钢材加热时的组织变化

大多数情况下，加热是使钢部分或完全处于奥氏体状态。只有在奥氏体状态下才能通过不同冷却方式使钢转变为不同组织，获得所需性能。所以，热处理时必须将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体。

图4－2　钢在实际加热和冷却时临界点的位置

1.奥氏体的形成

首先以共析钢为例，说明奥氏体的形成过程。奥氏体的形成必须经过原来晶格(铁素体和渗碳体)的改组和铁、碳原子的扩散来实现。从室温组织珠光体向高温组织奥氏体的转变，也遵循“形核与核长大”这一相变的基本规律。共析钢奥氏体的形成由奥氏体形核、奥氏体晶核长大、残余奥氏体溶解以及奥氏体均匀化4个过程组成，如图4－3所示。

图4－3　共析钢的奥氏体形成过程

(a)奥氏体核形成　(b)奥氏体核长大　(c)残余渗碳体溶解　(d)奥氏体的均匀化

(1)奥氏体形核。钢在加热到A1时，奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体的相界面上形成。这是因为相界面的原子是以铁素体与渗碳体两种晶格的过渡结构排列的，原子偏离平衡位置处于畸变状态，具有较高能量；再则，与晶体内部比较，晶界处碳的分布是不均匀的，这些都为形成奥氏体晶核在成分、结构和能量上提供了有利条件。

(2)奥氏体晶核长大。奥氏体形核后的长大，是新相奥氏体的相界面向着铁素体和渗碳体这两个方向同时推移的过程。通过原子扩散，铁素体晶格先逐渐改组为奥氏体晶格，随后通过渗碳体的连续不断分解和铁原子扩散而使奥氏体晶核不断长大。

(3)残留渗碳体的溶解。由于渗碳体的晶体结构和含碳量与奥氏体差别很大，所以，渗碳体向奥氏体的溶解必然落后于铁素体向奥氏体的转变。在铁素体全部转变消失之后，仍有部分渗碳体尚未溶解，因而还需要一段时间继续向奥氏体溶解，直至全部渗碳体消失为止。

(4)奥氏体成分均匀化。奥氏体转变刚结束时，其成分是不均匀的，在原来铁素体处含碳量较低，在原来渗碳体处含碳量较高，只有继续延长保温时间，通过碳原子扩散才能得到成分均匀的奥氏体组织，以便在冷却后得到良好组织与性能。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程基本上与共析钢是一样的，所不同之处是有过剩相出现。亚共析钢的室温组织为铁素体和珠光体，因此当加热到A1以上保温后，其中珠光体转变为奥氏体，还剩下过剩相铁素体，需要加热超过A3，过剩相才能全部消失。

过共析钢在室温下的组织为渗碳体和珠光体。当加热到A1以上保温后，珠光体转变为奥氏体，还剩下过剩相渗碳体，只有加热超过Acm后，过剩渗碳体才能全部溶解。

2.奥氏体晶粒的长大及控制

钢在加热时所形成的奥氏体晶粒大小，对热处理后的组织和性能有着显著的影响。为了获得所期望的合适奥氏体晶粒尺寸，必须了解奥氏体晶粒度、奥氏体晶粒大小的影响以及控制奥氏体晶粒大小的方法。

(1)奥氏体晶粒度。奥氏体晶粒度是表示奥氏体晶粒大小的尺度。奥氏体晶粒大小通常采用晶粒度等级来表示。钢的奥氏体晶粒度分为8级，如图4－4所示。在生产中，是将钢试样在金相显微镜下放大100倍，全面观察并选择具有代表性视场的晶粒与国家标准晶粒度等级图进行比较，以确定其级别。若已知晶粒度等级G，便可按下列公式计算每645mm2(1in)试样面积上的平均晶粒数n，即(www.xing528.com)

显然，晶粒度等级越大，平均晶粒数n越多，则晶粒越细。一般1～4级称粗晶粒；5～8级称细晶粒(其中5～8级称细晶粒，9级以上称超细晶粒)。

图4－4　奥氏体晶粒度示意图

奥氏体晶粒度分为起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度3种。

①起始晶粒度。当珠光体向奥氏体转变刚完成时，由于奥氏体是在片状珠光体的两相(铁素体与渗碳体)界面上形核，晶核数量多，能获得细小的奥氏体晶粒，称为奥氏体起始晶粒度。

②实际晶粒度。钢在某一具体加热条件下实际获得的奥氏体晶粒，称为奥氏体实际晶粒度，其大小直接影响到热处理后的力学性能。

③本质晶粒度。不同钢的奥氏体晶粒，加热时长大的倾向也不同。奥氏体晶粒随温度升高而迅速长大的钢，称为本质粗晶粒钢；奥氏体晶粒随温度升高长大倾向小，只有加热到930℃～950℃才显著增长的钢，称本质细晶粒钢。

本质晶粒度并不反映钢实际晶粒的大小，只表示在一定温度范围内(930℃以下)奥氏体晶粒长大的倾向性。如图4－5所示，在930℃以下时，本质细晶粒钢奥氏体晶粒长大缓慢，但当温度升至更高时，本质细晶粒钢的晶粒也会迅速长大，甚至比本质粗晶粒钢长大得更快。反之，本质粗晶粒钢在加热稍高于临界点时，也可得到细小的奥氏体晶粒。

图4－5　奥氏体晶粒随温度变化示意图

钢的本质晶粒度，主要决定于炼钢时加入的脱氧剂和合金元素。用Al、Ti等脱氧的或加有W、Ⅴ、Nb等合金元素的钢，属于本质细晶粒钢。奥氏体的本质晶粒度与实际晶粒度是不同的，前者只表示在规定加热条件下奥氏体晶粒长大的倾向；后者是指在具体热处理或热加工条件下获得的奥氏体晶粒大小，它决定了工件热处理或热加工后的晶粒大小。要注意的是，当加热超过某一温度时，会使细小碳化物溶解、聚集长大。

(2)奥氏体晶粒度对钢在室温下组织和性能的影响。奥氏体晶粒细小时，冷却后转变产物的组织也细小，其强度与塑性、韧性都较高，冷脆转变温度也较低；反之，粗大的奥氏体晶粒，冷却转变后仍获得粗晶粒组织，使钢的力学性能(特别是冲击韧度)降低，甚至在淬火时产生变形、开裂。所以，热处理加热时获得细小而均匀的奥氏体晶粒，往往是保证热处理产品质量的关键之一。

(3)奥氏体晶粒的长大及控制。奥氏体晶粒长大是个自然过程，随着加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒就长大，因为高温下原子的扩散能力增强，通过大晶粒“吞并”小晶粒可以减少晶界表面积，从而使晶界表面能降低，奥氏体组织处于更稳定的状态。而高温和长时间保温只是个外因或外部条件。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒就长得越大。

热处理加热时为了使奥氏体晶粒不致粗化，除在冶炼时采用Al脱氧或加入Nb、Ⅴ、Ti等合金元素外，还须制定合理的加热工艺，主要有以下几种:

①加热温度和保温时间。加热温度越高，晶粒长大越快，奥氏体晶粒越粗大。因此，必须严格控制加热温度。当加热温度一定时，随着保温时间的延长，晶粒不断长大，但长大速度越来越慢，不会无限长大下去，所以延长保温时间的影响要比提高加热温度小得多。

②加热速度。当加热温度一定时，加热速度越快，则过热度越大(奥氏体化的实际温度越高)，形核率越高，因而奥氏体的起始晶粒越小；此外，加热速度越快，则加热时间越短，晶粒越来不及长大，所以快速短时加热是细化晶粒的重要手段之一。