相变过程机制：了解物质状态的变化规律

6.2.3.1 钢

当快速加热时，珠光体团首先转变为奥氏体。然后，碳从这些相变区向外扩散，进入周围的铁素体，增加高碳奥氏体的容量。当快速冷却时，如果冷却速度足够快，超过一定碳含量（如0.05%）的奥氏体区域将会淬火成马氏体，如果碳含量超过一定值（＞1.0%），仍然会发现残余奥氏体。由连续冷却曲线指出所需要的冷却速率，如图6.6b所示。在激光相变硬化中，冷却速率通常超过1000℃/s，那就意味着大多数钢将会自淬火成马氏体而不是贝氏体或珠光体。

珠光体的转变被认为是通过从渗碳体片到铁素体片的扩散进行的，可能是从珠光体团的末端开始，见图6.10。该过程不需太长时间，但必须加热到奥氏体化温度（Ac₁）以上，激光处理时能达到的过热和其后的扩散程度，受到珠光体团原尺寸的轻微影响。这些珠光体团在相变过程中转变为碳含量为0.8%的奥氏体。碳的扩散降低了浓度梯度，实际上变成了没有碳的铁素体区。铁素体区也可以转变为面心立方结构（fcc）的奥氏体组织。生成马氏体的均匀化程度取决于铁素体区的原尺寸和处理条件——特别是作用时间（光束直径/移动速度）。生成马氏体的硬度则取决于碳含量，见图6.11。

图6.10 均匀化过程中碳的分解路线^[12]

图6.11 马氏体硬度与含碳量及硬化深度的关系

a）含不同量的未回火马氏体钢的碳含量和硬度之间的平均关系^[13] b）非均匀硬化样品中的显微硬度分布^[14](www.xing528.com)

在激光处理钢中出现的冶金变化与炉法处理钢中的变化类似。但是，激光处理得更快，加热速度和淬火作用导致马氏体类型有所不同，特别是它的晶粒细化、残余奥氏体和碳化物沉淀物的含量，以及硬化区的均匀性。另外，相变区也受到更多抑制，导致产生较高的压应力，该压应力与马氏体相变时约4%的体积增加所产生的作用力是相对抗的。

6.2.3.2 铸铁

铁素体灰口铸铁由铁素体和石墨组成。这样它很难被激光硬化处理，因为其扩散时间太短。当速度为20mm/s、光束为5mm时，石墨的典型扩散距离为0.1mm。因此，在石墨片或球的周围形成的都是硬皮。虽然没有观察到总硬度值的改变，但仍能得到较高的磨损性能。

通过适当快速冷却形成的珠光体铸铁由珠光体和石墨组成。在这种情况下，对于含0.8%C或较高C含量的铸铁，激光相变硬化获得很高的硬度是非常成功的。对铸铁而言，在相变和熔化之间有一个相当窄的区间。铁很容易铸造，它们的熔点低，同时对所有Fe/C合金（见图6.6a），它们的Ac₁温度大致不变。

由于当碳从石墨扩散出来时其熔点降低，因此，球墨铸铁的激光相变硬化会导致石墨球周围优先熔化。

6.2.3.3 硅

非晶硅的退火热处理已经用于活性液晶显示面板和其他电子元件的生产方面^[15]。