钢的加热和冷却下的组织转变

热处理工艺中加热和冷却的目的都是使钢的组织发生转变。在铁碳相图中，A1、A3、Acm线都是平衡状态的相变温度（又称临界点），而在实际生产中加热和冷却过程不可能非常缓慢，因此往往造成相变点的实际位置比平衡状态时有所偏离。即加热时实际转变温度略高于平衡相变点，而冷却时却略低于平衡相变点。为了使两者有所区别，通常将加热时的实际相变点用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际相变点用Ar1、Ar3、Arcm表示，如图 3-22 所示。

1.钢在加热时的组织转变

钢进行热处理时首先要加热，其目的是获得均匀而细小的奥氏体组织。通常将这种加热转变称为钢的奥氏体化。加热时奥氏体化的程度及晶粒大小，对其冷却转变过程及最终的组织和性能都有极大的影响。因此了解奥氏体的形成规律，是掌握热处理工艺的基础。

图3-22　钢在加热或冷却时各临界点的实际位置

以共析钢为例，其室温平衡组织为珠光体，当把共析钢加热到Ac1点以上温度时，就要发生珠光体向奥氏体转变。这一转变是由成分相差悬殊、晶格类型截然不同的两相F+Fe3C混合物转变成另一种晶格类型的单相奥氏体（A）的过程。因此在此过程中必然进行晶格的改组和铁碳原子的扩散，并遵循形核和长大的基本规律。该过程可归纳为奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段，如图3-23所示。

图3-23　共析钢奥氏体形成过程

由以上分析可知，热处理的保温阶段不仅是为了让工件热透，也是为了获得均匀的奥氏体组织，以便冷却后获得良好的组织和性能。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，但其完全奥氏体化的过程有所不同。亚共析钢加热到Ac1以上温度时还存在有铁素体，这部分铁素体只有继续加热到Ac3以上时才能完全转变为奥氏体；过共析钢则只有在加热温度高于Accm时，才能获得单一的奥氏体组织。

加热时形成奥氏体晶粒的大小直接影响冷却转变产物的晶粒大小和力学性能。奥氏体晶粒越细小，其冷却转变产物也越细小，力学性能越高。因此在加热时，为了获得均匀而细小的奥氏体晶粒，必须选取合适的加热温度，并严格控制保温时间。

2.钢在冷却时的组织转变

冷却过程是热处理的关键工序，其冷却方式不同，冷却后的组织和性能也不同。热处理生产中有等温冷却和连续冷却两种方式。等温冷却是将奥氏体化后的钢迅速冷至Ar1以下某一温度并保温，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温的热处理工艺，如图3-24中曲线1所示；连续冷却是指将奥氏体化的钢自加热温度连续冷却至室温的热处理工艺，如图3-24中曲线2所示。

图3-24　两种冷却方式示意图

1）过冷奥氏体的等温转变

奥氏体在A1温度以上是稳定的，能够长期存在而不发生转变，一旦冷却到Ar1温度以下就处于不稳定状态，即将发生转变。我们把在Ar1温度以下暂存的、不稳定的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物可以用等温转变曲线来确定。

（1）过冷奥氏体等温转变曲线的建立。现以共析钢为例来说明过冷奥氏体等温转变曲线的建立。首先将共析钢制成若干小圆形薄片试样，加热至奥氏体化后，分别迅速放入Ar1以下不同温度的恒温盐浴槽中进行等温转变；分别测出在各温度下过冷奥氏体转变开始时间、终了时间以及转变产物量；将其画在温度—时间坐标图上，并把各转变开始点和终了点分别用光滑曲线连接起来，便得到共析钢过冷奥氏体等温转变曲线，如图3-25（a）所示。由于曲线与字母C相似，故又称为C曲线。

图3-25　共析钢过冷奥氏体等温转变曲线(www.xing528.com)

如图3-25（b）所示左边曲线为过冷奥氏体等温转变开始线，右边曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。A1线以上是稳定的奥氏体区。A1线以下、转变开始线左边的区域为过冷奥氏体区；转变终了线以右的区域是转变产物区；两线之间是过冷奥氏体和转变产物共存区。由纵坐标到转变开始线之间的水平距离表示过冷奥氏体等温转变前所经历的时间，称为孕育期。孕育期越长，表示过冷奥氏体越稳定。对于共析钢，过冷奥氏体在550℃附近等温时，孕育期最短，即过冷奥氏体最不稳定，转变速度最快，这里被形象地称为C曲线的“鼻尖”。C曲线的下部有两条水平线，上边一条是马氏体转变开始线，用Ms表示；下边一条是马氏体转变终了线，用Mf表示。

（2）过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能。

①珠光体转变。共析钢在Ar1～550℃区间进行等温时，过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织。它是由铁素体与渗碳体组成的层片相间的机械混合物。等温温度越低，铁素体和渗碳体的片层间距越小。根据片层的厚薄不同，珠光体型组织又可细分为三种，如表3-3所示。

表3-3　珠光体型组织的形态和性能

实际上这三种组织都是珠光体，其差别只是珠光体的片层间距大小不同，等温温度越低，片层间距越小。片层间距越小，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。

②贝氏体转变。共析钢在550℃～Ms区间进行等温时，过冷奥氏体的转变产物为贝氏体。贝氏体是含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的机械混合物，用符号B表示。根据形成温度和组织形态，可将贝氏体分别为上贝氏体和下贝氏体，如图3-26所示。

图3-26　贝氏体的显微组织

共析钢在550～350℃区间等温，将形成黑色羽毛状的上贝氏体。上贝氏体强度很低，脆性很大，基本没有实用价值。在350℃～Ms区间等温，形成黑色竹叶状的下贝氏体。下贝氏体具有较高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。因此生产中常用等温淬火的方法来获得下贝氏体组织，以获得良好的综合力学性能。

③马氏体转变。马氏体转变是在Ms～Mf之间连续冷却过程中进行的。当过冷奥氏体被快速冷却到Ms点以下时，转变产物是马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

马氏体的组织形态主要与碳含量有关。当碳含量低于0.2％时，可获得板条状的马氏体，它具有较高的强度、硬度和较好的塑性、韧性；当碳含量大于1.0％时，得到针片状马氏体，它具有很高的硬度，但塑性差，脆性大；但碳含量在0.2％～1.0％时，得到板条马氏体和针片状马氏体的混合组织。如图3-27所示为板条马氏体和针片状马氏体的显微组织。

图3-27　板条马氏体和针片状马氏体的显微组织

2）过冷奥氏体的连续冷却转变

在实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却中转变的，因此研究过冷奥氏体连续冷却时的组织转变规律有着重要的意义。

共析钢的连续冷却转变曲线如图3-28所示。由图3-28可见，连续冷却转变曲线只有C曲线的上半部分，因此连续冷却时只发生珠光体和马氏体转变，而不会发生贝氏体转变。图3-28中Ps线为过冷奥氏体向珠光体转变的开始线；Pf线为过冷奥氏体向珠光体转变的终了线；KK'线为过冷奥氏体向珠光体转变的终止线，它表示冷却曲线与KK'线相交时，过冷奥氏体即停止向珠光体转变，剩余部分一直冷却到Ms线以下发生马氏体转变。vk是过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部转变为马氏体的最小冷却速度，也称为马氏体临界冷却速度；是获得全部珠光体型组织的最大冷却速度。