零读杂谈（热处理六）

zerowing

本来是打算这一次写一些关于20CrMnTi碳氮共渗的内容的。后来实在感觉这么写过于突兀，而且也打乱了知识学习循序渐进的过程。所以，还是请有疑问的大侠等等。或自行搜索寻找你要的答案。
今天开始说钢的热处理部分，大抵上会分三次说完基础部分。包括加热过程的变化，冷却过程的变化，以及颗粒度等问题。其中，冷却变化部分会介绍常见的热处理基本工艺，淬，正，回，退。这些都说完后，会介绍下关于渗碳渗氮的部分。所有这些，仍旧是基础的部分。涉及扩展的，请各位自行查阅。

读书：《金属材料及热处理》　陆大纮　许晋堃　合编
　　　人民铁道出版社
　　　杂谈六

钢在加热时的组织变化

钢的加热，是钢热处理环节中最基本的一个环节。可以说，绝大多数的热处理中，都需要先对材料进行加热处理，然后才是从奥氏体以不同冷却速度处理，得到所需组织和性能。基本的组织和性能我们前几篇提过，这里不重复。下面，我们以共析钢为例，看看钢的加热过程。

感觉铁碳相图，我们以就把重点放在723度这个奥氏体和珠光体乃至渗碳体的分界线上。理论上说 ，钢加热到723度，珠光体就要变成奥氏体。但实际上，因为加热速度以及转变过程的时间需要，同钢的冷却时一样，实际转变温度要高于723度，也即是所谓的热滞。我们把这个实际转变温度标定位Ac1。加热速度越快，Ac1越高，转变需要的时间就越短。（但个人认为，珠光体到奥氏体因为存在一个最小转变时间，因此不可能像奥氏体转变马氏体一样可以瞬间完成，因此从珠光体到奥氏体的转变会存在一个最短时间。这个时间之内，提高Ac1的意义就不大了。但是有一种情况除外，那就是马氏体的逆变。也就是马氏体直接变为奥氏体。这种情况的转变时间也会很短）

以共析钢为例，从珠光体向奥氏体转变的过程包括三个步骤。
1。形核。 当温度高于723度时，珠光体内开始产生奥氏体的晶核。这个过程，一方面要求铁的晶格从体心立方结构转变为面心立方结构， 同时也要求含碳量迥异的铁素体和渗碳体之间进行碳的再扩散，以均匀化碳含量。因此，这一时期的奥氏体晶核一般出现在铁素体和渗碳体的交界处。
2。核心长大。 这一过程就是奥氏体边界不断扩展，邻近铁素体晶格不断转变，渗碳体碳不断扩散的过程。这一过程会一直持续到铁素体完全消失，渗碳体完全溶解为止。另外，在这一过程中，奥氏体边界碰撞后会停止扩展，形成相邻的边界。
3。奥氏体成分均匀化。 对于刚由珠光体转变为的奥氏体来说，实际上其碳分布依旧是不均匀的。因此当全部珠光体转变为奥氏体后，经过一段时间的保温，使得碳充分的扩散，达到均匀化奥氏体的目的。 而这一过程中，如果保温时间过长，也会引起奥氏体晶粒的进一步长大，破坏原有的边界，减少形核数。形成粗大的奥氏体。
下图表达了上面三个步骤的变化。

标准晶粒度

前天谈到转变保温过程中的晶粒进一步长大，以及长大过程中的边界形成。总得来说，晶粒的大小，多少会伴随保温时间的长短和温度的高低而不同。前面讲马氏体的时候，我们也说过，晶粒越细小，越多，晶界越复杂，相应的强度就越大。反之，强度就会相对降低。因此，对于晶粒度的控制就尤为重要。
但是实际生产中，不同钢种对温度的反应程度是不一样的。有些钢对过热很敏感，温度稍高，晶粒就明显长大。而也有一些钢在一定的过热范围内，晶粒变化并不明显。生产上把前者称为本质粗晶粒钢，后者称为本质细晶粒钢。下图表达本质粗晶粒和本质细晶粒的倾向关系。

这里要说两点。首先，本质粗晶粒和本质细晶粒只是针对其对过热的敏感性而言的，并不代表二者最后的晶粒度的实际比较。温度控制得当，本质粗也可以得到很细的晶粒度，反之本质细也可以很粗。比如20Cr，正常加热时（不高于930），20Cr的晶粒度很细，但是当需要进行渗碳处理时，因往往加热温度要高于930度，就会出现实际晶粒变粗的情况。
其次，这里不再深入说具体哪种钢是本质粗，哪种是本质细。因为作为一个界定划分，对于实际应用的指导意义并不大。因此，具体的热敏影响，会在后面说其他元素影响的时候说。

我国国家对于晶粒度制定了1-8级的不同评定。其测量即评定标准可以参考http://www.google.com.hk/url?sa= ... CJHKkuQlyONiRm4gtqQ 一文。
下图为钢的标准晶粒度等级示意。

钢的加热工艺

在上面的部分里，我们提到过热影响和过热时间影响，以及其他合金元素的影响。因此，在实际中，应根据不同材料的状态图以及不同的因素确定恰当的加热温度和加热时间。对于加热时间，也应考虑多种因素，比如零件的尺寸，截面差别，碳含量等，以此确定合适的加热速度，避免变形和开裂。另外，保温时间也是一个重点。

钢在加热过程中容易出现以下几种缺陷。
1。过热。 即加热温度过高或者保温过长，会引起奥氏体粗化，称为过热。因为晶粒度的变化，这种情况下会导致材料的机械性能降低，并且容易出现变形和裂纹。这种情况可以通过重新正确的正火或退火，重新细化晶粒才能补救。
2。过烧。 如果加热温度过高，会出现奥氏体晶界的氧化，甚至局部熔化。这时钢会很脆。这种情况无法补救，只能报废。
3。氧化。 既中高温下，钢与氧气发生化学反应。对于560度以下的氧化，因为主要以四氧化三铁存在，表面致密，能有效阻止表面的进一步氧化。而高于560度（一般钢热处理的加热温度都高于560），形成是疏松的FeO，不能阻止氧化的进一步发生。因此时间越长，氧化导致的尺寸变化，粗糙度等都会加剧。因此实际中应采用保护措施，避免氧化发生。
4。脱碳。 脱碳是钢的表层碳分贝氧化烧掉的情况。碳可以与氧气、二氧化碳、水蒸气、氢气发生反应，导致脱碳的形成。脱碳使钢的表层成分改变，性能降低。对硬度、疲劳极限、耐磨性都造成很大的影响。因此，也需要在加热中应用保护措施进行避免。

OK，今天就说这些。

宁波小白

谢谢大侠的热处理系列