鋼在加熱時，鋼的組織會發生哪些轉變？

大多數熱處理工藝（如淬火、正火、退火等）都要將鋼加熱到臨界溫度以上，獲得全部或部分奧氏體組織，並使其成分均勻化，即進行奧氏體化。加熱時形成的奧氏體的質量（成分均勻性及晶粒大小等），對冷卻轉變過程及組織、性能有極大的影響。因此，了解奧氏體化規律是掌握熱處理工藝的基礎。

一、轉變溫度

根據Fe-Fe₃C相圖可知，共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼加熱時，若想得到完全奧氏體組織，必須分別加熱到PSK線（A₁）、GS線（A₃）和ES線（A_ccm）以上。實際熱處理加熱和冷卻時的相變是在不完全平衡的條件下進行的，即加熱和冷卻溫度與平衡態有一偏離程度（過熱度或過冷度）。通常將加熱時的臨界溫度標為A_C1、A_C3、A_ccm；冷卻時標為A_r1、A_r3、A_rcm，如圖1所示。

圖1 鋼在加熱和冷卻時的臨界溫度

二、 奧氏體化

若加熱溫度高於相變溫度，鋼在加熱和保溫階段（保溫的目的是使鋼件裡外加熱到同一溫度），將發生室溫組織向A的轉變，稱奧氏體化。奧氏體化過程也是形核與長大過程，是依靠鐵原子和碳原子的擴散來實現的，屬於擴散型相變。下面以共析鋼為例介紹其奧氏體化過程，亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼基本相同，但略有不同。亞共析鋼加熱到A_C1以上時還存在有自由鐵素體，這部分鐵素體只有繼續加熱到A_C3以上時才能全部轉變為奧氏體；過共析鋼只有在加熱溫度高於A_ccm時才能獲得單一的奧氏體組織。

共析鋼奧氏體化過程為（如圖2所示）：

圖2 共析鋼奧氏體化過程示意圖

1．A晶核的形成：鋼加熱到A_C1以上時，P變得不穩定，F和Fe₃C的界面在成分和結構上處於最有利於轉變的條件下，首先在這裡形成A晶核。

2．A晶核的長大：A晶核形成後，隨即也建立起A-F和A-Fe₃C的C濃度平衡，並存在一個濃度梯度。在此濃度梯度的作用下，A內發生C原子由Fe₃C邊界向F邊界的擴散，使其同Fe₃C和F的兩邊界上的平衡C濃度遭破壞。為了維持濃度的平衡，C滲碳體必須不斷往A中溶解，且F不斷轉變為A。這樣，A晶核便向兩邊長大了。

3．剩餘Fe₃C的溶解：在A晶核長大過程中，由於Fe₃C溶解提供的C原子遠多於同體積F轉變為A的需要，所以F比Fe₃C先消失，而在A全部形成之後，還殘存一定量的未溶Fe₃C。它們只能在隨後的保溫過程中逐漸溶入A中，直至完全消失。

4．A成分的均勻化：Fe₃C完全溶解後，A中C濃度的分布並不均勻，原先是Fe₃C的地方C濃度較高，原先是F的地方C濃度較低，必須繼續保溫(保溫目的之二)，通過碳的擴散，使A成分均勻化。

三、影響奧氏體化的因素

A的形成速度取決於加熱溫度和速度、鋼的成分、原始組織，即一切影響碳擴散速度的因素。

1．加熱溫度：隨加熱溫度的提高，碳原子擴散速度增大；同時溫度高時GS和ES線間的距離大，A中碳濃度梯度大，所以奧氏體化速度加快。

2．加熱速度：在實際熱處理條件下，加熱速度愈快，過熱度愈大。發生轉變的溫度愈高，轉變的溫度範圍愈寬，完成轉變所需的時間就愈短(圖3)，因此快速加熱（如高頻感應加熱）時，不用擔心轉變來不及的問題。

圖3 加熱速度的影響

3．鋼中碳含量：碳含量增加時，Fe₃C量增多，F和Fe₃C的相界面增大，因而A的核心增多，轉變速度加快。

4．合金元素：合金元素的加入，不改變A形成的基本過程，但顯著影響A的形成速度。

5．原始組織：原始P中的Fe₃C有兩種形式：片狀和粒狀。原始組織中Fe₃C為片狀時A形成速度快，因為它的相界面積較大。並且，Fe₃C片間距愈小，相界面愈大，同時A晶粒中C濃度梯度也大，所以長大速度更快。

文章來源：材料科學與工程原創，如需轉載請註明出處