本文以生产实践为基础,用全新观念,对钢丝热处理工艺进行了梳理;从分析热处理原理,组织结构与使用性能关系入手,介绍各类钢丝的热处理工艺制定原则,并提供了一些实用技术数据和经验公式。

铁-碳平衡图中的分界线是不同碳含量的碳素钢具有相同含义的临界点的连线，在热处理过程中经常用到的几条分界线含义如下：

（1）ACD线：液相线，此线以上钢全部为液相(L)，继续冷却钢液开始结晶。

（2）AECF线：固相线，冷却到此线以下钢液全部结晶为固态，在此线以上，AEC区为液相(L)与奥氏体相(A)共存区，DCF区为液相(L)与一次渗碳体(Fe3CⅠ)相共存区。

（3）GS线：冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线，或加热时铁素体向奥氏体转变的终止线，通常用A3表示。随着碳含量的增加，钢的显微组织转变温度逐渐下降，到S点（C=0.77%处）不再先行析出铁素体，奥氏体直接转变为珠光体。

（4）SE线：碳在奥氏体中溶解度线，通常用Acm表示。在S点(727℃)奥氏体中碳的最大溶解度为0.77%,随着温度升高，碳在奥氏体中的最大溶解度逐步升高到2.11%(1148℃时)。高碳钢从1148℃冷却到727℃时，由于碳在奥氏体中的溶解度下降，多余的碳以渗碳体的形态从奥氏体中析出，为与从液态中析出的共晶(一次)渗碳体(Fe3CⅠ)相区别，此时析出的渗碳体又称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)。

（5）ECF线，共晶线，钢冷却到此线 (1148℃) 以下，发生共晶反应，同时结晶出奥氏体（A）与共晶渗碳体(Fe3CⅠ)的混合物，即莱氏体（Ld）。

(6) PSK线：共析线，通常用A1表示，冷却到此线以下（727℃）时，共析钢由奥氏体组织转变为珠光体(P)组织，亚共析钢转变为铁素体(F)+珠光体(P)，过共析钢转变为渗碳体(Fe3C)+珠光体(P)组织。 铁-碳平衡图中A1、A3和Acm点是在缓慢加热、缓慢冷却条件下的临界点，实际生产中，钢的组织转变总有滞后现象，实现组织转变，加热温度要高于A1、A3和Acm点，冷却温度要低于A1、A3和Acm点。通常把加热时的临界点表示为Ac1、Ac3奥氏体和Accm，把冷却时的临界点表示为Ar1、Ar3和Arcm，如图10。

图10 钢丝加热和冷却时的临界温度

1.3 等温转变与连续冷却转变

除铁-碳平衡图外，热处理常用到的两种工具性转变的图是等温转变曲线和连续冷却转变曲线。

(1) 等温转变

钢的过冷奥氏体等温转变曲线是用实验方法绘制的：首先将钢加热到Ac3（或Accm）点以上，保温一定时间，获得均匀的奥氏体，然后快速淬入温度低于A1点的不同温度的盐浴槽中，使过冷奥氏体产生等

本文以生产实践为基础,用全新观念,对钢丝热处理工艺进行了梳理;从分析热处理原理,组织结构与使用性能关系入手,介绍各类钢丝的热处理工艺制定原则,并提供了一些实用技术数据和经验公式。

温转变，最后将过冷奥氏体在不同温度、不同等温时间的组织转变结果绘成等温转变曲线，如图11。

钢的奥氏体等温转变曲线又叫C曲线或TTT曲线，，图中横坐标表示时间的对数，纵坐标表示温度，左边一条C形曲线是等温转变开始线，右边一条是终了线。曲线左侧，Ms线以上区域是过冷奥氏体区，两条曲线之间区域是转变进行区，曲线右侧是转变产物区。从图11可以看出，奥氏体在700℃左右转变产物是粗珠光体，700～600℃的转变产物是细珠光体（索氏体），600～500℃的转变产物是极细珠光体（托氏体或屈氏体），500℃～Ms点的转变产物是贝氏体，Ms～Mz点（共析钢的马氏体转变终了线低于室温，图中未标出）的转变产物是马氏体+残余奥氏体，低于Mz点的转变产物是马氏体。

图11 共析钢的过冷奥氏体等温(TTT)转变曲线 图12 钢的连续冷却(CCT)转变曲线 (2) 连续冷却转变

在钢丝生产中，热处理批量比较大，通常采用连续炉进行等温热处理，完全奥氏体化的钢丝实际上是在连续冷却过程中完成组织转变的，因此在C曲线上加上冷却速度的连续冷却转变曲线（CCT曲线）更适用于工业生产，如图12。图中冷却速度V1相当于炉冷的速度，转变产物为粗片珠光体；冷却速度V2相当于空冷的速度，转变产物为索氏体；冷却速度V3相当于油冷的速度，奥氏体在C曲线鼻尖附近部分转变为托氏体或屈氏体，其余转变为马氏体，得到混合组织；冷却速度达到V4时，冷却线不与C曲线相交，转变产物为马氏体。V临表示马氏体临界冷却速度，意味着要实现马氏体转变，淬火冷却速度必须大于V临。淬火时选择冷却介质和评定钢的淬透性主要依据Ms和V临。各种钢的等温转变曲线和钢的连续冷却转变曲线可以从相关热处理手册中查到

图13 合金元素对等温转变曲线的影响

本文以生产实践为基础,用全新观念,对钢丝热处理工艺进行了梳理;从分析热处理原理,组织结构与使用性能关系入手,介绍各类钢丝的热处理工艺制定原则,并提供了一些实用技术数据和经验公式。

(3) 合金钢的等温转变

与碳钢一样，合金钢奥氏体等温转变时可能发生珠光体、贝氏体和马氏体3种转变，由于碳素钢的珠光体和贝氏体转变温度非常接近，珠光体转变与贝氏体转变曲线重合为一条C曲线。随着合金元素的加入，C曲线位置就要发生变化，一般说来，除钴以外的合金元素都能促使C曲线位置右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性。其中Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu等都促使C曲线较大幅度地右移，延缓珠光体的转变；Mn、Ni、Cu能使C曲线下移，降低索氏体的转变温度，延缓索氏体的转变时间；特别是Cr、Mo、W、V，在延缓珠光体的转变的同时还降低贝氏体转变温度，使贝氏体转变曲线显现出来，在图13b中右侧C曲线下部300～400℃区间又出现一条小C曲线，即贝氏体转变曲线。

从图14可以看出，含碳0.5%的钢，贝氏体转变曲线随着Cr含量的增加逐渐显现出来，最终与珠光体转变曲线完全分离开来。另外，形成铁素体组织的元素，如Si、Cr、Mo、Ti、Al、V和W，均能不同程度地提高Ac1点温度。稳定奥氏体组织的元素，如Ni、Mn和Cu，均能不同程度地降低Ac1点温度。除Co和Al以外所有合金元素均可以降低Ms点温度，其中以C、Mn、Cr、Mo和V较为显著。C、Mn、Si、Cr、Mo、V能明显降低贝氏体转变温度Bs。

图14 铬对含碳0.5%钢的C曲线形状的影响

图15 合金的典型等温转变曲线

合金钢的等温转变曲线形状可分为5种基本类型，见图15。第1种曲线（a）有两个“鼻子”，铬钢、铬镍钢、铬锰硅钢以及高速工具钢的等温转变曲线就属于此类型；第2种曲线（b）是碳素钢和锰钢的等温转变曲线；第3种曲线（c）是含碳量较低，镍含量较高的合金结构钢和超马氏体钢，如25Cr2Ni4WA、Y2Cr13Ni2、00Cr12Ni5Mo2N、00Cr16Ni5MoN等钢的等温转变曲线，由于较高镍含量降低了珠光体转变温度，极大地延缓了珠光体转变时间，奥氏体实际上不发生珠光体转变，直接转变化贝氏体；第4种曲线（d）与第3种相反，只发生珠光体转变，不会发生贝氏体转变，一些高碳合金钢，如含碳1.0%，铬8.8%的等温转变曲线就是这种类型；第5种曲线（e）奥氏体组织相当稳定，过冷过程中不会发生铁素体、珠

本文以生产实践为基础,用全新观念,对钢丝热处理工艺进行了梳理;从分析热处理原理,组织结构与使用性能关系入手,介绍各类钢丝的热处理工艺制定原则,并提供了一些实用技术数据和经验公式。

光体和贝氏体转变，其马氏体转变点Ms也降到零度以下，高锰钢Mn13和奥氏体不锈钢就属于此类型。 1.4 晶粒度

钢铁材料是由许多外形不规则的小晶粒组成的多晶体，每个晶粒的结构完全相同，但晶粒位向、晶粒大小、晶粒均匀度不尽相同。晶粒内部也存在着位向差很小（仅差几秒、几分，最多1°～2°），相互嵌镶的小晶块，称为亚晶粒。晶粒或亚晶粒之间的接触面叫晶界或亚晶界，晶界和亚晶界处原子排列不规则，处于不稳定状态。此外，晶粒内部实际上存在着空位、间隙原子挤入带来的晶格畸变，还存在一列或几列原子有规律的错位排列，叫位错。多晶体的晶粒大小、位向，均匀度，晶界和亚晶界结构，内部空位、间隙原子种类和位错的数量及分布都会对材料性能有很大的影响。一般说来，钢的晶粒越细，强韧性越好，碳素钢和低合金钢晶粒度每细化一个级别，冲击韧性值提高20～30J/cm2，冷脆性转变温度可降低10℃，但有几类钢丝是要防止晶粒变细的。

多晶体晶界的强韧性要高于晶内，在常温下，晶粒越细、晶界越长，钢的强韧性变好；但在高温下，晶界聚集一些低熔点金属和夹杂，比晶内更易于软化，导致钢的蠕变性能下降，故耐热钢丝和对蠕变性能有严格要求的预应力钢丝的晶粒宜粗不宜细。

晶界处的原子排列不规则，冷加工时变形抗力大，承受深加工变形能力远不如晶内，对于靠大减面率拉拔强化的碳素弹簧钢丝和胎圈钢丝来说，当然是粗晶粒比细晶粒好，晶粒粗钢丝能承受更大减面率的拉拔，抗拉强度更高；内应力分布更均匀，扭转性有所改善；成品钢丝纤维组织中的单根纤维长度更长，韧性也有所提高。

晶界也是各类碳化物、氮化物和碳氮化合物的聚集处，碳素工具钢丝，尤其是合金弹簧钢丝和合金工具钢丝，制成零部件后需经淬-回火处理才能使用，淬火时首先要将合金碳化物、氮化物和碳氮化合物溶入奥氏体中，大量存在于晶界处的这些物质，势必要延长奥氏体化的时间，增大脱碳几率，影响淬透性，因此淬-回火用钢丝也要控制好晶粒度。此外，冷顶或冷锻用钢丝，为改善冷加工成形性能，晶粒度不应太细（粗于7级），冷镦用奥氏体不锈钢丝晶粒度最好控制在4～6级。

反复冷加工—退火，或正火（调质）处理，加大奥氏体转变为珠光体的过冷度等，都能有效地细化晶粒，一般说来生产过程就是晶粒细化过程，小规格钢丝的晶粒明显细于大规格。上述对钢丝晶粒度有特殊要求的钢丝，可以通过适当提高热处理温度，更主要是延长保温时间达到粗化晶粒的目的。根据临界变形可以促进晶粒长大的理论，钢丝经15%左右小减面率拉拔，再进行再结晶退火，也是促进晶粒长大的方法之一。钢的晶粒度级别示意如图16。

图16 钢的晶粒度级别示意图

本文以生产实践为基础,用全新观念,对钢丝热处理工艺进行了梳理;从分析热处理原理,组织结构与使用性能关系入手,介绍各类钢丝的热处理工艺制定原则,并提供了一些实用技术数据和经验公式。

2 钢丝的组织结构与性能 2.1 组织结构

钢丝的组织结构除指显微组织、晶粒度外，还包括显微组织缺陷。显微组织缺陷指钢实际晶格结构与理想晶格结构之间存在的差异，按冶金学理论，金属材料的显微组织缺陷可以分为：

（1）点缺陷：包括空位、间隙原子的数量和分布、置換固溶原子和间隙固溶原子的种类等。

（2）线缺陷：主要是位错结构。 （3）面缺陷：包括相界、晶界和亚晶界。

（4）体缺陷：广义说包括除占主导地位的基体组织以外的其它相，如渗碳体、各类夹杂、沉淀析出

相等。

当然，显微组织结构的各种缺陷可用相应的技术参数去定义和度量，也可以借助各种检验方法去观察和研究。钢丝的性能完全取决于组织结构，组织结构在很大程度上取决于热处理和冷加工工艺，要生产出顾客滿意的钢丝产品，必须搞清组织结构与使用性能的关系，以及组织结构与热处理工艺的关系。 2.2组织结构与使用性能2.2.1 组织结构

钢铁材料有7种基本组织结构：奥氏体、铁素体和渗碳体、珠光体、贝氏体、马氏体和莱氏体，其中奥氏体、铁素体和渗碳体是基本相，珠光体、贝氏体、马氏体和莱氏体是多相混合物。各种组织结构的表观特性及性能特点描叙如下：

奥氏体(austenite)：碳钢的奥氏体在低温下不稳定，无法直接观察，如果钢中加入Mn、Ni和Cu等稳定奥氏体的元素，奥氏体可以保持到室温状态，。观察Mn13或奥氏体钢1Cr18Ni9Ti的金相组织可发现：奥氏体的晶界比较直，晶内有孪晶或滑移线。淬火钢中的残余奥氏体分布在马氏体的空隙处，颜色浅黄、发亮。

奥氏体钢具有优异的冷加工性能，在高低温条件下均可保持良好的强韧性。一般说来奥氏体钢的冷加工硬化速率远大于珠光体和索氏体钢，经大减面拉拔可以制备具有特殊性能的弹簧，高锰奥氏体钢具有优异的耐磨性能和减振性能，奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性能和耐热性能。固溶状态的奥氏体钢无磁，经深冷加工有微弱的磁性。

铁素体(ferrite)：铁素体晶界圆滑，晶内很少见孪晶或滑移线，颜色浅绿、发亮，深腐蚀后发暗。钢中铁素体以片状、块状、针状和网状存在。纯铁素体组织具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度都很低，；冷加工硬化缓慢，可以承受较大减面率拉拔，但成品抗拉强度很难超过1200MPa。常用铁素体钢丝有铁素体不锈钢丝（0Cr17）和铁-铬-铝电热合金丝（0Cr25Al5）等。

渗碳体(cementite)：渗碳体具有复杂的斜方晶格结构，硬度高到可以刻划玻璃，非常脆，几乎无塑性。钢中渗碳体以各种形态存在，外形和成分有很大差异：一次渗碳体多在树枝晶间处析出，呈块状，角部不尖锐；共晶渗碳体呈骨骼状，破碎后呈多角形块状；二次渗碳体多在晶界处或晶内，可能是带状、网状或针状；共析渗碳体呈片状，退火、回火后呈球状或粒状。在金相图谱中渗碳体白亮，退火状态呈珠光色。一次渗碳体和破碎的共晶渗碳体只有在莱氏体钢丝，如9Cr18、Cr12、Cr12MoV和W18Cr4V中才能见到，只要热加工工艺得当，冷拉用盘条中的一次渗碳体块度应较小、无尖角，共晶碳化物应破碎成小块、角部要圆滑，否则根本无法拉拔，渗碳体带轻度棱角的盘条，可以通过正火后球化退火+轻度（Q020%）拉拔+

3、5

4