钢管热处理工艺技术（Ⅰ） ——《热轧无缝钢

钢管热处理是指将钢管加热到适宜的温度并保温一定时间，再以不同的方式冷却，达到改变其内部组织结构，获得所要求的性能的工艺过程。根据钢管成分和要求获得的组织不同，采用的热处理工艺各异，一般可分为正火、退火、调质（淬火+回火）、回火等。钢管热处理工艺规程通常用“温度-时间”为坐标的曲线图形来表示。热处理工艺参数包括加热温度、加热速度、加热时间、保温时间和冷却速度等。

1 钢管热处理基本原理

1.1 基本概念

1.1.1 铁的同素异构转变

将铁金属加热至912 ℃以上时，铁就会发生由一种晶格向另一种晶格的转变，即α 铁→γ 铁的转变，这种转变称为同素异构转变。α 铁是体心立方结构，γ 铁是面心立方结构，由于面心立方结构比体心立方结构排列更紧密，二者在相互转化时，体积要发生变化。铁的这一特性是钢铁材料能够通过热处理方法来改变其内部组织，从而改善性能的内在重要因素。

1.1.2 α 固溶体和γ 固溶体

由两种或两种以上的化学成分组成的单一均匀固体晶相称为固溶体。碳和合金元素溶解于α 铁中形成的固溶体叫α 固溶体，或叫铁素体。铁素体晶界圆滑，晶内很少见到孪晶或滑移线，以片状、块状、针状存在于钢中。铁素体是珠光体组织的基础，具有良好的塑性和韧性。碳和合金元素溶解于γ 铁中形成的固溶体叫γ 固溶体，或叫奥氏体。奥氏体一般由等轴的多边形晶粒组成，晶内有孪晶。在铁-碳相图中，奥氏体以高温相存在于临界点A1温度以上，只有在钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，如Ni、Mn 等，才可以使奥氏体稳定在室温。奥氏体的致密度高，体积质量比铁素体、马氏体小。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩。冷却时，奥氏体转变成铁素体-珠光体，体积膨胀。奥氏体的点阵滑移系多，易于热加工成型。

1.1.3 钢的临界温度

钢在加热或冷却过程中，其内部组织发生转变的温度叫临界温度，或称临界点。钢管热处理时，经常用到的临界点主要包括：A1、A3（Acm）、Ac1、Ac3（Accm）、Ar3（Arcm）、Ar1等。

A1是指钢加热时，在加热速度非常缓慢的情况下，即所谓平衡状态下，珠光体向奥氏体转变的开始温度；也是钢冷却时，在冷却速度非常缓慢的情况下，即所谓平衡状态下，奥氏体向珠光体转变的终了温度。

A3（Acm）是指亚共析钢（过共析钢）加热时，在加热速度非常缓慢的情况下，即所谓平衡状态下，亚共析钢的铁素体（过共析钢的渗碳体）向奥氏体转变的终了温度。也是冷却时，在冷却速度非常缓慢的情况下，即所谓平衡状态下，奥氏体向亚共析钢的铁素体（过共析钢的渗碳体）转变的开始温度。

但在实际生产中，不可能出现平衡状态下的加热和冷却情况。无论是加热时的珠光体向奥氏体转变的开始温度和终了温度，还是冷却时的奥氏体向珠光体转变的开始温度和终了温度，都与平衡状态下的转变温度有滞后现象，即钢中各相的转变温度在加热时要稍高于平衡状态下相图所对应的相变温度，在冷却时要稍低于平衡状态下相图所对应的相变温度。因此，用Ac1和Ac3（Accm）来分别表示实际生产时，在不平衡的加热状态下，珠光体向奥氏体转变的开始温度和终了温度；用Ar3（Arcm）和Ar1分别表示实际生产时，在不平衡的冷却状态下，奥氏体向珠光体转变的开始温度和终了温度。Ac1略高于A1，Ac3（Accm）略高于A3（Acm），二者之差与加热速度成正比；Ar1略低于A1，Ar3（Arcm）略低于A3（Acm），二者的温度差与冷却速度成正比。

1.2 理论基础

1.2.1 铁-碳平衡相图

铁-碳平衡相图或铁-碳相图（图1）是以温度为纵坐标，碳含量为横坐标，在平衡状态下，以Fe-C 系和Fe-Fe3C 系为组元的二元合金在不同碳含量、不同温度状态下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。它是研究平衡状态下，铁-碳合金的成分、组织与性能的基础，为制定钢铁材料在铸造、热加工及热处理时的温度工艺参数，提供了重要依据。

图1 铁-碳平衡相图

由于铁-碳平衡相图是铁-碳合金在平衡状态时的组织组成图，它只能说明铁-碳合金在极其缓慢的加热和冷却过程中，相组织、成分、温度及其之间的相互关系。对于合金钢而言，因添加了其他合金元素，与铁-碳平衡相图不完全一样。因此，这种理论状态下的铁-碳平衡相图与实际生产之间存在较大差别。如果在确定钢管热处理工艺制度时，只是直接从铁-碳平衡相图上，根据碳含量来选取温度，是不够精确的。所以，铁-碳平衡相图中相组织和成分所对应的温度只能作为参考，而不能直接使用热处理工艺参数。在制订热处理工艺参数时需要根据工程实际，参考相关手册中的温度参数。

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