钢在加热及冷却时的组织转变

1.3.1　钢在加热及冷却时的组织转变

热处理之所以能使钢的性能发生变化，其根本原因是由于铁有同素异构转变，从而使钢在加热和冷却过程中，其内部发生了组织与结构变化的结果。

1．钢在加热时的组织转变

在极其缓慢的加热条件下，钢的组织转变是按Fe-Fe₃C平衡图进行的，即共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热到临界温度A₁、A₃、A_cm线就能获得单相奥氏体。但在实际生产中加热速度比较快，相变的临界温度要高些，对应用A_c1、A_c3、A_ccm表示。同样，实际生产中冷却速度也比较快，相变的临界温度要低些，对应用A_r1、A_r3、A_rcm表示，如图1-18所示。

图1-18　碳素钢的临界点在Fe-Fe3C平衡图上的位置

热处理时，对钢加热的目的通常是使组织全部或大部分转变为细小的奥氏体晶粒，这种转变叫做奥氏体化。奥氏体化后的钢，以不同的冷却方式冷却时，便可得到不同的组织，从而使钢获得不同的性能。因此，通过加热使钢奥氏体化是钢的组织转变的基本条件。

（1）奥氏体的形成。以共析钢为例，如图1-19所示。共析钢在A₁以下全部为珠光体。珠光体向奥氏体的转变是通过生核、长大的过程来完成的。首先，在铁素体和渗碳体的交界面上生成奥氏体的晶核，然后通过原子的扩散，奥氏体不断成长；同时又有新的晶核在生成并成长。保温一段时间后，珠光体就全部转变为奥氏体。

图1-19　共析钢中奥氏体形成过程示意图

（2）奥氏体晶粒的长大。由于在铁素体和渗碳体的交界面上产生的奥氏体晶核很多，由珠光体开始转变成的奥氏体晶粒总是比较细小的。但是，随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒会逐渐长大。

奥氏体晶粒的大小直接影响钢冷却后的组织和性能。一般来说，奥氏体晶粒越粗，冷却后钢的组织就越粗，钢的力学性能就差。因此，在实际生产时，必须控制好加热温度和保温时间。

2．钢在冷却时的组织转变

热处理的目的是提高和改善钢的性能。实践证明，冷却过程是钢的热处理的关键工序，它决定着钢在室温下的组织和性能。如45号钢经840℃加热并保温后，如在空气中冷却，其表面硬度≤209HBS；如在油中冷却，其表面硬度达45HRC左右；如在水中冷却，其表面硬度可达55HRC左右。

加热得到的奥氏体，在冷却过程中会发生组织转变。在实际生产中冷却速度比较快，奥氏体要在A₁以下的温度才发生转变。A₁线以下暂时存在的奥氏体是不稳定相，称为过冷奥氏体。在热处理工艺中，过冷奥氏体的冷却过程常采用等温冷却和连续冷却两种方式。

（1）过冷奥氏体的等温转变。将高温奥氏体迅速冷却到低于A₁以下的某一温度，并保持恒温，让过冷奥氏体在此温度完成其转变的过程，称为过冷奥氏体的等温转变。

图1-20　共析钢等温转变图

过冷奥氏体在不同的温度进行等温转变，将获得不同的组织和性能。过冷奥氏体的等温转变规律可以用图来说明。全面表示过冷奥氏体的等温转变温度与转变产物之间关系的图形，称为奥氏体等温转变曲线。每一种钢都有一个等温转变图。共析钢的等温转变图见图1-20。由于其形状像“C”，故简称为C曲线。

在图1-20中，纵坐标为过冷奥氏体的等温温度，横坐标取用对数坐标标出的时间。图中C曲线上面的水平线是A₁线，它表示奥氏体和珠光体的平衡温度，即铁碳平衡图中的A₁温度。C曲线下面的水平线叫做M_S线，它是以极快的冷却速度连续冷却时，测得的过冷奥氏体开始转变为马氏体的温度点的连续线；在其下面的水平线表示马氏体转变终了温度，称为M_f线，一般都在室温以下。故M_S～M_f是马氏体转变区。在A₁～M_S之间，是过冷奥氏体等温转变区。该区中，左边的C曲线为奥氏体转变开始线，其左方是过冷奥氏体区，过冷奥氏体经过一段孕育期将发生转变；右边的C曲线为奥氏体转变终了线，其右方为转变产物区；两条C曲线中间为过冷奥氏体和转变产物共存区。

1）过冷奥氏体的高温转变产物。过冷奥氏体在A₁～550℃范围内的转变为高温转变，转变产物为片状珠光体。等温转变的温度不同，珠光体中铁素体与渗碳体的片层间距不同。其中在A₁～650℃范围内等温转变得到粗片状珠光体，片层间距大于0.4μm，硬度约为20HRC；在650～600℃范围内等温转变得到细片状珠光体，称为索氏体，用符号S表示，片层间距0.2～0.4μm，硬度约为30HRC；在600～550℃范围内等温转变得到极细片状珠光体，称为托氏体，用符号T表示，片层间距小于0.2μm，硬度约为40HRC。

2）过冷奥氏体的中温转变产物。过冷奥氏体在550℃～M_S范围内的转变为中温转变，转变产物为贝氏体（由铁素体和非片层状碳化物组成）。在550～350℃范围内得到的是上贝氏体，用符号B上表示，其显微组织为羽毛状，如图1-21（a）所示。上贝氏体的硬度约为45HRC，强度和韧性都不高，生产上很少使用。在350℃～M_s范围内得到的是下贝氏体，用符号B下表示，其显微组织为针状，如图1-21（b）所示。下贝氏体比上贝氏体具有较高的强度和硬度（约为55HRC），同时塑性和韧性也较好。生产上常采用等温淬火获得下贝氏体组织来改善钢的机械性能，并减少淬火内应力及变形、开裂倾向。

图1-21　贝氏体的组织示意图

3）过冷奥氏体的低温转变产物。奥氏体快速过冷到M_S线以下转变为低温转变，转变产物为马氏体。马氏体是一种非常重要的组织，用M表示。多数情况下，钢的强化就是通过淬火以获得马氏体来实现的。形成马氏体时，由于温度低，碳原子已失去扩散能力，原来溶解在奥氏体中的碳便全部保留在α-Fe中，形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体。

高硬度是马氏体性能的主要特点，且随马氏体含碳量增加，硬度也随之升高，脆性增大。马氏体的组织形态主要有板条状和针状两种，如图1-22所示。当奥氏体中w_C＜0.2%时，马氏体的形态为板条状，又叫做低碳马氏体。因钢中含碳量低，硬度不高，通常为35～45HRC，但有高的强度和韧性。当奥氏体中w_C＞1.0%时，马氏体的形态为针状，又叫做高碳马氏体。因钢中含碳量高，硬度高、韧性低而脆性大，须经回火处理后才能使用。含碳量介于两者之间的马氏体，则由板条状马氏体和片状马氏体混合组成，性能也处于两者之间。

图1-22　马氏体形态

（2）过冷奥氏体的连续冷却转变。在实际生产中，除了极少数采用等温转变外，奥氏体的转变大多数是在连续冷却过程中进行的。实验表明，按不同冷却速度连续冷却时，过冷奥氏体的转变产物接近于其冷却曲线与C曲线相交温度范围所发生的等温转变产物。所以，过冷奥氏体的连续冷却转变产物可用C曲线定性分析而确定。但需注意的是，碳钢在连续冷却中，不能形成贝氏体。

图1-23是将共析钢的各种不同冷却

A₁速度的冷却曲线画在它的C曲线上，其中v₁＜v₂＜v₃＜v₄＜v₅，然后根据它们的

υ₁交点位置便可确定其连续冷却转变产物。

图1-23　连续冷却转变产物的定性分析

v₁相当于缓慢冷却（如随炉冷却），与C曲线的交点位置靠近A₁，可以确定所得组织为珠光体。

v₂相当于在空气中冷却，交点位于索氏体转变范围，所得组织为索氏体。

v₃相当于在油中冷却，它与C曲线只相交于550℃温度范围的转变开始线，这时，一部分过冷奥氏体要转变为托氏体，其余的过冷奥氏体在随后的继续冷却中又与M_S线相交，转变为马氏体。所以，冷却到室温后得到的是托氏体与马氏体的混合物，硬度为50HRC。

v_k与C曲线相切，它是所有的奥氏体冷却到M_S以下全部转变为马氏体的最小冷却速度，称为临界冷却速度。

v₄、v₅相当于在水中冷却，它与C曲线不相交，而直接冷却到M_S线才发生转变，所得组织为马氏体，硬度在60HRC以上（高碳马氏体）。

马氏体只有在M_S～M_f范围内的连续冷却过程中才能不断形成，冷却停止，转变便终止。由于很多钢的M_f在0℃以下，而淬火冷却通常只冷却到室温，故奥氏体向马氏体的转变不能完全进行到底，总有一部分奥氏体未能转变而被保留下来，称为残余奥氏体。随着钢中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多。如果要消除残余奥氏体，可把钢继续冷却到M_f以下。