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所谓的金属热处理，就是把钢加热到预定的温度，并在这个温度保持一定的时间，然后以预定的冷却速度冷却下来的工艺方法。
金属热处理还有一种很原始的叫法，叫做“变性处理”；变性处理的叫法比较俗气，但与实际的应用很贴切，真实地反映了工艺方法的实际目的。
金属热处理的目的就是把钢的硬度变到需要的硬度，由此而产生的理论根据与工艺方法。
第一节 金属晶体的加热转变
从铁碳图与晶体理论上我们已经知道，奥氏体是面心立方结构中的晶格缺陷溶体以及存在的温区；铁素体是体心立方结构中的晶格缺陷溶体以及存在的温区。奥氏体与铁素体这两个基本结构存在的温区是热处理工艺使用的温区，渗碳体晶体以不变的结构存在于奥氏体与铁素体的整个温区，铁素体在加热过程中是如何转变为奥氏体是我们需要清楚知道的。
一、奥氏体的形成
1、奥氏体形成的条件
在Fe-Fe3C相图中，
①共析钢在加热和冷却过程中经过共析点（同素异晶转变）S点时，发生铁素体与奥氏体之间的相互转变；
②亚共析钢在加热经过PSK 线(A1)时，发生部分铁素体向奥氏体的同素异晶转变，只有升温过PSK线，到GS线(A3)时，才全部发生向奥氏体的转变；
③过共析钢在加热经过PSK 线(A1)时，发生铁素体向奥氏体的同素异晶转变，过共析钢过PSK 线，到ES 线(Acm)时，发生残留渗碳体溶解。
A1、A3、Acm为钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理生产过程中，加热和冷却不可能极其缓慢，因此上述转变往往会产生不同程度的滞后现象。实际转变温度与平衡临界温度之差称为过热度(加热时) 或过冷度(冷却时)。过热度或过冷度随加热速度或冷却速度的增大而增大。通常把加热时的临界温度加注下标“c”，如 Ac1、Ac3、Accm，而把冷却时的临界温度加注下标“r”，如 Ar1、 Ar3、Arcm，如图 6-1 所示。
图 6-1 加热和冷却速度对临界转变温度的影响
共析钢的加热温度必须高于晶体的同素异晶转变温度S点，即727℃，要有一定的过热度，同时也要有一定的加热速度；亚共析钢的加热温度必须高于GS 线(A3)，要有一定的过热度，同时也要有一定的加热速度；过共析钢的加热温度必须高于ES 线(Acm)，要有一定的过热度，同时也要有一定的加热速度。
加热温度与速度是晶体转变的外部动力源，而晶体要进行同素异晶转变则是内因。
2、奥氏体的形成
首先，要原始地看纯铁的同素异构转变，纯铁的转变是没有碳原子的，它照样转变，从铁碳图可以看到碳原子只是影响结构的转变温度。其次是由晶核形成晶粒不是一盘散沙，晶粒在任何温度下都是抱团出现，也就是晶核的集场力将铁原子束缚成晶粒，集成空间的晶柱、晶轴、枝晶，此处的集场力是一个“晶核将铁原子吸引成团的力”，但抱团的原因目前并不清楚。
从铁碳图727℃度PSK线可以看到，碳原子含量为0.0218%以上的碳钢与铸铁都要在此温度下转变，不会因为碳原子含量的多与少的差异而出现转变温度的变化，说明奥氏体形成与碳原子无关，说明以碳原子为核心组成奥氏体那是不可能的，再说碳原子在碳钢中也只是少量存在。我们需要知道的是，奥氏体形成的过程，碳原子如何移动，碳化物如何形成。
我们已经知道奥氏体（即加热时α-Fe向γ-Fe转变）的形成与任何元素包括碳原子都没有因果关系，无论其它元素的含量是多大，727℃度PSK线要转变则是必然的。晶粒的晶格有点、线、面的缺陷，缺陷处存在碳原子，这就形成晶格局部铁原子排列的杂乱，客观上形成存留碳原子的空间，晶格的缺陷处的碳原子使晶格局部变形。奥氏体的缺陷空间大于铁素体的缺陷空间，在727℃度PSK线都饱和含碳时是35倍的差距，0.77%/0.0218%。在加热形成奥氏体时，铁素体晶格缺陷处内的碳原子很少，只有0.0218%的饱和含量，奥氏体的形成几乎可以不考虑它的存在，在加热结构转变时，主要是渗碳体在晶界上的加热溶解，分解出碳原子。渗碳体是晶体，作为一个结构单位存留晶界处，有它的空间体积，客观上造成晶界上一定的结构起伏、能量起伏和浓度起伏，但它们不是造成转变的原因，只是表面的现象与转变过程。
我们以共析钢为例，共析钢的饱和含碳量为0.77%，室温时铁素体晶格缺陷处只有0.0218%的碳原子，其0.77%－0.0218%＝0.742%的碳原子都化合为渗碳体Fe3C留存在晶界处，在加热时，渗碳体Fe3C的融化温度只有1247℃，与碳钢相比要差几百度，加热接近727℃时，渗碳体Fe3C即将开始溶解，在晶界处溶解为松散的碳原子与铁原子的结构，这就是晶界上的结构起伏、能量起伏和浓度起伏之所在，当加热到727℃时，共析钢的剧烈同素异构转变完全破坏了渗碳体结构，剧烈波动的转变将渗碳体分解，铁原子归还晶粒结构，碳原子加入到晶粒晶格的缺陷，缺陷空间又正好容纳了所有的碳原子，此时，晶界上就没有碳原子。于是在晶粒缺陷处存有0.77%碳原子的奥氏体产生。
刚转变的奥氏体有一个稳定的过程，晶粒结构在727℃时已转变，但碳原子需要时间渗入到晶格的缺陷中去，但时间很短，很快就溶进晶格的缺陷处。纯铁就没有碳原子，同素异构转变很快全部完成，留给我们的只是一个结晶潜热的平台。
3、残留渗碳体的溶解
铁素体、渗碳体、奥氏体三个相，铁素体向奥氏体转变，是铁具有同素异晶转变的本质，是加热到温后就发生晶体结构转变；渗碳体不参加同素异晶转变，只是单纯地加热溶解碳原子与铁原子，所以铁素体先于渗碳体消失。因此，奥氏体形成后，仍有未溶解的渗碳体存留，随着保温时间的延长，未完全溶解的渗碳体将继续溶解到奥氏体结构下的缺陷处，直至平衡状态。
渗碳体不参加同素异晶转变这个问题很重要，实际是，渗碳体本身不进行结构转变，但参加铁素体向奥氏体的转变，我们具体分析一下共析钢、亚共析钢、过共析钢的渗碳体溶解问题；
对于共析钢，加热溶解的渗碳体分为两种原子，碳原子与铁原子，转变后的奥氏体晶格缺陷正好完全吞并碳原子，而铁原子归并晶粒。
对于亚共析钢，加热溶解的渗碳体也分为两种原子，碳原子与铁原子，但溶解后的碳原子不能完全满足转变后的奥氏体晶格缺陷的需要，而溶解后的铁原子归并晶粒。
对于过共析钢，加热溶解的渗碳体也分为两种原子，碳原子与铁原子，转变后的奥氏体晶格缺陷却吞并不了溶解的碳原子，碳原子的量太大，致使部分渗碳体保留原结构，存入到奥氏体晶粒的晶界处，此时的渗碳体依然称二次渗碳体。
所以说：渗碳体不进行结构转变，但参加铁素体与奥氏体结构之间的相互转变。
二、影响奥氏体转变速度的因素
主要影响因素有加热温度、加热速度、原始 组织和化学成分四个方面。
1、加热温度的影响
加热温度越高则奥氏体转变的速度就越快。这是因为加热温度高(即过热度大)，原子扩散能力在增强，促进了渗碳体的溶解和铁素体晶体的转变。
2、加热速度的影响
在连续升温加热时，加热速度对奥氏体化过程有重要影响，加热速度越快，则珠光体的过热度越大，转变的开始温度 AC1 越高，终了温度也越高．但转变的孕育期越短，转变所需的时间也就越短。
3、化学成分的影响
钢中加入合金元素，并不改变珠光体向奥氏体转变的基本过程。但是，合金元素对于奥氏体化过程的进行速度有重要影响，一般都是使之减慢。
4、原始组织的影响
在化学成分相同的情况下，本质晶粒度很细时，原始组织中碳化物分散度就大，铁素体和渗碳体的相界面就多，生成的奥氏体晶粒相应就多；而且珠光体片层间距就小，导致奥氏体中的碳浓度梯度增大，这些都使奥氏体的长大速度增加。因此，钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。
第二节 金属的冷却转变
稳定态下钢的结构看Fe—Fe3C图，不稳定态下钢的结构是看C曲线图。更可以直接、明确地说，碳钢的慢冷结构看Fe—Fe3C图，快冷结构看C曲线图。由此可见，Fe—Fe3C图与C曲线图在金属理论中的重要性。
需要提醒的是：当钢的含碳量不同时，C曲线图的左右位置有所不同；当钢中又加入其它合金元素时，C曲线图的左右位置也是有所不同。共同点是C曲线图的上下位置都是相同的。
一、C曲线图的建立
1、C曲线图的建立过程
以金相—硬度法为例，介绍共析钢C曲线图的建立过程。
将试验材料加工成小圆片状试样，并分成若干组，每组试样 5 个～10 个，图6-2是试样加热、保温、冷却工艺图，试样加热按此工艺执行。
图6-2 共析钢样件的加热工艺图
试样加热至奥氏体化后，以组为单位迅速转入 A1 以下预定温度的熔盐浴中去等温保温，然后按设计好的取出时间，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷，激冷后的样件放到金相显微镜下观察，就得到过冷奥氏体的等温分解过程。一般将奥氏体转变量为 1%～3%所需的时间定为转变开始时间，而把转变量为 98%所需的时间定为转变终了的时间。由一组试样可以测出一个等温温度下转变开始和转变终了的时间，多组试样在不同等温温度下进行试验，将各温度下的转变开始点和终了点都绘制在温度—时间坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点分别连接成曲线，就可以得到共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线，如图6-3 所示。
图6-3 共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线图）
【笔者注：未完待续】
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