钢材加热时的组织转变认知学习

钢的热处理过程中，大多数是首先把钢加热到奥氏体状态，通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为“奥氏体化”。奥氏体的形成及奥氏体晶粒的大小对随后冷却时奥氏体的转变特点和转变产物的组织与性能都有显著影响。

3.1.1 奥氏体的形成

根据Fe-Fe3C相图，在极缓慢加热时珠光体向奥氏体的转变是在PSK线即A1温度开始的，而先共析铁素体和先共析渗碳体向奥氏体的转变则始于A1，分别结束于A3（GS线）和Acm（ES线）。然而当加热速度提高时，上述转变将在过热情况下发生，即实际转变温度分别高于A1、A3和Acm。图3-3给出了加热和冷却时相变点的移动情况，加热时相变温度偏高，冷却时偏低，且加热和冷却速度越大，偏差越大，其中加热时的相变点标以脚注“c”，冷却时的相变点标以脚注“r”。

图3-3　加热和冷却时钢的相变点在Fe-Fe3C相图上的位置

奥氏体的形成遵循形核和长大的基本规律。以共析钢（碳的质量分数为0.77%）为例，奥氏体的转变过程可分为四个阶段，即奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余渗碳体溶解以及奥氏体成分均匀化，如图3-4所示。

共析钢中奥氏体形成过程

图3-4　共析钢中奥氏体形成过程示意图

1.奥氏体晶核的形核与长大

将共析钢加热到Ac1以上某一温度保温时，珠光体处于不稳定状态，通常首先在铁素体和渗碳体相界面上形成奥氏体晶核，如图3-4（a）所示，这是由于铁素体和渗碳体相界面上碳浓度分布不均匀，原子排列不规则，处于能量较高状态，为奥氏体形核创造了有利条件。

奥氏体晶核形成后即开始长大，如图3-4（b）所示。由于它的两侧分别与铁素体和渗碳体相邻，所以奥氏体晶核的长大是奥氏体的相界面同时向铁素体和渗碳体中推移的过程。这一过程是依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体的体心立方晶格不断改组为面心立方晶格，渗碳体向新形成的奥氏体中不断溶解来完成的。

2.残余渗碳体的溶解

由于渗碳体的晶体结构及碳的质量分数与奥氏体相差很大，所以渗碳体向奥氏体中的溶解必然落后于铁素体向奥氏体的转变，因此当铁素体完全转变为奥氏体后，仍然有一部分渗碳体没有溶解，这部分渗碳体称为残余渗碳体，如图3-4（c）所示。残余渗碳体会随着温度的升高或保温时间的延长逐步融入奥氏体，直至全部消失。

3.奥氏体的均匀化(www.xing528.com)

当渗碳体刚刚全部溶于奥氏体后，奥氏体中碳浓度是不均匀的，原来是渗碳体的部位含碳量较高，原来是铁素体的部位含碳量较低，随着保温时间的延长，通过碳原子的充分扩散，才能获得成分均匀的奥氏体。

因此，热处理的保温阶段，不仅为了使零件穿透加热和相变完全，而且还为了获得成分均匀的奥氏体，以便冷却后能得到良好的组织与性能。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程基本相同，但其完全奥氏体化的过程则有所不同。如图3-3所示，当加热到Ac1上时，只有珠光体转变为奥氏体，而亚共析钢中的铁素体只有加热到Ac3以上才能全部转变为奥氏体；过共析钢中的渗碳体要加热到Accm以上才能全部溶入奥氏体。

3.1.2 奥氏体晶粒大小及其影响因素

1.奥氏体的晶粒度

奥氏体晶粒度是指将钢加热到相变点（亚共析钢为Ac3，过共析钢为Ac1或Accm）以上某一温度并保温一定时间所得到的奥氏体晶粒的大小。晶粒度是晶粒大小的量度。国家制定的标准将奥氏体晶粒度分为8级，数字越大，晶粒越细，如图3-5所示。一般认为1～3级为粗晶粒，4～6级为中等晶粒，7～8级为细晶粒。钢在加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有着重要的影响。一般来说，奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧度越高。但是奥氏体化温度过高或在高温下保持时间过长，将使钢的奥氏体晶粒长大，降低钢的冲击韧度、提高脆性转折温度。此外，晶粒粗大的钢件，淬火变形和开裂倾向增大。尤其当晶粒大小不均时，还显著降低钢的结构强度，引起应力集中，易于产生脆性断裂。因此，在热处理过程中应当十分注意防止奥氏体晶粒粗化。

图3-5　钢的标准晶粒度等级图

2.影响奥氏体晶粒长大的因素

（1）加热温度和保温时间

奥氏体晶粒长大的速度与原子扩散密切相关。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。因此，为了获得细小奥氏体晶粒，热处理时必须规定合适的加热温度范围。

（2）加热速度

加热温度相同时，加热速度越快，过热度越大，形核率越高，奥氏体晶粒越细。生产上常采用快速加热短时保温工艺获得超细化晶粒。

（3）化学成分

在一定的含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度增大，使奥氏体晶粒长大的倾向增大。但当碳的质量分数超过其在奥氏体中的溶解度后，残余渗碳体就会产生机械阻碍作用，使奥氏体晶粒长大的倾向变小。除此之外，钢中的大多数合金元素（除Mn以外）都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。其中能形成稳定的碳化物的元素（如Cr、W、Mo、Ti、Nb等）和能生成氧化物、氮化物、有阻碍晶粒长大作用的元素（如适量的A1），其碳化物、氧化物、氮化物在晶界上弥散分布，强烈地阻碍了奥氏体晶粒的长大，使晶粒保持细小。因此，为了控制奥氏体的晶粒度，可以加入阻碍晶粒长大的合金元素。