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鋼在加熱時的轉變
2018-11-19 00:00:00 來源：高頻感應加熱設備 點擊：1839 喜歡：0
鋼在加熱時的轉變
鋼的熱處理多數需要先加熱得到奧氏體，然后以不同速度冷卻使奧氏體轉變為不同的組織，得到鋼的不同性能。因此掌握熱處理規律，首先要研究鋼在加熱時的變化。
一、加熱時奧氏體的形成過程
1．共析鋼的加熱轉變
從鐵碳相圖中看到，鋼加熱到727℃（狀態圖的PSK線，又稱A1溫度）以上的溫度珠光體轉變為奧氏體。這個加熱速度十分緩慢，實際熱處理的加熱速度均高于這個緩慢加熱速度，實際珠光體轉變為奧氏體的溫度高于A1，定義實際轉變溫度為Ac1。Ac1高于A1，表明出現熱滯后，加熱速度愈快，Ac1愈高，同時完成珠光體向奧氏體轉變的時間亦愈短。
共析碳鋼（含0.77%C）加熱前為珠光體組織，一般為鐵素體相與滲碳體相相間排列的層片狀組織，加熱過程中奧氏體轉變過程可分為四步進行，如圖6-2示。
2．非共析鋼的加熱轉變
第一階段：奧氏體晶核的形成。由Fe-Fe3C狀態圖知：在A1溫度鐵素體含約0.0218%C，滲碳體含6.69%C，奧氏體含0.77%C。在珠光體轉變為奧氏體過程中，原鐵素體由體心立方晶格改組為奧氏體的面心立方晶格，原滲碳體由復雜斜方晶格轉變為面心立方晶格。所以，鋼的加熱轉變既有碳原子的擴散，也有晶體結構的變化。基于能量與成分條件，奧氏體晶核在珠光體的鐵素體與滲碳體兩相交界處產生（見圖6-2（a）），這兩相交界面越多，奧氏體晶核越多。
第二階段：奧氏體的長大。奧氏體晶核形成后，它的一側與滲碳體相接，另一側與鐵素體相接。隨著鐵素體的轉變（鐵素體區域的縮小），以及滲碳體的溶解（滲碳體區域縮小），奧氏體不斷向其兩側的原鐵素體區域及滲碳體區域擴展長大，直至鐵素體完全消失，奧氏體彼此相遇，形成一個個的奧氏體晶粒。
第三階段：殘余滲碳體的溶解。由于鐵素體轉變為奧氏體速度遠高于滲碳體的溶解速度，在鐵素體完全轉變之后尚有不少未溶解的“殘余滲碳體”存在（見圖6-2（C）），還需一定時間保溫，讓滲碳體全部溶解。
第四階段：奧氏體成分的均勻化。即使滲碳體全部溶解，奧氏體內的成分仍不均勻，在原鐵素體區域形成的奧氏體含碳量偏低，在原滲碳體區域形成的奧氏體含碳量偏高，還需保溫足夠時間，讓碳原子充分擴散，奧氏體成分才可能均勻。
上述分析表明，珠光體轉變為奧氏體并使奧氏體成分均勻必須有兩個必要而充分條件：一是溫度條件，要在Ac1以上加熱，二是時間條件，要求在Ac1以上溫度保持足夠時間。在一定加熱速度條件下，超過Ac1的溫度越高，奧氏體的形成與成分均勻化需要的時間愈短；在一定的溫度（高于Ac1）條件下，保溫時間越長，奧氏體成分越均勻。
還要看到奧氏體晶粒由小尺寸變為大尺寸是一個自發過程，在Ac1以上的一定加熱溫度下，過長的保溫時間會導致奧氏體晶粒的合并，尺寸變大。相對之下，相同時間加熱，高的加熱溫度導致奧氏體晶粒尺寸的增大傾向明顯大于低的加熱溫度的奧氏體晶粒長大傾向。奧氏體晶粒尺寸過大（或過粗）往往導致熱處理后鋼的強度降低，工程上往往希望得到細小而成分均勻的奧氏體晶粒，為此可以采用：途徑之一是在保證奧氏成分均勻情況下選擇盡量低的奧氏體化溫度；途徑之二是快速加熱到較高的溫度經短暫保溫使形成的奧氏體來不及長大而冷卻得到細小的晶粒。
工程上把奧氏體晶粒尺寸大小定義為晶粒度，并分為8級，其中1～4級為粗晶粒，5級以上為細晶粒，超過8級為超細晶粒。
亞共析鋼與過共析鋼的珠光體加熱轉變為奧氏體過程與共析鋼轉變過程是一樣的，即在Ac1溫度以上加熱無論亞共析鋼或是過共析鋼中的珠光體均要轉變為奧氏體。不同的是還有亞共析鋼的鐵素體的轉變與過共析鋼的二次滲碳體的溶解。更重要的是鐵素體的完全轉變要在A3溫度（Fe-Fe3C狀態圖的GS線)以上，考慮熱滯后實際要在Ac3以上，二次滲碳體的完全溶解要在溫度Acm(Fe-Fe3C狀態圖的ES線)以上，考慮熱滯后要在Accm以上。即亞共析鋼加熱后組織全為奧氏體需在Ac3以上，對過共析鋼要在Accm以上。如果亞共析鋼仍僅在Ac1～Ac3溫度之間加熱，無論加熱時間多長加熱后的組織仍為鐵素體與奧氏體共存。對過共析鋼在Ac1～Accm溫度之間加熱，加熱后的組織應為二次滲碳體與奧氏體共存。加熱后冷卻過程的組織轉變也僅是奧氏體向其它組織的轉變，其中的鐵素體及二次滲碳體在冷卻過程中不會發生轉變。
鋼加熱時常見的缺陷：
（1）氧化
加熱時的氧化性氣氛（如空氣、氣氛中O2、CO2、H2O等）氧化鋼鐵，在工件表面形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。在溫度560℃以下，主要形成Fe3O4這類比較致密的氧化物，它可使鋼表面與氧化性氣氛隔離，阻止鋼表進一步氧化。但鋼的奧氏體化溫度多在560℃以上，鋼被氧化形成以FeO為主的疏松的氧化物層，依加熱溫度升高加熱時間增長其氧化物層厚度增加，不僅導致鋼的燒損加大，而且使零件尺寸變小，表面粗糙，更重要的還嚴重影響后序熱處理的質量。
（2）脫碳
鋼加熱過程中脫碳，即鋼中的碳被燒損使鋼表面含碳量降低的現象。伴隨氧化常發生脫碳，氧化性氣氛也是脫碳的氣氛，H2雖是還原性氣氛亦是脫碳氣氛。一般鋼中含碳量越高，脫碳越嚴重。由于脫碳使鋼件表面含碳量下降，導致鋼件機械強度下降，特別是工件的疲勞強度下降，耐磨損性能降低。
（3）過熱
鋼的過熱指的是加熱溫度比正常溫度偏高，出現的現象是鋼的奧氏體晶粒較正常的要大，即晶粒變粗。結果是，鋼的塑性、韌性、強度降低，同時工件熱處理后變形加大，還可能導致熱處理裂紋、使工件報廢。過熱的工件一般可再在較低溫度加熱，重新使奧氏體晶粒細化，予以補救。
（4）過燒
指的是加熱溫度太高，奧氏體晶界或部分晶界氧化甚至熔化的現象。后果是，處理的工件很脆，如果鍛造一鍛即裂，過燒的工件只能報廢，無法挽救，因而是致命性的。
加熱缺陷的防止辦法
（1）真空加熱
工件在真空中加熱是防止氧化脫碳的最有效措施，是熱處理工藝的發展方向，在發達國家應用普遍，問題是，真空加熱用的設備投資大，工藝成本較高。
（2）可控氣氛加熱
工件加熱過程中向爐內充入一定保護性氣氛，保證鋼在不脫碳，不增碳，不氧化的氣氛下加熱。實踐證明它是行之有效與可靠的方法，也是發達國家應用十分普遍的工藝，是現代熱處理的發展方向之一。但需要一套制取可控氣氛的發生裝置，由于成本較高，原材料來源不廣泛限制了它的應用。
（3）鹽浴加熱
工件置于一熔化了的中性鹽液中加熱，鹽液進行充分脫氧，保證工件加熱過程中少氧化，甚至無氧化。問題主要是粘在工件上的鹽難以清洗潔凈，清洗不干凈會導致儲存及應用過程易于長銹。此外操作過程中鹽液遇水易炸，不小心易使人體灼傷，要十分注意安全。
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