鋼的熱處理本質分析

何三華

江陰市周莊職業高級中學 江蘇 江陰 214423

在鋼的熱處理這一部分教學中，各種熱處理的加熱溫度、轉變產物及其組織和性能均不相同，有些學生覺得很抽象，難于理解。其實只要抓住各種轉變的本質屬性就能將鋼的熱處理看個明白。

1 鋼的熱處理中用到的基本理論

1.1 原子的擴散理論

溶質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。開始溶質剛溶解入溶劑中時，固溶體的各部分成分不均勻，需要經過一定時間的原子擴散才能達到成分的均勻一致。由于擴散是在固體中進行的，原子大多被固定在晶格的確定位置上，活動能力弱，所以固溶體成分的均勻化需要的時間比液體要長。而且溫度越低，時間越長，在較低溫度下原子甚至喪失了活動能力，不能擴散。

1.2 純金屬的結晶過程

純金屬的結晶是在一定過冷度條件下，由晶核的形成和長大兩個基本階段組成。過冷度越大，結晶速度越快，晶粒越細小。最后晶粒的大小取決于金屬結晶時的形核率和晶核長大速度。這個過程在再結晶、同素異構轉變等場合下也同樣適用。

1.3 同素異構轉變

同素異構轉變是金屬在固態下晶格類型隨溫度的改變而改變的現象，同素異構轉變的過程和結晶的過程相似，也是通過晶核的形成和長大兩個基本過程來完成的。但同素異構轉變是在固態下完成晶格的改組，所以比液態金屬的結晶需要更大的過冷度。

1.4 金屬的強化理論

從本質上講凡是能對位錯的滑移造成阻礙的因素，都能提高金屬的強度和硬度，因此金屬內部的晶格缺陷、合金中的第二相等均可對材料進行一定程度的強化。

2 用原子擴散理論解釋金屬材料的相變溫度與組織的關系

2.1 為什么冷卻速度越快，晶粒越細小

冷卻時冷卻速度越快，過冷度越大，金屬的實際結晶溫度就越低，液態金屬原子的狀態就越不穩定。同時溫度越低，原子的擴散能力降低，有更多的金屬液體原子來不及擴散到周圍的晶核就在其自身位置上形成新的晶核，所以提高了結晶時的形核率，從而冷卻速度越快，金屬結晶后的晶粒就越細小。

2.2 為什么過共析鋼完全退火時會產生網狀二次滲碳體

退火的冷卻速度很慢，鋼發生相變的溫度很高，所以原子的擴散能充分地進行。過共析鋼完全退火時要把鋼加熱到ACcm溫度以上，這時鋼中的二次滲碳體全部溶入奧氏體。冷卻時奧氏體中碳的溶解度隨溫度的下降而逐漸下降，碳原子逐漸擴散到原子狀態不穩定的奧氏體的晶界并與那里的鐵原子形成比較穩定的二次滲碳體，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 ℃時剩余奧氏體中的含碳量為0.77%，奧氏體將轉變為珠光體。但這時珠光體轉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，沿原奧氏體晶界分布的二次滲碳體不再發生轉變而保留到室溫形成網狀的二次滲碳體。

2.3 為什么正火能消除過共析鋼中的網狀二次滲碳體

從嚴格意義上講，正火得到的組織已不再是平衡狀態的組織，其組織為索氏體+二次滲碳體。正火時由于冷卻速度較快，所以碳原子來不及向奧氏體的晶界處擴散，此時溫度還比較高，碳原子雖然擴散能力有限，但依然有能力形成滲碳體，所以就在奧氏體內部形成細片層狀的滲碳體，隨后奧氏體轉變為珠光體，從而消除網狀的滲碳體組織，珠光體晶粒不再被割裂，所以能獲得較高的力學性能。

2.4 過冷奧氏體等溫轉變的產物與轉變溫度的關系

過冷奧氏體的轉變時首先是晶格的改組，然后是鐵素體中過飽和的碳向外擴散與鐵原子結合形成滲碳體微粒析出。在原子活動能力較強時，滲碳體和鐵素體聚集長大形成片層結構。轉變溫度越低，則原子的擴散能力越差，形成的片層結構就越細小。

在A1～550 ℃之間，轉變溫度較高，原子有足夠的擴散能力,所以形成的是片層結構的珠光體類組織。溫度越低，片層越細，分別稱為珠光體、索氏體和托氏體。

在550 ℃～Ms溫度之間，奧氏體的過冷度較大，轉變溫度較低，晶格改組后，鐵原子已經不能擴散，碳原子的擴散能力也有限，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，奧氏體的過冷度極大，轉變溫度很低，轉變時只有晶格的改組，鐵原子與碳原子均不能擴散，碳原子全部被迫過量地固溶在α-Fe的晶格中形成馬氏體。但馬氏體是一種不穩定組織，只要原子恢復了擴散能力，就會發生轉變。

2.5 回火溫度對淬火鋼的組織的影響

在對淬火鋼加熱的過程中，隨溫度的升高，碳原子的活動能力逐漸增強，首先是馬氏體中的碳原子開始從過飽和鐵素體中以極細的碳化物形式析出，形成回火馬氏體，這時由于溫度不高，碳原子的擴散能力尚不足以形成滲碳體。

隨著溫度的繼續升高，殘余奧氏體中的碳也以同樣的形式析出。當溫度上升到250～400 ℃時，鐵原子的活動能力增強，極細碳化物開始形成穩定的顆粒狀的滲碳體，馬氏體本身也變為鐵素體，得到的組織為細顆粒狀的滲碳體和鐵素體的混合物，即回火托氏體。

當回火溫度再升高時，原子的活動能力進一步增強，滲碳體開始通過原子的擴散聚集長大，形成粗顆粒狀的滲碳體和鐵素體的混合物，即回火索氏體。當溫度升高到650 ℃～A1溫度時，滲碳體的顆粒更大，形成硬度更低的粒狀珠光體。

3 用強化理論解釋材料的組織與性能的關系

3.1 晶格畸變強化

當金屬的晶格發生畸變時改變了晶粒內部的滑移面和滑移方向，使金屬塑性變形時位錯的滑移阻力增大，塑性變形抗力增大，從而提高了金屬的強度。在固溶體中，由于溶質原子的存在，使溶劑原子的晶格發生畸變。引起晶格畸變越嚴重的原子，對位錯的阻礙就越大，金屬的強度就越高，強化的效果就越明顯，這就是固溶強化的本質。

3.2 位錯強化

實際金屬中總是含有大量的位錯，這些位錯使周圍晶格發生晶格畸變，從而對位錯的滑移產生阻礙。隨著位錯密度的增加，位錯相互作用與交纏的幾率增多，位錯運動阻力增加，從而超過位錯易動性對強度的影響，使金屬的強度顯著提高。對金屬進行塑性變形時金屬中的位錯密度顯著增加，從而使金屬的強度、硬度大幅提高。但由于位錯應力的相互疊加，引起的應力也越大，甚至造成局部裂紋，降低了金屬的塑性，這就是形變強化的原理。

3.3 細晶強化

在多晶體中晶粒越細小，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進行，使各晶粒的變形比較均勻而不致集中在個別晶粒上使其變形嚴重。同時晶粒越細小則晶界的數量就越多，晶界處的原子排列越紊亂，晶格畸變嚴重，能阻礙裂紋的擴展，從而在其斷裂前能產生更大的塑性變形。晶粒越細小，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位錯的滑移產生阻礙作用，從而增大塑性變形的抗力，提高金屬的強度，這就是細晶強化。

3.4 第二相強化

第二相的結構、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度、硬度一般都較高，這些都阻礙了位錯的運動。另外，第二相的形狀和分布不同，對金屬的強化作用差別也很大，顆粒細比顆粒粗的強化效果好，球狀比片層狀的好，分散程度越高，強化效果越好，這就是第二相的彌散強化作用。用第二相強化的原理，很容易解釋一些問題。

[1]陳志毅.金屬材料與熱處理[M].5版.北京:中國勞動社會保障出版社,2007.