钢热处理时的组织转变
钢在加热时的组织转变
钢在加热时的组织转变
1. 钢在加热过程中的组织变化
钢是一种具有高强度和韧性的金属材料，广泛用于机械制造、建筑、船舶、桥梁等领域。
在钢材加工过程中，热处理是一项重要的工艺步骤，可以改善钢的力学性能、提高其使用寿命。
而钢在加热过程中的组织变化，是影响其热处理效果和性能表现的关键因素之一。
2. 软化和晶粒长大
钢材经过冷加工和热加工后，其组织结构会发生变化。
加热可以使钢材发生软化，原因是钢的晶界杂质和碳化物颗粒会被空气中的氧化物气体消耗掉，在高温下形成低能量状态的组织结构，从而改变了材料的硬度和韧度，有利于加工和使用。
同时，钢材在加热时晶粒也会长大，因为温度升高会使晶界能量降低，晶界的迁移和改变也会导致晶粒的长大。
3. 相变和组织重构
除了软化和晶粒长大，加热还可以使钢材发生相变和组织重构。
钢材中的相是指金属组织的多种形态和状态，在不同的温度下会发生相变。
例如，铁素体（ferrite）和奥氏体（austenite）是钢中常见的相，钢的性能也与其相的形态和含量密切相关。
因此，在加热过程中应该控制温度和时间，以使钢材中的相变完成，并尽量避免相的不均匀分布。
4. 总结
总之，钢材在加热时会产生多种组织变化，包括软化、晶粒长大、相变和组织重构等。
这些变化会影响钢材的力学性能、延展性和可加
工性，同时也决定了热处理工艺的制定和实施。
因此，在进行热处理
之前，应该准确了解材料的组织结构和特性，并选择合适的工艺参数
和方式，以使钢材发挥最佳性能。
球化退火过程中的组织转变
球化退火过程中的组织转变
球化退火是一种热处理技术，其主要目的是将钢中珠光体转变为球状组织，以便改善钢的塑性和切削性。
这个过程中发生的主要组织转变是由珠光体向球状体的转变，通常由三个阶段组成：
1. 奥氏体转变：将钢材加热到适当的温度，使其处于奥氏体状态。
这通常需要一个特定的温度范围，根据不同钢材和应用，通常在725℃至1050℃之间。
2. 等温球化：将钢材置于特定温度下进行处理，以促进球状体的形核和生长。
这个过程的时间通常是根据钢材的种类和规格而定的，从数分钟到数小时不等。
3. 退火：将钢材从等温球化处理的温度冷却到室温，这通常需要数小时到数天的时间，以便使钢材内部的组织转变充分完成。
在整个球化退火过程中，还会发生其他一些组织转变，如高温下的马氏体转变、低温下的马氏体和贝氏体转变等。
然而，球化退火过程中的主要组织转变是由珠光体向球状体的转变，这种转变可以提高钢材的塑性和切削性，从而使其更加适合各种应用。
《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？
钢的热处理及组织转变
一、钢的热处理
钢的淬火：
冷却介质有：油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依次 加强，这些冷却介质都不能完全满足上述理想的淬火冷却 条件。
一、钢的热处理
钢淬火的方法：
单液淬火法：工件易变形和开裂 双液淬火法：减小了马氏体转变的相变应力 分级淬火法： Ms 线附近的盐槽或碱槽中，保温一段时 间，大大减小相变应力 等温淬火法：温度高于 Ms 的盐槽或碱槽中，保温一段 时间，发生下贝氏体转变
二、钢在加热及冷却时的组织转变
回火屈氏体（350 0C～500 0C）
由针状（或条状）铁素 体与粒状渗碳体组成的混 合物。具有较高的屈服强 度和弹性极限，并保持一 定的硬度（40HRC）和韧 性。
应用于弹簧和热锻模具。
二、钢在加热及冷却时的组织转变
回火索氏体（500 0C～650 0C）
由多边形的铁素体与粒 状渗碳体组成的混合物。 具有高强度，兼有高韧性， 硬度：187 HBS。有优良 的综合机械性能。
一、钢的热处理
淬火钢回火时组织转变： ③ 碳化物的转变
在 300 0C ～ 400 0C 温度回火时，ε 碳化物将转变为 Fe3C。400 0C时，过饱和的碳基本完全析出，钢的内应力 基本消除。
转变的过程是以 ε 碳化物重新溶入 α 固溶体，而稳定的 渗碳体相不断地析出的方式进行的。
一、钢的热处理
二、钢在加热及冷却时的组织转变
钢在加热及冷却时的组织转变：
一、钢在加热时的组织转变 二、钢在冷却时的组织转变 三、钢在回火时的转变
二、钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变
⑴ 奥氏体形核－钢在加热到 A1 时，奥氏体晶核优先在 铁素体和渗碳体的相界面上形成。
奥氏体晶核形成Leabharlann 二、钢在加热及冷却时的组织转变
钢的热处理及组织转变
二、钢在加热及冷却时的组织转变
② 贝氏体型转变 ：
一、钢的热处理
钢的退火：
⑴ 退火的定义 将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却下 来，获得接近平衡状态的组织的热处理工艺，称为退火。 ⑵ 退火的目的
① 降低硬度，提高塑性和韧性；
② 消除残余内应力，减轻变形和防止开裂； ③ 均匀成分，细化晶粒，为最终热处理作准备； ④ 改善或消除铸造、轧制、焊接等加工中的组织缺陷。
降低钢的硬度和耐磨性。
温度过低，在淬火组织中出现铁素体，使淬火组织出现软 点，降低钢的强度和硬度。
一、钢的热处理
钢的淬火：
理想的淬火冷却曲线 应该是：在650～550 0 C范围要快冷，其它 温度区间不需快冷， 尤其在Ms点以下更不 需快冷，以免引起工 作变形或开裂。
一、钢的热处理
钢的淬火：
保持适当时间，缓慢冷却，重新形成均匀的晶粒，以消除
形变强化效应和残余应力的退火工艺。
目的：
温度 再结晶温度
消除加工硬化
提高塑性
改善切削加工性能
时间
一、钢的热处理
钢的正火：
⑴ 定义：将钢加热到 AC3 或 Accm 以上 30～50℃，保温一定
时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺，称为钢的正火。
上贝氏体 （羽毛状）
500
下贝氏体 （针叶状）
二、钢在加热及冷却时的组织转变
② 贝氏体型转变 ：
性能上看上贝氏体的脆性较大，无实用价值；而下贝 氏体则是韧性较好的组织，是热处理时（如采用等温淬火） 常要求获得的组织。
原因：上贝氏体中的碳 化物呈较粗的片状，分
布在铁素体板条间，且
不均匀，使板条容易发 生脆废；
获得的球化效果较好，在大件和大批量生产中难以实现，
钢的热处理——钢的回火转变
四 碳化物转变(250~400℃) ——转变第三阶段
（一）高碳马氏体
碳钢中马氏体过饱和的C几乎全部脱溶，但仍 具有一定的正方度。形成两种比ε-FexC更加稳定 的碳化物： 一种是c-Fe5C2——单斜晶系
一种是θ-Fe3C——正交晶系
(1)碳化物转变取决于回火温度，也和时间有关， 随着回火时间的延长，转变温度可以降低。 (2)是否出现χ-Fe5C2与钢的C%有关，C%增加有利 于χ-Fe5C2产生(板条马氏体不易产生χ-Fe5C2)。
c
c/a
3.02 3.02 2.886 2.886 2.884 2.878 2.874
1.062 1.062 1.013 1.012 1.009 1.006 1.004
碳含量 (%) 1.4
1.2 0.29 0.27 0.21 0.14 0.08
250
1h
2.863
2.872
1.003
0.06
2. 马氏体单相分解 当温度高于150℃时，碳原子扩散能力 加大，a-Fe中不同浓度可通过长程扩散消 除，析出的碳化物粒子可从较远处得到碳 原子而长大。故在分解过程中，不再存在 两种不同碳含量的a相，碳含量和正方度不 断下降，当温度达300℃时，正方度c/a接 近 1。
淬火碳钢在不同温度回火，可得到不同的 组织： 250℃以下回火，得到α+碳化物(ε,η)， 即回火马氏体 (碳化物存在于板条或片内)， 记作M‘ ----低温回火 350~500℃回火，得到α （0.25%C）+θ 碳 化物，即回火屈氏体(细小碳化物及针状 α )， 记作T‘。----中温回火 500~650℃回火，得到平衡态等轴α+θ碳 化物，即回火索氏体(细粒碳化物及等轴 α)，记作S‘。-----高温回火
退火、正火和回火时的组织转变、性能变化及实际应用
退火、正火和回火时的组织转变、性能变化及实际应用一、退火时的组织转变、性能变化及实际应用1、扩散退火是为了消除化学成分的不均匀，改善组织。
扩散退火是一种加热温度高、保温时间长的热处理方法。
其生产效率低，热能消耗大，工件氧化及脱碳也很严重，以致金属损失大。
故只有在必要时才使用，一般只用于高合金钢铸锭和大型铸件。
2、完全退火在加热过程中，使钢的组织全部转变的奥氏体，在冷却过程中，奥氏体转变为细小而均匀的平衡组织，从而降低钢的强度，细化晶粒，充分消除内应力。
完全退火主要用于亚共析钢，过共析钢不宜采用完全退火。
由于完全退火工艺往往需要很长时间，生产中多采用等温退火来代替完全退火。
3、球化退火是使钢获得球状组织的工艺方法。
所谓球状组织是指呈球状小颗粒的渗碳体，均匀地分布在铁素体基体中的混合物。
在球化退火前，若钢的原始组织中有明显网状渗碳体时，应先进行正火处理。
球化退火后的性能和应用范围见初级部分。
4、去应力退火详见初级部分。
二、正火时的组织转变、性能变化及实际应用详见初级部分。
三、回火时的组织转变、性能变化及实际应用1、低温回火（＜250℃）低温回火得到的组织是回火马氏体，其性能是：具有高的硬度（HRC58～64）和高的耐磨性，和一定的韧性。
主要用于刀具、量具、拉丝模以及其它要求硬而耐磨的零件。
2、中温回火（250℃～500℃）中温回火得到的组织是回火托氏体，其性能是：具有高的弹性极限、屈服点和适当的韧性，硬度可达HRC40～50。
主要用于弹性零件及热锻模等。
3、高温回火（＞500℃）高温回火得到的组织是回火索氏体，具有良好的综合力学性能（足够的强度与高韧性相配合），硬度达HRC25～40。
生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为“调质”。
调质处理广泛用于受力构件，如螺栓、连杆、齿轮、曲轴等零件。
调质与正火相比较，不仅强度较高，而且塑性和韧性远高于正火钢，这是由于调质钢的组织是回火索氏体。
因此，重要零件应采用调质。
热处理基础知识
3. 淬火
（1）定义: 把零件加温到临界温度 以上30 ～ 50℃，保温一段时间，然 后快速冷却 ( 水冷 )。
（2）目的: 为了获得马氏体组织， 提高钢的硬度和耐磨性。
（3）工艺参数:
（4）常用的淬火冷却介质
名称
最大冷却速度时 平均冷却速度/(℃•s-1)
所在温 冷却速度 650～550 300～200
固体渗碳法示意图
泥封
盖
渗碳箱
试棒
零件 渗碳剂
气体渗碳法示意图
5) 渗碳后的热处理工艺
温 度 930℃
渗碳
850℃
加
热
淬
火
方案1
方案2
时间
（4）渗氮
1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。
2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。
3)用钢: 中碳合金钢。 4)方法:气体渗氮。
渗碳与渗氮的工艺特点
1.3 钢的热处理
( Heat Treatment of Steel )
概述 钢在加热时的组织转变 钢在冷却时的组织转变 钢的普通热处理工艺 钢的表面热处理工艺 机械制造过程中的热处理
1.3.1 热处理及其作用
1. 热处理的定义: 将钢在固态下进行不 同的加热、保温和冷却，以改变其内部 组织，从而获得所需性能的一种工艺。
温
保温
度热
加
临界温度
冷 却
时间
2.热处理的目的: 通过改变钢的内部组织 来改善钢的性能，如强度、硬度、塑性、 韧性、耐磨性、耐蚀性、加工性能等。
3.热处理的分类
普通 热处理
退火;正火; 淬火;回火;
感应加 热淬火热处理ຫໍສະໝຸດ 表面淬火表面 热处理
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5) 马氏体的硬度取决于马氏体中碳的过饱和度
硬度 ( HRC )
抗拉强度 ( Mpa )
70
2000
60
1800
50 1400
40 1000
30
600 20
10
200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
马氏体的碳浓度 Wc 100%
温度 (℃)
二、钢的正火 1、定义:将钢件加温到A3或Acm以上30～50℃,保温一段时间后在空气中冷却。 2、目的:消除应力，调整硬度，为最终热处理做准备。
3、工艺参数:
第三节 钢的淬火与回火
一、钢的淬火 1、定义: 将钢件奥氏体化后以＞Vk的冷速快冷，以获得M组织的热处理工艺。 2、目的: 获得高硬度的 M 或 B下 组织。 3、工艺参数:
水冷
Vk
油冷
Vk1 时间(lgτ)
2) 在连续冷却过程中TTT曲线的应用
温度
800 700 600 500
稳定的奥氏体区
400
300 Ms
200
100
0 Mf V4 Vk
V3
-100
0
1
10
102
103
A1
V1 炉冷 V1=5.5℃/s P
V2
空冷 V2=20℃/s S
油冷 V3=33℃/s T+M+Ar 水冷 V4≥138℃/s M+Ar
温
保温
度
加热
临界温度
连续冷却
等温冷却
时间
4.1 钢热处理时的组织转变
T/℃
2、过冷奥氏体等温冷却转变
800
1) 等温冷却转变曲线
700
----TTT曲线(C曲线)
600
T---time
T---temperature
500
T---transformation
400
300
200
100 0
-100 0
TTT 曲线（共析钢）建立示意图 A1
T
B
300 Ms
200
100 0 Mf
M + A残
-100 0
110Biblioteka 102103104 时间(s)
3、过冷奥氏体的连续冷却转变
1) 连续冷却转变曲线----CCT曲线 C---continuous C---cooling
T---transformation
温
A1
度
A+P
Pf
Ps
K Ms Mf
炉冷 空冷
光镜形貌
电镜形貌
珠光体形貌像
光镜形貌
电镜形貌
索氏体形貌像
光镜形貌 电镜形貌
屈氏体形貌像
2、贝氏体型(B)转变(550～230℃) ➢550～350℃: B上 ≈45HRC
➢350～230℃: B下 ≈55HRC
3、马氏体型(M)转变(230～-50℃)
1) 定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和固溶体。
为后续冷却时组织的转变做准备。 1、奥氏体的形成
4.1 钢热处理时的组织转变
2、奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响
◇ 奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能愈高。 ◇ 奥氏体晶粒粗大淬火时易使工件产生较大变形甚至开裂。
4.1 钢热处理时的组织转变
二、 钢冷却时的组织转变
1、钢热处理时的冷却方式
1
10
102
103
104 t / s
T /℃
TTT(共析钢)曲线分析
800
700
过 600 冷
500
奥 氏
体 400 区
300 Ms
200
100
0 Mf
-100 0
稳定奥氏体区
A
+
A转变终止线
产
物
区
A转变开始线
产物区
1
10
102
A1
A1～550℃(高温转变区) 产 P 转变 物 区
550～230℃（中温转变区） B 转变
2) 转变特点: ➢在一个温度范围内连续冷却转变 ➢无扩散转变(Fe、C均不扩散),与原A的成分相同,造成晶格畸变。
3) 马氏体的组织形态: ➢板条状---低碳马氏体(＜0.2%C ) ➢针片状---高碳马氏体(＞1.0%C )
30～50HRC ≈65HRC
4) A含碳量对马氏体转变温度及Ar数量的影响
230～-50℃（低温转变区） M 转变
103
104
t/s
转变产物及性能 1.珠光体型(P)转变(A1～550℃) ➢A1～650℃: 珠光体（P） ≈20HRC 片间距0.6～0.7μm
➢650～600℃: 索氏体(S) ≈30HRC 片间距0.2～0.4μm
➢600～550℃: 屈氏体(T) ≈40HRC 片间距＜0.2μm
第4章 钢的热处理
概述
◇ 钢的热处理
温
保温
度
加热
临界温度 冷却
时间
概述
◇ 钢的热处理目的:提高钢的力学性能；改善钢的工艺性能。
◇ 钢的热处理分类：
普通热处理
热处理
退火、正火 淬火与回火
表面淬火
感应加热
表面热处理
火焰加热
化学热处理
渗碳、渗氮 碳氮共渗
4.1 钢热处理时的组织转变
一、钢加热时的组织转变 钢热处理加热的目的是获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，
亚共析钢的TTT曲线
800
F
700
A
600
500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
M + A残
-100 0
1
10
102
103
A3 A1 P+F S+F T B
104 时间(s)
温度 (℃)
800 700 600 500
400
过共析钢的TTT曲线
ACM
Fe3CⅡ A
A1 P + Fe3CⅡ S + Fe3CⅡ
4、淬火介质： ◇ 理想淬火冷却介质
温度
800 700 600 500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
104 时间(s)
第二节 钢的预备热处理 ◆ 零件生产的一般工艺路线
毛坯生产 预备热处理
机械加
工 最终热处理
预备热处理 : 退火 ; 正火 最终热处理 : 淬火 ; 回火
机械精加工
一、钢的退火 1、定义: 把钢件加温到一定温度，保温一定时间后缓慢冷却的热处理工艺。
2、目的: 消除毛坯件的缺陷或加工硬化，为后续加工和最终热处理做准备。
700
600
500
温 400 度
300
200
Ms
100
℃
0 -100 -200
0
Mf
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Wc 100
残 90
余 奥
80
氏 70
体
量 60
( % )50
40
30
20
10
0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
3、分类： 完全退火
普通完全退火 等温完全退火
退火
球化退火
普通球化退火 等温球化退火
低温退火
再结晶退火
去应力退火
4、工艺参数:
退火工艺 完全退火 球化退火 去应力退火 再结晶退火
加热温度 Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50
500～600 T再 + 100～200
T10钢球化退火组织 ( 化染 )