奥氏体经过热处理后变成什么组织

时间：2022-10-05 百科知识版权反馈

【摘要】：通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为 “奥氏体化”。多数情况下，将钢加热到临界温度以上，使原有的组织转变成为奥氏体后，再以不同的冷却方式或速度转变成所需的组织，以获得预期的性能。若共析钢的原始组织为片状珠光体，当加热至Ac1以上温度时，珠光体转变为奥氏体。

钢的热处理，首要的工作是进行加热，通常情况下是将钢放进加热炉（图5-4）进行加热。钢加热的目的是获得奥氏体。奥氏体虽然是钢在高温状态下的组织，但它的晶粒大小、均匀程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，了解钢在加热时组织结构的变化规律，是对钢进行正确热处理的先决条件。

钢的热处理过程，一般来说，首先是把钢加热到奥氏体状态，然后以适当的方式冷却以获得所期望的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为 “奥氏体化”。加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀化程度、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物等过剩相的数量和分布状况，直接影响钢在冷却后的组织和性能。因此，研究钢在加热时的组织转变规律，控制加热规范以改变钢在高温下的组织状态，对于充分挖掘钢材性能潜力、保证热处理产品质量有重要意义。

图5-4 台车式燃气加热炉

加热是热处理工艺的首要步骤。多数情况下，将钢加热到临界温度以上，使原有的组织转变成为奥氏体后，再以不同的冷却方式或速度转变成所需的组织，以获得预期的性能。

如前所述，铁碳合金状态图中组织转变的临界温度曲线A1、A3、Acm是在缓慢加热和冷却条件下测定出来的，而实际生产中的加热和冷却多不是极其缓慢的，故存有一定的滞后现象，也就是说，需要一定的过热或过冷转变才能充分进行。通常将加热时实际转变温度位置用Ac1、Ac3、Accm表示；将冷却时实际转变温度位置用Ar1、Ar3、Arcm表示，如图5-5所示。

图5-5 在加热或冷却时各临界点的位置

共析钢奥氏体的形成过程

以共析钢为例讨论奥氏体的形成过程。若共析钢的原始组织为片状珠光体，当加热至Ac1以上温度时，珠光体转变为奥氏体。这种转变可用下式表示：

这一过程是由碳含量很高、具有正交晶格的渗碳体和碳含量很低、具有体心立方晶格的铁素体转变为碳含量介于两者之间、具有面心立方晶格的奥氏体。因此，奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成，即奥氏体的形核、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化，如图5-6所示。

图5-6 共析钢中奥氏体形成过程示意图

（a）奥氏体形核；（b）奥氏体长大；（c）剩余Fe3C溶解；（d）奥氏体均匀化

1.奥氏体的形核

将钢加热到Ac1以上某一温度保温时，珠光体处于不稳定状态，通常首先在铁素体和渗碳体相界面上形成奥氏体晶核，这是由于铁素体和渗碳体相界面上碳浓度分布不均匀，原子排列不规则，易于产生溶度起伏和结构起伏区，为奥氏体形核创造了有利条件。珠光体裙边界也可成为奥氏体的形核部位。在快速加热时，由于过热度大，也可以在铁素体亚晶边界上形核。某些研究者认为，当过热度很大或在超快速加热条件下，F→A的晶格改组是共格界面条件下的切变机制。碳原子从渗碳体扩散进入切变机构形成的片状奥氏体相区域中，使这些区域成为能长大的奥氏体晶核。

2.奥氏体晶核的长大

奥氏体晶核形成后，它一面与铁素体相接，一面和渗碳体相接，并在浓度上建立起平衡关系。由于和渗碳体相接的界面碳浓度高，而和铁素体相接的界面碳浓度低，这就使得奥氏体晶粒内部存在碳的浓度梯度，从而引起碳不断从渗碳体界面通过奥氏体晶粒向低碳浓度的铁素体界面扩散。为了维持原来相界面碳浓度的平衡关系，奥氏体晶粒不断向铁素体和渗碳体两边长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。

3.剩余渗碳体的溶解

铁素体消失后，继续保温或继续加热时，随着碳在奥氏体中继续扩散，剩余渗碳体不断向奥氏体中溶解。

4.奥氏体成分均匀化

当渗碳体刚刚全部溶入奥氏体后，奥氏体内碳浓度仍是不均匀的，原来是渗碳体的地方碳浓度较高，而原来是铁素体的地方碳浓度较低，只有经长时间的保温或继续加热，让碳原子进行充分的扩散才能获得成分均匀的奥氏体。

影响奥氏体形成速度的因素

奥氏体的形成是通过形核与长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制。因此，凡是影响扩散、影响形核与长大的一切因素，都会影响奥氏体的形成速度。

1.加热温度和保温时间

为了描述珠光体向奥氏体的转变过程，将共析钢试样迅速加热到Ac1以上各点不同的温度保温，记录各个温度下珠光体向奥氏体转变开始、铁素体消失、渗碳体全部溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间，绘制在转变温度和时间坐标图上，便得到共析钢的奥氏体等温形成图（图5-7）。

图5-7 共析钢奥氏体等温形成图

由图5-7可见，在Ac1以上某一温度保温时，奥氏体并不立即出现，而是保温一段时间后才开始形成。这段时间称为孕育期。这是由于形成奥氏体晶核需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间。随着加热温度的升高，原子扩散速率急剧加快，相变驱动力迅速增加以及奥氏体中碳的浓度梯度显著增大，使得奥氏体的形核率和长大速度大大增加，故转变的孕育期和转变完成所需时间也显著缩短，即奥氏体的形成速度加快。在影响奥氏体形成速度诸多因素中，温度的作用最为显著。因此，控制奥氏体的形成温度至关重要。但是，从图5-7也可以看到，在较低温度下长时间加热和较高温度下短时间加热都可以得到相同的奥氏体状态。因此，在制定加热工艺时，应当全面考虑加热温度和保温时间的影响。

在实际生产采用的连续加热过程中，奥氏体等温转变的基本规律仍是不变的。图5-7所画出的不同速度的加热曲线（如v1、v2），可以定性地说明钢在连续加热条件下奥氏体形成的基本规律。加热速度越快（如v2），孕育期越短，奥氏体开始转变的温度和转变终了的温度越高，转变终了所需要的时间越短。加热速度较慢（如v1），转变将在较低温度下进行。

2.原始组织的影响

钢在原始组织为片状珠光体时，铁素体和渗碳体组织越细，它们的相界面越多，则形成奥氏体的晶核越多，晶核长大速度越快，因此可加速奥氏体的形成过程。如共析钢的原始组织为淬火马氏体、正火索氏体等非平衡组织时，则等温奥氏体化曲线如图5-8所示。每组曲线的左边一条是转变开始线，右边一条是转变终了线，由图可见，奥氏体化最快的是淬火状态的钢，其次是正火状态的钢，最慢的是球化退火状态的钢。这是因为淬火状态的钢在A1点以上升温过程中已经分解为微细粒状珠光体，组织最弥散，相界面最多，有利于奥氏体的形核与长大，所以转变最快。正火态的细片状珠光体，其相界面也很多，所以转变也很快。球化退火态的粒状珠光体，其相界面最少，因此奥氏体化最慢。

图5-8 不同原始组织共析钢等温奥氏体曲线

1—淬火态；2—正火态；3—球化退火态

3.化学成分的影响

1）碳

钢中的含碳量对奥氏体形成速度的影响很大。这是因为钢中的含碳量越高，原始组织中渗碳体数量越多，从而铁素体和渗碳体的相界面越多，使奥氏体的形核率越大。此外，含碳量增加又使碳在奥氏体中的扩散速度增大，从而增大了奥氏体长大速度。

2）合金元素

合金元素主要从以下几个方面影响奥氏体形成速度。首先，合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。非碳化物形成元素Co和Ni能提高碳在奥氏体中的扩散速度，故加快了奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散能力影响不大。而Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速度，故大大减慢奥氏体的形成速度。其次，合金元素改变了钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度，于是就改变了钢的过热度和碳在奥氏体中的扩散速度，从而影响奥氏体的形成过程。此外，钢中合金元素在铁素体和碳化物中的分布不均匀的，在平衡组织中，碳化物形成元素集中在碳化物中，而非碳化物形成元素集中在铁素体中。因此，奥氏体形成后碳和合金元素在奥氏体中的分布都是极不均匀的。所以在合金钢中除了碳的均匀化之外，还有一个合金元素的均匀化过程。在相同条件下，合金元素在奥氏体中的扩散速度远比碳小得多，仅为碳的万分之一到千分之一。因此，合金钢的奥氏体均匀化时间要比碳钢长得多。在制定合金钢的加热工艺时，与碳钢相比，加热温度要高，保温时间要长，原因就在这里。

奥氏体晶粒大小及其影响因素

钢在加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有着重要的影响。一般来说，奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧度越高。

1.奥氏体晶粒度的概念

奥氏体晶粒大小对后续的冷却转变及转变所得的组织与性能有着重要的影响，因此获得细小的晶粒是热处理过程中始终要注意的问题。奥氏体有以下两种不同概念的晶粒度。

（1）起始晶粒度。起始晶粒度是指珠光体刚刚转变为奥氏体的晶粒大小。起始晶粒度非常细小，在继续加热或保温过程中还要继续长大。

（2）本质晶粒度。冶金部标准（YB／T5148—1993）中规定，将钢试样加热到（930± 10）℃、保温3～8h，冷却后制成金相试样。在显微镜下放大100倍观察，然后再和标准晶粒度等级图（图5-9）比较，确定该试样的晶粒度，这个晶粒度即为该钢的本质晶粒度。晶粒度在1～4级范围内的钢称为本质粗晶粒钢，晶粒度在5～8级范围内的钢称为本质细晶粒钢。

图5-9 标准晶粒度等级

不同的钢在加热时奥氏体长大的倾向是不同的，用本质晶粒度表示。奥氏体晶粒容易长大的钢称为 “本质粗晶粒钢”，反之，奥氏体晶粒不容易长大的钢称为 “本质细晶粒钢”。两种晶粒长大倾向示意图如图5-10所示。

图5-10 本质细晶粒和本质粗晶粒长大倾向示意图

本质晶粒度取决于钢的成分和冶炼条件，一般用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢，而只用硅锰脱氧的钢为本质粗晶粒钢。镇静钢一般为本质细晶粒钢，而沸腾钢一般为本质粗晶粒钢。

本质晶粒度在热处理中有重要意义。如渗碳是在高温长时间下进行的热处理，若采用本质细晶粒钢，渗碳后可直接淬火，得到细小组织；若用本质粗晶粒钢，将使奥氏体粗化，产生过热缺陷。

2.晶粒度控制措施

奥氏体晶粒度的影响因素很多，如加热温度、保温时间、加热速度、钢的成分、钢的原始组织等。

要严格控制加热温度和保温时间，当加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。因此，采用高温快速短时间的加热工艺是生产中常用的热处理加热方法。

另外，要合理选材：采用加入一定量合金元素的钢，因为合金元素能不同程度地阻止奥氏体晶粒长大；采用原始组织较细的钢，因为原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体晶粒越细小；采用本质细晶粒钢。

3.影响奥氏体晶粒大小的因素

由于奥氏体晶粒大小对钢件热处理后的组织和性能影响极大，因此必须了解影响奥氏体晶粒长大的因素，以寻求控制奥氏体晶粒大小的方法。奥氏体晶粒形成以后，其大小主要取决于升温或保温过程中奥氏体晶粒长大过程，这个过程可视为晶界的迁移过程，其实质就是原子在晶界附近的扩散过程。因此，凡是影响晶界原子扩散的因素都会影响奥氏体晶粒长大。

1）加热温度和保温时间影响

由于奥氏体晶粒长大与原子扩散有密切关系，因此加热温度越高，保温时间越长，则奥氏体晶粒越粗大。加热温度对奥氏体晶粒长大起主要作用，因此生产上必须严加控制，防止加热温度过高，以避免奥氏体晶粒粗化。通常要根据钢的临界点、工件尺寸及装炉量确定加热规程。

2）加热速度的影响

加热温度相同时，加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率的增加速度大于长大速度，使奥氏体晶粒细小。生产上常采用快速加热短时保温工艺来获得超细化晶粒。

3）钢的化学成分的影响

在一定的含碳量范围内，随着奥氏体中碳含量的增加，碳在奥氏体中扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加。用铝脱氧或在钢中加入适量的Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素时，能形成高熔点的弥散碳化物和氮化物，可以得到细小的奥氏体晶粒。Mn、P、C、N等元素溶入奥氏体后削弱了铁原子结合力，加速了铁原子的扩散，因而促进了奥氏体晶粒的长大。

练习与实践

一、填空题

1.钢的热处理是将固态钢进行__________、__________和__________ ，改变钢的内部，从而改善钢的__________的工艺。

2.普通热处理有__________、__________、__________和__________ ，表面热处理有__________和__________。

3.热处理中，加热的目的是为获得__________组织；保温的目的是__________。

4.奥氏体的形成过程有__________、__________、__________和__________四个阶段。

5.填空

6.亚共析钢加热至Ac1～Ac3时，组织是__________ ，加热到Ac3以上时，组织是__________

过共析钢加热至Ac1～Accm时，组织是__________ ，加热到Accm以上时，组织是__________

7.45钢（Ac1：724℃，Ac3：780℃）在室温时的组织为__________ ，加热到750℃时的组织为__________ ，加热到830℃时的组织为__________。

二、选择题

1.加热是钢进行热处理的第一步，其目的是使钢获得（）。