零讀雜談（熱處理六）

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電梯直達

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發表于 2015-2-10 13:24:36 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

本來是打算這一次寫一些關于20CrMnTi碳氮共滲的內容的。后來實在感覺這么寫過于突兀，而且也打亂了知識學習循序漸進的過程。所以，還是請有疑問的大俠等等。或自行搜索尋找你要的答案。
今天開始說鋼的熱處理部分，大抵上會分三次說完基礎部分。包括加熱過程的變化，冷卻過程的變化，以及顆粒度等問題。其中，冷卻變化部分會介紹常見的熱處理基本工藝，淬，正，回，退。這些都說完后，會介紹下關于滲碳滲氮的部分。所有這些，仍舊是基礎的部分。涉及擴展的，請各位自行查閱。

讀書：《金屬材料及熱處理》　陸大纮　許晉堃　合編
　　　人民鐵道出版社
　　　雜談六

鋼在加熱時的組織變化

鋼的加熱，是鋼熱處理環節中最基本的一個環節。可以說，絕大多數的熱處理中，都需要先對材料進行加熱處理，然后才是從奧氏體以不同冷卻速度處理，得到所需組織和性能。基本的組織和性能我們前幾篇提過，這里不重復。下面，我們以共析鋼為例，看看鋼的加熱過程。

感覺鐵碳相圖，我們以就把重點放在723度這個奧氏體和珠光體乃至滲碳體的分界線上。理論上說，鋼加熱到723度，珠光體就要變成奧氏體。但實際上，因為加熱速度以及轉變過程的時間需要，同鋼的冷卻時一樣，實際轉變溫度要高于723度，也即是所謂的熱滯。我們把這個實際轉變溫度標定位Ac1。加熱速度越快，Ac1越高，轉變需要的時間就越短。（但個人認為，珠光體到奧氏體因為存在一個最小轉變時間，因此不可能像奧氏體轉變馬氏體一樣可以瞬間完成，因此從珠光體到奧氏體的轉變會存在一個最短時間。這個時間之內，提高Ac1的意義就不大了。但是有一種情況除外，那就是馬氏體的逆變。也就是馬氏體直接變為奧氏體。這種情況的轉變時間也會很短）

以共析鋼為例，從珠光體向奧氏體轉變的過程包括三個步驟。
1。形核。當溫度高于723度時，珠光體內開始產生奧氏體的晶核。這個過程，一方面要求鐵的晶格從體心立方結構轉變為面心立方結構，同時也要求含碳量迥異的鐵素體和滲碳體之間進行碳的再擴散，以均勻化碳含量。因此，這一時期的奧氏體晶核一般出現在鐵素體和滲碳體的交界處。
2。核心長大。這一過程就是奧氏體邊界不斷擴展，鄰近鐵素體晶格不斷轉變，滲碳體碳不斷擴散的過程。這一過程會一直持續到鐵素體完全消失，滲碳體完全溶解為止。另外，在這一過程中，奧氏體邊界碰撞后會停止擴展，形成相鄰的邊界。
3。奧氏體成分均勻化。對于剛由珠光體轉變為的奧氏體來說，實際上其碳分布依舊是不均勻的。因此當全部珠光體轉變為奧氏體后，經過一段時間的保溫，使得碳充分的擴散，達到均勻化奧氏體的目的。而這一過程中，如果保溫時間過長，也會引起奧氏體晶粒的進一步長大，破壞原有的邊界，減少形核數。形成粗大的奧氏體。
下圖表達了上面三個步驟的變化。

標準晶粒度

前天談到轉變保溫過程中的晶粒進一步長大，以及長大過程中的邊界形成。總得來說，晶粒的大小，多少會伴隨保溫時間的長短和溫度的高低而不同。前面講馬氏體的時候，我們也說過，晶粒越細小，越多，晶界越復雜，相應的強度就越大。反之，強度就會相對降低。因此，對于晶粒度的控制就尤為重要。
但是實際生產中，不同鋼種對溫度的反應程度是不一樣的。有些鋼對過熱很敏感，溫度稍高，晶粒就明顯長大。而也有一些鋼在一定的過熱范圍內，晶粒變化并不明顯。生產上把前者稱為本質粗晶粒鋼，后者稱為本質細晶粒鋼。下圖表達本質粗晶粒和本質細晶粒的傾向關系。

這里要說兩點。首先，本質粗晶粒和本質細晶粒只是針對其對過熱的敏感性而言的，并不代表二者最后的晶粒度的實際比較。溫度控制得當，本質粗也可以得到很細的晶粒度，反之本質細也可以很粗。比如20Cr，正常加熱時（不高于930），20Cr的晶粒度很細，但是當需要進行滲碳處理時，因往往加熱溫度要高于930度，就會出現實際晶粒變粗的情況。
其次，這里不再深入說具體哪種鋼是本質粗，哪種是本質細。因為作為一個界定劃分，對于實際應用的指導意義并不大。因此，具體的熱敏影響，會在后面說其他元素影響的時候說。

我國國家對于晶粒度制定了1-8級的不同評定。其測量即評定標準可以參考http://www.google.com.hk/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=24&ved=0CCgQFjADOBQ&url=http%3A%2F%2Fmse.csu.edu.cn%2Flib%2Fppt%2F%25E9%2587%2591%25E7%259B%25B8%2F12.pps&ei=KpDZVJrvNcqpgwSDgoPoAQ&usg=AFQjCNHVbRQs1PhCJHKkuQlyONiRm4gtqQ 一文。
下圖為鋼的標準晶粒度等級示意。

鋼的加熱工藝

在上面的部分里，我們提到過熱影響和過熱時間影響，以及其他合金元素的影響。因此，在實際中，應根據不同材料的狀態圖以及不同的因素確定恰當的加熱溫度和加熱時間。對于加熱時間，也應考慮多種因素，比如零件的尺寸，截面差別，碳含量等，以此確定合適的加熱速度，避免變形和開裂。另外，保溫時間也是一個重點。

鋼在加熱過程中容易出現以下幾種缺陷。
1。過熱。即加熱溫度過高或者保溫過長，會引起奧氏體粗化，稱為過熱。因為晶粒度的變化，這種情況下會導致材料的機械性能降低，并且容易出現變形和裂紋。這種情況可以通過重新正確的正火或退火，重新細化晶粒才能補救。
2。過燒。如果加熱溫度過高，會出現奧氏體晶界的氧化，甚至局部熔化。這時鋼會很脆。這種情況無法補救，只能報廢。
3。氧化。既中高溫下，鋼與氧氣發生化學反應。對于560度以下的氧化，因為主要以四氧化三鐵存在，表面致密，能有效阻止表面的進一步氧化。而高于560度（一般鋼熱處理的加熱溫度都高于560），形成是疏松的FeO，不能阻止氧化的進一步發生。因此時間越長，氧化導致的尺寸變化，粗糙度等都會加劇。因此實際中應采用保護措施，避免氧化發生。
4。脫碳。脫碳是鋼的表層碳分貝氧化燒掉的情況。碳可以與氧氣、二氧化碳、水蒸氣、氫氣發生反應，導致脫碳的形成。脫碳使鋼的表層成分改變，性能降低。對硬度、疲勞極限、耐磨性都造成很大的影響。因此，也需要在加熱中應用保護措施進行避免。

OK，今天就說這些。

補充內容 (2015-2-11 05:07):
缺失的圖，請參考3樓。

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