5-2钢在冷却时的组织转变(2)
08讲 钢在加热、冷却时组织的转变
《机械制造技术基础》教案教学内容: 钢在加热和冷却时的组织转变教学方式：结合实际, 由浅如深讲解1．教学目的:2．掌握钢在加热时组织转变——钢的奥氏体化；3．明确过冷奥氏体的等温转变；4．掌握冷奥氏体连续冷却转变。
重点、难点: 钢的奥氏体化过冷奥氏体的等温转变冷奥氏体连续冷却转变教学过程:1.3 钢的热处理热处理: 采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。
热处理的分类:1. 整体热处理: 对工件整体进行穿透加热的热处理, 如退火、正火、淬火、回火等。
2．表面热处理：仅对表面进行热处理的工艺, 如火焰淬火、感应淬火等。
3．化学热处理：将工件置于适当的活性介质中加热、保温, 使一种或几种元素渗入它的表层, 以改变其化学成分、组织和性能的热处理, 如渗碳等。
钢的热处理过程包括加热、保温和冷却三个阶段。
其主要工艺参数是加热温度、保温时间和冷却速度。
1.3.1 钢在加热和冷却时的组织转变1.3.1.1钢在加热时组织转变Fe-Fe3C相图相变点A1.A3.Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。
但在实际生产中, 加热和冷却并不是极其缓慢的, 因此, 钢的实际相变点都会偏离平衡相变点。
即: 加热转变相变点在平衡相变点以上, 而冷却转变相变点在平衡相变点以下。
通常把实际加热温度标为Ac1.Ac3.Accm、Ar1.Ar3.Arcm。
如图6-1所示。
图6-1 钢在加热、冷却时的相变温度钢加热到Ac1点以上时会发生珠光体向奥氏体的转变, 加热到Ac3和Accm以上时, 便全部转变为奥氏体, 这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。
1）1. 奥氏体的形成2）珠光体转变为奥氏体是一个从新结晶的过程。
由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物, 铁素体与渗碳体的晶包类型不同, 含碳量差别很大, 转变为奥氏体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。
下面以共析钢为例说明奥氏体化大致可分为四个过程, 如图4－2所示。
钢的冷却转变讲解
a）是一种最简单的IT图。它是P转变与B转变曲线重迭的图。 b）转变开始曲线与a)相同，但转变终了曲线向右侧凹陷，出
现两个鼻子。 c）转变开始曲线与转变终了曲线都出现了两个鼻子，但终了
线是两条C曲线。 d）是两线组独立的C曲线，分别是高温转变（A→P）和中温转
等温冷却
连续冷却
奥氏体不同的冷却方式示意图
温度/℃
临界温度
加热
保温
连续 冷却
②
冷却
①
等温 冷却
0
时间/min
同一种钢，加热条件相同，但由于采用不同的冷却条 件，钢所表现出来的机械性能明显不同，为什么会出现性 能上明显的差别？
这是由于钢的内部组织随冷却速度的不同而发 生不同的变化，导致性能上的差别。
（一）共析碳钢的连续冷却转变图
PS：P开始转变线； Pf：P转变结束线；
K: 是P转变终止线； VK: 上临界冷却速度，它是得到全部M组织的最小冷却速度。VK越
小，钢件在淬火时越易得到M组织，淬硬性越好。 VK′:下临界冷却速度，它是得到全部P组织的最大冷却速度。VK′ 越
小，退火所需的时间就越长。
三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线
IT图的主要反映了过冷A等温转变的规 律，主要用于研究相变机理、
组织形态等。在一般热处理生产中，多 为连续冷却，所以难以直接应用，CCT图 （连续转变图，Continuous-CoolingTransformation）能比较接近实际热处 理冷却条件，应用更方便有效。
合物。其形态、性能及形成过程都和P不同。
对T8而言： B上形成温度T：550～350℃
硬度HRC60～45 B下形成温度T：350～240℃
钢在冷却时的组织转变的连续冷却转变过程
钢在冷却时的组织转变的连续冷却转变过程
钢在冷却时的组织转变是一个非常重要的过程，它决定了钢的力学性
能和使用寿命。
这个过程可以被分为三个阶段：
第一阶段：初次冷却
在初次冷却阶段，钢的组织会发生初步的变化。
当温度降到钢的临界
温度以下时，钢中的所有组织都会开始转变。
这个过程是不可逆的，
一旦开始就不能停止。
第二阶段：持续冷却
在持续冷却阶段，钢的组织会进一步变化。
随着温度的降低，钢中的
残留奥氏体会逐渐转变为贝氏体。
这个过程会在几个小时内完成，然
后钢的组织就会保持不变，直到它被重新加热。
第三阶段：再次加热
在再次加热阶段，钢的组织会重新发生变化。
当温度达到一定程度时，钢中的组织开始再次转变，从贝氏体转变为奥氏体。
这个过程同样是
不可逆的。
以上就是钢在冷却时的组织转变的连续冷却转变过程。
需要注意的是，在这个过程中，钢的组织变化是不可逆的，因此加热和冷却的过程必
须严格控制。
如果温度过高或过低，会导致钢的力学性能和使用寿命
都受到影响。
《金属材料与热处理》钢在加热及冷却时的组织转变课程教案
课题
钢在加热及冷却时的组织转变
教学目标
知识目标
1、了解钢加热时相转变；
2、掌握等温冷却及其产物；
3、学会C曲线分析。
课型
理论型
课时
2
教学重点
1、了解钢加热时相转变；
2、掌握等温冷却及其产物。
教学难点
学会C曲线分析。
教学方法
讲授法、展示法
教学过程
备注
第一课时
组织教学
复习并引入
分析总结
本次课介绍了钢在加热时的转变（奥氏体化）和冷却时的转变（多种产物），而冷却时所得产物的性能以及连续冷却（低温转变）的内容在下次课时进行介绍。
课件演示
重难点
重难点
作业处理
1、热处理目的？
2、热处理概念？
3、热处理使钢性能发生变化的原因？
板书设计
钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变
冷却方法
Rel/MPa
Rm/MPa
A/％
Z/％
HRC
随炉冷却
530
280
32.5
49.3
15～18
空气中冷却
670～720
340
15～18
45～50
18～24油中冷却900Fra bibliotek620
18～20
48
40～50
水中冷却
1100
720
7～8
12～14
52～60
2、冷却方式的分类
等温冷却
冷却方式
连续冷却
1等温（处理）冷却
1、热处理目的？
2、热处理概念？
3、热处理使钢性能发生变化的原因？
碳钢的热处理
第五章
钢 的 热 处 理
按目的、加热条件和特点不同，热处理分为： 整体热处理 表面热处理 化学热处理 其它热处理
热处理的工艺参数有： 加热温度 保温时间 冷却方式
§5.1 钢在加热时的组织转变
目的：通过加热使原始组织转变为奥氏体； 将钢加热至Ac3或Ac1以上，获得完全或部分奥 氏体组织的操作称为奥氏体化。 钢热处理加热的临界温度为727 ℃。
第五章
钢 的 热 处 理
将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、
保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工 艺方法称热处理。
第五章
钢 的 热 处 理
实质：在加热、保温和冷却过程中，钢的组织结
构发生了变化，从而改变了其性能； 目的：改善钢（工件）的力学性能或工艺性能； 作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件质量， 延长零件寿命； 应用：十分广泛。
共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变组织
(2) 马氏体转变特点 过冷A转变为马氏体是低温转变过程, 转变 温度在Ms～Mf之间, 该温区称马氏体转变区。 ① 过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转 变 铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏 体一定晶面, 集体地(不改变相互位置关系)作一 定距离的移动(不超过一个原子间距)， 使面心立 方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动， 过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度 c/a 。 马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 过饱和碳使α-Fe 的晶格发生很大畸变，产生很 强的固溶强化。
碳质量分数对马氏体硬度的影响
b.马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态） 密切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应 力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧 性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一 定的韧性。而低碳马氏体，由于过饱和度小， 内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高， 塑性、韧性也较好。 c.马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为 马氏体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而 奥氏体为顺磁相。马氏体晶格畸变严重，因此 电阻率高。
钢在加热和冷却时的组织转变
A-P转变 终了线
图2.4 共析碳钢连续冷却转变曲线
马氏体临界 冷却速度
钢的热处理
1.2 钢在冷却时的组织转变
2. 过冷奥氏体的连续冷却转变
过共析碳钢的连续冷却转变C曲线与共析碳钢相比,除了多出一 条先共析渗碳体的析出线以外,其他基本相似
亚共析碳钢的连续冷却转变C曲线与共析碳钢却大不相同,它除 了多出一条先共析铁素体析出线以外,还出现了贝氏体转变区
机械制造基础
机械制造基础
钢的热处理
❖ 钢在加热和冷却时的组织转变
1.1 钢在加热时的组织转变 1.2 钢在冷却时的组织转变
钢的热处理
图2.1 钢加热和冷却时各临界点的实际位置
钢的热处理
1.1 钢在加热时的组织转变
钢加热到Accm点以上时会发生珠光体向奥氏体转变 热处理的主要目标就是为了得到奥氏体 严格控制奥氏体的晶粒度是热处理生产中一个重要的问题
钢的热处理
1.1 钢在加热时的组织转变
控制奥氏体晶粒大小的方法：
加热温度 保温时间 加热速度
钢的热处理
1.2 钢在冷却时的组织转变
冷却过程是热处理的关键工序，其冷却转变温度决定了冷却后 的组织和性能
实际生产中采用的冷却方法有：
连续冷却（如炉冷、空冷、水冷等）图b 等温冷却（如等温淬火）图a
图2.2 两种冷却方式示意图
钢的热处理 1.2 钢在冷却时的组织转变
1. 过冷奥氏体的等温冷却转变
图2.3 共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线C曲线
钢的热处理
1.2 钢在冷却时的组织转变
1. 过冷奥氏体的等温冷却转变珠体转变 贝氏体转变 马氏体转变
钢的热处理
1.2 钢在冷却时的组织转变
钢在冷却时的组织转变
§2-2 钢在冷却时的组织转变
同一化学成分的钢材加热到奥氏体后，若采用不同的冷却方法和冷却速度，将得到不同形态的组织，从而获得不同的性能。
Wc=0.45%非合金钢加热到840°C，不同方法冷却后的力学性能
由铁碳相图可知，当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的。
当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。
过冷奥氏体是不稳定的，它会转变为其他组织。
钢奥氏体化后的冷却方式有两种，如图所示。
一种是等温冷却，即把已奥氏体化的钢快速冷却到A1以下某一温度，并在此温度下保温，使奥氏体在一定的过冷度下向稳定的组织转变，转变结束后，再空冷到室温。
另一种是连续冷却，即奥氏体化的钢以不同的冷却速度连续地冷却到室温，使奥氏体在冷却过程中转变为较稳定的组织。
共析钢过冷奥氏体等温转变与不等温转变产物的组织和性能
采用等温转变可以获得单一的珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体组织。
而采用连续冷却转变，由于转变是在一个温度范围内进行，其转变产物不是单一的。
根据冷却速度的变化，有可能是：P+S、S+T、T+M等。
另外，马氏体组织既可以通过等温转变方式获得，也可以通过连续冷却转变方式获得。
钢在加热及冷却时的组织转变
十塚尤邯I十樓碳体I珠光体庶 C (%)―-2 •奥氏体的形成钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程形核长大残余渗碳体溶解均匀化共析钢奥氏体化：热处理加热至Ac1以上时，将全部奥氏体化亚共析钢奥氏体化：原始组织为F+P,加热至Ac1以上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Ac3以上时，F奥氏体化，组织全部奥氏体化过共析钢奥氏体化：原始组织为P+Fe3C,加热至Ac1以上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Acm以上时，Fe3C奥氏体化，组织全部奥氏体化物元素（如铌、钒、钛等），会形成难熔的碳化物和氮化物颗粒，弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。
因此，大多数合金钢、本质细晶粒钢加热时奥氏体的晶粒一般较细。
原始组织：钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体的晶粒越细。
二、钢在冷却时的组织转变冷却方式是决定热处理组织和性能的主要因素。
热处理冷却方式分为等温冷却和连续冷却。
()奥氏体冷却降至A i以下时（A以下温度存在的不稳定奥氏体称过冷奥氏体）将发生组织转变。
热处理中采用不同的冷却方式，过冷奥氏体将转变为不同组织，性能具有很大的差异，如下表为45钢奥氏体化后经不同方式的冷却，其性能的差异。
1 •奥氏体的等温转变奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。
这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。
这种转变就称为奥氏体的等温转变。
［等温冷却转变］:钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点（Ar i或A®线以下，等温保持时过冷奥氏体发生的转变。
［等温转变曲线］:可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温温度、保持时间与转变产物所占的百分数（转变开始及转变终止）的关系曲线，称“ TTT图”，T time，T temperature，T 1ransformation ”，又称为“C 曲线”。
iio ~io^~io 3~~io 1 ~io 5z/s共析钢等温转变曲线图等温转变产物及性能：用等温转变图可分析钢在 A i 线以下不同温度进行等温转变 所获的产物。
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2、钢冷却时组织有何变化？
一、过冷奥氏体的连续冷却转变
1、在等温转Biblioteka 图上估计连续冷却转变产物在实际生产中，过冷奥氏体大多数是在连续冷却的过程中进行的。（通过在黑板上作图举例分析连续冷却的产物）
2、确定马氏体临界冷却速度
临界冷却速度就是在“C”曲线中与“鼻尖”相切的冷却速度，要想在冷却过程中获得马氏体，其冷却速度必须要大于临界冷却速度。
转变不能完全进行，仍有少量A存在，称为残余A。
无扩散转变( Fe、C原子均不扩散), M与原A的成分相同,造成晶格畸变。
3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α– Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。
4)马氏体的组织形态:
板条状---低碳马氏体(＜0.2%C ); 30～50HRC ;δ= 9～17%。
3.加热温度和保温时间的影响:
加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。
注意：马氏体的形态有针状和板条状两种，针状马氏体含碳量高，硬度高脆性大；板条状马氏体含碳量低，具有良好的强度和较好的韧性。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。马氏体的含碳量越高，其硬度也越高。
情感目标
培养学生思考问题、解决问题的能力
教学重点
掌握过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能。
教学难点
掌握过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能。
教学用具
教学方法
阅读法、归纳法、举例分析法
教学手段
课堂授课
课型
理论课
板书内容
1、基本概念
2、钢冷却时时组织转变
教学过程设计
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
一、组织教学
点出重点，分析难点
1、复习本次课内容
2、课后练习：1、什么是临界冷却速度？
2、共析钢奥氏体化后在空冷、水冷、油冷和随炉冷条件下各得到什么组织？
3、预习下一节内容
讨论：铁匠铺里铁匠师傅把刀具锻造好后为什么要把他们浸入冷水中？
准备上课
学生回答问题。
学生预习课文、思考并标记重点
听课、记笔记
跟随老师的思路思考
其中：
v1：随炉冷却（退火）
v2：空冷（正火）
v3：油冷（油冷淬火）
v4：水冷（水冷淬火）
第二课时
二、马氏体型( M )
转变( 230～-50℃) :低温连续转变
1)定义:马氏体是一种碳在α– Fe中的过饱和固溶体。
2)转变特点：
在一个温度范围内连续冷却完成，冷却结束，转变停止。
转变速度极快,即瞬间形核与长大，产生很大内应力。
建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线：CCT曲线
图中五大区域：奥氏体区域、孕育区、过渡区、产物转变区、马氏体转变区域。（其中强调“C”中“鼻尖”所对应的温度为550℃，孕育期最短，此时的奥氏体最不稳定，最容易分解。）
提示：v1、v2、v3、v4这四种冷却速度，相当于热处理中常用的随炉冷却（退火）、空冷（正火）、油冷（油冷淬火）和水冷（水冷淬火）四种冷却方法。
怀化万昌中专学校备课
年月日（星期）班级：第周总第（）课时
课题
5-1钢在冷却时的组织转变（2）
教学目标
知识目标
1、熟悉钢在冷却过程中的一些基本概念
2、了解过冷奥氏体等温转变过程中组织的变化过程
3、重点掌握过冷奥氏体等温转变图的应用
能力目标
掌握过冷奥氏体的等温转变图建立；
掌握过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能。
听课、记笔记
跟随老师的思路思考
学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容
迅速进入状态
回顾上节重点
教学反思
1、教学的成败得失
2、学生的信息反馈
3、今后的教学建议
二、课前提问
三、导入新课
四、预习课文并思考
五、新课教学
（补充讲授）
六、课堂小结
七、布置作业
八、课后互动
第一课时
点名考勤，稳定学生情绪，准备上课
1、共析钢奥氏体化后在空冷、水冷、油冷和随炉冷条件下各得到什么组织？
2、什么是马氏体？它有哪两种类型？它们的性能各有何特点？
钢经过加热获得奥氏体组织后，在不同的冷却条件下冷却，可使钢获得不同的力学性能。同样的材料，加热条件相同，但由于冷却条件不同，它们在力学性能上会产生明显的差别。为了弄清产生差别的原因，就要了解奥氏体在冷却过程中组织变化的规律。