控制的金属材料加工工艺优化

那么何谓热处理呢？共析钢热处理的原理图如图5-72^[1]所示。这是伴随共析钢[w（C）≈0.8%，其余为Fe，JIS碳素工具钢中的SK85与其最为相近]的加热和冷却过程所显示出的组织及晶体结构的变化。

原始组织是材料出厂时的球化退火组织，即铁素体（碳在α-Fe中的固溶体）上分散着球状碳化物（渗碳体，Fe₃C）的组织。从晶格结构（金属原子的排列状态）来看，铁素体呈体心立方晶格（BCC，BodyCenteredCubic），渗碳体呈三斜晶系晶格（Orthorom-bic）。所谓晶格，是指铁（Fe）和碳（C）等的原子排列方式。

图5-2 共析钢热处理的原理图

共析钢在加热到800℃的过程中，从加热相变点（Ac₁点^[1]）开始发生转变，并随温度的上升逐渐向奥氏体（碳在γ-Fe中的固溶体）转变。加热转变终了温度是Ac₃点。此时的晶体结构称为面心立方晶格（FCC，Face Centered Cubic）。从显微组织上来看是碳化物固溶于奥氏体的状态。(www.xing528.com)

接着从该状态冷却时，自800℃起缓冷（冷却速度小于或等于15℃/h），会在Ar₁点发生由奥氏体向铁素体的转变。此时碳被释放出来成为碳化物析出，再次返回到初始的铁素体中分散着碳化物的球化退火组织状态。

另外，若进行快速冷却（如水冷）的话，则会转变成叫做马氏体的极硬组织，即淬火组织。这是由于合金元素没有足够的时间像缓冷那样进行移动（扩散），尤其是来不及释放出碳化物，而是到了低温区产生瞬时的晶体结构变化。这一过程就是马氏体转变。

这时的马氏体晶体结构属于体心正方晶格（BCT，Body Centered Tetragonal），与原来的体心立方晶格相比，在某一方向上有所伸长。这是因为某一方向上的铁原子间隙被碳原子占据而造成微观变形所致，同时也是产生硬化现象的原因。

这种晶体结构的变化被称为相变（Phase Transformation）。通过铁与碳原子的排列变化，会使微观组织发生变化，从而导致强度和韧性等力学性能及热膨胀系数、热导率等物理性能也随之变化。因此，热处理可定义为“利用对特殊钢加热和冷却及改变冷却速度所产生的晶体结构变化，即相变来得到所需微观组织和性能的过程。”