钢的加热与保温对组织的影响

由图4-2可知，钢在加热到临界转变温度Ac₁以上时，将开始发生奥氏体转变，首先由珠光体转变成奥氏体（P→A）；加热至Ac₃或Ac_cm时，亚共析钢中的铁素体或过共析钢中的二次渗碳体将溶入奥氏体（F→A或Fe₃CⅡ→A）。这种奥氏体组织的形成过程称为奥氏体化。

1.奥氏体的形成过程

以共析钢为例，共析钢组织在A₁以下时为珠光体（铁素体和渗碳体组成的机械混合物）；加热至Ac₁以上时，珠光体将转变为奥氏体，其转变过程遵循形核和长大的基本规律。奥氏体的形成过程可归纳为三个阶段：

（1）奥氏体晶核的形成和长大 当共析钢加热到临界转变温度Ac₁以上时，优先在片层状珠光体中铁素体和渗碳体两相界面处形成奥氏体晶核。这是由于相界处原子排列紊乱，处于高能量的不稳定状态，而且相界处的碳含量介于铁素体和渗碳体之间，更接近于奥氏体。

随后，通过铁素体晶格的改组、渗碳体的溶解和碳在奥氏体中的扩散等过程，奥氏体晶核不断长大，与此同时，又有新的奥氏体晶核形成并长大，直至珠光体消失，如图4-3a、b所示。

图4-3 共析钢加热时组织转变示意图

a）奥氏体形核 b）奥氏体长大 c）残余渗碳体溶解 d）奥氏体均匀化

（2）残余渗碳体的溶解 因为奥氏体与渗碳体的晶格和碳含量差异较大，所以当珠光体中的铁素体全部消失时，仍有未溶的渗碳体存在，这部分残余渗碳体只有在继续加热或保温时，通过碳化物中碳原子向奥氏体中扩散以及Fe₃C向奥氏体的晶格改组，才能使其逐渐溶解，如图4-3c所示。

（3）奥氏体均匀化 当残余渗碳体刚刚完全溶入奥氏体时，奥氏体内的碳浓度分布是不均匀的，渗碳体的区域碳浓度较高，铁素体的区域碳浓度较低。这种碳浓度的不均匀性随加热速度增大而愈加严重，只有经继续保温或继续加热，借助于碳原子的充分扩散，才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀，如图4-3d所示。因此，钢在加热时需要一定的保温时间，这不仅是为了使零件热透，更主要是为了使奥氏体成分均匀化，以便冷却后得到更好的组织和性能。

以上是共析钢的奥氏体化过程。由图4-2可知，亚共析钢和过共析钢在加热到Ac₁时，组织中仅有珠光体向奥氏体转变，属于不完全奥氏体化，分别获得“A+F”和“A+Fe₃CⅡ”，这种加热方法在热处理中也常有应用；只有加热至Ac₃或Ac_cm时，才能完成奥氏体化。

2.奥氏体的晶粒大小及影响因素

要特别指出的是，钢在加热时的组织转变主要是奥氏体化。研究表明，钢的奥氏体化程度对钢的冷却组织和性能有着很大的影响。一般情况下，奥氏体的晶粒越细小、越均匀，冷却后的室温组织就会越细密，其强度、塑性和韧性比较高，尤其对淬火钢回火后的韧性具有很大影响。因此，一般热处理时，在加热和保温后都希望获得细小、均匀的奥氏体晶粒。评价钢的奥氏体化程度的一个重要指标是奥氏体的晶粒度。

（1）奥氏体晶粒度 晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。实际测量时，一般采用放大100倍的组织与标准晶粒号图片对比的方法来判定晶粒度。(www.xing528.com)

一般将奥氏体晶粒分为8个等级，其中1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒。图4-4所示为部分奥氏体晶粒度标准图片。

图4-4 部分奥氏体晶粒度标准图片

a）4级晶粒 b）5级晶粒 c）6级晶粒 d）7级晶粒

实践证明，不同成分的钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向是不同的，如图4-5所示。有些钢随加热温度的升高，奥氏体晶粒迅速长大，称这种钢为本质粗晶粒钢；而有些钢的奥氏体晶粒则不易长大，称为本质细晶粒钢。奥氏体晶粒的长大倾向主要与钢的化学成分有关，一般沸腾钢为本质粗晶粒钢，镇静钢为本质细晶粒钢。

（2）影响奥氏体晶粒度的主要因素

1）热处理工艺参数：加热速度越慢、加热温度越高、保温时间越长，奥氏体晶粒长得越大，其中加热温度对奥氏体晶粒大小的影响最为显著。

2）钢的化学成分：大多数合金元素（锰和磷除外）均能不同程度地阻止奥氏体晶粒的长大，特别是与碳结合能力较强的碳化物形成元素（如铬、钼、钨、钒等）及与氮结合能力较强的氮化物形成元素（如铌、钒、钛等），会形成难熔的碳化物和氮化物颗粒，弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。因此，大多数合金钢、本质细晶粒钢热处理后的晶粒一般较细。

3）原始组织：钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体晶粒越细。

由以上分析可知，为使热处理加热时奥氏体组织细小、均匀，以提高材料的性能，应控制热处理的加热温度、保温时间，并选择化学成分和原始组织合适的钢材。

图4-5 加热温度对奥氏体晶粒度的影响