【正文】 響奧氏體的形成速度。（二）原始組織 但此時(shí)奧氏體中的碳濃度仍是不均勻的，因此，在保溫或升溫過(guò)程中，通過(guò)碳原子的擴(kuò)散，奧氏休中碳濃度逐漸趨于均勻，最后達(dá)到均勻的單相奧氏體。為了恢復(fù)平衡Fe3C就不斷地溶人奧氏體，以保持它們之間的相界面的碳濃度。共析鋼的奧氏體形成過(guò)程示意圖假設(shè)共析鋼的原始組織是片狀珠光體，當(dāng)加熱到Ac1溫度以上并保溫一定時(shí)間后，由于珠光體中鐵素體和Fe3C相界面上碳濃度分布不均勻，位錯(cuò)密度較高，原子排列不規(guī)則，處于能量較高狀態(tài)，容易獲得奧氏體形核所需的濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏。 由FeFe3C相圖可知，溫度在A1以下鋼的平衡組織為鐵素體和滲碳體，當(dāng)溫度超過(guò)A1(共析鋼)、A3（亞共析鋼）或Acm（過(guò)共析鋼）以上，鋼的組織為單相奧氏體組織。 鋼之所以能進(jìn)行熱處理，是因?yàn)殇撛诠虘B(tài)下具有相變，根據(jù)FeFe3C相圖，共析鋼在加熱和冷卻過(guò)程中經(jīng)過(guò)A1(PSK)線時(shí)，發(fā)生珠光體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變。 ωFe3C= ()/()100 a= 還可以近似地根據(jù)亞共析鋼的平衡組織來(lái)估計(jì)它的含碳量：含碳量≈P％，其中P為珠光體在顯微組織中所占面積的百分?jǐn)?shù)。 當(dāng)溫度達(dá)到5(727℃)時(shí)，％，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，變成珠光體。 在1~2間，合金按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出圖113 δ固溶體冷卻至3時(shí)，開(kāi)始發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?chǔ)摹谩，F(xiàn)選幾種典型的合金來(lái)分析其平衡結(jié)晶過(guò)程和組織。(1) 工業(yè)純鐵。低于此溫度時(shí)，奧氏體中仍將析出Fe3C，把它稱為二次Fe3C，記作Fe3CⅡ，以區(qū)別從液體中經(jīng)CD線直接析出的一次滲碳體（Fe3C I）。 3．共析轉(zhuǎn)變（水平線PSK）共析轉(zhuǎn)變發(fā)生在727℃恒溫下，％％的鐵素體和滲碳體所組成的混合物，稱為珠光體，用符號(hào)P表示。 圖111 第三節(jié) 對(duì)于高速鋼、Cr12型鋼等萊氏體鋼，鑄錠中含有大量的共晶碳化物。鑄錠中的偏析包括金屬組元的偏析和各種雜質(zhì)的偏析。如果沒(méi)有液態(tài)金屬連續(xù)補(bǔ)充的話，就會(huì)出現(xiàn)收縮孔洞，叫縮孔。各晶粒取向不同，其性能無(wú)方向性。 在柱狀晶的晶枝生長(zhǎng)區(qū) 模壁溫度升高導(dǎo)致液體金屬冷卻減慢，溫度梯度變小、此時(shí)，結(jié)晶主要靠細(xì)晶區(qū)近液相處的某些小晶粒的長(zhǎng)大。當(dāng)液態(tài)金屬倒人鑄錠模后，金屬首先從模壁處開(kāi)始結(jié)晶，這是因?yàn)闇囟鹊偷哪１谟袕?qiáng)烈的吸熱和散熱作用，使靠近模壁的一層薄膜液體產(chǎn)生極大的過(guò)冷，加上模壁可作非均勻形核的基底，因此，在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)。 3． 包晶轉(zhuǎn)變 在1~2點(diǎn)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的緩慢下降，α固溶體的數(shù)量不斷增加，其成分沿AM線變化，而液相數(shù)量不斷減少，其成分沿AE線變化，這一階段的轉(zhuǎn)變屬勻晶轉(zhuǎn)變。 α相和β相的含量可用杠桿定律求出：α相含量：ωα=(EN/MN)amp。 平衡結(jié)晶過(guò)程相L、固溶體α相和β相，其中α相為Sn溶解于Pb中的固溶體，而β相是Pb溶解于Sn中的固溶體。CuNi勻晶相圖及典型合金NG為Pb在Sn中的溶解度曲線。 圖16即為PbSn共晶相圖。兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，固態(tài)時(shí)也無(wú)限互溶的二元合金相圖叫勻晶相圖，Cu–Ni二元合金相圖就是勻晶相圖，如圖16所示。 設(shè)t1溫度時(shí)，液、固兩相的相對(duì)質(zhì)量為ωL和ωα，則可通過(guò)下式求出兩相的相對(duì)含量，分別為： （一）相圖相圖是表示合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的一種圖解。(1) 晶界 2。 （l）空位 面缺陷：如晶界、亞晶界，此類缺陷的特點(diǎn)是在一個(gè)方向上的尺寸很小，另兩個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很大。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，把缺陷分成三種：由于各個(gè)晶核是隨機(jī)形成的，其位向各不相同，所以晶粒的位向也不相同，這樣就形成一塊多晶體金屬。形核過(guò)程和長(zhǎng)大過(guò)程緊密聯(lián)系但又有所區(qū)別。金屬結(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗍欠艧岱磻?yīng)過(guò)程，放出熱量。結(jié)晶后所形成的組織，如晶粒形狀、大小和分布等，將大大地影響到金屬的加工性能和使用性能，因此，結(jié)晶也是一個(gè)十分重要的過(guò)程。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得到的不同晶體結(jié)構(gòu)的晶體稱為同素異構(gòu)體。其晶格類型和性能均不同于任何一組元，一般可以用分子式大致表示其組成。 圖1 2 金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體。這一組元稱為溶劑，而其他組元稱為溶質(zhì)。由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)叫合金。體心立方晶胞(a)和面心立方晶胞(b)2． 面立方晶格 體心立方晶格的晶胞中三個(gè)棱邊長(zhǎng)度相等，三個(gè)軸間夾角均為90amp。 晶胞 金屬和合金在固態(tài)時(shí)，通常都是晶體。 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)把點(diǎn)陣用直線連接起來(lái)形成的空間格子稱為晶格。1． 體心立方晶格 圖11 二、合金的晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上使用的金屬材料大多數(shù)是合金。（一）固溶體合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，這種固相就叫固溶體。 （二）金屬化合物合金中的另一類相是金屬化合物，它是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，又叫中間相。如鐵在不同溫度下具有αFe(體心立方)、γFe(面心立方)、δFe(體心立方)晶體結(jié)構(gòu)。液相向固相的轉(zhuǎn)變是一個(gè)十分復(fù)雜的相變過(guò)程。 結(jié)晶時(shí)首先在液體中形成具有某一尺寸（臨界尺寸）的晶核，然后這些晶核不斷凝聚液體中的原子而長(zhǎng)大。由一個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體就是一個(gè)晶粒。實(shí)際金屬多是以非均勻形核方式進(jìn)行結(jié)晶的。由于固液界面的微觀結(jié)構(gòu)不同，因此，其接納液相中遷移過(guò)來(lái)的原子能力也不同。 異類原子一般都是 由于置換原子大小不可能與基體原子完全相同，因此，置換原子也會(huì)引起晶格畸變。晶體的面缺陷包括晶體的外表面（表面或自由界面）和內(nèi)界面兩類，其中內(nèi)界面包括晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)和相界等。二、合金的凝固a和b兩點(diǎn)在成分坐標(biāo)上的投影C1和Cα分別表示液、固兩相的成分。 這就是杠桿定律。 杠桿定律應(yīng)用圖解（二）固溶體合金的結(jié)晶過(guò)程1．勻晶轉(zhuǎn)變 當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，固態(tài)時(shí)有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變．并形成共晶組織，這種二元系相圖叫二元共晶相圖。 圖16 這時(shí)得到的組織為α和β兩個(gè)相的混合物，這種混合物稱共晶組織。 當(dāng)亞共晶合金（如合金Ⅰ）冷卻到1時(shí)，液相便開(kāi)始結(jié)晶出α固溶體。過(guò)共晶合金(如合金Ⅲ)的結(jié)晶過(guò)程與亞共晶合金相似，所不同的是它先結(jié)晶的相不是α相而是β相。 1．外層細(xì)晶區(qū) 潛熱，也使模壁溫度升高。隨看柱狀晶的發(fā)展，冷卻速度也逐漸減慢，溫度梯度趨于平緩，柱狀晶的長(zhǎng)大速度也就越來(lái)越小。 由于等軸晶區(qū)的各個(gè)晶粒在長(zhǎng)大時(shí)彼此交叉，枝權(quán)間的搭接牢固，裂紋不易擴(kuò)展，不存在明顯的弱脆界面。金屬收縮后，原來(lái)填滿鑄型的液態(tài)金屬，凝固后就不能再填滿了。偏析就是鋼錠中的化學(xué)成份和非金屬夾雜物的不均勻現(xiàn)象。是指發(fā)生在一個(gè)或幾個(gè)晶粒范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。 FeFe3C相圖上有三條水平線，即HJB包晶轉(zhuǎn)變線，ECF共晶轉(zhuǎn)變線，PSK共析轉(zhuǎn)變線。 明 符號(hào) 溫度(℃) ωc() 說(shuō) 其反應(yīng)式為：％~％的鐵碳合金都發(fā)生這個(gè)轉(zhuǎn)變。 碳在奧氏體中的溶解度線，此溫度常稱為Acm溫度。根據(jù)組織特征，可將鐵碳合金按含碳量劃分為七種類型： ~％。 鐵碳合金冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程（一）工業(yè)純鐵①，結(jié)晶過(guò)程如下：合金溶液在1~2溫度區(qū)內(nèi)按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出δ固溶體。 （二）共析鋼（）此合金在相圖中的位置見(jiàn)圖112②，結(jié)晶過(guò)程如圖113所示。因其數(shù)量很少，所以對(duì)珠光體的組織和性能沒(méi)有明顯影響。 單相奧氏體冷卻到4時(shí)，在晶界上開(kāi)始析出先共析鐵素體，隨著溫度下降，鐵素體量增加，奧氏體的含碳量沿GS線變化。 或 鋼的熱處理基礎(chǔ) (d)奧氏體均勻化圖21 因此，碳在奧氏體中的分布出現(xiàn)梯度，并引起碳在奧氏體中不斷地從高濃度處向低濃度處擴(kuò)散，從而破壞了相界面的平衡。一旦Fe3C全部溶解，這一過(guò)程便結(jié)束。碳化物形成元素（如Cr、Mo、W、V、Ti等）會(huì)減慢奧氏體的形成速度，非碳化物形成元素（如Co、 Ni）會(huì)加速奧氏體的形成過(guò)程。1. 起始晶粒度 本質(zhì)晶粒度是表示鋼在一定的條件下奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向性。保溫時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大。Mn、P、S、N等元素溶入奧氏體后，削弱γFe原子間的結(jié)合力，加速鐵原子的自擴(kuò)散，所以，會(huì)促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大。氧化：鋼在加熱時(shí)，表層的鐵及合金元素與介質(zhì)中的氧、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)形成氧化膜的現(xiàn)象稱為氧化。圖中最上面的一根水平虛線為鋼的臨界點(diǎn)A1，下方的一根水平線Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度，另一根水平線Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度。（二）影響C曲線的因素下列各種因素主要影響C曲線的形狀和位置： 2. 合金元素的影響 圖23 珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)由三條線構(gòu)成，圖中左邊一條線為過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線，右 冷至Mf點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)變終止，得到的組織為馬氏體+未轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體。 它是用來(lái)衡量珠光體組織粗細(xì)程度的一個(gè)重要指標(biāo)。與一般相變相同，珠光體的形成也是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程所組成。鋼的馬氏體組織是碳在αFe中的過(guò)飽和固溶體。 （500） 片狀馬氏體組織形態(tài) 馬氏體片之間不平行，呈一定的交角，其組織形態(tài)如圖27所示。片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，所以片狀 在電子顯微鏡下可以觀察到片狀馬氏體中存在大量的顯微裂紋，這些顯微裂紋是由于馬氏體高速形成時(shí)互相撞擊或與晶界撞擊所造成的。當(dāng)碳含量進(jìn)一步增加，雖然馬氏體的硬度會(huì)有所增加，但由于殘余奧氏體的含量也增加，會(huì)使鋼的硬度有所下降。(2) 馬氏體的塑性和韌性 因此，馬氏體轉(zhuǎn)變是以無(wú)擴(kuò)散方式進(jìn)行的。（三）影響馬氏體轉(zhuǎn)變的因素奧氏體必須過(guò)冷到Ms點(diǎn)才能開(kāi)始馬氏體轉(zhuǎn)變，到Mf點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)變結(jié)束，所以影響馬氏體轉(zhuǎn)變主要是影響Ms點(diǎn)。隨著奧氏體強(qiáng)度的提高，Ms點(diǎn)降低。由于下貝氏體具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，故在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 下貝氏體的空間形態(tài)呈雙凸透鏡狀，在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針狀或竹葉狀．針與針之間呈一定夾角。圖211為粒狀貝氏體的顯微組織形態(tài)。下貝氏體的鐵素體針細(xì)小，分布均勻，在鐵素體內(nèi) 鋼由高溫較快地冷卻下來(lái)往往容易出現(xiàn)魏氏組織，慢冷則不易出現(xiàn)。 第三節(jié) 表21列出了常用結(jié)構(gòu)鋼退火和正火工藝規(guī)范。 主要目的是降低硬度，改善切削加工的性能，消除內(nèi)應(yīng)力。 火Ａc1 Ac3 Ar1 加熱溫度（℃） 冷　卻 HB 加熱溫度（℃） HB354545Mn240Cr35CrMo40MnB40CrNi40CrNiMoA65Mn60Si2Mn50CrV2020Cr20CrMnTi20CrMnMo38CrMoAlA 724724715743755730731732726755752735766740710800 802780770782800780769774765810788855838825830940 680682640693695650660689700688680702650620730 850~880800~840810~840830~850830~850820~860820~850840~880780~840840~860860~890850~870840~870 爐冷爐冷爐冷爐冷爐冷爐冷爐冷600℃爐冷爐冷爐冷爐冷爐冷爐冷 ≤187≤197≤217≤207≤229≤207≤229≤229185~255≤179≤217≤229 860~890840~870820~860850~870850~870850~900870~900~890~920820~860830~860850~880890~920870~900950~970870~900930~970 ≤191≤226187~241≤250≤241197~207≤250220~270≤269≤254≤288≤156≤270156~207179~229表22 表22為常用工具鋼的退火及正火工藝規(guī)范，如采用等溫退火還可以使片狀珠光體球化，為下道工序作組織準(zhǔn)備。四、擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火又稱為均勻化退火，其目的是消除晶內(nèi)偏析，使成分均勻化，擴(kuò)散退火的實(shí)質(zhì)是使鋼在奧氏體中進(jìn)行充分?jǐn)U散。 消除加工硬化 冷變形鋼材和鋼件去應(yīng)力退火 加熱至Ac1100~200℃，保溫后空冷或爐冷至200~300℃，再出爐空冷。經(jīng)擴(kuò)散退火后，奧氏體晶粒十分粗大，因此必須進(jìn)行一次完全退火或正火處理．以細(xì)化晶粒，消除過(guò)熱缺陷。以上的常用退火方法的主要特點(diǎn)及應(yīng)用范圍見(jiàn)表23。各種常用鋼的正火加熱溫度和硬度值見(jiàn)表222。 2．球化不完全或球化不均勻：球化退火前未消除網(wǎng)狀碳化物，存在大塊碳化物，可先正火再球化退火?？梢杂弥匦抡鹣?。 如果加熱溫度太低，不能獲得足夠多的馬氏體．但如果加熱溫度太高，則會(huì)引起奧氏體晶粒粗大，淬火后得到粗大馬氏體，會(huì)引起鋼的韌性降低。 1