奥氏体及钢材各显微组织的转变过程

寂静回声

问



答
不看铁碳相图，就喜欢当智障。


当把纯铁加热到熔点1538度以上时，纯铁变成了液体。
而在纯铁以液态开始冷却的过程中，在不同的温度范围内，会结晶成具有不同组织的晶体。
例如，从熔点到1394度之间，铁结晶成体心立方结构，叫δ-Fe，在1394到912度之间，结晶成面心立方结构，叫γ-Fe，当温度降至912度以下后，又具有体心立方结构，称为α-Fe。
上述三种温度区间的铁，δ-Fe，γ-Fe，α-Fe，也可以溶解碳，只不过能够溶解碳的能力是不一样的。
碳溶于α-Fe称为铁素体Ferrite=F，还是保持体心立方结构，碳溶于γ-Fe称为奥氏体Austenite＝Au，仍然具有面心立方结构，奥氏体塑性很好，容易变形。
但是，因为γ-Fe原子间隙比α-Fe大，所以它能够溶解的碳浓度要比α-Fe大。
奥氏体中最大溶解2.11%的碳，铁素体最大溶解0.0218%的碳。
如果碳的质量分数超过了两者的溶解度极限，会发生什么呢？
会形成化合物Fe3C，称为渗碳体Cementite，其含碳量可达到6.69%。
上面所说的奥氏体，是在高温912-1394度之间，如果是在912度以下，γ-Fe会向α-Fe的转变，所以单独的奥氏体不存在了。
当温度低于727度时，奥氏体会和其他组织混合，形成新的组织。
室温下，不同质量分数的的碳钢，将其加热到临界温度以上后，就会形成奥氏体，这个奥氏体有个特点，就是它在不同的温度范围等温，或者是在不同的冷却速度下冷却，会形成成不同的组织。

临界温度就是铁碳相图中的A3，Acm和A1线对应的温度，表示不同质量分数的碳，加热时，开始转变成奥氏体的温度，例如室温组织是珠光体的碳钢，加热到727度时，开始形成奥氏体。
例如，对于含碳量为0.77%的碳钢（也叫共析钢），在临界温度727度到560度之间等温，会形成珠光体，在560度到Ms之间等温会形成贝氏体，在Ms-Mf之间等温就形成马氏体。
当奥氏体在727-560度之间保温时，首先会在奥氏体晶界处（晶粒交界处）形成渗碳体，渗碳体慢慢长大，使得周围的奥氏体缺碳，于是在其两侧又会形成铁素体，这样就组成了一个珠光体小单元，很多小单元扩散交错叠加，最后使得整个奥氏体变为珠光体，所以珠光体的基本组织是铁素体和渗碳体的混合物。
把奥氏体在560到Ms温度区间保温，首先在奥氏体晶界处析出过饱和的铁素体，然后在铁素体中析出细小的渗碳体，所以，贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。
Ms是马氏体开始转变温度，即Martensite Start，不同质量分数的碳钢，对应的Ms不同，Ms在150－310度左右变化。Mf表示马氏体转变结束温度，即Martensite Finish，也是一个根据碳质量分数而变化的量，在-100到50度之间变化。
因为马氏体在Ms－Mf之间转变，转变温度低，速度快，只发生铁素体的晶体结构转变，碳原子来不及重新分布，被保留在马氏体中，其碳的质量分数和母奥氏体相同，所以马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
OK，到这里，我们终于有了马氏体的概念，它是奥氏体在Ms－Mf温度区间转变形成的一种组织，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。


退火（Annealing），相当于炉冷，冷却速度很慢，通常在10−5 － 10−3K/s，得到的组织是粗片状珠光体，因为缓慢冷却的过程中，组织会慢慢长大。
又如正火（Normalizing），在空气中冷却，冷却速度较快，得到细片状珠光体，也叫索氏体，极细小的珠光体叫托氏体。
最后在水中淬火，快速冷却，得到马氏体组织，所以淬火的目的，就是为了得到马氏体。
上面说了，马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，所以它保持了铁素体的体心立方结构，但是因为内部有大量过饱和的碳原子，使得原子排列拥挤，产生了较大的内应力，所以马氏体有较高的强度和硬度，如果含碳量增高，强度和硬度也增加，但会变得很脆，必须回火消除内应力，才能使用。
退火（Annealing），就是将工件加热到临界点，也就是相图中的A1，A3，Acm线以上，或者在临界点以下某一温度保温一定时间后，十分缓慢地冷却的过程，例如炉冷，坑冷等，目的是改善组织，细化晶粒，降低硬度，改善加工性能，减小应力等。
正火（Normalizing）,和退火有点类似，不同的是，正火是在空气中冷却，冷却速度要快一些，目的是细化组织，适当提高硬度和强度，可加工性等。
正火，从单词Normalize演化而来，可以理解为正常化，什么叫正常化，在空气中冷却就叫正常化，因为在炉中或者在水中冷却，都是人为控制，而在空气中冷却不需要人为控制，可以看成是正常冷却。



上述分析表明，珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充分条件：一是温度条件，要在Ac1以上加热，二是时间条件，要求在Ac1以上温度保持足够时间。在一定加热速度条件下，超过Ac1的温度越高，奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度（高于Ac1）条件下，保温时间越长，奥氏体成分越均匀。


还要看到奥氏体晶粒由小尺寸变为大尺寸是一个自发过程，在Ac1以上的一定加热温度下，过长的保温时间会导致奥氏体晶粒的合并，尺寸变大。相对之下，相同时间加热，高的加热温度导致奥氏体晶粒尺寸的增大倾向明显大于低的加热温度的奥氏体晶粒长大倾向。奥氏体晶粒尺寸过大（或过粗）往往导致热处理后钢的强度降低，工程上往往希望得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒，为此可以采用：途径之一是在保证奥氏成分均匀情况下选择尽量低的奥氏体化温度；途径之二是快速加热到较高的温度经短暂保温使形成的奥氏体来不及长大而冷却得到细小的晶粒。