学文网摘要 金属材料与热处理是中职机械类专业的必修课程，钢的热处理是教材中的重点。主要利用原子的扩散理论、纯金属的结晶、同素异构转变、金属的强化理论来解释钢在热处理过程中为什么会得到相应的不同组织及该组织应具有的性能，以期帮助学生更好地分析钢的热处理本质。
关键词 热处理；原子扩散理论；钢
中***分类号：TG161 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)28-0123-02
在钢的热处理这一部分教学中，各种热处理的加热温度、转变产物及其组织和性能均不相同，有些学生觉得很抽象，难于理解。其实只要抓住各种转变的本质属性就能将钢的热处理看个明白。
1 钢的热处理中用到的基本理论
1.1 原子的扩散理论
溶质在溶剂中溶解形成固溶体后，固溶体的晶格依然保持溶剂的晶格类型。开始溶质刚溶解入溶剂中时，固溶体的各部分成分不均匀，需要经过一定时间的原子扩散才能达到成分的均匀一致。由于扩散是在固体中进行的，原子大多被固定在晶格的确定位置上，活动能力弱，所以固溶体成分的均匀化需要的时间比液体要长。而且温度越低，时间越长，在较低温度下原子甚至丧失了活动能力，不能扩散。
1.2 纯金属的结晶过程
纯金属的结晶是在一定过冷度条件下，由晶核的形成和长大两个基本阶段组成。过冷度越大，结晶速度越快，晶粒越细小。最后晶粒的大小取决于金属结晶时的形核率和晶核长大速度。这个过程在再结晶、同素异构转变等场合下也同样适用。
1.3 同素异构转变
同素异构转变是金属在固态下晶格类型随温度的改变而改变的现象，同素异构转变的过程和结晶的过程相似，也是通过晶核的形成和长大两个基本过程来完成的。但同素异构转变是在固态下完成晶格的改组，所以比液态金属的结晶需要更大的过冷度。
1.4 金属的强化理论
从本质上讲凡是能对位错的滑移造成阻碍的因素，都能提高金属的强度和硬度，因此金属内部的晶格缺陷、合金中的第二相等均可对材料进行一定程度的强化。
2 用原子扩散理论解释金属材料的相变温度与组织的关系
2.1 为什么冷却速度越快，晶粒越细小
冷却时冷却速度越快，过冷度越大，金属的实际结晶温度就越低，液态金属原子的状态就越不稳定。同时温度越低，原子的扩散能力降低，有更多的金属液体原子来不及扩散到周围的晶核就在其自身位置上形成新的晶核，所以提高了结晶时的形核率，从而冷却速度越快，金属结晶后的晶粒就越细小。
2.2 为什么过共析钢完全退火时会产生网状二次渗碳体
退火的冷却速度很慢，钢发生相变的温度很高，所以原子的扩散能充分地进行。过共析钢完全退火时要把钢加热到ACcm温度以上，这时钢中的二次渗碳体全部溶入奥氏体。冷却时奥氏体中碳的溶解度随温度的下降而逐渐下降，碳原子逐渐扩散到原子状态不稳定的奥氏体的晶界并与那里的铁原子形成比较稳定的二次渗碳体，而奥氏体本身的成分依然保持均匀。随着温度继续下降，奥氏体中的碳不断聚集到奥氏体的晶界处形成渗碳体，直到温度降低到727 ℃时剩余奥氏体中的含碳量为0.77%，奥氏体将转变为珠光体。但这时珠光体转变已不能打破原有奥氏体的晶界，珠光体晶粒被限制在原有奥氏体的晶粒内，沿原奥氏体晶界分布的二次渗碳体不再发生转变而保留到室温形成网状的二次渗碳体。
2.3 为什么正火能消除过共析钢中的网状二次渗碳体
从严格意义上讲，正火得到的组织已不再是平衡状态的组织，其组织为索氏体+二次渗碳体。正火时由于冷却速度较快，所以碳原子来不及向奥氏体的晶界处扩散，此时温度还比较高，碳原子虽然扩散能力有限，但依然有能力形成渗碳体，所以就在奥氏体内部形成细片层状的渗碳体，随后奥氏体转变为珠光体，从而消除网状的渗碳体组织，珠光体晶粒不再被割裂，所以能获得较高的力学性能。
2.4 过冷奥氏体等温转变的产物与转变温度的关系
过冷奥氏体的转变时首先是晶格的改组，然后是铁素体中过饱和的碳向外扩散与铁原子结合形成渗碳体微粒析出。在原子活动能力较强时，渗碳体和铁素体聚集长大形成片层结构。转变温度越低，则原子的扩散能力越差，形成的片层结构就越细小。
在A1～550 ℃之间，转变温度较高，原子有足够的扩散能力,所以形成的是片层结构的珠光体类组织。温度越低，片层越细，分别称为珠光体、索氏体和托氏体。
在550 ℃～Ms温度之间，奥氏体的过冷度较大，转变温度较低，晶格改组后，铁原子已经不能扩散，碳原子的扩散能力也有限，所以碳只能部分形成渗碳体，部分形成碳化物，最终形成的组织是过饱和的铁素体和渗碳体或碳化物组成的两相混合物，即贝氏体。
在Ms～Mf温度之间，奥氏体的过冷度极大，转变温度很低，转变时只有晶格的改组，铁原子与碳原子均不能扩散，碳原子全部被迫过量地固溶在α-Fe的晶格中形成马氏体。但马氏体是一种不稳定组织，只要原子恢复了扩散能力，就会发生转变。
2.5 回火温度对淬火钢的组织的影响
在对淬火钢加热的过程中，随温度的升高，碳原子的活动能力逐渐增强，首先是马氏体中的碳原子开始从过饱和铁素体中以极细的碳化物形式析出，形成回火马氏体，这时由于温度不高，碳原子的扩散能力尚不足以形成渗碳体。
随着温度的继续升高，残余奥氏体中的碳也以同样的形式析出。当温度上升到250～400 ℃时，铁原子的活动能力增强，极细碳化物开始形成稳定的颗粒状的渗碳体，马氏体本身也变为铁素体，得到的组织为细颗粒状的渗碳体和铁素体的混合物，即回火托氏体。
当回火温度再升高时，原子的活动能力进一步增强，渗碳体开始通过原子的扩散聚集长大，形成粗颗粒状的渗碳体和铁素体的混合物，即回火索氏体。当温度升高到650 ℃～A1温度时，渗碳体的颗粒更大，形成硬度更低的粒状珠光体。
3 用强化理论解释材料的组织与性能的关系
3.1 晶格畸变强化
当金属的晶格发生畸变时改变了晶粒内部的滑移面和滑移方向，使金属塑性变形时位错的滑移阻力增大，塑性变形抗力增大，从而提高了金属的强度。在固溶体中，由于溶质原子的存在，使溶剂原子的晶格发生畸变。引起晶格畸变越严重的原子，对位错的阻碍就越大，金属的强度就越高，强化的效果就越明显，这就是固溶强化的本质。
3.2 位错强化
实际金属中总是含有大量的位错，这些位错使周围晶格发生晶格畸变，从而对位错的滑移产生阻碍。随着位错密度的增加，位错相互作用与交缠的几率增多，位错运动阻力增加，从而超过位错易动性对强度的影响，使金属的强度显著提高。对金属进行塑性变形时金属中的位错密度显著增加，从而使金属的强度、硬度大幅提高。但由于位错应力的相互叠加，引起的应力也越大，甚至造成局部裂纹，降低了金属的塑性，这就是形变强化的原理。
3.3 细晶强化
在多晶体中晶粒越细小，处于有利位向的晶粒就越多，变形量可分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀而不致集中在个别晶粒上使其变形严重。同时晶粒越细小则晶界的数量就越多，晶界处的原子排列越紊乱，晶格畸变严重，能阻碍裂纹的扩展，从而在其断裂前能产生更大的塑性变形。晶粒越细小，处于不利位向的晶粒和晶界也越多，而处于不利位向的晶粒和晶界都将对位错的滑移产生阻碍作用，从而增大塑性变形的抗力，提高金属的强度，这就是细晶强化。
3.4 第二相强化
第二相的结构、成分与基体金属有很大的差别，所以形成了晶格畸变较大的相界面，而且第二相本身的强度、硬度一般都较高，这些都阻碍了位错的运动。另外，第二相的形状和分布不同，对金属的强化作用差别也很大，颗粒细比颗粒粗的强化效果好，球状比片层状的好，分散程度越高，强化效果越好，这就是第二相的弥散强化作用。用第二相强化的原理，很容易解释一些问题。
参考文献
[1]陈志毅.金属材料与热处理[M].5版.北京:中国劳动社会保障出版社,2007.