【正文】 要緩慢得多。 (3) 某些合金元素會(huì)影響碳和鐵的擴(kuò)散速度：如鉻、鉬、鎢、釩、鈦等都顯著減慢碳的擴(kuò)散，鈷、鎳等則加速碳的擴(kuò)散，硅、鋁、錳等影響不大。 (4) 極易形成碳化物的元素：如鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鎢等，會(huì)形成特殊碳化物，其穩(wěn)定性比滲碳體高，很難溶入奧氏體，必須進(jìn)行較高溫度較長(zhǎng)時(shí)間加熱才能完全溶解?？傊辖痄摰膴W氏體化速度一般都比碳素鋼慢，特別是高合金鋼更要慢得多。 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 4. 原始組織的影響 在化學(xué)成分相同的情況下，隨原始組織中碳化物分散度的增大，不僅鐵素體和滲碳體相界面增多，加大了奧氏體的形核率；而且由于珠光體片層間距減小，使奧氏體中的碳濃度梯度增大，這些都使奧氏體的長(zhǎng)大速度增加。因此，鋼的原始組織越細(xì)，則奧氏體的形成速度越快。 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 奧氏體的晶粒度及其影響因素 奧氏體的晶粒大小對(duì)鋼的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能都有重要的影響，同時(shí)也影響工藝性能。例如，細(xì)小的奧氏體晶粒淬火所得到的馬氏體組織也細(xì)小，這不僅可以提高鋼的強(qiáng)度與韌性，還可降低淬火變形、開裂傾向。目前，細(xì)化晶粒已經(jīng)成為強(qiáng)化金屬材料的重要方法。根據(jù)奧氏體的形成過程及長(zhǎng)大傾向，奧氏體的晶粒度可以用起始晶粒度、實(shí)際晶粒度和本質(zhì)晶粒度等描述。 1. 起始晶粒度 鋼加熱時(shí)，當(dāng)珠光體剛剛轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，奧氏體晶粒大小叫起始晶粒度，此時(shí)的晶粒一般均較細(xì)小，若溫度提高或時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒會(huì)長(zhǎng)大。 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 2. 實(shí)際晶粒度 奧氏體的起始晶粒形成后，如果繼續(xù)在臨界點(diǎn)以上升溫或保溫，晶粒就會(huì)自動(dòng)長(zhǎng)大起來。這是因?yàn)椋ЯＴ郊?xì)小則晶界面積越大，總的界面能也越大，所以，細(xì)晶粒狀態(tài)的自由能高于粗晶粒狀態(tài)的自由能。晶粒長(zhǎng)大能使自由能降低，所以晶?？傄园l(fā)長(zhǎng)大。顯然，晶粒長(zhǎng)大的推動(dòng)力是界面能的降低，而晶粒長(zhǎng)大的阻力來自第二相的阻礙等作用。晶粒長(zhǎng)大是依靠原子擴(kuò)散與晶界推移，由大晶粒吞并小晶粒而進(jìn)行的。溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒就長(zhǎng)得越大。在每一個(gè)具體加熱條件下所得到的奧氏體晶粒大小，稱為奧氏體的“實(shí)際晶粒度”。即實(shí)際晶粒度為在具體的加熱條件下加熱時(shí)，所得到奧氏體的實(shí)際晶粒大小。它直接影響鋼在冷卻以后的性能。 3. 本質(zhì)晶粒度 生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，有的鋼材加熱時(shí)奧氏體晶粒很容易長(zhǎng)大，而有的鋼材就不容易長(zhǎng)大，這說明不同的鋼材的晶粒長(zhǎng)大傾向是不同的。本質(zhì)晶粒度就是反映鋼材加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的一個(gè)指標(biāo)。凡是奧氏體晶粒容易長(zhǎng)大的鋼就稱為“本質(zhì)粗晶粒鋼”，反之，奧氏體晶粒不容易長(zhǎng)大的鋼則稱為“本質(zhì)細(xì)晶粒鋼”。隨著加熱溫度升高，本質(zhì)粗晶粒鋼的奧氏體晶粒一直長(zhǎng)大，逐漸粗化。 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 本質(zhì)細(xì)晶粒鋼則不然，在一定溫度以下加熱時(shí)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大很緩慢，一直保持細(xì)小晶粒?？墒牵^一定溫度以后，晶粒急劇長(zhǎng)大，突然粗化。這個(gè)晶粒開始強(qiáng)烈長(zhǎng)大的溫度稱為“晶粒粗化溫度”。本質(zhì)細(xì)晶粒鋼只有在晶粒粗化溫度以下加熱時(shí)，晶粒才不容易長(zhǎng)大，超過這一溫度以后，便與本質(zhì)粗晶粒鋼沒有什么區(qū)別了。 本質(zhì)晶粒度是根據(jù)冶金部的部頒標(biāo)準(zhǔn) YB27— 77《 鋼的晶粒度測(cè)定法 》 的規(guī)定來測(cè)定的，即將鋼在 (93010℃ )保溫 3h～ 8h冷卻后測(cè)定奧氏體晶粒大小稱為本質(zhì)晶粒度。通常是在放大 100倍的情況下，與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)圖 (見圖 )進(jìn)行比較評(píng)級(jí)。晶粒度是 1級(jí)～ 4級(jí)的定為本質(zhì)粗晶粒鋼， 5級(jí)～ 8級(jí)的定為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。 鋼的本質(zhì)晶粒度決定于鋼的成分和冶煉條件。一般來說，能用鋁脫氧的鋼都是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，不用鋁而用硅、錳脫氧的鋼則為本質(zhì)粗晶粒鋼。含有鈦、鋯、釩、鈮、鉬、鎢等合金元素的鋼也是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。這是因?yàn)殇X、鈦、鋯等元素在鋼中會(huì)形成分布在晶界上的超細(xì)的化合物顆粒，如 AlN、Al2O TiC、 ZrC等，它們穩(wěn)定性很高，不容易聚集；也不容易溶解，能阻礙晶粒長(zhǎng)大。但是，當(dāng)溫度超過晶粒粗化溫度以后，由于這些化合物的聚集長(zhǎng)大，或者溶解消失，失去阻礙晶界遷移的作用，奧氏體晶粒便突然長(zhǎng)大起來。 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 在本質(zhì)粗晶粒鋼中不存在這些化合物微粒，晶粒長(zhǎng)大不受阻礙，從而隨溫度升高而逐漸粗化。鋼的本質(zhì)晶粒度在熱處理生產(chǎn)中具有很重要的意義。因?yàn)?，有些熱處理工藝，如滲碳、滲金屬等工藝，必須在高溫進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱才能實(shí)現(xiàn)，這時(shí)若采用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，就能防止工件心部和表層過熱，滲后就能直接進(jìn)行淬火。若用本質(zhì)粗晶粒鋼就會(huì)嚴(yán)重過熱。此外，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼焊接時(shí)，焊縫熱影響區(qū)的過熱程度也比本質(zhì)粗晶粒鋼輕微得多。 圖 標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)示意圖 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 奧氏體晶粒長(zhǎng)大基本上是一個(gè)奧氏體晶界遷移的過程，其實(shí)質(zhì)是原子在晶界附近的擴(kuò)散過程。所以一切影響原子擴(kuò)散遷移的因素都能影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大。首先，奧氏體形成后隨著加熱溫度升高和保溫時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒急劇長(zhǎng)大；其次，加熱速度越大，奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的過熱度越大，奧氏體的實(shí)際形成溫度越高，則奧氏體的形核率越高，起始晶粒越細(xì)；第三，鋼中含碳量在一定范圍之內(nèi)，隨含碳量的增加，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向增大，但是含碳量超過某一限度時(shí)，奧氏體晶粒反而變得細(xì)小。這是因?yàn)殡S著含碳量的增加，碳在鋼中的擴(kuò)散速度以及鐵的自擴(kuò)散速度均增加，故加速了奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向性。但是，當(dāng)含碳量超過一定限度以后，鋼中出現(xiàn)二次滲碳體，隨著含碳量的增加，二次滲碳體數(shù)量增多，滲碳體可以阻礙奧氏體晶界的移動(dòng)，故奧氏體晶粒反而細(xì)?。坏谒?，鋼中加入適量的形成難熔化合物的合金元素，如 Ti、 Zr、 V、 Al、 Nb、 Ta等，強(qiáng)烈地阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，使奧氏體晶粒粗化溫度升高，因?yàn)檫@些元素是強(qiáng)碳、氮化合物形成元素，在鋼中能形成熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性強(qiáng)、彌散的碳化物或氮化物，阻礙晶粒長(zhǎng)大。 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 奧氏體化后的鋼只有通過適當(dāng)?shù)睦鋮s，才能得到所需要的組織和性能。所以，冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，它決定著鋼在熱處理后的組織和性能。 奧氏體經(jīng)過不同的冷卻后，性能明顯不同，強(qiáng)度相差幾倍。其原因是不同冷卻速度下，奧氏體的過冷度不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織不同，所以工件性能各異。 第 5章 鋼的熱處理原理 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 生產(chǎn)中冷卻的方式是多種多樣的。經(jīng)常采用的有兩種：一種是等溫冷卻，如等溫淬火、等溫退火等。它是將奧氏體化后的鋼由高溫快速冷卻到臨界溫度以下某一溫度，保溫一段時(shí)間以進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，然后再冷卻到室溫，如圖 中的曲線 1所示；另外一種是連續(xù)冷卻，如爐冷、空冷、油冷、水冷等。它是將奧氏體化后的鋼連續(xù)從高溫冷卻到室溫，使奧氏體在一個(gè)溫度范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)變。如圖 2所示。奧氏體冷至臨界溫度以下，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一定孕育期后，才可轉(zhuǎn)變。這種在臨界點(diǎn)以下尚未轉(zhuǎn)變的處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為過冷奧氏體 (supercooling austenite)。 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 圖 奧氏體不同冷卻方式示意圖 1— 等溫冷卻 2— 連續(xù)冷卻 1. 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 (isothermal transformation curve) 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線可綜合反映過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變過程：轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型以及轉(zhuǎn)變量與時(shí)間、溫度之間的關(guān)系等。因其形狀通常像英文字母“ C”，故俗稱其為 C曲線，亦稱為 TTT圖。 1) 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 由于過冷奧氏體在轉(zhuǎn)變過程中不僅有組織轉(zhuǎn)變和性能變化，而且有體積膨脹和磁性轉(zhuǎn)變，因此可以采用膨脹法、磁性法、金相 — 硬度法等來測(cè)定過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線。現(xiàn)以金相 — 硬度法為例介紹共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立過程。 將共析鋼加工成圓片狀試樣 (10 )，并分成若干組，每組試樣 5個(gè)～10個(gè)。首先選一組試樣加熱至奧氏體化后，迅速轉(zhuǎn)入 A1以下一定溫度的熔鹽浴中等溫，各試樣停留不同時(shí)間之后，逐個(gè)取出試樣，迅速淬入鹽水中激冷，使尚未分解的過冷奧氏體變?yōu)轳R氏體，這樣在金相顯微鏡下就可觀察到過冷奧氏體的等溫分解過程，記下過冷奧氏體向其他組織轉(zhuǎn)變開始的時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了的時(shí)間；顯然，等溫時(shí)間不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量就不同。一般將奧氏體轉(zhuǎn)變量為 1%～3%所需的時(shí)間定為轉(zhuǎn)變開始時(shí)間，而把轉(zhuǎn)變量為 98%所需的時(shí)間定為轉(zhuǎn)變終了的時(shí)間。由一組試樣可以測(cè)出一個(gè)等溫溫度下轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了的間，根據(jù)需要也可以測(cè)出轉(zhuǎn)變量為 20%、 50%、 70%等的時(shí)間。多組試樣在不同等溫溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，將各溫度下的轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)和終了點(diǎn)都繪在溫度 — 時(shí)間坐標(biāo)系中，并將不同溫度下的轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)和轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)分別連接成曲線，就可以得到共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，如圖 。 C曲線中轉(zhuǎn)變開始線與縱軸的距離為孕育期，標(biāo)志著不同過冷度下過冷奧氏體的穩(wěn)定性，其中以 550℃ 左右共析鋼的孕育期最短，過冷奧氏體穩(wěn)定性最低，稱為 C曲線的“鼻尖”。 第 5章 鋼的熱處理原理 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變 2) 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的分析 圖 A1(723℃ )，即奧氏體與珠光體的平衡溫度。圖中下方的一條水平線 Ms(230℃ )為馬氏轉(zhuǎn)變開始溫度， Ms以下還有一條水平線 Mf(50℃ )為馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度。 A1與 Ms線之間有兩條 C曲線，左側(cè)一條為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線，右側(cè)一條為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。 A1線以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)。 Ms線至 Mf線之間的區(qū)域?yàn)轳R氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，過冷奧氏體冷卻至 Ms線以下將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線與轉(zhuǎn)變終了線之間的區(qū)域?yàn)檫^冷奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在該區(qū)域過冷奧氏體向珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)變終了線右側(cè)的區(qū)域?yàn)檫^冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。 A1線以下， Ms線以上以及縱坐標(biāo)與過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線之間的區(qū)域?yàn)檫^冷奧氏體區(qū)，過冷奧氏體在該區(qū)域內(nèi)不發(fā)生轉(zhuǎn)變，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。在 A1溫度以下某一確定溫度，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)之間