在热处理中，临界温度不是一个单一的温度点，而是一个特定的温度或温度范围，在此温度或范围内，像钢这样的黑色金属合金的内部晶体结构会发生根本性变化。这种转变，最常见的是形成一种称为奥氏体的结构，是实现硬化、退火和正火等工艺的基础步骤。如果达不到这个温度，机械性能的预期变化就不可能发生。
核心概念是，将钢加热到其临界温度以上，会将其坚硬的微观组织溶解成一种新的、均匀的固溶体（奥氏体）。钢的最终性能完全取决于从这种转变状态冷却的方式。
基础：什么是转变？
这个温度的“临界”性质源于铁原子在受热时独特的重排方式。这种相变是钢材热处理的全部基础。
从室温到奥氏体
在室温下，钢的结构通常是铁素体（纯软铁）和渗碳体（一种非常坚硬的碳化铁化合物）的混合物。这种组合通常以层状结构存在，称为珠光体。
当您将钢加热超过其下临界温度 (Ac1) 时，这种结构开始溶解并转变为一种新的晶体结构，称为奥氏体。
奥氏体的独特力量
奥氏体具有不同的原子排列（面心立方，或 FCC），能够将大量的碳溶解成固溶体。
可以将其想象成盐溶解在水中。在室温下（铁素体），碳的溶解度非常低。但在高温奥氏体状态下，碳完全溶解，形成均匀的富碳结构。这是大多数热处理的基本起点。
碳的决定性作用
被“解锁”并溶解到奥氏体中的碳是硬化的关键因素。
当钢从奥氏体状态快速冷却（淬火）时，碳原子被困住。这会形成一种新的、高度应变且极其坚硬的晶体结构，称为马氏体。如果不首先形成奥氏体，就无法形成马氏体。
解读“临界”温度
您会遇到几个临界温度术语，它们取决于钢的碳含量以及您是加热还是冷却。
Ac1：下临界温度
这是在加热过程中奥氏体开始形成的温度。对于所有普通碳钢，此温度恒定为 727°C (1340°F)。
Ac3：上临界温度
这是在加热时奥氏体转变完成的温度。在此点之上，整个结构是 100% 奥氏体。
与 Ac1 不同，Ac3 温度随碳含量显著变化。它随着碳含量增加到 0.77% 而降低。
Ar1 和 Ar3：冷却时的转变
您可能还会看到 Ar1 和 Ar3。 “r”代表 refroidissement（冷却）。
这些是奥氏体在冷却时变回铁素体和珠光体的温度。由于一种称为热滞后的现象，它们总是略低于其加热对应物（Ac1 和 Ac3）。
常见陷阱和误解
了解临界温度至关重要，但误解其应用可能导致处理失败。
它不是一个单一的数字
最常见的错误是假设所有钢材都有一个“临界温度”。正确的温度，特别是上临界温度 (Ac3)，完全取决于特定合金的化学成分，主要是其碳含量。请务必查阅相图或针对您的特定钢种的热处理指南。
“过冲”的危险
将钢加热到远高于其上临界温度 (Ac3) 并不能改善工艺。相反，它会导致奥氏体内的晶粒过度生长。
大晶粒会导致淬火后材料更弱、更脆，从而损害钢的韧性和抗冲击性。
“欠冲”的问题
未能达到上临界温度 (Ac3) 意味着奥氏体转变不完全。一些原始的、较软的铁素体结构将保留下来。
淬火时，这会导致微观结构不一致，出现“软点”，从而导致零件无法达到所需的硬度或强度规格。
为您的目标做出正确选择
您的热处理工艺的目标温度总是根据这些临界点来选择，以实现特定的结果。
- 如果您的主要目标是最大硬度（硬化）：加热到比上临界温度 (Ac3) 高约 30-50°C (50-90°F)，以确保在淬火前获得完全奥氏体结构。
- 如果您的主要目标是细化晶粒结构（正火）：加热到与硬化相似的温度（高于 Ac3），然后将材料在静止空气中冷却，以获得更均匀和细化的微观结构。
- 如果您的主要目标是极致柔软（完全退火）：加热到 Ac3 以上，然后尽可能缓慢地冷却材料，通常是通过将其留在炉内随炉冷却。
- 如果您的主要目标是在不改变硬度的情况下消除应力：使用远低于下临界温度 (Ac1) 的温度。此过程称为应力消除，不涉及奥氏体的形成。
掌握钢的性能始于对这些关键转变点的基本理解。
总结表：
| 临界温度 | 符号 | 描述 | 钢的典型值 |
|---|---|---|---|
| 下临界温度 | Ac1 | 加热过程中奥氏体开始形成 | 727°C (1340°F) |
| 上临界温度 | Ac3 | 加热过程中奥氏体转变完成 | 随碳含量变化 |
| 冷却时的转变 | Ar1, Ar3 | 冷却时奥氏体变回 | 略低于 Ac1/Ac3 |
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