定。通常把PSK线称为A1线；GS线称为A3线；ES线称为Acm线。而该线上的相变点，则相应地用A1点、A3点、Acm点表示。

但是，Fe－Fe3C相图上反映出的相变点A1、A3、Acm是平衡条件下的固态相变点，即在非常缓慢加热或冷却条件下钢发生组织转变的温度。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、Accm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4－3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，以供参考使用。

图4－3　加热和冷却时碳钢的相变点在Fe－Fe3C相图上的位置

2）奥氏体化过程及影响因素

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。

（1）奥氏体的形成

奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。加热转变刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界趋向平直化。

图4－4（a）是高锰钢1 100℃加热后水韧处理得到的奥氏体组织，晶粒中有孪晶，它是碳、锰等元素溶入γ－Fe中所形成的固溶体；图4－4（b）为高锰钢奥氏体孪晶在700℃等温时形成的珠光体组织，但仍然可以看到原奥氏体晶界和孪晶界面。

以往，将奥氏体定义为碳溶入γ－Fe中的固溶体。此定义不严密，不全面。奥氏体是以Fe元素为基础，溶入多种化学元素构成的一个整合系统。工业用钢中的奥氏体，是具有一定含碳量，有时特意加入一定量的合金元素而形成的固溶体。奥氏体中还常存少量杂质元素，如Si、Mn、S、P、O、N、H等。因此确切地讲，钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入γ－Fe中所形成的固溶体。

图4－4　高锰钢中奥氏体晶粒（a）和奥氏体孪晶的转变产物（b）（SEM）

下面以共析钢为例来说明奥氏体化的过程。室温组织为珠光体的共析钢加热至Ac1以上时，将形成奥氏体，即发生P（F＋Fe3C）→A的转变。

奥氏体的形成是通过形核和长大的结晶过程来实现的，奥氏体化过程包括奥氏体晶核的形成、奥氏体的长大、残留渗碳体的溶解和奥氏体均匀化四个阶段，如图4－5所示。

图4－5　共析钢奥氏体化过程

①奥氏体晶核的形成：奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形核，是由于铁素体含碳量极低（0．02%以下），而渗碳体的含碳量又很高（6．67%），奥氏体的含碳量介于两者之间。在相界面上碳原子有吸附，含量较高，界面扩散速度又较快，容易形成较大的浓度涨落，使F与Fe3C的相界面某一微区达到形成奥氏体晶核所需的含碳量；此外在界面上能量也较高，容易造成能量涨落，以便满足形核功的需求；在两相界面处原子排列不规则，容易满足结构涨落的要求。所有这三个涨落在相界面处的优势，造成奥氏体晶核最容易在此处形成。奥氏体的形核是扩散型相变，可在渗碳体与铁素体相界面上形核，也可以在珠光体领域的交界面上形核，还可以在原奥氏体晶界上形核。这些界面易于满足形核的能量、结构和浓度三个涨落条件。因此，原始珠光体组织越细，奥氏体形核率越高，奥氏体形成速度越快。

②奥氏体的长大：奥氏体晶核形成后，它一面与渗碳体相接，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。这就使得奥氏体内部出现碳浓度梯度，引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度扩散。碳扩散破坏了碳浓度原先的平衡，势必促使铁素体向奥氏体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，就使奥氏体逐渐向渗碳体和铁素体两方面长大，直至铁素体全部变成奥氏体。

③残留渗碳体的溶解：由于奥氏体向铁素体方向成长的速度远大于渗碳体的溶解，因此，铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体未溶解，这部分未溶解渗碳体将随时间的延长逐渐融入奥氏体，直至全部消失。

④奥氏体均匀化：当残留渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的，在原渗碳体处碳含量高，而在原铁素体处含量低，只有继续延长保温时间，通过碳原子的扩散才能使奥氏体的成分逐渐均匀。(www.xing528.com)

因此，热处理的保温阶段，不仅是为了使零件热透和相变完全，而且还是为了获得成分均匀的奥氏体，以使冷却后能得到良好的组织与性能。

亚共析钢和过共析钢中奥氏体的形成过程与共析钢基本相同，当温度加热到Ac1线以上时，首先发生珠光体向奥氏体的转变。对于亚共析钢，在Ac1～Ac3的升温过程中，先共析铁素体逐步向奥氏体转变，加热到Ac3以上时才能得到单一的奥氏体组织；对于过共析钢，在Ac1～Accm的升温过程中，先共析二次渗碳体逐步融入奥氏体中，只有温度上升到Accm以上才能得到单一的奥氏体组织。

（2）影响奥氏体形成的因素

①加热温度。随着加热温度的升高，原子扩散能力增强，特别是碳在奥氏体中的扩散能力增强；同时Fe－Fe3C相图中GS线和ES线间的距离加大，即增大了奥氏体中的碳浓度梯度，这些都将加速奥氏体的形成。

②加热速度。在实际热处理中，加热速度越快，产生的过热度就越大，转变的温度范围也越宽，形成奥氏体所需的时间越短。

③钢的成分。随碳含量升高，铁素体和渗碳体相界面增多，有利于加速奥氏体的形成；钢中加入合金元素并不改变奥氏体形成的基本过程，但显著影响其形成速度。由于合金元素可以改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，它自身也在扩散和重新分布，因此，合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，在热处理时，合金钢的加热保温时间要长。

④原始组织。钢成分相同时，组织中珠光体越细，则奥氏体形成速度越快，层片状珠光体比粒状珠光体更容易形成奥氏体。

3）奥氏体晶粒大小及其控制

（1）奥氏体晶粒度

晶粒度是指多晶体内的晶粒大小，常用晶粒度等级来表达。按晶粒大小，晶粒度等级分为00、0、1～10共12级，晶粒越细，晶粒度等级数越大，其中，1～4级为粗晶粒度，5～8级为细晶粒度，超过8级为超细晶粒度，在生产中，是将金相组织放大100倍后，与标准晶粒度等级图片进行比较来确定的，如图4－6所示。

图4－6　标准晶粒度等级示意图

（2）奥氏体晶粒的长大

加热转变过程中，新形成并刚好互相接触时的奥氏体晶粒，称为奥氏体起始晶粒，其大小称为起始晶粒度。奥氏体的起始晶粒一般都很细小，但随着加热温度的升高和保温时间的延长，其晶粒将不断长大，长大到钢开始冷却时的奥氏体晶粒称为实际晶粒，其大小称为实际晶粒度，奥氏体的实际晶粒度直接影响钢热处理后的组织与性能。

加热时，奥氏体晶粒长大倾向取决于钢的成分和冶炼条件。冶炼时用Al脱氧，使之形成AlN微粒；或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒。由于这些第二相微粒能阻止奥氏体晶粒长大，所以在一定温度下晶粒不易长大；只有当超过一定温度时，第二相微粒溶入奥氏体后，奥氏体才突然长大。如图4－7中曲线1，该温度称为奥氏体晶粒粗化温度。如冶炼时用硅铁、锰铁脱氧，或不含阻止奥氏体晶粒长大的第二相微粒的钢，随温度升高，奥氏体晶粒将不断长大（见图4－7中曲线2）。由于曲线1所示的钢，其奥氏体晶粒粗化温度一般都高于热处理的加热温度范围（800～930℃），所以能保证获得较细小的奥氏体实际晶粒，是生产中常用的钢种。

图4－7　奥氏体晶粒长大倾向示意图

（3）奥氏体晶粒大小的控制

奥氏体实际晶粒细小时，冷却后转变产物的组织也细小，其强度与塑性韧性都较高，冷脆转变温度也较低。所以，除了上述提到的成分、冶炼条件外，如何控制好加热参数，以便获得细小而均匀的奥氏体晶粒是保证热处理产品质量的关键之一。主要考虑以下几点：

①加热温度。温度越高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大，故为了获得细小的奥氏体晶粒，热处理时必须规定合适的加热温度范围，一般为相变点以上某一适当温度。

②保温时间。钢加热时，随保温时间的延长，晶粒不断长大，但其长大速度越来越慢，且不会无限制地长大下去。所以延长保温时间比升高加热温度对晶粒长大的影响要小得多。确定保温时间时，除考虑相变需要外，还需考虑工件穿透加热的需要。

③加热速度。速度越快，奥氏体化的实际温度越高，奥氏体的形核率大于长大速率，所以可获得细小的起始晶粒。故生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒，如高频淬火就是利用这一原理来获得细晶粒的。