熱處理對鋼材組織的影響

摘 要： 鋼材是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到的材料，如何充分發(fā)揮鋼材的性能以滿足實(shí)際的生產(chǎn)生活需要是我們經(jīng)常要遇到的問題，而熱處理是我們經(jīng)常采用的提高鋼材機(jī)械力學(xué)性能的方法。那熱處理是如何達(dá)到改變鋼材料機(jī)械力學(xué)性能目的的呢？本論文對這一方面進(jìn)行一些探討。

關(guān)鍵詞： 組織；晶粒；滲碳體；硬度；塑性

鋼材是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到的材料，在零件的制造過程中難免要對其進(jìn)行必要的熱處理。那么熱處理對零件的組織有什么樣的影響，這些組織上的改變又是如何影響鋼材料的機(jī)械，力學(xué)性能的，這篇論文從鋼材組織的大小，分布方式，狀態(tài)對其力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，討論。

一組織的定義及其對鋼材料性能影響

組織：所謂組織就是雖然構(gòu)成的物質(zhì)一模一樣，但是只要其形狀，大小，分布狀態(tài)等不一樣，就稱之為不同的組織。打個比方：立方體和球體都是由彩泥構(gòu)成，但是立方體和彩泥具有不同的物理性能，像這種情況我們就把形狀不一樣的物體稱為不同的組織。例如碳鋼當(dāng)中經(jīng)常接觸到的索氏體和屈氏體，它們的顯微組織如下圖所示：

上圖當(dāng)中我們可以對比索氏體和屈氏體的金相顯微組織可以發(fā)現(xiàn)屈氏體的鐵素體片層和滲碳體片層比索氏體的薄。片層越薄意味著晶粒越細(xì)小，晶粒越細(xì)小表明它的機(jī)械性能，力學(xué)性能越好。這一例子說明組織成分的厚薄粗細(xì)對鋼材料的機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

黑色的滲碳體在上貝氏體中是處于基體鐵素體之間的，會對基體鐵素體的連續(xù)性產(chǎn)生影響，因此上貝氏體的機(jī)械性能，力學(xué)性能不好。但是在下貝氏體中滲碳體這種硬化像處于鐵素體基體內(nèi)部，因而對鐵素體基體的連續(xù)性不產(chǎn)生影響，機(jī)械性能，力學(xué)性能影響較好。這一例子說明組織成分的分布狀態(tài)方式對鋼材料機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

二鋼材常用熱處理對其組織的影響。

鋼材熱處理的三步驟為加熱，保溫，冷卻。加熱的目的是為了得到奧氏體組織，使碳元素重新溶解進(jìn)入奧氏體面心晶胞內(nèi)部，為冷卻的時候碳原子重新析出做準(zhǔn)備。保溫主要是為了成分和組織均勻化。冷卻主要目的是以不同的過冷度得到不同的組織，從而達(dá)到實(shí)際的使用要求。熱處理的目的就是改變組織成分的組合方式，常見的有改變組織成分的粗細(xì)和組織成分的形態(tài)。一般來說組織成分越細(xì)越好，硬化像分布的范圍越小越好。下面我們來具體看一下常用的熱處理方式得到的鋼材組織及其性能對比。

1退火和正火

退火是碳鋼在加熱保溫以后在爐中冷卻或埋灰冷卻，而正火是在加熱保溫以后空氣當(dāng)中冷卻。從冷卻的方式我們可以看出正火的冷卻速度比較快，因而過冷度比較大，在結(jié)晶的過程當(dāng)中同時形成的凝固核心比較多，因此正火得到的組織晶粒比較細(xì)小。下面我們看一下正火和退火得到的組織金相顯微組織：（以45號鋼材為例）

從上面的金相顯微組織我們可以發(fā)現(xiàn)45號鋼材的正火組織比退火的要細(xì)小，晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度硬度越高，所以在熱處理過程中，我們都希望得到組織成分細(xì)小的晶粒。碳鋼的機(jī)械力學(xué)性能不僅和組織的粗細(xì)有關(guān)而且還和組織的形態(tài)有關(guān)，碳鋼珠光體在經(jīng)過球化退火以后，其中的滲碳體由片狀變?yōu)榍驙睿@就大大減小了硬化像滲碳體對鐵素體的隔裂作用，不僅可以充分發(fā)揮鐵素體的連續(xù)性，提高塑形，而且可以強(qiáng)化碳鋼的強(qiáng)度和硬度。所以對于含碳量比較高的過共析鋼，尤其是存在網(wǎng)狀滲碳體的碳鋼應(yīng)該先正火消除其中的網(wǎng)狀滲碳體，在用球化退火把其中的未連接成片狀的滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睢?/p>

2水淬和油淬

淬火是加熱，保溫以后在水中或油中快速冷卻。因?yàn)槔鋮s速度比在空氣中冷卻的冷卻速度更加之大，以至于有些碳原子或全部碳原子來不及從體心晶胞當(dāng)中析出，碳鋼內(nèi)部只是發(fā)生了奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變（即面心晶胞像體心晶胞的轉(zhuǎn)變），但是體心晶胞不像面心晶胞一樣可以溶解大量的碳原子，導(dǎo)致大量的碳原子充斥在體心晶胞當(dāng)中，從而導(dǎo)致體心晶胞嚴(yán)重變形，形成很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化的效果。這種固溶體我們稱之為馬氏體，馬氏體硬度比較高，但是脆性比較大，在實(shí)際情況一般對鋼材淬火以后還要對其進(jìn)行必要的回火以降低硬度，提高塑形。碳鋼淬火以后得到的馬氏體形態(tài)主要與碳鋼含碳量有關(guān)，但是硬度強(qiáng)化都來源于碳原子充斥于體心晶胞的固溶強(qiáng)化效果。

從金相顯微組織我們可以發(fā)現(xiàn)低碳鋼馬氏體成板條狀，高碳鋼馬氏體成針葉狀。高碳鋼的馬氏體因?yàn)楹剂扛?，因此固溶?qiáng)化的效果明顯，硬度較高，但是脆性也大。低碳鋼因?yàn)楹剂枯^低固溶強(qiáng)化的效果不明顯，塑形韌性較好。

碳鋼在油中淬火得到的組織得到部分馬氏體組織和部分屈氏體組織，屈氏體是片狀比較細(xì)小的珠光體組織。因此碳鋼在油中淬火得到的組織力學(xué)性能處于水淬和正火之間。

3回火

上面講到鋼材淬火以后一般要進(jìn)行回火處理，為什么要進(jìn)行回火處理呢？主要是通過再次加熱使體心晶胞當(dāng)中過飽和的碳原子得到能量重新新出，只不過重新析出以后的碳原子以顆粒狀的滲碳體形式存在，而不是以片狀的滲碳體存在。

因此得到的組織機(jī)械力學(xué)性能更加之好。下面看下回火以后得到的碳鋼金相顯微組織：

上面的金相顯微組織我們可以明顯發(fā)現(xiàn)從馬氏體當(dāng)中析出的碳原子是以顆粒狀的滲碳體形式存在的，這樣可以充分減小對鐵素體基體的隔裂作用，提高塑形韌性，同時顆粒狀的滲碳體又起到強(qiáng)化鋼材材料強(qiáng)度硬度的目的。因此一般鋼材淬火以后都要進(jìn)行回火處理。

三總結(jié)

從上面的分析我們可以看出鋼材的熱處理其實(shí)就是改變鋼材內(nèi)部組織成分的粗細(xì)和形狀來達(dá)到改變材料金屬力學(xué)性能的目的。說的具體點(diǎn)就是通過一定的熱處理工藝達(dá)到改變鐵素體粗細(xì)，改變滲碳體粗細(xì)或形狀來達(dá)到改變鋼材力學(xué)性能的目的。一般改變鐵素體和滲碳體的粗細(xì)我們可以通過過冷度，變質(zhì)處理，結(jié)晶過程中的振動處理來控制。而改變滲碳體的形狀由片狀變?yōu)榍驙钗覀兛梢酝ㄟ^球化退火的球化劑或回火處理來到達(dá)目的?？傊饘偻庠诘牧W(xué)表現(xiàn)都是它內(nèi)部組織的外在表現(xiàn)，正所謂“內(nèi)因起決定作用”。我們不管采用什么熱處理其本質(zhì)都是為了達(dá)到改變鐵素體或滲碳體的形態(tài)，分布方式?！?/p>

作者簡介：童遠(yuǎn)平（1982年4月-），性別：男，民族：漢族，籍貫：廣東省梅州，學(xué)位：本科，單位：廣東省梅州興寧市技工學(xué)校。