淬火到底淬什么，一张普通碳素结构钢调质图纸所引发的思考

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新入职的员工在制图，看到这张图纸，材料Q235A，技术要求，T235。就把我拉回到刚毕业的时候，起初也是出图，后来供应商打电话来说做不了。接下来就来分析下原因，务必不要再犯此类错误。

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一、钢及分类

钢是对含碳质量百分比介于0.0218%和2.11%之间的铁碳合金的统称。

1）按化学成分分类

2）按质量分类

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二、纯铁特性

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。

铁在不同的温度区间体现不同的晶格结构。

其中1536°是铁的熔点

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三、铁碳合金典型组织

1.铁素体BCC

1）结构：碳在α-Fe中的固溶体，体心立方晶格。

2）熔解度：碳在α-Fe中溶解度极小，室温时仅为0.0008%，在727℃时达到最大溶解度0.0218%。

3）性能：铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。

铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。

如上图所示：

1）铁原子位于晶胞的 8个角 和 体心

2）角原子被8个相邻晶胞共享，每个角原子贡献1/8。

3）体心原子完全属于该晶胞

总铁原子为1+1=2个

 

4）碳原子为位于晶胞的 面心

5）每个面心原子被2个相邻晶胞共享，贡献1/2

6）铁素体为体心立方结构，共有6个面，但 碳原子仅占据部分面心位置

总结：

727℃时最大溶碳量仅0.0218%（质量分数），对应原子比例约每一个铁原子对应 0.0003个碳原子。

铁素体中碳含量极低，其性能接近纯铁（塑性高、强度低），碳主要通过形成渗碳体（Fe₃C）存在。

 

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2.奥氏体FCC

1）结构：碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格；

2）特性：碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃时为0.77%，在1148℃时溶解度最大，可达2.11%；

3）性能：具有一定的强度和硬度，塑性和韧性也好；

奥氏体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直钢材热加工都在奥氏体区进行。

如上图所示

1）角原子被8个相邻晶胞共享，每个角原子贡献1/8。

2）面心原子被2个相邻晶胞共享，每个面心原子贡献1/2。

总铁原子数1+3=4个

3）碳原子位于晶胞的 八面体间隙（面心立方晶胞的中心或棱边中点）

4）若所有八面体间隙均被碳原子占据，每个晶胞可容纳 4个碳原子

总结：

1148℃时溶解度最大，可达2.11%，经过计算，每10个铁原子对应1个碳原子

 

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3.渗碳体

 

1）组织：铁和碳的化合物（Fe₃C）；

2）特性：呈复杂晶格结构的间隙化合物含碳量为6.67%，Fe₃C是一种介稳态相，在一定条件下会发生分解；

3）性能：硬度很高、耐磨，但脆性很大，塑性几乎为零；

4）渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态。

 

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四、其余物质

 

珠光体是铁素体+渗碳体的机械混合物

莱氏体是奥氏体+渗碳体的机械混合物

贝氏体是铁素体+渗碳体的机械混合物

马氏体是过饱和α-Fe固溶体

 

 

根据硬度排序：

渗碳体 > 莱氏体 > 回火马氏体/贝氏体 > 珠光体 > 回火索氏体 > 奥氏体/铁素体

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五，热处理的本质

热处理是指材料在固态下，通过温度、时间，冷却的手段，获得预期组织和性能的金属热加工工艺。

热处理的三个阶段五大要素：

1）三个阶段加热，保温，冷却

2）五大要素加热速度，保温温度，保温时间，冷却速度，介质

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六，热处理的分类和作用

热处理分为：整体热处理、表面热处理、化学热处理。

同一种金属可以采用不同种类的热处理工艺，可获得不同的组织。

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七，热处理铁碳相图

铁碳相图，是在平衡条件下绘制的，假设极缓慢冷却条件下，原子有足够时间扩散，形成的平衡组织。即反映了平衡状态下，不同温度的相变。

铁碳合金室温下，只有铁素体和渗碳体，且由于铁素体含碳量非常少，所以碳在铁碳合金中绝大部分存在于渗碳体中。

1）相图五个单相

标红处：δ铁素体、α铁素体、γ奥氏体、L液相、Fe3C

2）相图三个重要点

J点包晶反应：液相（L）与一种固相（δ）在恒温下反应生成另一种固相（γ），反应式为：L + δ→ γ

C点共晶反应：单一液相（L）在恒温下同时结晶出两种固相（γ + Fe3C），反应式为：L → γ+Fe3C

S点共析反应：单一固相（γ）在恒温下分解为两种固相（α + β），反应式为：
γ → α + Fe3C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3）相图三条线

包晶反应：L + δ→ γ

共晶反应：L → γ+Fe3C

共析反应：γ → α + Fe3C

4）相图四条垂直线

分别通过P点、S点、E点、C点

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八、TTT曲线CCT曲线

铁碳相图，是极缓慢状态下的平衡研究，没有考虑冷却速度，但实际加工过程需要考虑。

CCT曲线即过冷奥氏体连续冷却转变曲线，它反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据。

TTT曲线为钢的过冷奥氏体等温转变曲线，它的开始温度和终了温度曲线像英文字母C，描述了奥氏体在等温转变过程中，不同温度和保温时间下的析出物的规律，又称为C曲线。

CCT曲线是以一定的冷却速度时的连续转变，TTT曲线是在一定温度下的等温转变，区别在于冷却条件的不同，但二者在本质上是一致的，均是过冷奥氏体的转变图解，转变过程和转变产物的类型基本相互对应，都是制订热处理工艺的重要参考资料。

1）CCT曲线

每个试样各以不同速度连续冷却，测出在不同冷速下过冷奥氏体发生相变的开始温度和终了温度，将各个冷速下的数据综合绘在“温度-时间对数”的坐标中，然后把所有转变开始点和终了点分别连接起来，就得出该钢种的CCT曲线，该曲线下部两条水平线分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms点和转变的终了温度Mf点。示意图如下所示

2）TTT曲线

每个试样迅速冷至临界点下不同温度等温，使过冷奥氏体在恒温下发生相变，测出在不同温度下过冷奥氏体发生相变的开始时间和终了时间，并把它们标注在“温度-时间对数”的坐标中，然后把所有转变开始点和终了点分别连接起来，得出该钢种的TTT曲线，该曲线下部两条水平线分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms点和转变的终了温度Mf点。示意图如下所示.

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九、淬火临界速度

以共析钢为例，依据CCT曲线的方法，将各个冷速下的数据综合绘在“温度一时间对数”的坐标中，便得到共析钢的连续冷却C曲线。

珠光体转变区由三条曲线构成，左边一条是转变开始线，右边一条是转变终了线，下面一条是转变中止线。马氏体转变区则由两条曲线构成；一条是温度上限MS线。一条是温度下限MF线。

1.  当冷却速度V<Vk′时，冷却曲线与珠光体转变开始线相交便发生γ→P，与终了线相交时，转变便告结束，形成全部的珠光体。
2.  当冷速 Vk′与珠光体转变开始线相交，而不再与转变终了线相交，但会与中止线相交，这时奥氏体只有一部分转变为珠光体。冷却曲线一旦与中止线相交就不再发生转变，只有一直冷却到Ms线以下才发生马氏体转变。
3. 当冷速V冷却曲线不再与珠光体转变开始线相交，即不发生γ→P，而全部过冷到马氏体区，只发生马氏体转变。
    

上面分析可见，Vk 是保证奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷速，称为“上临界冷速”，通常也叫做“淬火临界冷速”。Vk ′则是保证奥氏体在连续冷却过程中全部分解而不发生马氏体转变的最大冷速，称为“下临界冷速”。

 

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十，总结

调质处理是淬火（快速冷却）与高温回火（500-650℃）的组合工艺。淬火形成高硬度的马氏体，高温回火消除脆性并细化组织，获得回火索氏体（铁素体+细小碳化物），兼具高强度与良好韧性。

而马氏体是奥氏体（γ-Fe）在 快速冷却（淬火） 过程中，碳原子未及时扩散析出而被迫保留在α-Fe晶格中的过饱和固溶体。

因此碳含量至关重要，如果起初碳含量不高，就不会形成过饱和固溶体。

假设对Q235调质，调质前后对比如下表，性能提升很小；Q235本是只保性能不保成分的经济型钢材，调质需要淬火加回火，能耗和设备成本高，投入产出低，因此无需调质。