钢材加热过程中的物理变化

加热是热处理的第一个工序，铁碳相图是确定加热温度的理论基础。根据Fe-Fe3C相图可知，A1、A3和Acm是固态下组织转变的平衡临界点。但在实际生产中，加热或冷却并不是极其缓慢的，加热时，钢的组织实际转变温度往往是高于相图中理论相变温度，冷却时也往往低于相图中的理论相变温度。在热处理工艺中，加热时钢的临界点用AC1、AC3、ACcm表示，冷却时则分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。

碳钢在室温下的组织经加热转变成奥氏体，这一过程称为奥氏体化。大多数热处理加热的主要目的就是获得全部或大部分均匀而细小的奥氏体晶粒。以共析钢为例，奥氏体化的过程一般包括奥氏体形核、长大和均匀化三个阶段。

奥氏体的晶核首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是由于相界面上成分不均匀，原子排列不规则，因而为形成奥氏体晶核提供了能量、结构和浓度条件。

奥氏体晶核形成后，使开始长大。长大的过程包括珠光体中的铁素体向奥氏体转变和渗碳体不断地溶入奥氏体。

但由于铁素体的晶体结构和含碳量与奥氏体相近，而渗碳体熔点高，其含碳量和晶格结构与奥氏体差别较大，所以珠光体中的铁素体转变为奥氏体的速度较快而渗碳体溶入奥氏体的速度较慢，即铁素体总是优先于渗碳体先转变为奥氏体。

刚形成的奥氏体晶粒中，碳浓度是不均匀的。原先渗碳体的位置，碳浓度较高；原先铁素体的位置，碳浓度较低。因此，必须保温一段时间，通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥氏体。共析钢奥氏体化过程如图5-2所示。(www.xing528.com)

图5-2　共析钢的奥氏体化过程示意图

（a）奥氏体形核；（b）奥氏体长大；（c）残余奥氏体溶解；（d）奥氏体均匀化

珠光体向奥氏体转变刚完成时，奥氏体的晶粒是非常细小的，但随着加热温度升高或保温时间延长，会出现晶粒长大现象。奥氏体晶粒长大的结果，使钢的机械性能降低，特别是塑性和韧性下降，所以热处理加热过程应该严格控制加热温度和保温时间。

合金元素对加热组织转变有影响，合金钢在加热时奥氏体的均匀化过程比碳钢要慢，加热时必须进行较长时间的保温。