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第二章　钢的热处理和工艺 １、热处理定义：钢的热处理是通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。 ２、奥氏体形成的热力学：根据Fe-Fe3C状态图可知，当把钢缓慢加热到共析温度以上时，珠光体将向奥氏体转变。从铁碳相图可知，任何成分碳钢加热到Ac1以上，珠光体就向奥氏体转变；加热到Ac3或Acm以上，将全部变为奥氏体。这种加热转变称奥氏体化。 ３、奥氏体的形成过程：扩散性相变，转变过程分为四个阶段进行。 （1）形核：珠光体加热到Ac1以上，在铁素体和渗碳体的相界面上奥氏体优先形核。相界、晶界、亚晶界、位错、非金属夹杂等局部区域的自由能高，这些区域具有较大的能量起伏和浓度起伏，因而有利于奥氏体晶核的形成。 （2）长大：奥氏体在铁素体和渗碳体相界面上形核后，建立起界面浓度平衡，在奥氏体和铁素体内部出现浓度差，碳原子由高浓度向低浓度扩散，使C2、C4浓度降低，而C1、C3升高，从而破坏浓度平衡；必须通过渗碳体逐渐溶解，以提高C2、C4，同时产生α→γ转变，以降低C1、C3，维持界面浓度平衡。这样所进行的碳原子扩散，渗碳体溶解，α→γ点阵重构的反复，奥氏体逐渐长大。铁素体向奥氏体的转变速度，往往比渗碳体的溶解要快，因此珠光体中铁素体总比渗碳体消失得早。 （3）残余渗碳体的溶解：素体消失后，随着保温时间的延长，通过碳原子扩散，残余渗碳体逐渐溶入奥氏体，使奥氏体逐渐趋近共析成分。 （4）奥氏体的均匀化：余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍是不均匀的，原是渗碳体的位置碳浓度较高，原是铁素体的位置碳浓度较低。为此必须继续保温，通过碳原子扩散，获得均匀化奥氏体。 加热时奥氏体化程度会直接影响冷却转变过程，以及转变产物的组成和性能。 ５、合金元素对碳在奥氏体中的扩散影响： 1) Co、Ni增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而加快奥氏体形成速度； 2) 碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等降低碳在奥氏体中的扩散系数，且所形成的特殊碳化物较难溶解，所以减慢奥氏体形成速度； 3) Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散系数影响不大，因此对奥氏体形成速度没有多大影响。 钢中合金元素在原始组织各相中的分布是不均匀的。这种合金元素分布的不均匀性，直到残余碳化物溶解完成后仍保留下来。因此合金钢除了奥氏体中碳的均匀化外，还要进行着合金元素的均匀化，合金钢的奥氏体均匀化时间远比碳钢长得多。在制定合金钢的热处理工艺规范时，应比碳钢的加热温度高些，保温时间长些，促使合金元素尽可能均匀化。 ６、奥氏体晶粒： （1）奥氏体的初始晶粒:指加热时奥氏体转变过程刚刚结束时的奥氏体晶粒，这时的晶粒大小就是初始晶粒度。 （2）奥氏体实际晶粒:指在热处理时某一具体加热条件下最终所得的奥氏体晶粒，其大小就是奥氏体的实际晶粒度。 在一般热处理的加热条件下，奥氏体晶粒总是要长大的。在恒温下，随保温时间的增加，奥氏体晶粒也不断长大。长大分为三个阶段： ①孕育期：在奥氏体刚刚形成以后，并不马上长大，而是需要一定的孕育期，温度愈高，孕育期愈短； ②不均匀长大：经孕育期后，奥氏体晶粒开始长大，但各处长大的程度不一致，有些较大的晶粒靠吞并周围的小晶粒而长成个别很粗大的晶粒；那些未被吞并的小晶粒则长大速度极慢； 结果形成尺寸相差悬殊的晶粒共存的状态； ③均匀长大期：细小晶粒全被吞并后，所有晶粒均开始缓慢而均匀地长大。 （3）奥氏体的本质晶粒:指各种钢的奥氏体晶粒的长大趋势。晶粒容易长大的称为本质粗晶粒钢；晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢； 以上不同的趋势主要由于钢的成分不同而引起。 ７、测定钢的本质晶粒度的方法：生产中为了便于确定钢的本质晶粒度，并不需要测出晶粒大小随温度的变化曲线，只需测出930℃左右的实际晶粒度，就可判断。因为930℃左右是本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢的晶粒大小差别最明显的温度。 钢中成分对奥氏体晶粒长大的影响：用适量的铝脱氧，或钢中加入适量的钒、钛、铌等元素，可得到本质细晶粒钢。因为它们的氮化物或碳化物粒子沿晶界弥散析出，起到阻碍晶界迁移的作用，抑制了奥氏体晶粒长大。 ９、粗大奥氏体晶粒的遗传性： Ⅰ、组织遗传： 1）生产中发现，过热（加热温度过高）后钢的粗大奥氏体晶粒，经淬火后得到粗大马氏体； 2）再次快速或慢速加热至稍高于临界温度； 3）奥氏体仍保留了原来的粗大晶粒，甚至保留原来的位向和原来的晶界。 Ⅱ、原因：过热后的粗晶粒奥氏体与马氏体间相互转变维持着严格的晶体学取向关系。初生的奥氏体晶粒似乎细小，由于取向一致，仍保持粗大原始组织的特性。 Ⅲ、措施：若以中等速度奥氏体化或加热到Ac3以上100～200℃，由于相变硬化使高温奥氏体产生再结晶，达到细化晶粒，消除组织遗传的效果。 １０、过冷奥氏体的转变及其产物：以共析钢为例。加热到Ac1以上