钢的加热和冷却中的组织转变

1.钢在加热时的组织转变

加热是热处理的前提。多数情况下都要将钢加热到临界温度以上，使原有的组织转变为奥氏体，保温后根据不同的需要，再以不同的冷却方式和冷却速度转变成所需的组织，以获得钢件预期的性能。

图1-28中的A₁、A₃、A_cm是钢在铁碳合金相图中组织转变的临界温度曲线，它是在实验室用极其缓慢加热或冷却条件下测试出来的，这些点为钢在平衡状态条件下的临界点。而实际生产中加热或冷却都不是极其缓慢的，故存在一定的滞后现象，也就是说加热或冷却需要一定的过热或过冷才能充分进行组织转变。通常将加热时的组织转变临界温度用Ac₁、Ac₃、Ac_cm表示，把冷却时的组织转变临界温度用Ar₁、Ar₃、Ar_cm表示。

很显然，要使共析钢在加热时完全转变成奥氏体，就必须加热到Ac₁以上，对亚共析钢必须加热到Ac₃以上某一温度，珠光体处于不稳定状态，奥氏体在铁素体和渗碳体相面上形成晶核。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，易于产生浓度起伏和结构起伏区，为奥氏体形成创造了有利条件。对过共析钢必须加热到Ac_cm以上，否则就难以达到预期的热处理效果。必须指出，初始形成的奥氏体晶粒非常细小，如果能将这些细小的奥氏体晶粒保持，则冷却后的相应组织也是细小的，这样不仅强度高，而且塑性和韧性也好。这就是说加热时要严格控制温度，如果加热温度过高或保温时间过长，将会使奥氏体晶粒急剧长大，冷却后的组织就变得粗大，性能变得硬脆，塑性和韧性严重降低。因此，应根据铁碳合金相图及钢的碳含量，合理选择钢的加热温度和保温时间，才能获得晶粒细小、成分均匀的奥氏体组织。应该指出的是，钢在加热的组织转变过程和液态结晶过程是一致的。初生成的奥氏体晶粒是在渗碳体和铁素体的界面上形成的。图1-29所示为共析钢中奥氏体形成过程。随着温度的升高，晶粒逐渐增加和长大，最后全部形成奥氏体晶粒，在此过程中，奥氏体晶核形成和长大同时进行，直至全部转化完毕。

图1-28 实际相变温度与理论 转变温度之间的关系

图1-29 共析钢中奥氏体形成过程

2.钢在冷却时的组织转变

钢经过加热、保温实现奥氏体转变后，接着便要进行冷却。冷却方式和冷却速度是要根据预期目标来选择的。因为过冷奥氏体在A₁线下是不稳定状态的，奥氏体可转换变为多种不同性能的组织。目前生产中，绝大多数是采用连续冷方式进行的，如将钢件放入水或油中淬火等，此时，过冷奥氏体在温度连续下降过程中发生组织转变。目前生产中主要是利用它的等温转变曲线，近似地分析连续冷却中组织转变过程。

图1-30 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线

1—过冷奥氏体 2—转变开始 3—转变结束

所谓等温转变是指奥氏体化的钢迅速冷却到A₁线以下某个温度，使过冷奥氏体在保温过程中发生组织转变，待转变完毕后再冷却到室温。经过改变不同温度、多次测试，再绘制成等温转变曲线，如图1-30所示。各种不同成分的钢均有其自己的等温转变曲线。由于这种曲线类似英文字母“C”，故也称为C曲线。

等温转变曲线分为：稳定奥氏体区（A₁线以上）、过冷奥氏体（A₁线以下），以及等温转变曲线以左将完成过冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变和A→P组织共存区（过渡区），其余为过冷奥氏体转变产物区。按组织转变情况又可分为以下三个区：

（1）珠光体转变区（Ar₁～550℃形成）高温区，奥氏体向珠光体转变（A→P）。其显微组织是片状机械混合物珠光体。其显微组织如图1-18所示。依据珠光体形成温度的高低及珠光体的形状，如图1-31所示，珠光体又分为三种不同的组织：

1）珠光体（Ar₁～650℃形成），常把这种粗片状的组织称为珠光体，用“P”表示。

2）细片状珠光体（650～600℃形成）常称为索氏体，用“S”表示。

3）极细片状珠光体（600～550℃形成）常称为托氏体，用“T”表示。

图1-31 珠光体组织特征图

a）珠光体 b）索氏体 c）托氏体(www.xing528.com)

（2）贝氏体转变区（550℃～Ms形成）贝氏体用符号“B”表示，它是由碳含量过饱和的铁素体与渗碳体组成的两相混合物。其组织根据产物的组织形态和转变温度不同，又分为上贝氏体和下贝氏体，下贝氏体是粒状贝氏体。

1）上贝氏体（550～350℃形成）组织特征图如图1-32所示。上贝氏体强度低，塑性、韧性差，很少应用，热处理时最好错过该发生区。

图1-32 上贝氏体组织特征图

a）羽毛状贝氏体 b）短杆状渗碳体

2）下贝氏体（350℃～Ms形成）组织特征图如图1-32所示。其组织中铁素体细小、分布均匀，又有大量的弥散碳化物，而且铁素体中含有过饱和的碳及密度极高的位错，故强度高，塑性、韧性好。从图1-33a可看出黑色针状或竹叶状贝氏体，针与针成一定的角度。图1-33b所示碳化物的形态细小、弥散，呈粒状或短条状与铁素体长轴成55°，取向平行排列。

图1-33 下贝氏体组织特征图

a）黑色针状或竹叶状贝氏体 b）细小、弥散碳化物组织

3）粒状贝氏体组织特征图如图1-34所示。粒状贝氏体组织具有较好的强韧性，在生产中已得到广泛运用。

（3）马氏体转变区 在Ms以下形成的低温区，我们从前面纯铁的同素异构转变知道δ-Fe→γ-Fe→α-Fe转变。钢淬火时，冷却速度很快，发生γ-Fe→α-Fe的同素异构转变，而钢的碳难以从溶碳能力低的α-Fe晶格中扩散出来，这样就形成了碳在α-Fe中的过饱和固溶体，这种过饱和固溶体就称为马氏体，用“M”表示。

由于碳在α-Fe中严重过饱和，致使马氏体晶格发生严重畸变，使马氏体具有很高的硬度，其塑性很低，脆性大，内应力很大，很容易开裂，而且随碳含量增高这种内应力增大。图1-35所示为共析钢的等温转变曲线在冷却中的应用。图1-35中冷却速度v₁、v₂、v3、vk表示的意义如下：

1）v₁表示在加热炉中缓慢冷却，此时可获得珠光体。

图1-34 粒状贝氏体组织特征图

图1-35 共析钢的等温转变曲线在冷却中的应用

2）v₂表示在空气中缓慢冷却，此时可获得索氏体组织。

3）v₃表示加热后在水中淬火，此时可获得马氏体（包括少量残留奥氏体）组织。

4）v_k是获得奥氏体和获得全部马氏体的最低冷却速度，称为临界值（包括少量残留奥氏体组织）。残留奥氏体用A′表示。