工具钢加热时奥氏体形成的过程

工具钢在热处理之前大都处于退火状态，其组织由铁素体和碳化物两相组成，只是由于各种工具钢中合金元素的含量不同，因此铁素体中的合金元素含量和碳化物种类和数量不同。

当退火状态的工具钢连续加热到高温时依次会发生下列现象：

1）当温度超过A₁点时，奥氏体开始形成。

2）碳化物开始溶入奥氏体（亚共析钢铁素体开始溶入奥氏体）。

3）在钢的A₃（A_cm）温度，最后部分铁素体（碳化物）溶入奥氏体。

4）奥氏体晶粒开始粗化。

5）在某些工具钢中碳化物的固溶几乎持续到固相线温度。

6）在固相线温度工具钢开始熔化。

利用图2-2可以清晰地说明工具钢加热时在各个相变点发生的相变情况。图2-2a是普通工具钢在加热时发生的相变现象。在A₁点以上有一个温度区间，短时间内，铁素体、碳化物与新形成的奥氏体共存。在稍高一些温度，在相图上以A₃表示，所有的铁素体全部转化成奥氏体，钢中只存在奥氏体和碳化物。随着温度的升高，碳化物很快溶入形成的奥氏体中，并在Ac点温度以上形成单一奥氏体。

图2-2a中AA是用于退火的奥氏体化温度。通常它比A₁点高100℉（38℃），对低合金钢来说，它比A₁点高50℉（10℃）。AH用于淬火加热的温度。Ac被称作“短固相线”温度，每种工具钢都有一个“短固相线温度”。在此温度以上，所有的碳化物都溶解。退火奥氏体化温度AA稍高于A₁点温度。淬火奥氏体化温度AH要高于退火奥氏体化温度。

在高速钢、高碳高铬工具钢和某些热作模具钢中碳化物颗粒一直存在到固相线以上。图2-2b是高速钢加热时相变情况，淬火加热温度AH相当接近固相线，不超过50℉（10℃），就会过热，引起奥氏体晶界熔化。图2-2b中的S点是高速钢的固相线温度，由图可见，高速钢中的碳化物一直存在到短固相线以上的温度。

上述的工具钢加热时的相变情况只考虑了不同温度下发生的相变情况，完全没有考虑时间的因素。实际上时间对加热时相变的影响是不可忽略的，但是这一点常常不被人们重视，而且这方面的资料以前几乎没有报道过。

图2-3所示为w（C）=0.78%的碳素工具钢的奥氏体均匀化过程。w（C）=0.78%的碳素工具钢接近共析钢，在加热到接近正常淬火奥氏体化温度（788℃）时，从形成0.5%奥氏体到形成99.5%奥氏体所需的时间非常短，只需几秒钟，要完全形成奥氏体也只要1～2min。而要形成均匀化的奥氏体，则需要1h以上的时间。通常人们只注意到形成单一奥氏体，但是形成单一奥氏体以后，还有一个奥氏体中成分均匀化的过程，因此必须适当延长保温时间。当然，在相变过程中，温度比时间作用更重要。由图2-3可以看到温度对相变影响的主导作用，例如形成99.5%的奥氏体在1500℉（816℃）时只需5s，而在1400℉（760℃）时则需要15min才能完成转变。

由于奥氏体是在高温下形成的，在室温下无法观察到奥氏体，所以在以往的著作中很少见到对奥氏体形成过程的直接观察。采用特殊的试验方法可以巧妙地在室温下观察到了奥氏体的形成和数量逐渐增加的过程。

图2-2 工具钢加热时发生的相变示意图

a）普通工具钢 b）高速钢

图2-3 w（C）=0.78%的碳素工具钢的奥氏体均匀化过程(www.xing528.com)

为了能在室温下观察到奥氏体，采用一种独特的试验方法。高温下的奥氏体淬火后会转变成马氏体，淬火马氏体不易被腐蚀，在显微镜下很难与铁素体和碳化物区分。如果将马氏体回火，回火马氏体腐蚀后呈黑色，很容易与铁素体和碳化物区分。因此，采用这种方法可以清晰地显示了伴随加热度的升高，奥氏体数量不断增加的过程。在以下的系列照片中，黑色回火马氏体组织代表高温下的奥氏体。

1.亚共析工具钢的奥氏体形成过程

图2-4所示为亚共析工具钢S5[化学成分（质量分数，%）：C0.5、Mn0.8、Si1.6、Cr0.25、Mo0.3]从退火状态加热到1600℉（871℃）奥氏体形成的全过程。图2-4a所示为亚共析钢加热前的组织，即退火状态的组织，在铁素体中存在粗大、球状碳化物颗粒。图2-4b所示为1415℉（768℃）×30min加热后淬火并回火后的组织。黑色相是回火马氏体，代表奥氏体化加热时高温下存在的奥氏体，其余部分是尚未转变的铁素体和碳化物。可见，奥氏体开始形成，但数量较少。图2-4c、d所示分别为1450℉（788℃）×30min和1500℉（816℃）×30min加热后淬火并回火的组织。伴随加热温度的升高，黑色组织代表的奥氏体数量增加。在这些照片中，一些小的圆的轻腐蚀的粒子是碳化物，而大大的角状的不规则的相是残留的铁素体，伴随加热温度的升高，残留铁素体的数量在减少。

图2-4e～h所示为保温时间对奥氏体形成的影响。如图2-4e所示，1600℉（871℃）加热15s后，开始形成奥氏体。如图2-4f所示，1600℉（871℃）加热30s后，碳化物继续溶解，奥氏体继续形成，数量增加。如图2-4g所示，1600℉（871℃）加热2min后，碳化物几乎完全溶解，奥氏体接近全部形成。如图2-4h所示，1600℉（871℃）加热30min后，最终奥氏体完全形成，已经转变成100%的奥氏体，所有的碳化物和铁素体完全溶入奥氏体。

图2-4亚共析工具钢S5的奥氏体化过程（1000×）

a）退火状态 b）1415℉（768℃）×30min，淬火并回火状态 c）1450℉（788℃）×30min，淬火并回火状态 d）1500℉（816℃）×30min，淬火并回火状态

图2-4 亚共析工具钢S5的奥氏体化过程（1000×）（续）

e）1600℉（871℃）×15s，淬火并回火状态 f）1600℉（871℃）×30s，淬火并回火状态 g）1600℉（871℃）×2min，淬火并回火状态 h）1600℉（871℃）×30min，淬火并回火状态

2.过共析工具钢的奥氏体形成过程

图2-5所示为过共析合金工具钢O1[化学成分（质量分数，%）：C0.9、Mo1.0、Cr0.5、W0.5、Mn1.0]的奥氏体形成过程。图2-5a所示为工具钢的原始组织，铁素体和相当大的球状碳化物。如图2-5b所示，在1475℉（802℃）保温15s后大约形成了30%奥氏体，其余是残留的铁素体和碳化物。如图2-5c所示，1475℉（802℃）保温30s后，残留铁素体和碳化物已被减少到40%。图2-5d所示为在1475℉（802℃）保温30min后的组织，全部转变成奥氏体，有部分残留碳化物。

3.高速钢的奥氏体形成过程

图2-6所示为高速钢的奥氏体化过程。图2-6a所示为W6Mo5Cr4V2高速钢的原始组织，由铁素体和大量的合金碳化物组成的退火组织。如图2-6b所示，1530℉（832℃）保温30min后，已经开始形成一些奥氏体，但大约一半的组织仍然是铁素体和碳化物。这种钢在1600℉（871℃）短时间加热后，就已经完全是奥氏体加碳化物，直到1600℉（871℃）保温1h以后，仍存在大量的碳化物颗粒，如图2-6c所示。碳化物溶入奥氏体的过程相当缓慢，2100℉（1149℃），15min加热后的情况如图2-6d所示。2250℉（1232℃），2min加热后碳化物溶解仍然很缓慢，如图2-6e所示。

图2-5 过共析合金工具钢O1的奥氏体化过程（1000×）

a）退火状态 b）1475℉（802℃）×15s加热，淬火并回火状态 c）1475℉（802℃）×30s，淬火并回火状态 d）1475℉（802℃）×30min加热，淬火并回火状态