等温热处理

热处理是冷轧钢板到成品板过程中必不可少的工序，按照实验钢种不同、工艺不同、目标不同、应用不同等层次，介绍热处理工艺的研究现状。

等温热处理作为一种常见的热处理手段，在研究温度对组织的影响规律及力学性能改善方面有着优势。北京科技大学王泽汉等通过对 C-Si-Mn 系 TRIP 钢采用等温退火工艺，分析了无碳化贝氏体板条和块状残余奥氏体对材料屈服强度、抗拉强度、伸长率及韧性等力学性能的影响，并获得了具有 TRIP 效应的贝氏体基高强钢。

武汉科技大学李念等研究了不同等温时间、不同球化温度下，预冷球化退火和常规球化退火工艺后 D2 钢的组织性能变化，并分析了其组织中合金元素分布，得到了既能保证组织性能要求及碳化物球化程度，又能显著缩短球化退火时间的预冷球化退火工艺。

上海大学欧阳剑雄等通过对冷却速度和退火温度对 SAE8620H 齿轮钢中带状组织的影响的研究，指出了只有在变形量>27%时，变形组织才形成交替的元素偏析带；影响带状组织最关键的因素是冷却速度，适当快冷可抑制碳元素的偏析，掩盖合金元素的带状偏析而得到较轻的带状组织。

选择合适的热处理工艺可以获得预期的、有利的组织。北京科技大学董瑞等采用不同的退火工艺得到了多边形铁素体基 TRIP 钢(TPF)、贝氏体铁素体基TRIP 钢（TBF）和回火马氏体基 TRIP 钢（TAM）3 种不同基体结构的 TRIP钢，并对它们的显微组织和力学性能进行研究。

山东大学冯锐以铁素体-珠光体型钢板为对象，采用 TMCP 工艺控制微合金碳氮化物的析出和过冷奥氏体的相变行为，分析了工业化生产和实验室试轧的钢板微观组织和力学性能。研究了热轧钢板分层缺陷与连铸坯中心偏析的继承性关系，并从动力学和热力学方面揭示了钢板中异常偏析带的形成机理。在此基础上得出 TMCP 工艺、连铸工艺、后期热处理及合金成分对钢板内部质量的影响规律。

北京科技大学张丹通过分段冷却实验，研究了冷却速度和等温温度对GCr15Si Mn 轴承钢中碳化物析出规律及 C、Cr、Mn 元素扩散规律的影响，分析了冷却速度与网状碳化物的关系，以及索氏体组织的形成原因，并得到了珠光体片层厚度和过冷度的经验公式。

同时在工业生产中也不断出现新的研究成果，如上海汽车集团股份有限公司贺小坤以国产低碳合金钢 8620H 汽车齿轮产品为研究对象，进行锻造余热等温退火工艺试验，并针对锻造加热温度、锻后恒温温度、恒温后的冷却方法、等温转变温度及等温时间等 5 个工艺要素，分别进行了工艺试验，指出锻造余热等温退火工艺的关键要素是对晶粒度的控制。

亚洲重工集团有限公司任猛分析了现行的热脱模钢锭退火工艺存在的认识上的误区，并推荐了几种优化退火工艺新思路。

等温热处理中所用到的主要工艺参数有保温温度和保温时间。

等温热处理保温温度

保温温度是固相体积分数和平衡分配系数的函数。等温热处理温度的确定按式计算。

其中：

T_m 纯溶剂熔点 T_l合金液相线温度

f_s 固相体积分数 k 平衡分配系数

等温热处理保温时间

在热处理中,时间是影响合金组织和性能的一个重要参数,它是指为达到热处理工艺要求而恒温保持的一段时间,而保温时间完全取决于热处理本身的工艺要求,如是否需要获得均匀的固溶体,是否需要消除内应力,是否需要在恒温过程中进行成分的扩散过程等。保温时间一般需要根据实验确定。2100433B

等温热处理,是将工件在热处理炉中加热到淬火温度,经充分加热保温后迅速投入硝盐炉中进行等温淬火,保持一定时间,使奥氏体分解为其他组织。根据不同工艺要求,盐浴温度可以进行调节,在硝盐炉中可进行马氏体、贝氏体和索氏体等等温淬火，工件热处理完毕出炉后在热水中将残余硝盐洗净。工件在炉内的传热方式是辐射传热,加热速度比在一般电炉中缓慢些,工件热透需时较长,产生的热应力较小,因而工件变形量小。工件在等温淬火过程中,因为硝盐是经过脱氧处理和真空脱气处理,同时又严格的将盐浴温度控制在硝盐分解温度以下,所以当工件在完成由奥氏体组织分解为其他组织的过程中,避免了表面氧化。因此:等温热处理后的工件表面能够保持金属光泽。

马氏体 贝氏体复相（BT/M）热处理是提高材料强韧性的重要途径。钢的中温转变曲线以270℃为界分为上下两部分，在330℃和240℃分别出现两个鼻尖，在270℃以上等温，形成上贝氏体；在270℃以下等温，形成下贝氏体。

试验指出：在胞点以上于270℃等温28min形成体积分数为20%左右的下贝氏体时，强韧性较好。在240℃等温时，沿晶界形成下贝氏体针，强韧性下降。M_s点以下在180℃等温60min，强韧性最好。此时，先形成少量马氏体，促发下贝氏体的形成。图2是65Nb钢经1150℃加热奥氏体化后，于270℃等温280min后的下贝氏体一马氏体复合组织。

图2中黑色长针是下贝氏体．分布极不均匀，图2中间有一条碳化物偏析带，带中碳化物呈点状分布，带的中心有一条共晶碳化物的链。原材料中碳化物呈点状，易溶于奥氏体，因此带内基体合金元素含量较高（与GCr15钢不同，GCr15钢中碳化物偏析带内的粒状碳化物颗粒较粗。不易溶于奥氏体中，因此带内基体合金元素含量较低），下贝氏体孕育期较长。所以偏析带内下贝氏体数量较少。灰色基体是马氏体 残留奥氏体 碳化物。 2100433B

等温过程例如，与恒温箱接触的一个气筒，可用一活塞对它缓慢地压缩，所做的功表现为流进容器内使气体的温度保持不变的能量。蓄电池在室温下缓慢充电和放电，都是近似的等温过程。又如，在101.325kpa，273.15K下冰的熔化成水是等温，恒压的可逆相变过程。对一定质量理想气体等温可逆过程的特征是气体压强P和体积V的乘积不变，PV=恒量。理想气体的内能仅仅是温度的函数，所以过程中内能不变。

理想气体经等温过程由状态I(p₁,V₁)到状态 Ⅱ(p₂,V₂)时系统所做的功

v为气体的摩尔数，T为气体的热力学温度（见热力学温标）,R为摩尔气体常数。理想气体的内能仅仅是温度的函数，所以等温过程中内能的变化为零。由热力学第一定律得出,理想气体在等温过程中能量转换的特点是Q=A，即系统吸收的热量等于系统对外界所做的功。

等温过程是热力学中一种重要过程。卡诺循环就是由两个等温过程和两个绝热过程组成的。物质三态的可逆转变也是在等温条件下进行的。 2100433B

钢件加热到高于Ar₃(或Ar₁)的温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度，并等温保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺称为等温退火。与相同成分钢比较完全退火必须缓冷才能保证在预期的过冷度下进行珠光体转变，所以工艺周期很长，但是等温退火是钢奥氏体化后快冷到Ar₁--(30-40)℃的温度在炉中进行等温分解，故可大大缩短工艺时间。所以等温退火可作为完全退火、不完全退火、球化退火的重要工艺改进的途径。

等温退火的加热温度与完全退火或球化退火相同，等温分解温度由钢材所需硬度决定，一般选择Ar₁--(30~100)℃，等温保温时间包括等温转变曲线上规定的组织转变间与钢材截面降到等温温度时的均温透冷时间。

等温退火工艺周期短，沿截面组织比较均匀一致，因此特别适于大件及合金钢件的退火。在其退火过程伴随着扩氢退火。

等温退火工艺工艺参数

加热温度：视对组织的要求而定,可与完全退火相同或与球化退火加热温度相同（Ar₃~Ar₁）。

等温温度：由钢材成分及退火后硬度要求而定。

等温冷却：可空冷到室温,大件需要缓冷到<500℃空冷。

等温退火工艺组织性能变化

细化晶粒、降低硬度、提高塑性,去除内应力,可按工艺要求获得片状或粒状珠光体。 2100433B