热处理对钢材组织的影响

摘 要： 钢材是我们日常生活中经常用到的材料，如何充分发挥钢材的性能以满足实际的生产生活需要是我们经常要遇到的问题，而热处理是我们经常采用的提高钢材机械力学性能的方法。那热处理是如何达到改变钢材料机械力学性能目的的呢？本論文对这一方面进行一些探讨。

关键词： 组织；晶粒；渗碳体；硬度；塑性

钢材是我们日常生活中经常用到的材料，在零件的制造过程中难免要对其进行必要的热处理。那么热处理对零件的组织有什么样的影响，这些组织上的改变又是如何影响钢材料的机械，力学性能的，这篇论文从钢材组织的大小，分布方式，状态对其力学性能的影响进行分析，讨论。

一组织的定义及其对钢材料性能影响

组织：所谓组织就是虽然构成的物质一模一样，但是只要其形状，大小，分布状态等不一样，就称之为不同的组织。打个比方：立方体和球体都是由彩泥构成，但是立方体和彩泥具有不同的物理性能，像这种情况我们就把形状不一样的物体称为不同的组织。例如碳钢当中经常接触到的索氏体和屈氏体，它们的显微组织如下图所示：

上图当中我们可以对比索氏体和屈氏体的金相显微组织可以发现屈氏体的铁素体片层和渗碳体片层比索氏体的薄。片层越薄意味着晶粒越细小，晶粒越细小表明它的机械性能，力学性能越好。这一例子说明组织成分的厚薄粗细对钢材料的机械力学性能产生影响。

黑色的渗碳体在上贝氏体中是处于基体铁素体之间的，会对基体铁素体的连续性产生影响，因此上贝氏体的机械性能，力学性能不好。但是在下贝氏体中渗碳体这种硬化像处于铁素体基体内部，因而对铁素体基体的连续性不产生影响，机械性能，力学性能影响较好。这一例子说明组织成分的分布状态方式对钢材料机械力学性能产生影响。

二钢材常用热处理对其组织的影响。

钢材热处理的三步骤为加热，保温，冷却。加热的目的是为了得到奥氏体组织，使碳元素重新溶解进入奥氏体面心晶胞内部，为冷却的时候碳原子重新析出做准备。保温主要是为了成分和组织均匀化。冷却主要目的是以不同的过冷度得到不同的组织，从而达到实际的使用要求。热处理的目的就是改变组织成分的组合方式，常见的有改变组织成分的粗细和组织成分的形态。一般来说组织成分越细越好，硬化像分布的范围越小越好。下面我们来具体看一下常用的热处理方式得到的钢材组织及其性能对比。

1退火和正火

退火是碳钢在加热保温以后在炉中冷却或埋灰冷却，而正火是在加热保温以后空气当中冷却。从冷却的方式我们可以看出正火的冷却速度比较快，因而过冷度比较大，在结晶的过程当中同时形成的凝固核心比较多，因此正火得到的组织晶粒比较细小。下面我们看一下正火和退火得到的组织金相显微组织：（以45号钢材为例）

从上面的金相显微组织我们可以发现45号钢材的正火组织比退火的要细小，晶粒越细小，材料的强度硬度越高，所以在热处理过程中，我们都希望得到组织成分细小的晶粒。碳钢的机械力学性能不仅和组织的粗细有关而且还和组织的形态有关，碳钢珠光体在经过球化退火以后，其中的渗碳体由片状变为球状，这就大大减小了硬化像渗碳体对铁素体的隔裂作用，不仅可以充分发挥铁素体的连续性，提高塑形，而且可以强化碳钢的强度和硬度。所以对于含碳量比较高的过共析钢，尤其是存在网状渗碳体的碳钢应该先正火消除其中的网状渗碳体，在用球化退火把其中的未连接成片状的渗碳体转变为球状。

2水淬和油淬

淬火是加热，保温以后在水中或油中快速冷却。因为冷却速度比在空气中冷却的冷却速度更加之大，以至于有些碳原子或全部碳原子来不及从体心晶胞当中析出，碳钢内部只是发生了奥氏体向铁素体的转变（即面心晶胞像体心晶胞的转变），但是体心晶胞不像面心晶胞一样可以溶解大量的碳原子，导致大量的碳原子充斥在体心晶胞当中，从而导致体心晶胞严重变形，形成很强的固溶强化的效果。这种固溶体我们称之为马氏体，马氏体硬度比较高，但是脆性比较大，在实际情况一般对钢材淬火以后还要对其进行必要的回火以降低硬度，提高塑形。碳钢淬火以后得到的马氏体形态主要与碳钢含碳量有关，但是硬度强化都来源于碳原子充斥于体心晶胞的固溶强化效果。

从金相显微组织我们可以发现低碳钢马氏体成板条状，高碳钢马氏体成针叶状。高碳钢的马氏体因为含碳量高，因此固溶强化的效果明显，硬度较高，但是脆性也大。低碳钢因为含碳量较低固溶强化的效果不明显，塑形韧性较好。

碳钢在油中淬火得到的组织得到部分马氏体组织和部分屈氏体组织，屈氏体是片状比较细小的珠光体组织。因此碳钢在油中淬火得到的组织力学性能处于水淬和正火之间。

3回火

上面讲到钢材淬火以后一般要进行回火处理，为什么要进行回火处理呢？主要是通过再次加热使体心晶胞当中过饱和的碳原子得到能量重新新出，只不过重新析出以后的碳原子以颗粒状的渗碳体形式存在，而不是以片状的渗碳体存在。

因此得到的组织机械力学性能更加之好。下面看下回火以后得到的碳钢金相显微组织：

上面的金相显微组织我们可以明显发现从马氏体当中析出的碳原子是以颗粒状的渗碳体形式存在的，这样可以充分减小对铁素体基体的隔裂作用，提高塑形韧性，同时颗粒状的渗碳体又起到强化钢材材料强度硬度的目的。因此一般钢材淬火以后都要进行回火处理。

三总结

从上面的分析我们可以看出钢材的热处理其实就是改变钢材内部组织成分的粗细和形状来达到改变材料金属力学性能的目的。说的具体点就是通过一定的热处理工艺达到改变铁素体粗细，改变渗碳体粗细或形状来达到改变钢材力学性能的目的。一般改变铁素体和渗碳体的粗细我们可以通过过冷度，变质处理，结晶过程中的振动处理来控制。而改变渗碳体的形状由片状变为球状我们可以通过球化退火的球化剂或回火处理来到达目的。总之金属外在的力学表现都是它内部组织的外在表现，正所谓“内因起决定作用”。我们不管采用什么热处理其本质都是为了达到改变铁素体或渗碳体的形态，分布方式。■

作者简介：童远平（1982年4月-），性别：男，民族：汉族，籍贯：广东省梅州，学位：本科，单位：广东省梅州兴宁市技工学校。