钢在加热时的转变详解

钢在加热时的转变
钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化。

一、加热时奥氏体的形成过程
1．共析钢的加热转变
从铁碳相图中看到，钢加热到727℃（状态图的PSK线，又称A1温度）以上的温度珠光体转变为奥氏体。这个加热速度十分缓慢，实际热处理的加热速度均高于这个缓慢加热速度，实际珠光体转变为奥氏体的温度高于A1，定义实际转变温度为Ac1。Ac1高于A1，表明出现热滞后，加热速度愈快，Ac1愈高，同时完成珠光体向奥氏体转变的时间亦愈短。
  共析碳钢（含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体转变过程可分为四步进行，如图6-2示。


2．非共析钢的加热转变
  第一阶段：奥氏体晶核的形成。由Fe-Fe3C状态图知：在A1温度铁素体含约0.0218%C，渗碳体含6.69%C，奥氏体含0.77%C。在珠光体转变为奥氏体过程中，原铁素体由体心立方晶格改组为奥氏体的面心立方晶格，原渗碳体由复杂斜方晶格转变为面心立方晶格。所以，钢的加热转变既有碳原子的扩散，也有晶体结构的变化。基于能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体的铁素体与渗碳体两相交界处产生（见图6-2（a）），这两相交界面越多，奥氏体晶核越多。
  第二阶段：奥氏体的长大。奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。
  第三阶段：残余渗碳体的溶解。由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“残余渗碳体”存在（见图6-2（C）），还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。
  第四阶段：奥氏体成分的均匀化。即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能均匀。
  上述分析表明，珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充分条件：一是温度条件，要在Ac1以上加热，二是时间条件，要求在Ac1以上温度保持足够时间。在一定加热速度条件下，超过Ac1的温度越高，奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度（高于Ac1）条件下，保温时间越长，奥氏体成分越均匀。
  还要看到奥氏体晶粒由小尺寸变为大尺寸是一个自发过程，在Ac1以上的一定加热温度下，过长的保温时间会导致奥氏体晶粒的合并，尺寸变大。相对之下，相同时间加热，高的加热温度导致奥氏体晶粒尺寸的增大倾向明显大于低的加热温度的奥氏体晶粒长大倾向。奥氏体晶粒尺寸过大（或过粗）往往导致热处理后钢的强度降低，工程上往往希望得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒，为此可以采用：途径之一是在保证奥氏成分均匀情况下选择尽量低的奥氏体化温度；途径之二是快速加热到较高的温度经短暂保温使形成的奥氏体来不及长大而冷却得到细小的晶粒。
  工程上把奥氏体晶粒尺寸大小定义为晶粒度，并分为8级，其中1～4级为粗晶粒，5级以上为细晶粒，超过8级为超细晶粒。

亚共析钢与过共析钢的珠光体加热转变为奥氏体过程与共析钢转变过程是一样的，即在Ac1温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢中的珠光体均要转变为奥氏体。不同的是还有亚共析钢的铁素体的转变与过共析钢的二次渗碳体的溶解。更重要的是铁素体的完全转变要在A3温度（Fe-Fe3C状态图的GS线)以上，考虑热滞后实际要在Ac3以上，二次渗碳体的完全溶解要在温度Acm(Fe-Fe3C状态图的ES线)以上，考虑热滞后要在Accm以上。即亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以上，对过共析钢要在Accm以上。如果亚共析钢仍仅在Ac1～Ac3温度之间加热，无论加热时间多长加热后的组织仍为铁素体与奥氏体共存。对过共析钢在Ac1～Accm温度之间加热，加热后的组织应为二次渗碳体与奥氏体共存。加热后冷却过程的组织转变也仅是奥氏体向其它组织的转变，其中的铁素体及二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变。

钢加热时常见的缺陷：
（1）氧化
加热时的氧化性气氛（如空气、气氛中O2、CO2、H2O等）氧化钢铁，在工件表面形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。在温度560℃以下，主要形成Fe3O4这类比较致密的氧化物，它可使钢表面与氧化性气氛隔离，阻止钢表进一步氧化。但钢的奥氏体化温度多在560℃以上，钢被氧化形成以FeO为主的疏松的氧化物层，依加热温度升高加热时间增长其氧化物层厚度增加，不仅导致钢的烧损加大，而且使零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的还严重影响后序热处理的质量。
（2）脱碳
  钢加热过程中脱碳，即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象。伴随氧化常发生脱碳，氧化性气氛也是脱碳的气氛，H2虽是还原性气氛亦是脱碳气氛。一般钢中含碳量越高，脱碳越严重。由于脱碳使钢件表面含碳量下降，导致钢件机械强度下降，特别是工件的疲劳强度下降，耐磨损性能降低。
（3）过热
  钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高，出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大，即晶粒变粗。结果是，钢的塑性、韧性、强度降低，同时工件热处理后变形加大，还可能导致热处理裂纹、使工件报废。过热的工件一般可再在较低温度加热，重新使奥氏体晶粒细化，予以补救。
（4）过烧
  指的是加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。后果是，处理的工件很脆，如果锻造一锻即裂，过烧的工件只能报废，无法挽救，因而是致命性的。

加热缺陷的防止办法
（1）真空加热
工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向，在发达国家应用普遍，问题是，真空加热用的设备投资大，工艺成本较高。
（2）可控气氛加热
  工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳，不增碳，不氧化的气氛下加热。实践证明它是行之有效与可靠的方法，也是发达国家应用十分普遍的工艺，是现代热处理的发展方向之一。但需要一套制取可控气氛的发生装置，由于成本较高，原材料来源不广泛限制了它的应用。
（3）盐浴加热
  工件置于一熔化了的中性盐液中加热，盐液进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。问题主要是粘在工件上的盐难以清洗洁净，清洗不干净会导致储存及应用过程易于长锈。此外操作过程中盐液遇水易炸，不小心易使人体灼伤，要十分注意安全。

钢加热时主要发生珠光体向奥氏体的转变。不同成分的钢在加热时转变方式略有不同。

共析钢加热时珠光体转变为奥氏体的过程可分为奥氏体晶核形成、长大、残余渗碳体溶解和成分均匀化四个阶段。亚共析钢需要在Ac3温度以上才能使所有铁素体转变为奥氏体。过共析钢需在Accm以上才能使二次渗碳体全部溶解。

加热过程有可能出现氧化、脱碳、过热和过烧等缺陷，可以通过真空加热、可控气氛加热或盐浴加热等方式防止。其中真空加热最有效但成本高，可控气氛加热广泛使用但成本和原材料限制了应用，盐浴加热虽然可以减少氧化，但后续清洗困难且存在安全隐患。
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