钢在冷却时的转变

共析钢转变的四个阶段

共析钢是指含碳量为 0.77%的铁碳合金，其在冷却过程中会发生一系列的组织转变。这些转变可以分为四个阶段，以下是对每个阶段的简要描述：

1. 奥氏体（A）析出珠光体（P）：当共析钢从高温缓慢冷却时，奥氏体开始转变为珠光体。珠光体是由铁素体和渗碳体组成的两相混合物。在这个阶段，奥氏体中的碳逐渐扩散到铁素体中，形成了渗碳体的薄片。

2. 珠光体（P）的粗化：随着冷却的继续，珠光体中的铁素体和渗碳体开始粗化。这是由于碳原子在铁素体和渗碳体之间的扩散速率不同导致的。铁素体的长大速度较快，而渗碳体的长大速度较慢，因此形成了粗化的珠光体组织。

3. 珠光体（P）的球化：当共析钢进一步冷却到一定温度以下时，珠光体中的渗碳体开始球化。这是由于碳原子在渗碳体中的扩散速率增加，导致渗碳体逐渐变成球形。球化的渗碳体对材料的力学性能有一定的影响。

4. 马氏体（M）形成：当共析钢冷却到室温以下时，如果冷却速度足够快，奥氏体将无法转变为珠光体，而是转变为马氏体。马氏体是一种高硬度的组织，由过饱和的铁素体和弥散分布的碳原子组成。

这四个阶段描述了共析钢在冷却过程中的组织转变。了解这些阶段对于控制材料的性能和加工工艺非常重要。不同的冷却速度和处理方式可以影响共析钢的最终组织和性能。

什么叫钢的临界点？

钢在加热和冷却时发生相转变的温度叫临界点或临界温度。在实际加热和冷却时，钢的相变与平衡状态不一样，它并不按照图2-8所示的温度进行，而往往是在一定的过热或者过冷情况下进行。这样就使得加热和冷却时的实际临界点不在同一温度上。通常把加热时的临界点下标字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm等，把冷却时的临界点下标字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。微信公众号：hcsteel对钢而言常见的临界点有：

A1——在平衡状态下，奥氏体、铁素体，渗碳体共存的温度，也就是一般所说的下临界点。在铁碳合金状态图上为PSK共析转变线。

A3——亚共析钢在平衡状态下，奥氏釉铁索体共存的最高温度，也就是一般所说的上临界点。在铁碳平衡图上为GS线。

Acm——过共析钢在平衡状态下，奧氏体和渗碳体共存的最高温度，也就是过共析钢的上临界点。在铁碳平衡图上为ES线。

Ac1——钢加热时所有珠光体都转变为奥氏体的温度。

Ac3——亚共析钢加热时，所有铁索体都转变为奥氏体的温度。

Accm——过共析钢加热时，所有渗碳体都溶于奥氏体的温度。

Ar1——高温奥氏体化的钢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。

Ar3——高温奥氏体化的亚共析钢冷却时，铁索体开始析出的温度。

Arcm——高温奧民体化的辽开斫俐冷却时，渗碳体开始析出的温度。

Ac1、Ac3和Accm随加热速度的提高而升高。Ar1、Ar3、和Arcm随冷却速度的提高而降低，当冷却速度超过临界冷却速度时，这些转变将不发生，奥氏体将直接转变为马氏体、贝氏体等。

一般Ac1>A1>Ar1， Ac3>A3>Ar3，Accm>Acm>Arcm，因为Accm与Arcm非常接近，所以常用Acm代替之。常用钢的临界点见附表1。

Ac1、Ac3、Accm为钢加热时的实际转变温度，Ar1、Ar3、Arcm为钢冷却时的实际转变温度。

钢的实际临界点含义

加热时：

Ac1 P→γ；

Ac3 α完全→γ；

Accm Fe3CⅡ完全→γ；

冷却时：

Ar1 γ→P；

Ar3 γ开始→α；

Arcm γ开始析出Fe3CⅡ；

1)A1、A3、Acm点都是平衡临界点，都是新相与旧相自由能相等的温度。实际转变过程不可能在平衡临界点进行。加热转变只有在平衡临界点以上才能进行，同理，冷却转变只有在平衡临界点以下才能进行。所以，实际的加热转变点和冷却转变点都偏离平衡临界点。而且，加热和冷却的速度越大，其偏离也越大。为了区别于平衡临界点，通常将加热转变点标以“c”，冷却转变点标以“r”。

2)Ac1：加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度；Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；Ac3：加热时游离铁素体全部转变为奥氏体终了温度；Ar3：冷却时奥氏体开始析出游离铁素体的温度；Accm：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度；Arcm：冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。

另：A2 铁的居里温度

A1：共析转变线，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生，形成P。

A3：奥氏体析出铁素体的开始线。

Acm：碳在奥氏体中的溶解度曲线。

AC1：实际加热时的共析转变线。

AC3：实际加热时奥氏体析出铁素体的开始线。

Acm：实际加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。

Ar1：实际冷却时的共析转变线。

Ar3：实际冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。

Arcm：实际冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。

金属学与热处理 ---第3章 钢的热处理

热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺， 作用:它不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能，如提高材料的强度和硬度，增加耐磨性，或者改善材料的塑性、韧性和加工性等。

第一节 热处理的基本原理

一、钢在加热时的组织转变

(一)钢在加热和冷却时的相变温度

铁碳合金相图中的A1、A3和Acm 线是反映不同含碳量的钢在极为缓慢加热或冷却时的相变温度。但钢在实际加热和冷却时不可能非常缓慢，因此，钢中的相转变不能完全按铁碳合金相图中的A1、A3和Acm线，而有一定的滞后现象，即出现过热(加热时)或过冷(冷却时)现象。加热或冷却时的速度越大， 组织转变偏离平衡临界点的程度也越大。为区别起见，把冷却时的临界点记作Ar1、 Ar3 、Arcm；加热时的临界点记作Ac1、A1c3、Accm。 例如，共析钢在平衡状态下珠光体和奥氏体的转变温度为A1；冷却时奥氏体转变为珠光体的温度为Ar1； 加热时珠光体转变为奥氏体的温度为Ac1。 这些临界点是正确选择钢在热处理时的加热温度和冷却时结构发生变化的温度的主要依据。

(二)奥氏体的形成

共析钢在常温时具有珠光体组织，加热到Ac1以上温度时， 珠光体开始转变为奥氏体。只有使钢呈奥氏体状态，才能通过不同的冷却方式转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。

在铁素体和渗碳体的相界面上首先出现许多奥氏体晶核。这是因为铁素体与渗碳体是两个具有不同晶体结构的相，在二相界面上有晶格扭曲或原子排列紊乱等缺陷，原子处于高能量状态，有利于奥氏体核形成。

奥氏体晶核形成后，便开始长大。它是依靠铁素体向奥氏体继续转变和渗碳体不断溶入而进行的。铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解快，因此，铁素体消失后，仍有部分残余渗碳体，它将随着时间的延长，继续不断地向奥氏体溶解直至全部消失。在刚形成的奥氏体晶粒中，由于原是渗碳体层地方的碳浓度高于原是铁素体层地方的碳浓度，必须继续保温通过碳原子扩散才能获得均匀的奥氏体组织。 亚共析钢与过共析钢加热时的组织转变过程与共析钢相似，其差别在于：当亚共析钢被加热到Ac1~Ac3之间温度时，尚有一部分未溶的铁素体存在。过共析钢被加热到Ac1~Accm之间温度时， 尚有一部分未溶的二次渗碳体存在，即不完全奥氏体化。只有进一步加热到Ac3或Accm以上并保温一定时间， 才能获得单一奥氏体组织。由此可见，保温不仅是为了使工件热透，即工件心部达到与表面同样的温度，还为了获得均匀一致的奥氏体组织，以便在冷却时得到良好的组织和性能。