钢在加热时的组织变化是热处理过程中关键的一步。通过加热处理，钢可以从一种组织转变为另一种组织，以获得所需的机械性能。以共析钢为例，我们可以详细了解加热过程中发生的具体变化。
机械男——热处理中铁碳合金相图详解及其在实际生产中的应用（收藏）
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一、组织转变的基本原理
钢在加热过程中，组织转变是从一种晶相转变为另一种晶相的过程。以共析钢为例：
– 共析钢：碳含量约为0.77%，在室温下主要以珠光体（铁素体和渗碳体的层状结构）存在。
– 奥氏体：面心立方（FCC）结构，能溶解更多的碳，是高温下的稳定相。
根据铁碳相图，理论上说 ，钢加热到723度，珠光体就要变成奥氏体。但实际上，因为加热速度以及转变过程的时间需要，同钢的冷却时一样，实际转变温度要高于723度，也即是所谓的热滞。我们把这个实际转变温度标定位Ac1。加热速度越快，Ac1越高，转变需要的时间就越短。（珠光体到奥氏体因为存在一个最小转变时间，因此不可能像奥氏体转变马氏体一样可以瞬间完成，因此从珠光体到奥氏体的转变会存在一个最短时间。这个时间之内，提高Ac1的意义就不大了。但是有一种情况除外，那就是马氏体的逆变。也就是马氏体直接变为奥氏体。这种情况的转变时间也会很短）
二、从珠光体到奥氏体的转变过程
这一过程可以分为三个主要步骤：
1. 形核
– 温度条件：温度超过723℃，达到或超过Ac1。
– 结构变化：珠光体内开始形成奥氏体晶核。
– 机制：铁的晶格结构由体心立方（BCC）转变为面心立方（FCC），同时铁素体和渗碳体中的碳重新分布，初步形成奥氏体晶核。
2. 晶核长大
– 过程：奥氏体晶核开始长大，扩展到整个珠光体。
– 扩展机制：铁素体不断转变为奥氏体，渗碳体中的碳扩散到奥氏体中，逐步溶解。
– 温度与时间：这一过程会持续直到整个珠光体完全转变为奥氏体，温度越高，转变越快，但过高的温度会导致晶粒粗化。
3. 成分均匀化
– 目标：均匀化奥氏体内的碳含量。
– 保温作用：在完成珠光体到奥氏体的转变后，需要一定时间的保温，使碳在奥氏体中充分扩散，达到均匀化。
– 过长保温的影响：过长的保温时间会使奥氏体晶粒进一步长大，形成粗大的晶粒结构，降低材料的力学性能。
三、晶粒度及其控制
晶粒度是影响钢材力学性能的重要因素。晶粒越细小，材料的强度和韧性通常越高。不同钢种对过热的敏感性不同：
– 本质粗晶粒钢：对过热敏感，温度稍高，晶粒迅速长大。
– 本质细晶粒钢：对过热不敏感，能在较高温度下保持细小的晶粒。
晶粒的大小，多少会伴随保温时间的长短和温度的高低而不同。前面讲马氏体的时候，我们也说过，晶粒越细小，越多，晶界越复杂，相应的强度就越大。反之，强度就会相对降低。因此，对于晶粒度的控制就尤为重要。但是实际生产中，不同钢种对温度的反应程度是不一样的。有些钢对过热很敏感，温度稍高，晶粒就明显长大。而也有一些钢在一定的过热范围内，晶粒变化并不明显。生产上把前者称为本质粗晶粒钢，后者称为本质细晶粒钢。下图表达本质粗晶粒和本质细晶粒的倾向关系。
实际生产中，需根据具体钢种及工艺要求控制加热温度和保温时间，以获得最佳的晶粒度。首先，本质粗晶粒和本质细晶粒只是针对其对过热的敏感性而言的，并不代表二者最后的晶粒度的实际比较。温度控制得当，本质粗也可以得到很细的晶粒度，反之本质细也可以很粗。比如20Cr，正常加热时（不高于930），20Cr的晶粒度很细，但是当需要进行渗碳处理时，因往往加热温度要高于930度，就会出现实际晶粒变粗的情况。其次，这里不再深入说具体哪种钢是本质粗，哪种是本质细。因为作为一个界定划分，对于实际应用的指导意义并不大。
我国国家对于晶粒度制定了1-8级的不同评定。下图为钢的标准晶粒度等级示意。
四、加热过程中的缺陷及防治
1. 过热
– 表现：奥氏体晶粒粗化，材料性能下降。
– 防治：控制加热温度和时间，必要时通过正火或退火处理重新细化晶粒。
2. 过烧
– 表现：奥氏体晶界氧化甚至局部熔化，材料脆化，无法补救。
– 防治：严格控制加热温度，避免达到过烧温度。
3. 氧化
– 表现：钢表面氧化，形成氧化皮，影响尺寸精度和表面质量。对于560度以下的氧化，因为主要以四氧化三铁存在，表面致密，能有效阻止表面的进一步氧化。而高于560度（一般钢热处理的加热温度都高于560），形成是疏松的FeO，不能阻止氧化的进一步发生。因此时间越长，氧化导致的尺寸变化，粗糙度等都会加剧。因此实际中应采用保护措施，避免氧化发生。
– 防治：在加热过程中使用保护气氛或涂覆防氧化涂层。
4. 脱碳
– 表现：表层碳被氧化，形成脱碳层，降低表层硬度和耐磨性。
– 防治：使用保护气氛或涂层，减少氧气和其他氧化性气体的接触。
五、加热工艺的优化
为了优化加热工艺，需要综合考虑以下因素：
1. 材料特性：根据不同钢种的状态图，确定合理的加热温度和保温时间。
2. 零件尺寸和形状：考虑零件的尺寸和截面差异，调整加热速度和保温时间，避免变形和开裂。
3. 保护措施：采用保护气氛、涂层或其他措施，防止氧化和脱碳。
通过合理的加热工艺控制，可以在确保组织均匀转变的同时，避免产生过热、过烧、氧化和脱碳等缺陷，从而获得优良的机械性能。
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