鋼的熱處理本質(zhì)分析

何三華

江陰市周莊職業(yè)高級(jí)中學(xué) 江蘇 江陰 214423

在鋼的熱處理這一部分教學(xué)中，各種熱處理的加熱溫度、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其組織和性能均不相同，有些學(xué)生覺(jué)得很抽象，難于理解。其實(shí)只要抓住各種轉(zhuǎn)變的本質(zhì)屬性就能將鋼的熱處理看個(gè)明白。

1 鋼的熱處理中用到的基本理論

1.1 原子的擴(kuò)散理論

溶質(zhì)在溶劑中溶解形成固溶體后，固溶體的晶格依然保持溶劑的晶格類型。開(kāi)始溶質(zhì)剛?cè)芙馊肴軇┲袝r(shí)，固溶體的各部分成分不均勻，需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的原子擴(kuò)散才能達(dá)到成分的均勻一致。由于擴(kuò)散是在固體中進(jìn)行的，原子大多被固定在晶格的確定位置上，活動(dòng)能力弱，所以固溶體成分的均勻化需要的時(shí)間比液體要長(zhǎng)。而且溫度越低，時(shí)間越長(zhǎng)，在較低溫度下原子甚至喪失了活動(dòng)能力，不能擴(kuò)散。

1.2 純金屬的結(jié)晶過(guò)程

純金屬的結(jié)晶是在一定過(guò)冷度條件下，由晶核的形成和長(zhǎng)大兩個(gè)基本階段組成。過(guò)冷度越大，結(jié)晶速度越快，晶粒越細(xì)小。最后晶粒的大小取決于金屬結(jié)晶時(shí)的形核率和晶核長(zhǎng)大速度。這個(gè)過(guò)程在再結(jié)晶、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等場(chǎng)合下也同樣適用。

1.3 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是金屬在固態(tài)下晶格類型隨溫度的改變而改變的現(xiàn)象，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的過(guò)程和結(jié)晶的過(guò)程相似，也是通過(guò)晶核的形成和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程來(lái)完成的。但同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下完成晶格的改組，所以比液態(tài)金屬的結(jié)晶需要更大的過(guò)冷度。

1.4 金屬的強(qiáng)化理論

從本質(zhì)上講凡是能對(duì)位錯(cuò)的滑移造成阻礙的因素，都能提高金屬的強(qiáng)度和硬度，因此金屬內(nèi)部的晶格缺陷、合金中的第二相等均可對(duì)材料進(jìn)行一定程度的強(qiáng)化。

2 用原子擴(kuò)散理論解釋金屬材料的相變溫度與組織的關(guān)系

2.1 為什么冷卻速度越快，晶粒越細(xì)小

冷卻時(shí)冷卻速度越快，過(guò)冷度越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度就越低，液態(tài)金屬原子的狀態(tài)就越不穩(wěn)定。同時(shí)溫度越低，原子的擴(kuò)散能力降低，有更多的金屬液體原子來(lái)不及擴(kuò)散到周圍的晶核就在其自身位置上形成新的晶核，所以提高了結(jié)晶時(shí)的形核率，從而冷卻速度越快，金屬結(jié)晶后的晶粒就越細(xì)小。

2.2 為什么過(guò)共析鋼完全退火時(shí)會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀二次滲碳體

退火的冷卻速度很慢，鋼發(fā)生相變的溫度很高，所以原子的擴(kuò)散能充分地進(jìn)行。過(guò)共析鋼完全退火時(shí)要把鋼加熱到ACcm溫度以上，這時(shí)鋼中的二次滲碳體全部溶入奧氏體。冷卻時(shí)奧氏體中碳的溶解度隨溫度的下降而逐漸下降，碳原子逐漸擴(kuò)散到原子狀態(tài)不穩(wěn)定的奧氏體的晶界并與那里的鐵原子形成比較穩(wěn)定的二次滲碳體，而奧氏體本身的成分依然保持均勻。隨著溫度繼續(xù)下降，奧氏體中的碳不斷聚集到奧氏體的晶界處形成滲碳體，直到溫度降低到727 ℃時(shí)剩余奧氏體中的含碳量為0.77%，奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。但這時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變已不能打破原有奧氏體的晶界，珠光體晶粒被限制在原有奧氏體的晶粒內(nèi)，沿原奧氏體晶界分布的二次滲碳體不再發(fā)生轉(zhuǎn)變而保留到室溫形成網(wǎng)狀的二次滲碳體。

2.3 為什么正火能消除過(guò)共析鋼中的網(wǎng)狀二次滲碳體

從嚴(yán)格意義上講，正火得到的組織已不再是平衡狀態(tài)的組織，其組織為索氏體+二次滲碳體。正火時(shí)由于冷卻速度較快，所以碳原子來(lái)不及向奧氏體的晶界處擴(kuò)散，此時(shí)溫度還比較高，碳原子雖然擴(kuò)散能力有限，但依然有能力形成滲碳體，所以就在奧氏體內(nèi)部形成細(xì)片層狀的滲碳體，隨后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，從而消除網(wǎng)狀的滲碳體組織，珠光體晶粒不再被割裂，所以能獲得較高的力學(xué)性能。

2.4 過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系

過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變時(shí)首先是晶格的改組，然后是鐵素體中過(guò)飽和的碳向外擴(kuò)散與鐵原子結(jié)合形成滲碳體微粒析出。在原子活動(dòng)能力較強(qiáng)時(shí)，滲碳體和鐵素體聚集長(zhǎng)大形成片層結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)變溫度越低，則原子的擴(kuò)散能力越差，形成的片層結(jié)構(gòu)就越細(xì)小。

在A1～550 ℃之間，轉(zhuǎn)變溫度較高，原子有足夠的擴(kuò)散能力,所以形成的是片層結(jié)構(gòu)的珠光體類組織。溫度越低，片層越細(xì)，分別稱為珠光體、索氏體和托氏體。

在550 ℃～Ms溫度之間，奧氏體的過(guò)冷度較大，轉(zhuǎn)變溫度較低，晶格改組后，鐵原子已經(jīng)不能擴(kuò)散，碳原子的擴(kuò)散能力也有限，所以碳只能部分形成滲碳體，部分形成碳化物，最終形成的組織是過(guò)飽和的鐵素體和滲碳體或碳化物組成的兩相混合物，即貝氏體。

在Ms～Mf溫度之間，奧氏體的過(guò)冷度極大，轉(zhuǎn)變溫度很低，轉(zhuǎn)變時(shí)只有晶格的改組，鐵原子與碳原子均不能擴(kuò)散，碳原子全部被迫過(guò)量地固溶在α-Fe的晶格中形成馬氏體。但馬氏體是一種不穩(wěn)定組織，只要原子恢復(fù)了擴(kuò)散能力，就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

2.5 回火溫度對(duì)淬火鋼的組織的影響

在對(duì)淬火鋼加熱的過(guò)程中，隨溫度的升高，碳原子的活動(dòng)能力逐漸增強(qiáng)，首先是馬氏體中的碳原子開(kāi)始從過(guò)飽和鐵素體中以極細(xì)的碳化物形式析出，形成回火馬氏體，這時(shí)由于溫度不高，碳原子的擴(kuò)散能力尚不足以形成滲碳體。

隨著溫度的繼續(xù)升高，殘余奧氏體中的碳也以同樣的形式析出。當(dāng)溫度上升到250～400 ℃時(shí)，鐵原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，極細(xì)碳化物開(kāi)始形成穩(wěn)定的顆粒狀的滲碳體，馬氏體本身也變?yōu)殍F素體，得到的組織為細(xì)顆粒狀的滲碳體和鐵素體的混合物，即回火托氏體。

當(dāng)回火溫度再升高時(shí)，原子的活動(dòng)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，滲碳體開(kāi)始通過(guò)原子的擴(kuò)散聚集長(zhǎng)大，形成粗顆粒狀的滲碳體和鐵素體的混合物，即回火索氏體。當(dāng)溫度升高到650 ℃～A1溫度時(shí)，滲碳體的顆粒更大，形成硬度更低的粒狀珠光體。

3 用強(qiáng)化理論解釋材料的組織與性能的關(guān)系

3.1 晶格畸變強(qiáng)化

當(dāng)金屬的晶格發(fā)生畸變時(shí)改變了晶粒內(nèi)部的滑移面和滑移方向，使金屬塑性變形時(shí)位錯(cuò)的滑移阻力增大，塑性變形抗力增大，從而提高了金屬的強(qiáng)度。在固溶體中，由于溶質(zhì)原子的存在，使溶劑原子的晶格發(fā)生畸變。引起晶格畸變?cè)絿?yán)重的原子，對(duì)位錯(cuò)的阻礙就越大，金屬的強(qiáng)度就越高，強(qiáng)化的效果就越明顯，這就是固溶強(qiáng)化的本質(zhì)。

3.2 位錯(cuò)強(qiáng)化

實(shí)際金屬中總是含有大量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)使周圍晶格發(fā)生晶格畸變，從而對(duì)位錯(cuò)的滑移產(chǎn)生阻礙。隨著位錯(cuò)密度的增加，位錯(cuò)相互作用與交纏的幾率增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，從而超過(guò)位錯(cuò)易動(dòng)性對(duì)強(qiáng)度的影響，使金屬的強(qiáng)度顯著提高。對(duì)金屬進(jìn)行塑性變形時(shí)金屬中的位錯(cuò)密度顯著增加，從而使金屬的強(qiáng)度、硬度大幅提高。但由于位錯(cuò)應(yīng)力的相互疊加，引起的應(yīng)力也越大，甚至造成局部裂紋，降低了金屬的塑性，這就是形變強(qiáng)化的原理。

3.3 細(xì)晶強(qiáng)化

在多晶體中晶粒越細(xì)小，處于有利位向的晶粒就越多，變形量可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使各晶粒的變形比較均勻而不致集中在個(gè)別晶粒上使其變形嚴(yán)重。同時(shí)晶粒越細(xì)小則晶界的數(shù)量就越多，晶界處的原子排列越紊亂，晶格畸變嚴(yán)重，能阻礙裂紋的擴(kuò)展，從而在其斷裂前能產(chǎn)生更大的塑性變形。晶粒越細(xì)小，處于不利位向的晶粒和晶界也越多，而處于不利位向的晶粒和晶界都將對(duì)位錯(cuò)的滑移產(chǎn)生阻礙作用，從而增大塑性變形的抗力，提高金屬的強(qiáng)度，這就是細(xì)晶強(qiáng)化。

3.4 第二相強(qiáng)化

第二相的結(jié)構(gòu)、成分與基體金屬有很大的差別，所以形成了晶格畸變較大的相界面，而且第二相本身的強(qiáng)度、硬度一般都較高，這些都阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。另外，第二相的形狀和分布不同，對(duì)金屬的強(qiáng)化作用差別也很大，顆粒細(xì)比顆粒粗的強(qiáng)化效果好，球狀比片層狀的好，分散程度越高，強(qiáng)化效果越好，這就是第二相的彌散強(qiáng)化作用。用第二相強(qiáng)化的原理，很容易解釋一些問(wèn)題。

[1]陳志毅.金屬材料與熱處理[M].5版.北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2007.