【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ）工業(yè)純鐵①，結(jié)晶過程如下：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。δ固溶體冷卻至3時(shí)，開始發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?chǔ)摹谩Ｒ恢钡?結(jié)束，合金全部呈單相奧氏體。繼續(xù)冷卻至5～6間又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?chǔ)谩?，全部變成鐵素體。冷卻到7時(shí)，碳在鐵素體中溶解度達(dá)到飽和。在7以下將從鐵素體中析出 三次滲碳體。工業(yè)純鐵的室溫組織見圖114。 （二）共析鋼（）此合金在相圖中的位置見圖112②，結(jié)晶過程如圖113所示。在1~2間，合金按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出圖113 共析鋼的結(jié)晶過程示意圖奧氏體，在2凝固完成，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。冷卻到3(727℃)時(shí)， → +Fe3 C, 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體，其金相照片如圖115所示。珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳體。在隨后的冷卻過程中，從珠光體中的鐵素體相中析出三次滲碳體。在緩冷條件下，三次滲碳體在鐵素體與滲碳體的相界面上形成，與共析滲碳體連結(jié)在一起，在顯微鏡下難以分辨。因其數(shù)量很少，所以對(duì)珠光體的組織和性能沒有明顯影響。 圖114 工業(yè)純鐵的室溫組織（400 X） 圖115 共析鋼的室溫組織（500 X）(三) 亞共析鋼（）此合金在相圖中的位置見圖112③，結(jié)晶過程如圖116所示。在1~2間，合金按勻晶轉(zhuǎn)變析出δ固溶體。冷卻至2時(shí)發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變形成奧氏體，在2~3之間剩余液相凝固完成。單相奧氏體冷卻到4時(shí)，在晶界上開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。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5以下，先共析鐵素體和珠光體中的鐵素體都將析出三次滲碳體，但其數(shù)量很少，可忽略不計(jì)。因此，該鋼在室溫下的組織由先共析鐵素體和珠光體所組成，見圖117。 圖116 ％的碳鋼結(jié)晶過程示意圖亞共析鋼中含碳量越高，則組織中的珠光體含量越多。利用杠桿定律可以分別計(jì)算出鋼組織中組成物先共析鐵素體和珠光體含量，％合金的先共析鐵素體和珠光體比例如下： ωα = ()/()100 = 或 ωp= ()/()100 = 同樣，也可以算出相組成物的含量： ωα = ()/()100 a = 或 ωFe3C= ()/()100 a= 還可以近似地根據(jù)亞共析鋼的平衡組織來估計(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)。（四）過共析鋼（含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 2％的合金）此合金在相圖中的位置見圖112④，結(jié)晶過程示意圖如圖119。合金在1~2按勻晶轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體后，冷卻到3，開始從奧氏體中析出二次滲碳體，直到4為止。這種先共析的滲碳體多沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布，數(shù)量較多時(shí)，還在晶內(nèi)呈針狀分布。當(dāng)溫度到達(dá)4（7270C）時(shí)，奧氏體的含碳量降為0. 77％，因而在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。最后得到的組織是網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體。見圖118。 圖117 亞共析鋼的室溫組織（400 X） 圖118 過共析鋼緩冷后的組織（400 X） 圖119 ％的過共析鋼結(jié)晶過程示意圖 第二章 鋼的熱處理基礎(chǔ) 所謂鋼的熱處理就是將鋼工件在一定的介質(zhì)中，以預(yù)定的速度加熱到預(yù)定的溫度，保溫一定的時(shí)間，然后以預(yù)定的方法冷卻到室溫的一種熱加工工藝。常用的熱處理形式分成三類，即基本熱處理、化學(xué)熱處理和形變熱處理。本章內(nèi)容主要是介紹基本熱處理和化學(xué)熱處理的基本知識(shí)。所謂基本熱處理主要是指以熱作用為主要過程的熱處理，即只有熱作用對(duì)鋼的內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能起決定性的影響，材料的化學(xué)成分、形狀和尺寸在熱處理前后并不發(fā)生大的改變。 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程中經(jīng)過A1(PSK)線時(shí)，發(fā)生珠光體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變。而亞共析鋼經(jīng)過A3(GS)線時(shí)，發(fā)生鐵素體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變，過共析鋼經(jīng)過Acm(ES)線時(shí)，發(fā)生Fe3C與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變。AAAcm稱為鋼加熱或冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度。AcAcAccm為鋼加熱時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度，ArArArcm為鋼冷卻時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度。AAAcm是鋼組織平衡轉(zhuǎn)變的理論臨界溫度，而實(shí)際上鋼進(jìn)行熱處理時(shí)，組織轉(zhuǎn)變并不發(fā)生在理論臨界溫度上，大多都有一定的滯后現(xiàn)象，把實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度與理論臨界溫度之差稱為過冷度(冷卻時(shí))或過熱度(加熱時(shí))，過冷度或過熱度都隨冷卻速度或加熱速度的增大而增大。 第一節(jié) 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變一、奧氏體的形成過程 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A1(共析鋼)、A3（亞共析鋼）或Acm（過共析鋼）以上，鋼的組織為單相奧氏體組織。單一奧氏體是如何形成的？實(shí)驗(yàn)證明，奧氏體的形成也是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)步驟所組成?，F(xiàn)以共析鋼為例說明奧氏體的形成過程。圖21為共析鋼的奧氏體形成過程示意圖。 (a)奧氏體形核 (b)奧氏體長(zhǎng)大 (c)剩余Fe3C溶解 (d)奧氏體均勻化圖21 共析鋼的奧氏體形成過程示意圖假設(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。所以?shī)W氏體晶核優(yōu)先在相界面上形成。當(dāng)然，珠光體群邊界也可能成為奧氏體的形核部位。奧氏體形核后便開始長(zhǎng)大。奧氏體晶核形成以后，它的一側(cè)與鐵素體相鄰，而另一側(cè)與Fe3 C相鄰。假設(shè)它們的界面是平直的，則根據(jù)FeFe3C相圖可知，奧氏體中的碳濃度是不均勻的。與Fe3 C相鄰界面的碳濃度高于奧氏體與鐵素體相鄰界面的碳濃度。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。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。與此同時(shí)，在另一側(cè)界面上，由于奧氏體的碳原子向鐵素體中不斷擴(kuò)散，致使鐵素體不斷轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。這樣奧氏體的兩個(gè)界面就不斷地向鐵素體和Fe3C方向移動(dòng)，奧氏體便長(zhǎng)大。在鐵素體內(nèi)，由于它與Fe3C和奧氏體接觸的兩個(gè)界面之間也存在碳濃度差，因此，碳在鐵素體內(nèi)也進(jìn)行著擴(kuò)散，結(jié)果加速鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，使奧氏體長(zhǎng)大。當(dāng)鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體時(shí)，便可認(rèn)為奧氏體的長(zhǎng)大過程已經(jīng)完畢。但此時(shí)仍有部分Fe3C尚未溶解，剩余在奧氏體中。但隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)或溫度升高，剩余Fe3C通過碳的擴(kuò)散會(huì)不斷地溶入奧氏體中，使奧氏體的含碳量逐漸接近共析成分。一旦Fe3C全部溶解，這一過程便結(jié)束。但此時(shí)奧氏體中的碳濃度仍是不均勻的，因此，在保溫或升溫過程中，通過碳原子的擴(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。至此，奧氏體的形成過程全部結(jié)束。亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程與共析鋼基本相同，但只有當(dāng)前者的加熱溫度超過A3，后者的加熱溫度超過Acm并保溫足夠時(shí)間，才能獲得均勻單相的奧氏體。二、影響奧氏體形成的因素由于奧氏體形成是通過形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過程進(jìn)行的，整個(gè)過程都受原子擴(kuò)散控制，因此，一切影響形核和長(zhǎng)大的因素都會(huì)影響奧氏體的形成速度。影響因素主要有加熱溫度、原始組織和化學(xué)成分。（一）加熱溫度 加熱溫度越高，原子擴(kuò)散能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)變?cè)杏谠蕉?，奧氏體形成就越快。（二）原始組織 在化學(xué)成分相同的情況下，鋼的原始組織越細(xì)，奧氏體的形成速度就越快。（三）化學(xué)成分 1. 含碳量 鋼中含碳越高，奧氏體的形成速度越快；2. 合金元素 合金元素不改變奧氏體化的過程，但影響奧氏體的形成速度。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程。由于合金元素會(huì)改變鋼的臨界點(diǎn)，從而改變奧氏體與珠光體的自由能差，因此也會(huì)影響奧氏體的形成速度。降低A1點(diǎn)的元素如Ni、Mn、Cu等，會(huì)增加奧氏體形成速度，而提高A1點(diǎn)的元素如Cr、Mo、 W、V、Si等，將減慢奧氏體形成速度。三、奧氏體晶粒的長(zhǎng)大（一）奧氏體晶粒度奧氏體晶粒大小是評(píng)定鋼加熱時(shí)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，對(duì)鋼的冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能都有十分重要的影響。奧氏體晶粒大小用晶粒度表示（通常晶粒度分成8級(jí)）。目前，世界上通用的方法是用與標(biāo)準(zhǔn)金相圖片相比較來確定晶粒度的級(jí)別。具體做法可參閱YB/T 51481993《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》。通常認(rèn)為晶粒度1~4級(jí)為粗晶粒，5~8級(jí)為細(xì)晶粒。1. 起始晶粒度 奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成，其晶粒邊界剛剛相互接觸時(shí)的奧氏體晶粒大小稱為奧氏體的起始晶粒度。一般起始晶粒度總是十分細(xì)小、均勻的。2. 實(shí)際晶粒度 鋼在某一具體的熱處理或熱加工條件下獲得的奧氏體實(shí)際晶粒的大小稱為奧氏體的實(shí)際晶粒度。它取決于具體的加熱溫度和保溫時(shí)間。實(shí)際晶粒度總比起始晶粒度大，實(shí)際晶粒度對(duì)鋼熱處理后獲得的性能有直接的影響。3. 本質(zhì)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。凡隨著奧氏體化溫度升高，奧氏體晶粒迅速長(zhǎng)大的稱為本質(zhì)粗晶粒鋼。相反，隨著奧氏體化溫度升高，在930℃以下時(shí)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大速度緩慢的稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。超過930℃，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼的奧氏體晶粒也可能迅速長(zhǎng)大，有時(shí)，其晶粒尺寸甚至?xí)^本質(zhì)粗晶粒鋼。鋼的本質(zhì)晶粒度與鋼的脫氧方法和化學(xué)成分有關(guān)，一般用Al脫氧的鋼為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，用Mn、Si脫氧的鋼為本質(zhì)粗晶粒鋼。含有碳化物形成元素如Ti、Zr、V、Nb、Mo、W等元素的鋼也屬本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。（二）影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素1. 加熱溫度和保溫時(shí)間 加熱溫度升高，原子擴(kuò)散速度呈指數(shù)關(guān)系增大，奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大。保溫時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大。2. 加熱速度的影響 加熱速度越大，奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的過熱度也越大，奧氏體的實(shí)際形成溫度也越高，起始晶粒度則越細(xì)。3. 含碳量的影響 在一定含碳量范圍內(nèi)，隨著碳含量的增加，奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向增大，但當(dāng)含碳量超過某一限度時(shí)，奧氏體晶粒反而變得細(xì)小。4. 合金元素的影響 當(dāng)鋼中含有能形成難熔化合物的合金元素，如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等時(shí)，會(huì)強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，并使奧氏體粗化溫度升高。但不形成化合物的合金元素，如Si、Ni、Cu則影響不大。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。四、鋼的加熱缺陷過熱：加熱溫度過高或在高溫下保溫時(shí)間過長(zhǎng)，引起奧氏體晶粒粗化稱為過熱。粗大的奧氏體晶粒導(dǎo)致鋼的強(qiáng)韌性降低，增大淬火時(shí)的畸變開裂傾向。過燒：加熱溫度過高，引起奧氏體晶粒嚴(yán)重粗化，而且晶界出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化，稱為過燒。鋼過燒后性能嚴(yán)重惡化, 無(wú)法挽救，只能報(bào)廢。脫碳：鋼在加熱時(shí)，表層的碳與介質(zhì)中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)，降低了表層的碳濃度稱為脫碳。脫碳的鋼淬火后，表面硬度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性降低，表面易形成網(wǎng)狀裂紋。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。氫脆：高強(qiáng)度鋼在富氫氣氛中加熱時(shí)出現(xiàn)塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為氫脆。第二節(jié) 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變從FeFe3C相圖可知，在A1溫度以下，奧氏體是不穩(wěn)定相，它將向珠光體和其他組織轉(zhuǎn)變，這種在臨界溫度以下處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體叫過冷奧氏體。在熱處理實(shí)際生產(chǎn)中，奧氏體的冷卻方法有兩大類，第一類是等溫冷卻，即將處于奧氏體狀態(tài)的鋼迅速冷卻至臨界點(diǎn)以下某一溫度并保溫一定時(shí)間，讓過冷奧氏體在該溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，然后再冷至室溫。另一類是連續(xù)冷卻，即將處于奧氏體狀態(tài)的鋼以一定的速度冷至室溫，使奧氏體在一個(gè)溫度范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)變。一、過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線形如英文字母C，故又稱為C曲線，亦稱為TTT (TimeTemperature Transformation)圖，如圖22所示。（一）等溫冷卻C曲線分析共析碳鋼C曲線分析：共析碳鋼C曲線如圖22所示。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)變開始溫度，另一根水平線Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度。A1與Ms之間有兩條C曲線，左邊一條為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線，右邊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線與Mf線之間的區(qū)域?yàn)轳R氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，過冷奧氏體冷卻到Ms線以下時(shí)將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。兩條C曲線之間的區(qū)域?yàn)檫^冷奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在該區(qū)域過冷奧氏體將向珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變終了線右側(cè)區(qū)域?yàn)檫^冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。 在A1溫度以下，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)之間的水平距離稱為過冷奧氏體在該溫度下的孕育期。從圖可見，在不同溫度下等溫，其孕育期是不同的。在550℃左右共析鋼的孕育期最短，轉(zhuǎn)變速度最快，此處俗稱為C曲線的鼻子。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線與縱坐標(biāo)之間的水平距離則表示在不同溫度下轉(zhuǎn)變完成所需要的總時(shí)間。（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： 1. 碳含量的影響 與共析鋼比較，亞共析鋼和過共析鋼的 圖22 共析鋼的過冷奧氏體C曲線都多出一條先共析相析出線，如圖23所示。因此，在發(fā) 等溫轉(zhuǎn)變曲線生珠光體轉(zhuǎn)變以前，亞共析鋼會(huì)先析出鐵素體，過共析鋼則先析出滲碳體。 2. 合金元素的影響 一般