简析钢的热处理

摘 要：本文针对钢的热处理的原理与过程进行简析与概述，分析了加热与冷却时的组织转变过程，包括组织奥氏体化与重结晶过程，并分析了影响奥氏体化速度和晶粒度大小的因素，对比了亚共析成分、共析成分和过共析成分的冷却曲线，并分析了实际曲线与理论曲线的不同点。最后本文列举了4种钢的热处理工艺，简述了其过程与目的。

关键词：热处理；奥氏体化；冷却曲线

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.027

1 加热时组织的转变

1.1 奥氏体化

1.1.1 组织转变的临界温度

根据铁碳相图可知，加热时亚共析钢、共析钢、过共析钢奥氏体化的转变温度线分别为GS线、PSK线和ES线[1]，在热处理过程中分别对应于A3线、A1线和Acm线，而实际处理过程如图1所示，加热时温度要高于理论温度，实际温度线为Ac3线、Ac1线和Accm线，冷却时温度要低于理论温度，实际温度线为Ar3线、Ar1线和Arcm线。

1.1.2 转变过程

钢的奥氏体化[2]分为四个过程：奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解、奥氏体成分的均匀化。

1.2 对奥氏体化速度的影响因素

加热温度：加热温度越高，奥氏体化速度越快。

加热速度：加热速度直接影响加热温度，二者正相关，由此可知加热速度越快，奥氏体化速度越快。

钢中的碳含量：碳含量直接影响铁素体和渗碳体的相界面积，二者也是正相关，而相界面增大，奥氏体化速度增大。

合金元素：加快奥氏体化的常见合金元素有Co、Ni等元素，减慢奥氏体化的常见合金元素有Cr、Mo、V等元素。

转变前的组织形态：片状渗碳体层片间距越小越有利于加速奥氏体化。

1.3 晶粒度

1～4级晶粒度较粗，5～8级晶粒度较细，其大小受如下因素影响：加热温度：加热温度越高，保温时间越长晶粒越粗；碳含量：碳阻碍晶粒长大，因此碳含量越高，晶粒越细；

其他元素：Ti、V、Nb、O等元素阻碍阻碍晶粒长大，有利于细化晶粒；Mn、P等促进晶粒长大。

2 冷却时组织的转变

2.1 等温转变

如图2所示，共析成分有高温和中温两个转变区，高温转变：，为扩散型转变[4]，转变后的珠光体组织按层间距可分为：珠光体（P）、索氏体（S）和屈氏体（T），层片间距依次减小；中温转变：，为半扩散型转变，按照转变温度和组织的形状分为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体：，羽毛状，硬而脆，没有实用价值；下贝氏体：，黑色针状。上贝氏体和下贝氏体没有明显的界线。

相较于共析成分，亚共析成分的转变多了铁素体转变区，未转变成铁素体的奥氏体继续在相应温度区间转变为珠光体或贝氏体，随碳含量增加，C曲线右移，Ms和Mf线下移；过共析成分的转变多了渗碳体转变区，随碳含量增加，C曲线左移，Ms和Mf线下移。

2.2 连续冷却转变

如图3所示，共析成分冷却转变时，当冷却速度大于时，将无P生成，过冷A将全部转变为M；当冷却速度小于时，过冷A全部转变为P，转变后的组织为P+M，由于转变不完全。在马氏体转变区为连续冷却过程，马氏体生成速度较快，且生成时体积膨胀，按照生成物组织形状不同，分为板条状马氏体、针状马氏体以及二者的混合物。两种转变都会有残余奥氏体[5]，与等温转变相比，共析成分连续转变没有贝氏体生成，且转变曲线略靠右下。

相较于共析成分，亚共析成分转变时多了铁素体转变区和贝氏体转变区，过共析成分首先出现渗碳体转变区。

3 热处理的方法与工艺

退火：加热、保温、缓慢冷却，按照应用可分为等温退火、去应力退火、球化退火、完全退火、扩散退火。

正火：加热、保温、空冷，亚共析成分空冷后转变为F+S，共析成分转变为S，过共析成分转变为和渗碳体。

淬火：加热、保温、水淬或油淬，水淬时盐溶液可改善冷却效果。

回火：淬火后，鋼件内部存在较大内应力，需要重新加热，保温、冷却以消除内应力，按回火温度分为低温回火、中温回火和高温回火。

参考文献：

[1]张旭亚.铁碳相图和“C”曲线[J].郑州铁路职业技术学院学报，2001（01）：65-80.

[2]郭海滨，左秀荣，张新理，姬颍伦，洪良.奥氏体化温度对奥氏体晶粒度及第二相固溶的影响[J].钢铁研究学报，2016，28（02）：63-68.

[3]耿世奇.金属热锻过程再结晶与晶粒长大演化的数值模拟[D].南昌航空工业学院，2006.

[4]刘晓东，孙玮，夏佃秀.ACC水冷工艺分析及在生产中的应用[J].山东冶金，2007（05）：5-8.

[5]王成林.淬火—配分工艺强韧化热成形钢的研究[D].上海交通大学，2015.

作者简介：韩雨辰（1998-），男，山东郓城人，本科，研究方向：材料成型与控制工程。