7-第七讲-钢在加热时的转变
《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？
钢在加热时的转变 ppt课件
测定奥氏体的 转变量与时间 的关系
24
热 处 理 原 理
共析钢奥氏体等温形成图(TTA)
Time-Temperature-Austenitization
参考《钢的热处理》P23合金钢等温TTA曲线
25
热
处
4.2 连续加热时奥氏体形成特征
理 原
理
实际生产中，绝大多数情况下奥 氏体是在连续加热过程中形成的。
➢ 一般认为奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形成 晶核。
➢ 奥氏体晶核也可以在以往的粗大奥氏体晶界上 （原始奥氏体晶界）形核并且长大，由于这样的 晶界处富集较多的碳原子和其他元素，给奥氏体 形核提供了有利条件。
➢ 下图b)所示为在原始粗大奥氏体晶界上开始形成 许多细小的奥氏体晶粒。
16Biblioteka 热 处 理 原 理➢临界点A3和Acm也附加脚标c,r,即：Ac3、Ar3、 Accm、Arcm。
13
热
处
加热和冷却时的临界点
理 原
理
《钢的热处理》P15
14
热
处
3.1 奥氏体形成的热力学条件
理 原
理
➢驱动力
珠光体和奥氏体的自由能随温度变化的示意图
《钢的热处理》P15
15
热
处
3.2 奥氏体晶核的形成
理 原
理
3.2.1 形核地点
➢因此，一般来说 奥氏体形成后总是剩下渗碳体。 之后，进行渗碳体的溶解过程。
➢虽然珠光体中铁素体片厚度比渗碳体片大得多 （约7倍），仍然是铁素体先消失。
《钢的热处理》P25 扩散定律
33
热 处 理 原 理
4.4 影响奥氏体形成速度的因素
一切影响奥氏体的形核率和增大 速度的因素都影响奥氏体的形成 速度。
钢在加热和冷却时的转变
第七章钢在加热和冷却时的转变§7.1 钢的热处理概述一、钢的热处理1.热处理的定义钢的热处理是指在固态下，将钢加热到一定的温度、保温一定的时间，然后按照一定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。
具体的热处理工艺过程可用热处理工艺曲线表示（图7.1）。
从该曲线可以看出：热处理过程由加热、保温、冷却三阶段组成，影响热处理的因素是温度和时间。
2.热处理的原理钢能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变。
通过固态相变，可以改变钢的组织结构，从而改变钢的性能。
钢中固态相变的规律称为热处理原理，它是制定热处理的加热温度、保温时间和冷却方式等工艺参数的理论基础。
热处理原理包括钢的加热转变、冷却转变和回火转变，在冷却转变中又可分为：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。
3.热处理的作用1)热处理通过改变钢的组织结构，不仅可以改善钢的工艺性能，而且可以提高其使用性能，从而充分发挥钢材的潜力。
2)热处理还可以部分消除钢中的某些缺陷，细化晶粒，降低内应力，使组织和性能更加均匀。
4.热处理的分类1)根据加热、冷却方式的不同，热处理可分为：普通热处理，表面热处理和特殊热处理。
普通热处理又包括退火、正火、淬火和回火，俗称四把火。
表面热处理又包括：表面淬火和化学热处理。
特殊热处理又包括形变热处理和真空热处理。
2)根据生产流程，热处理可分为：预备热处理和最终热处理。
前者是指为满足工件在加工过程中的工艺性能要求进行的热处理，主要有退火和正火。
而后者是指工件加工成型后，为满足其使用性能要求进行的热处理，主要有淬火和回火。
5. 热处理的重要性热处理在冶金行业和机械制造行业中占有重要的地位。
常用的冷、热加工工艺只能在一定程度上改变工件的性能，而要大幅度提高工件的工艺性能和使用性能，必须进行热处理。
例如，热轧后的合金钢钢材要进行热处理，汽车中70%——80%的零件也要进行热处理。
如果把预备热处理也包括进去，几乎所有的工件和零件都要进行热处理。
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。
钢在加热时的转变
标准晶粒度等级图
通常1—4级为粗晶粒，5－8级为细晶粒，8级 以外的晶粒称为超细晶粒。
1. 起始晶粒度 ——刚完成P→A转变的A晶粒大小。 2. 实际晶粒度 ——在某一具体加热条件下得到的
奥氏体晶粒大小。
3. 本质晶粒度 ——反映了奥氏体晶粒长大的倾向性。
根据本质晶粒度的大小分为两种钢：
P（α＋ Fe3C） >Ac1 As（ ）
Wc%: 0.02 6.69
0.77
晶格：b.c.c 复杂晶格 f.c.c
转变是靠铁、碳原子
p
的扩散和铁原子的晶格
Fe
改组来完成的。
A（）
s
Ac1 A1
P（ α ＋ Fe3C）
0.77 Wc（％）
2.2 亚（过）共析钢奥氏体（A）形成
非共析钢加热后的奥氏体要分两步完成：
4 加热缺陷
氧化：高温作用下表面铁原子与加热介质中的氧、二氧 化碳和水分子发生氧化反应，或者合金元素与氧化性介 质在晶界氧化。
脱碳：保温过程中钢中固溶的碳原子与炉气中的氧、二 氧化碳、水分子等发生反应，使表层的碳浓度降度。
过热：加热温度过高或者时间过长，晶粒显著粗大，使 得性能变差的现象称为过热，过热可以挽救。
第一步是加热到Ac1以上，完成珠光体的奥氏体化； 第二步是继续加热至Ac3 或Acc ｍ以上，完成铁素
体或二次渗碳体的奥氏体化。
由此可见，对于非共析钢要获得单一奥氏体相，必须 加热到Ac3 或Accｍ以上，才能完成全部奥氏体化。
完全奥氏体化加热与不完全奥氏体化加热 :
将亚共析钢和过共析钢分 别加热到Ac3或 Accm以上完全 转变为A，此时称为完全奥氏 体化加热。
由于铁素体F的碳浓度与结构和奥氏体A接近，故 铁素体先消失，而在所形成的奥氏体中尚有未溶解的 渗碳体存在。
钢的热处理钢在加热和冷却时组织转变课件
钢在冷却时的组织转变
珠光体的形成
总结词
珠光体是钢在冷却过程中形成的一种组织，由铁素体和渗碳体的层片状交替排 列构成。
详细描述
当钢在冷却时，奥氏体中的碳原子开始扩散并偏聚在铁素体和渗碳体的界面处， 形成富碳的铁素体和贫碳的渗碳体。随着温度的降低，这些富碳的铁素体和贫 碳的渗碳体会逐渐形成层片状结构，最终形成珠光体。
马氏体的转变
总结词
马氏体是钢在冷却过程中形成的一种组织，其特点是具有较 高的硬度和强度。
详细描述
当钢在冷却时，如果冷却速度足够快，奥氏体中的碳原子来 不及扩散，就会形成一种过饱和的固溶体，即马氏体。马氏 体的硬度高、强度大，因此在制造高强度、耐磨性好的刀具、 模具等产品时具有重要的应用。
贝氏体的转变
奥氏体的形成是一个扩 散过程，需要一定的时 间和温度。
04
奥氏体的形成与钢的成 分、加热速度和温度等 因素有关。
奥氏体晶粒的长大
01
02
03
04
随着温度的升高，奥氏体晶粒 逐渐长大。
晶粒的大小对钢的性能有重要 影响，晶粒越细，钢的强度和
韧性越好。
加热温度和时间是影响奥氏体 晶粒大小的主要因素。
为了获得细小的奥氏体晶粒， 通常采用快速加热和短时间保
回火
总结词
回火是一种将淬火后的金属重新加热至低温 并保持一段时间的过程，主要用于消除淬火 过程中产生的内应力、提高金属的韧性和塑 性。
详细描述
回火的主要目的是通过低温加热使金属内部 组织结构发生转变，消除淬火过程中产生的 内应力，提高金属的韧性和塑性。回火工艺 通常包括将淬火后的金属加热到低温回火温
开裂
是指热处理过程中，由于内应力过大 或组织转变不均匀，导致钢的表面出 现裂纹。开裂可以通过优化热处理工 艺、控制冷却速度和改善材料成分来 减少。
钢在加热时的转变 PPT
➢ 奥氏体晶核也可以在以往的粗大奥氏体晶界上 （原始奥氏体晶界）形核并且长大，由于这样的 晶界处富集较多的碳原子和其他元素，给奥氏体 形核提供了有利条件。
➢ 下图b)所示为在原始粗大奥氏体晶界上开始形成 许多细小的奥氏体晶粒。
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热 处 理 原 理
热 处 理 原 理
➢当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体
晶核时，则形成了g –a 和g –Fe3C两个相界
面。那么，奥氏体晶核的长大过程实际上 是两个相界面向原有的铁素体和渗碳体中 推移的过程。
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热
处
结论
理 原
理
➢奥氏体的形成可以分为四个阶段： ➢①形核； ➢②晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大； ➢③剩余碳化物溶解； ➢④奥氏体成分均匀化。
28
热
处
2、奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大
理 原
理
在快速加热情况
下，碳化物来不
及充分溶解，碳
和合金元素的原
子来不及充分扩
散，因而，造成
奥氏体中碳、合
金元素浓度分布
很不均匀 。
➢图中出现的灰白不同的衬度是由于各晶粒 暴露在试样表面上的晶面具有不同的取向 的缘故。
5
热 处 理 原 理
(a) T8 钢的奥氏体晶粒(暗场像) (b) 1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织
6
热
处
2.2奥氏体的晶体结构
理 原
理
7
热 处 理 原 理
奥氏体晶格参数与含碳量的关系
8
热
处
2.3奥氏体的性能
其中C、N等元素存在于奥氏体的间隙位置。 或者晶格缺陷处。
钢在加热时的转变
钢在加热时的转变热处理—将固体金属或合金在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需要的工艺性能。
大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即奥氏体化。
奥氏体的形成奥氏体的形成是形核和长大的过程，也是Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。
分为四步。
共析钢中奥氏体的形成过程如图1所示：第一步奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。
第二步奥氏体晶核长大：g晶核通过碳原子的扩散向a和Fe3C方向长大。
第三步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。
残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。
第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
图1 奥氏体的形成示意图亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。
但由于先共析a或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。
2. 影响奥氏体转变速度的因素（1）加热温度和速度增加→转变快；（2）钢中的碳质量分数增加或Fe3C片间距减小→界面多，形核多→转变快；(3)合金元素→钴、镍增加奥氏体化速度，铬、钼等降低奥氏体化速度。
3.奥氏体晶粒度（1）奥氏体晶粒度—奥氏体晶粒越细，退火后组织细，则钢的强度、塑性、韧性较好。
淬火后得到的马氏体也细小，韧性得到改善。
某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度。
奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。
通常将钢加热到930±10℃奥氏体化后，保温8小时，设法把奥氏体晶粒保留到室温测得的晶粒度为本质晶粒度。
用来衡量钢加热时奥氏体晶粒的长大倾向。
g晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。
前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。
（2）影响奥氏体晶粒度的因素第一，加热温度越高，保温时间越长→晶粒尺寸越大。
第二，碳质量分数越大晶粒长大倾向增多。
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（a）加热温度和加热速度 提高加热温度会加强。加热 速度的增大，可使转变终了温度提高和转变温 度范围扩大，并缩短奥氏体的形成时间。
薛小怀 副教授
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（b）原始组织 原始组织中珠光体越细，奥氏体形成速度 越快。这是由于珠光体越细，其内部F和Fe3C 的相界面就越多，有利于奥氏体晶核的形成。 球状珠光体向奥氏体转变的速度要慢于片状珠
薛小怀 副教授
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加热时钢的晶粒长大倾向示意图
薛小怀 副教授
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实际晶粒度：在具体加热条件下得到的奥 氏体晶粒大小。实际晶粒度直接影响钢在冷 却后的组织和性能。
薛小怀 副教授
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奥氏体晶粒长大的影响因素？ （a）奥氏体化温度越高，保温时间越长， 晶粒长大越明显，其中加热温度比保温时间的 影响大； （b）在一定范围内，奥氏体晶粒长大倾向 与碳含量有关。因为C含量增加，C在A中的扩散 速度也增加所致。但是当C超过一定值以后，形 成过剩的二次Fe3C阻碍奥氏体晶粒长大；
大小，对冷却后的组织和性能有很大的影响。奥氏体晶
粒过大，会使冷却后的钢材强度、塑性和韧性下降，尤
其是塑性和韧性下降更为显著。
薛小怀 副教授
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奥氏体晶粒尺寸和对冷却后钢的性能的影响根 据Holl-Petch关系：组织越细小，性能越好。
薛小怀 副教授
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钢的奥氏体晶粒度 分为8级，1级最粗， 8级最细。将钢制成 金相样品，放在100 倍显微镜下与标准晶
粒度等级图进行比较
定级。
薛小怀 副教授
12
奥氏体晶粒度分为起始晶粒度、本质晶粒度 和实际晶粒度。 起始晶粒度：是指加热过程中，奥氏体化刚 完成时的晶粒大小。一般来说，奥氏体的起始晶 粒比较细小，但这种晶粒会随加热温度升高或保
温时间延长而长大。
薛小怀 副教授
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本质晶粒度： 不同牌号的钢，其奥氏体晶 粒的长大倾向是不同的。本质晶粒度表示钢的 奥氏体晶粒在规定温度下的长大倾向。通常采 用标准(YB27—77)试验方法，把钢加热到 （93010） C ，保温3~8h后测定其奥氏体晶 粒大小。晶粒度为1~4级的钢称为本质粗晶粒钢， 晶粒度为5~8级的钢称为本质细晶粒钢。
薛小怀 副教授
2
Fe-Fe3C平衡相图中的PSK、GS、ES线对应的临界 温度线一般用A1、A3、ACM表示，实际加热时则用AC1、 AC3、ACCM表示。同理，冷却时的则用Ar1、Ar3、ArCM 表示。
加热或冷却速度越快，临界 温度与实际温度差值越大， 称之为过热度或过冷度。
薛小怀 副教授
3
（2）奥氏体的形成过程 把共析钢加热到Ac1以上的温度，就发生珠光体
工程材料与焊接基础 第七讲
钢在加热时的转变
钢在加热时的转变
（1）钢实际加热时的转变点
钢的锻造和热处理都离不开钢的加热过程，在加
热过程中的组织转变对冷却后组织和性能都有重要的
影响。
要将钢加热到Fe-Fe3C平衡相图中的PSK、GS、ES
线以上才能得到单相的奥氏体组织。
但是加热过程是连续的，有一定的速度，所以与 平衡过程相比总有不同程度的滞后。
保温一段时间通过碳原子的充分扩散达到成分均匀。
薛小怀 副教授
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对于亚共析钢或过共析钢加热到Ac1以上时， 原始组织中的珠光体转变成奥氏体，而先析铁 素体或先析Fe3C尚未完全溶解。只有进一步加 热到Ac3或AcCM以上保温足够时间，才能获得均 匀的单相奥氏体。
薛小怀 副教授
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奥氏体形成的影响因素?
向奥氏体转变，分为形核、长大和成分均匀化过程。
（a）奥氏体优先在F和渗碳体的相界面形核；
（b）珠光体中的F继续向A转变，其中渗碳体溶入
A。A向F和P中长大。并且通过碳原子的扩散保证A稳
定存在的碳浓度；
薛小怀 副教授
4
（c） F全部转化成A后仍有一部分Fe3C未溶解。随 保温时间的延长，Fe3C不断溶入A； （d）残余Fe3C全部溶入A后，碳浓度不均匀，需要
薛小怀 副教授
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（c）合金元素的影响： 钢中的合金元素，凡是能形成稳定碳化物 的元素(如Cr、W、Mo、Nb、V、Zr、Ti)、形 成氮化物的元素(如Al)，都会阻碍奥氏体晶粒 长大，而Mn和P则加速奥氏体晶粒长大。
薛小怀 副教授
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光体。
薛小怀 副教授
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（c）合金元素
大部分合金元素加入钢中，会减慢奥氏
体的形成速度，但却并不改变奥氏体形成的 基本过程。
薛小怀 副教授
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（3）奥氏体晶粒长大及其影响因素
在临界温度以上奥氏体形成过程结束后，如继续提
高加热温度或在当前温度下长时保温，将会发生奥氏体
晶粒长大的现象。钢在加热时所形成的奥氏体实际晶粒