摘 要： 鋼材是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到的材料，如何充分發(fā)揮鋼材的性能以滿足實(shí)際的生產(chǎn)生活需要是我們經(jīng)常要遇到的問(wèn)題，而熱處理是我們經(jīng)常采用的提高鋼材機(jī)械力學(xué)性能的方法。那熱處理是如何達(dá)到改變鋼材料機(jī)械力學(xué)性能目的的呢？本論文對(duì)這一方面進(jìn)行一些探討。

關(guān)鍵詞： 組織；晶粒；滲碳體；硬度；塑性

鋼材是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到的材料，在零件的制造過(guò)程中難免要對(duì)其進(jìn)行必要的熱處理。那么熱處理對(duì)零件的組織有什么樣的影響，這些組織上的改變又是如何影響鋼材料的機(jī)械，力學(xué)性能的，這篇論文從鋼材組織的大小，分布方式，狀態(tài)對(duì)其力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，討論。

一組織的定義及其對(duì)鋼材料性能影響

組織：所謂組織就是雖然構(gòu)成的物質(zhì)一模一樣，但是只要其形狀，大小，分布狀態(tài)等不一樣，就稱之為不同的組織。打個(gè)比方：立方體和球體都是由彩泥構(gòu)成，但是立方體和彩泥具有不同的物理性能，像這種情況我們就把形狀不一樣的物體稱為不同的組織。例如碳鋼當(dāng)中經(jīng)常接觸到的索氏體和屈氏體，它們的顯微組織如下圖所示：

上圖當(dāng)中我們可以對(duì)比索氏體和屈氏體的金相顯微組織可以發(fā)現(xiàn)屈氏體的鐵素體片層和滲碳體片層比索氏體的薄。片層越薄意味著晶粒越細(xì)小，晶粒越細(xì)小表明它的機(jī)械性能，力學(xué)性能越好。這一例子說(shuō)明組織成分的厚薄粗細(xì)對(duì)鋼材料的機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

黑色的滲碳體在上貝氏體中是處于基體鐵素體之間的，會(huì)對(duì)基體鐵素體的連續(xù)性產(chǎn)生影響，因此上貝氏體的機(jī)械性能，力學(xué)性能不好。但是在下貝氏體中滲碳體這種硬化像處于鐵素體基體內(nèi)部，因而對(duì)鐵素體基體的連續(xù)性不產(chǎn)生影響，機(jī)械性能，力學(xué)性能影響較好。這一例子說(shuō)明組織成分的分布狀態(tài)方式對(duì)鋼材料機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

二鋼材常用熱處理對(duì)其組織的影響。

鋼材熱處理的三步驟為加熱，保溫，冷卻。加熱的目的是為了得到奧氏體組織，使碳元素重新溶解進(jìn)入奧氏體面心晶胞內(nèi)部，為冷卻的時(shí)候碳原子重新析出做準(zhǔn)備。保溫主要是為了成分和組織均勻化。冷卻主要目的是以不同的過(guò)冷度得到不同的組織，從而達(dá)到實(shí)際的使用要求。熱處理的目的就是改變組織成分的組合方式，常見(jiàn)的有改變組織成分的粗細(xì)和組織成分的形態(tài)。一般來(lái)說(shuō)組織成分越細(xì)越好，硬化像分布的范圍越小越好。下面我們來(lái)具體看一下常用的熱處理方式得到的鋼材組織及其性能對(duì)比。

1退火和正火

退火是碳鋼在加熱保溫以后在爐中冷卻或埋灰冷卻，而正火是在加熱保溫以后空氣當(dāng)中冷卻。從冷卻的方式我們可以看出正火的冷卻速度比較快，因而過(guò)冷度比較大，在結(jié)晶的過(guò)程當(dāng)中同時(shí)形成的凝固核心比較多，因此正火得到的組織晶粒比較細(xì)小。下面我們看一下正火和退火得到的組織金相顯微組織：（以45號(hào)鋼材為例）

從上面的金相顯微組織我們可以發(fā)現(xiàn)45號(hào)鋼材的正火組織比退火的要細(xì)小，晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度硬度越高，所以在熱處理過(guò)程中，我們都希望得到組織成分細(xì)小的晶粒。碳鋼的機(jī)械力學(xué)性能不僅和組織的粗細(xì)有關(guān)而且還和組織的形態(tài)有關(guān)，碳鋼珠光體在經(jīng)過(guò)球化退火以后，其中的滲碳體由片狀變?yōu)榍驙?，這就大大減小了硬化像滲碳體對(duì)鐵素體的隔裂作用，不僅可以充分發(fā)揮鐵素體的連續(xù)性，提高塑形，而且可以強(qiáng)化碳鋼的強(qiáng)度和硬度。所以對(duì)于含碳量比較高的過(guò)共析鋼，尤其是存在網(wǎng)狀滲碳體的碳鋼應(yīng)該先正火消除其中的網(wǎng)狀滲碳體，在用球化退火把其中的未連接成片狀的滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睢?/p>

2水淬和油淬

淬火是加熱，保溫以后在水中或油中快速冷卻。因?yàn)槔鋮s速度比在空氣中冷卻的冷卻速度更加之大，以至于有些碳原子或全部碳原子來(lái)不及從體心晶胞當(dāng)中析出，碳鋼內(nèi)部只是發(fā)生了奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變（即面心晶胞像體心晶胞的轉(zhuǎn)變），但是體心晶胞不像面心晶胞一樣可以溶解大量的碳原子，導(dǎo)致大量的碳原子充斥在體心晶胞當(dāng)中，從而導(dǎo)致體心晶胞嚴(yán)重變形，形成很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化的效果。這種固溶體我們稱之為馬氏體，馬氏體硬度比較高，但是脆性比較大，在實(shí)際情況一般對(duì)鋼材淬火以后還要對(duì)其進(jìn)行必要的回火以降低硬度，提高塑形。碳鋼淬火以后得到的馬氏體形態(tài)主要與碳鋼含碳量有關(guān)，但是硬度強(qiáng)化都來(lái)源于碳原子充斥于體心晶胞的固溶強(qiáng)化效果。

從金相顯微組織我們可以發(fā)現(xiàn)低碳鋼馬氏體成板條狀，高碳鋼馬氏體成針葉狀。高碳鋼的馬氏體因?yàn)楹剂扛?，因此固溶?qiáng)化的效果明顯，硬度較高，但是脆性也大。低碳鋼因?yàn)楹剂枯^低固溶強(qiáng)化的效果不明顯，塑形韌性較好。

碳鋼在油中淬火得到的組織得到部分馬氏體組織和部分屈氏體組織，屈氏體是片狀比較細(xì)小的珠光體組織。因此碳鋼在油中淬火得到的組織力學(xué)性能處于水淬和正火之間。

3回火

上面講到鋼材淬火以后一般要進(jìn)行回火處理，為什么要進(jìn)行回火處理呢？主要是通過(guò)再次加熱使體心晶胞當(dāng)中過(guò)飽和的碳原子得到能量重新新出，只不過(guò)重新析出以后的碳原子以顆粒狀的滲碳體形式存在，而不是以片狀的滲碳體存在。

因此得到的組織機(jī)械力學(xué)性能更加之好。下面看下回火以后得到的碳鋼金相顯微組織：

上面的金相顯微組織我們可以明顯發(fā)現(xiàn)從馬氏體當(dāng)中析出的碳原子是以顆粒狀的滲碳體形式存在的，這樣可以充分減小對(duì)鐵素體基體的隔裂作用，提高塑形韌性，同時(shí)顆粒狀的滲碳體又起到強(qiáng)化鋼材材料強(qiáng)度硬度的目的。因此一般鋼材淬火以后都要進(jìn)行回火處理。

三總結(jié)

從上面的分析我們可以看出鋼材的熱處理其實(shí)就是改變鋼材內(nèi)部組織成分的粗細(xì)和形狀來(lái)達(dá)到改變材料金屬力學(xué)性能的目的。說(shuō)的具體點(diǎn)就是通過(guò)一定的熱處理工藝達(dá)到改變鐵素體粗細(xì)，改變滲碳體粗細(xì)或形狀來(lái)達(dá)到改變鋼材力學(xué)性能的目的。一般改變鐵素體和滲碳體的粗細(xì)我們可以通過(guò)過(guò)冷度，變質(zhì)處理，結(jié)晶過(guò)程中的振動(dòng)處理來(lái)控制。而改變滲碳體的形狀由片狀變?yōu)榍驙钗覀兛梢酝ㄟ^(guò)球化退火的球化劑或回火處理來(lái)到達(dá)目的。總之金屬外在的力學(xué)表現(xiàn)都是它內(nèi)部組織的外在表現(xiàn)，正所謂“內(nèi)因起決定作用”。我們不管采用什么熱處理其本質(zhì)都是為了達(dá)到改變鐵素體或滲碳體的形態(tài)，分布方式?！?/p>

作者簡(jiǎn)介：童遠(yuǎn)平（1982年4月-），性別：男，民族：漢族，籍貫：廣東省梅州，學(xué)位：本科，單位：廣東省梅州興寧市技工學(xué)校。