第1章 钢的热处理
随着科学技术和生产技术的发展，对钢铁材料的性能也提出了越来越高的要求。改善钢材性能有两个主要方法：一个是加入合金元素，调整钢的化学成分，即合金化的方法；另一个则是通过钢的热处理，调整钢材内部组织的方法。
热处理是改善金属使用性能和工艺性能的一种非常重要的加工方法。在机械工业中，绝大部分重要机件都必须经过热处理。热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。根据所要求的性能不同，热处理的类型有多种，其工艺都包括加热、保温和冷却三个阶段，如图1.1工艺路线所示。
在工业生产中，热处理主要目的有两个：（1）消除上道工序带来的缺陷，改善金属的加工工艺性能，确保后续加工的顺利进行。（2）提高零件或工具的使用性能，例如，提高各类切削工具硬度的硬化处理（淬火）和提高零件综合力学性能的“调质”处理等。
并不是所有的金属材料都能进行热处理的，在固态下能够发生组织转变，这是热处理的一个必要条件。
按照应用特点，常用热处理工艺可大致分为下列几类： 1．普通热处理 包括退火、正火、淬火和回火等。
2．表面热处理和化学热处理 表面热处理包括感应加热淬火、火焰加热淬火和接触加热淬火等；化学热处理包括渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬等。
3．其它热处理 包括可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。
钢的热处理方法虽然很多，但都需要经过加热与冷却的过程，为了掌握各种热处理方法的特点和作用，必须研究钢在加热和冷却过程中组织和性能的变化规律。
图1.1 热处理工艺曲线示意图 图1.2 加热和冷却对临界点A1、A2、Acm的影响
（加热和冷却速度为0.125℃/min）
1.1 钢在加热时的转变
为了在热处理后获得所需性能，大多数工艺(如淬火、正火、退火等)都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，并使其成分均匀化，即进行奥氏体化。加热时形成的奥氏体的质量（成分均匀性及晶粒大小等），对冷却转变过程及组织、性能有极大的影响。因此，了解奥氏体形成的规律是掌握热处理工艺的基础。
1.1.1转变温度
根据Fe-Fe3C相图，共析钢加热PSK线（A1）时，完全转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线(A3)和ES（Acm）线以上才能全部获得奥氏体。实际热处理加热和冷却时的相变是在不完全平衡的条件下进行的，相变温度与平衡相变点之间有一定差异，加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，而且加热和冷却速度愈大偏差愈大，这种现象称为“滞后”。图1.2表示加热和冷却速度(每分钟0.125℃时)对临界点A1、A3、Acm的影响。通常把实际加热时发生相变的临界温度标为Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时标为Ar1、Ar3、Arcm。
1.1.2奥氏体的形成
1.1.2.1 奥氏体形成的基本过程
钢加热时奥氏体的形成遵守结晶过程的普遍规律，是由生核和长大两个基本过程来完成的。以共析钢为例，原始组织是珠光体，当加热到Ac1或Ac1以上时，发生向奥氏体的转变，其基本过程可分为四步，如图1.3所示。
⑴ 奥氏体晶核的形成 钢加热到Ac1以上时，珠光体变得不稳定，铁素体和渗碳体的界面在成分和结构上处于最有利于转变的条件下，首先在这里形成奥氏体晶核。
(a) A成核 (b) A晶核核长大 (c) 残余FeC溶解 (d) A均匀化
图1.3 共析钢奥氏体形成过程示意图
⑵ 奥氏体晶核的长大 奥氏体晶核形成后，随即建立奥氏体与铁素体和奥氏体与渗碳
体的平衡。在某一温度时，与渗碳体平衡的奥氏体的碳含量高于与铁素体平衡的奥氏体的碳含量，在此浓度梯度的作用下，奥氏体内发生碳原子由渗碳体边界向铁素体边界的扩散，使其同渗碳体和铁素体的两边界上的平衡碳浓度遭破坏。为了维持碳浓度的平衡，渗碳体必须不断往奥氏体中溶解，且铁素体不断转变为奥氏体。这样，奥氏体晶核便向两边长大了。在生长过程中，界面向铁素体方向的推移速度大于渗碳体方向，因而铁素体将先消失。
⑶ 剩余渗碳体的溶解 在奥氏体晶核长大过程中，由于渗碳体溶解提供的碳原子远多于同体积铁素体转变为奥氏体的需要，所以铁素体比渗碳体先消失，而在奥氏体全部形成之后，还残存一定量的未溶渗碳体。它们只能在随后的保温过程中逐渐溶入奥氏体中，直至完全消失。
⑷ 奥氏体成分的均匀化 渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布并不均匀，原先是渗碳体的地方碳浓度较高，原先是铁素体的地方碳浓度较低，必须继续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，但其完全奥氏体化的过程有所不同。亚共析钢加热到Ac1以上时还存在有自由铁素体，这部分铁素体只有继续加热到Ac3以上时才能全部转变为奥氏体；过共析钢只有在加热温度高于Accm时才能获得单一的奥氏体组织。
图1.4 共析钢的奥氏体化曲线（原始状态：875℃退火）
图1.5 加热速度对奥氏体转变的影响（示意图）
1.1.2.2 影响奥氏体转变的因素
奥氏体的形成速度取决于加热温度和速度、钢的成分、原始组织，即一切影响碳扩散速度的因素。
⑴ 加热温度 随加热温度的提高，碳原子扩散速度增大；同时温度高时GS和ES线间的距离大，奥氏体中碳浓度梯度大，所以奥氏体化速度加快。图1.4为共析钢的奥氏体化曲线。由图可见，当加热温度为740℃时，钢保温10秒钟后开始转变，剩余渗碳体完全溶解需104秒以上的时间；而加热到800℃时，转变瞬时开始，1分多钟剩余渗碳体就溶解完毕了。
⑵ 加热速度 在实际热处理条件下，加热速度愈快，过热度愈大，发生转变的温度愈高，转变的温度范围愈宽，完成转变所需的时间也愈短(图1.5)。因此，快速加热(如高频感应加热)时，不用担心转变来不及的问题。
⑶ 钢中碳含量 碳含量增加时，渗碳体量增多，铁素体和渗碳体的相界面增大，因而奥氏体的核心增多，转变速度加快。
⑷ 合金元素 合金元素的加入，不改变奥氏体形成的基本过程，但显著影响奥氏体的形成速度。钴、镍等增大碳在奥氏体中的扩散速度，因而加快奥氏体化过程；铬、钼、钒等对碳的亲和力较大，能与碳形成较难溶解的碳化物，显著降低碳的扩散能力，所以减慢奥氏体化过程；硅、铝、锰等对碳的扩散速度影响不大，不影响奥氏体化过程。另外，合金元素在钢中的分布是不均匀的，钢中均匀奥氏体的获得，除碳外，还应有合金元素的均匀化。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般都高些，保温时间更长些。
⑸ 原始组织 原始珠光体中的渗碳体有两种形式：片状和粒状。原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快，因为它的相界面积较大。并且，渗碳体片间距愈小，相界面愈大，同时奥氏体晶粒中碳浓度梯度也大，所以长大速度更快。
1.1.3奥氏体晶粒大小及影响因素
加热时所得到的奥氏体实际晶粒的大小，直接影响冷却所得组织和性能。如图1.6所示，奥氏体晶粒细时，退火组织亦细，则强度、塑性、韧性较好；淬火马氏体也细，因而韧性得到改善。就冲击韧性而言，普通非合金钢和低合金钢的奥氏体晶粒度每细化一级，冲击韧度能提高19.6~39.2J/cm2，同时韧脆转化温度可降低10℃以上。因此，在热处理时应严格控制奥氏体晶粒大小，以获得良好的综合性能。
1.1.3.1 奥氏体晶粒度
生产上一般采用标准晶粒度等级图由比较的方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。此法均在100倍显微镜下进行观察。晶粒度级别N与晶粒大小之间符合n=2 N-1或n’＝2N-3的关系，式中n为放大100倍下进行观察时，每6.45 mm2视野中的平均晶粒数；n’为实际每1 mm2面积中的平均晶粒数。晶粒度通常分8级，1-4级为粗晶粒度，5-8级为细晶粒度；超过8级的为超细晶粒度。
图1.6 奥氏体晶粒大小对转变产物晶粒大小的影响（示意图）
奥氏体有三种不同概念的晶粒度：
⑴ 起始晶粒度 指珠光体刚转变成奥氏体时的晶粒度，这时晶粒非常细，难以测定，无实际意义。
⑵ 实际晶粒度 指具体热处理或热加工条件下的奥氏体晶粒度，它实际决定钢的性能。 ⑶ 本质晶粒度 冶金部标准中规定：钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶粒度为本质晶粒度。本质晶粒度实质上表示钢在规定条件下奥氏体长大的倾向，并不表明晶粒的大小。图1.7表示两类钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向。可见本质细晶粒钢在930- 950℃下加热时晶粒长大的倾向小，适于进行热处理。所以须经热处理的工件，一般都用本质细晶粒钢制造。
1.1.3.2 影响奥氏体晶粒度的因素
⑴ 加热温度和保温时间 奥氏体刚形成时晶粒是细小的，但随着温度升高晶粒将逐渐长大。温度愈高，晶粒长大愈明显，如图1.8所示。
在一定温度下，保温时间愈长，奥氏体晶粒也愈粗大。