钢丝的热处理(第2版)

1 钢丝的热处理

东北特钢集团大连钢丝制品公司 徐效谦

摘要：本文以生产实践为基础，用全新观念，对钢丝热处理工艺进行了梳理；从分析热处理原理，组织结构与使用性能

关系入手，介绍各类钢丝的热处理工艺制定原则，并提供了一些实用技术数据和经验公式。

关键词：钢丝、热处理、工艺、显微组织、临界点。

钢丝生产有3个环节 ；热处理、表面处理和冷加工，所有钢丝均以热轧盘条为原料，经过1个或几

个循环，才生产出合格的成品，工艺流程如图1。 热 轧 盘 条 ↓ ↓ ↓ 热处理 → 表面处理 → 冷拉或冷轧 → 热处理 → 表面处理 → 冷拉或冷轧 → 表面处理 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 成品 成品 成品 成品 成品

图1 钢丝生产流程图

热处理是钢丝生产过程中的一个重要环节，热处理的目的有3个：获得均匀的成分和适于冷加工的组

织；消除加工硬化和内应力，以便继续进行冷加工；获得需要的力学性能、工艺性能和物理性能。钢丝热

处理按工艺流程可分为：原料热处理、半成品热处理（又称中间热处理）和成品热处理；按热处理效果可

分为：软化处理、球化处理和强韧化处理。不同种类的钢丝为达到软化、球化和强韧化的效果，往往采用

不同的热处理方法。众所周知，钢铁材料的性能取决于内部组织结构，组织结构取决于成分、冶炼、热加

工、冷加工，特别是热处理工艺。要选择合理、高效、经济的热处理工艺，必须了解材料性能与组织结构、

显微组织与热处理工艺之间的关系，以及显微组织的种类和热处理的基本原理。

1 热处理基本原理1

钢铁材料可以通过热处理改变性能是基于材料的两项基础特性：所有金属材料都是结晶体，并且具有

多种晶体结构。以铁为例，铁的晶格有体心立方（δ铁和α铁）和面心立方（γ铁）两种结构，如图2。

图2 铁的晶格结构2

(a) 体心立方晶格； (b) 面心立方晶格；

在铁凝固（≤1538℃）过程中首先形成具有体心立方晶格的δ铁，在1394℃～912℃区间转变为具有面心

立方晶格的γ铁，912℃以下又转变为体心立方晶格的α铁。其次，所有的钢铁材料都是两种以上元素组

成的合金，即所有的钢铁材料都可以看成是由溶质和溶剂组成的两类固溶体之一：间隙固溶体或置换固溶

体，溶质原子挤进基体（溶剂）金属晶格中间形成的固溶体叫间隙固溶体；溶质原子取代基体（溶剂）金

属晶格中的溶剂原子形成的固溶体叫置换固溶体。由于溶质在溶剂中的溶解度随着温度变化而变化，因此

2 在钢铁材料加热和冷却过程中必然出现溶质溶解和析出现象，钢的化学成分不同，工艺流程的变化，热处

理加热温度、保温时间、冷却速度不同，热处理气氛和冷却介质的差异，使钢的显微组织产生千变万化，

因而才有可能通过热处理改变钢材的性能，制造出适合各种用途的钢铁材料。

1.1 显微组织2、3

钢的显微组织有明确的定义，可以用金相显微镜进行检测和评定，钢丝热处理涉及的显微组织有以下

几种：

(1) 奥氏体（A）：碳或其它合金元素溶解于面心立方晶格的γ铁中形成的固溶体叫γ固溶体，又称为

奥氏体。奥氏体晶粒呈多边形，并有明显的孪晶结构（晶内小条块），黑色小点是碳化物，多边形小块是

氮化物，如图3。

(2) 铁素体（F）：碳或其它合金元素溶解于体心立方晶格的α铁中形成的固溶体叫α固溶体，又称为

铁素体，如图4。铁素体晶粒呈白色颗粒状，黑色曲折线是晶界，黑色小点为氧化物。

图3奥氏体显微组织（1Cr18Ni9Ti） 图4铁素体显微组织（纯铁）

(3) 渗碳体（Cm）：铁与碳的金属化合物，含碳量6.69%，分子式为Fe3C。渗碳体具有复杂的斜方晶

格结构，溶点1227℃，不发生同素异构转变。渗碳体硬度高，几乎无塑性，在钢中以不同形态分布，对钢

的力学性能有很大的影响。

(4) 珠光体（P）：珠光体是铁素体薄层（片）与碳化物（包括渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的共

析组织，含碳量0.77%，渗碳体片和铁素体片相间分布，交替排列，如图5a。经球化退火后渗碳体呈球粒

状，均匀分布在铁素体基体上，又称为粒状珠光体，如图5b。根据珠光体片间距的大小，珠光体又可分为

珠光体、索氏体（S）、和托氏体（T）。珠光体片间距大致为0.40～1.0μm，通常放大500倍就可以看清其

片层结构；索氏体片间距大致为0.1～0.40μm，通常放大600倍以上才能看清其片层结构；托氏体（原称

屈氏体）片间距小于0.1μm，需要用放大倍率更高的电子显微镜才能看清片层结构。

（a）片状珠光体 （b）粒状珠光体

图5 珠光体显微组织

3 (5) 贝氏体（B）：由极细片状（或针状）渗碳体与碳含量过饱和的铁素体组成的混合物，在较高温度

下形成的贝氏体呈羽毛状，叫上贝氏体如图6(a)；在较低温度下形成的贝氏体呈针状，叫下贝氏体，如图

6(b)。粗看起来，下贝氏体很容易与马氏体混淆，但因下贝氏体易受腐蚀，针的颜色较黑，其硬度比马氏

体低，韧性比马氏体高。

（a）上贝氏体 （b）下贝氏体

如图6 贝氏体显微组织

(6) 马氏体（M）：碳以过饱和状态存在于α铁中形成的组织，由于碳位于体心立方晶格的间隙位置，

使α铁晶格产生畸变，变为体心正方晶格。含碳量较高（1.0%）的马氏体钢，其单元立体结构为针状，称

为针状马氏体如图7(a)；含碳量较低（0.2%）的马氏体钢，其单元立体结构为板条状，称为板条马氏体，

如图7(b)。

(a)针体马氏体 (b) 板条马氏体

图7 马氏体显微组织

(7) 莱氏体（Ld）：高碳钢液冷却到1148℃以下时，发生共晶反应，结晶出来的奥氏体与共晶渗碳体

(Fe3CⅠ)混合物，称为高温莱氏体（如图8），莱氏体中碳含量为4.3%。冷却到727℃以下后，高温莱氏体

中的奥氏体转变为珠光体和渗碳体，获得P+ Fe3CⅠ+ Fe3C混合物，称为低温莱氏体。

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图8 莱氏体显微组织（Cr12）

上述七种显微组织中，奥氏体、铁素体和渗碳体是钢铁材料的基本相，珠光体、贝氏体、马氏体和莱

氏体是钢铁材料的基本组织。

1.2 铁-碳平衡图

碳素钢可以看成是铁—碳合金，碳在γ铁中的最大溶解度可达2.11%，而在α铁中的最大溶解度仅有

0.021%，当碳素钢从高温冷却下来时，奥氏体转变为铁素体，必然有部分碳以渗碳体（Fe3C）的形态析出，

此时因温度较高，渗碳体有足够的扩散能力聚积长大，形成片状珠光体，因此奥氏体转变为珠光体称为扩

散性转变。如果冷却速度太快，因温度太低，原子扩散能力小，奥氏体只能完成晶格结构的转变，超过溶

解极限的碳来不及析出，被冻在α铁的晶格中，形成不稳定马氏体（M）组织，因此奥氏体转变为马氏体

称为非扩散性转变，又叫共格性转变。通常用铁-碳平衡图来判定碳素钢在加热和冷却过常中的显微组织的

变化情况，见图9。

图9 碳素钢的金相组织图

碳素钢金相组织图是根据钢在缓慢加热、缓慢冷却条件下显微组织实际变化状况绘制的，又叫铁-碳平

衡图，钢的碳含量一般不超过2.0%，钢丝热处理仅用到平衡图左面一小部分，含碳量0.77%的钢叫共析钢，

含碳量小于0.77%的钢叫亚共析钢，含碳量大于0.77%的钢叫过共析钢。铁-碳平衡图中几个主要临界点的

温度、含碳量及其物理含义如表1。

表1 铁-碳平衡图的几个主要临界点1 临界点符号 温度，℃ 含碳量，% 物 理 含 义

A 1538 0 纯铁的熔点

C 1148 4.3 共晶点 ,LcA+Fe3C

D 1227 6.69 渗碳体的熔点

5 E 1148 2.11 碳在γFe中的最大溶解度

G 912 0 纯铁的同素异构转变点(A3) α铁γ铁

S 727 0.77 共析点(A1) AsP(F+Fe3C)

铁-碳平衡图中的分界线是不同碳含量的碳素钢具有相同含义的临界点的连线，在热处理过程中经常用

到的几条分界线含义如下：

（1）ACD线：液相线，此线以上钢全部为液相(L)，继续冷却钢液开始结晶。

（2）AECF线：固相线，冷却到此线以下钢液全部结晶为固态，在此线以上，AEC区为液相(L)与奥

氏体相(A)共存区，DCF区为液相(L)与一次渗碳体(Fe3CⅠ)相共存区。

（3）GS线：冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线，或加热时铁素体向奥氏体转变的终止线，通常用

A3表示。随着碳含量的增加，钢的显微组织转变温度逐渐下降，到S点（C=0.77%处）不再先行析出铁素

体，奥氏体直接转变为珠光体。

（4）SE线：碳在奥氏体中溶解度线，通常用Acm表示。在S点(727℃)奥氏体中碳的最大溶解度为0.77%,

随着温度升高，碳在奥氏体中的最大溶解度逐步升高到2.11%(1148℃时)。高碳钢从1148℃冷却到727℃时，

由于碳在奥氏体中的溶解度下降，多余的碳以渗碳体的形态从奥氏体中析出，为与从液态中析出的共晶(一

次)渗碳体(Fe3CⅠ)相区别，此时析出的渗碳体又称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)。

（5）ECF线，共晶线，钢冷却到此线 (1148℃) 以下，发生共晶反应，同时结晶出奥氏体（A）与共

晶渗碳体(Fe3CⅠ)的混合物，即莱氏体（Ld）。

(6) PSK线：共析线，通常用A1表示，冷却到此线以下（727℃）时，共析钢由奥氏体组织转变为珠

光体(P)组织，亚共析钢转变为铁素体(F)+珠光体(P)，过共析钢转变为渗碳体(Fe3C)+珠光体(P)组织。

铁-碳平衡图中A1、A3和Acm点是在缓慢加热、缓慢冷却条件下的临界点，实际生产中，钢的组织转

变总有滞后现象，实现组织转变，加热温度要高于A1、A3和Acm点，冷却温度要低于A1、A3和Acm点。

通常把加热时的临界点表示为Ac1、Ac3奥氏体和Accm，把冷却时的临界点表示为Ar1、Ar3和Arcm，如图

10。

图10 钢丝加热和冷却时的临界温度

1.3 等温转变与连续冷却转变

除铁-碳平衡图外，热处理常用到的两种工具性转变的图是等温转变曲线和连续冷却转变曲线。

(1) 等温转变

钢的过冷奥氏体等温转变曲线是用实验方法绘制的：首先将钢加热到Ac3（或Accm）点以上，保温一

定时间，获得均匀的奥氏体，然后快速淬入温度低于A1点的不同温度的盐浴槽中，使过冷奥氏体产生等