钢在冷却时的转变
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。
第六章第三节钢在冷却时的转变_工程材料
§6-3 钢在冷却时的转变一、过冷奥氏体等温冷却转变曲线1、过冷奥氏体等温冷却转变曲线建立以共析钢为例：取尺寸相同的T8钢试样，A化后，迅速冷却到A1以下不同温度保温，进行等温转变，测出转变的开始点与转变结束点。
将开始点与结束点分别连接起来，就得到奥氏体等温转变曲线。
该曲线称为TTT图（Time Temperature TransformationDiagram）或C曲线。
2、孕育期：转变开始线与纵坐标轴之间的距离。
孕育期越短，过冷奥氏体越不稳定，转变越快。
孕育期最短处称为鼻温3、影响C曲线的因素A的成分越均匀，晶粒越粗，其稳定性越高，C曲线右移；A含碳量越高，稳定性越高，C曲线右移，共析钢C曲线最靠右；合金元素，除Co外所有合金元素均使C曲线右移，并使C曲线改变形状。
二、共析钢过冷奥氏体的转变产物及性能、珠光体型转变（P）转变温度：A1～鼻温（550℃）之间（高温转变）转变规律：是通过碳、铁的扩散完成转变。
铁原子重新排列由fcc bcc,碳从铁中扩散出，形成转变产物：珠光体型组织铁素体和渗碳体的机械混合物产物形态：渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小。
珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)珠光体3800×索氏体8000×屈氏体8000×2、贝氏体型转变（B）转变温度：鼻温（550℃）～Ms之间（中温转变）转变规律：半扩散型转变，铁原子不扩散，只能做微小的位置调整，由fcc→bcc。
碳原子有一定扩散能力，部分碳原子从铁中扩散出来，形成碳化物。
转变产物：贝氏体型组织，渗碳体分布在过饱和的铁素体基体上的两相混合物。
上贝氏体（B上）：550℃～350℃之间形成形态：呈羽毛状, 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。
光学显微照片1300×电子显微照片5000×上贝氏体性能：铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。
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。
第三章 钢冷却时的转变
奥氏体化是钢的热处理重要的第一步。
在此基础上，在后续的冷却过程中可以通过控制过冷奥氏体分解，从而获得不同的组织。
钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键工序。
在热处理生产中，钢制奥氏体化后通常有两种冷却方式：等温冷却方式和连续冷却方式。
过冷奥氏体——在临界点以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体。
第三章钢在冷却时的转变（过冷奥氏体分解）冷却条件的不同，过冷奥氏体可通过不同机制进行转变而获得完全不同的组织。
三种转变：珠光体、贝氏体、马氏体转变（1）珠光体转变：以缓慢速度冷却时，发生分解的过冷度很小，过冷奥氏体在高温下有足够的时间进行扩散分解，转变为近于平衡的珠光体型的组织。
扩散型相变这种冷却速度相当于炉冷或空冷的冷却方式，热处理生产上成为退火或正火。
（2）贝氏体转变——当冷却速度很快时，可以把奥氏体过冷至较低温度，此时碳原子尚可进行扩散，但铁原子不能进行扩散，奥氏体只能转变为贝氏体。
半扩散型相变（3）马氏体转变——当采用更快的冷却速度时，奥氏体迅速过冷至不能进行扩散分解的低温M S点以下，此时只能得到马氏体。
非扩散型相变。
这种冷却方式相当于水冷方式，生产上叫淬火。
过冷奥氏体分解同样是一个点阵重构和碳的扩散过程，也是一个形核和长大的过程。
§3.1 过冷奥氏体等温转变图§3.2 过冷奥氏体连续冷却转变图及应用§3.1 过冷奥氏体等温转变图一、过冷奥氏体等温转变图的建立将奥氏体迅速冷至临界温度以下的一定温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为过冷奥氏体等温转变。
测定过冷奥氏体等温转变图的方法有金相法、膨胀法、磁性法、热分析法等。
将若干共析碳钢小试样加热到奥氏体状态，保温一定时间后迅速冷却到A1点以下不同温度，例如700℃、650℃、600℃等，随后在各温度下保温，每经过一定时间取出一个试样立即淬入盐水中，使未转变的奥氏体转变为马氏体。
其中马氏体为白色，分解产物为黑色。
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
7-第七讲-钢在冷却时的转变
9
（2）转变开始线与纵座标轴之间的距离称为 孕育期。孕育期愈长，过冷奥氏体愈稳定，转 变期也愈长。孕育期最短处，过冷舆氏体最不 稳定，转变最快，这里称为C曲线的“鼻尖”。
对于碳钢来说，“鼻尖”处的温度一般为550C
左右。
（3）过冷奥氏体在不同温度下的产物不同。
薛小怀 副教授
10
影响C曲线的因素
时分解的形核率，使奥氏体稳定性增加，C曲线
右移。
薛小怀 副教授
14
15
（1）碳含量的影响：
一般情况下，亚共析钢C曲线随碳增加右移，
过共析钢的C曲线随碳含量增加左移。共析钢中
过冷A最稳定。
薛小怀 副教授
11
与共析钢的C曲线相比，亚共析钢和过共析 钢的C曲线上部，还各多一条先共析相的析出 线。因为在过冷奥氏体转变为珠光体之前，在 亚共析钢中要先析出铁素体，在过共析钢中要
2
根据奥氏体冷却方式的不同将冷却过程分为 等温转变（曲线1）和连续冷却转变（曲线2）。
薛小怀 副教授
3
过冷奥氏体的等温转变曲线
共析钢加热到均匀奥氏体状态后，如果冷却 到A1线以下在热力学上是不稳定的，在一定条件 下要发生分解。 在A1以下存在且不稳定的、将要发生转变的 奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的等温转变， 就是将奥氏体迅速冷却到低于A1的某一温度，并 保温足够时间。使奥氏体在该温度下完成其组织 转变的过程。
工程材料与焊接基础 第七讲
钢在冷却时的转变
钢在冷却时的转变
在钢的热处理中，冷却是一道非常关键的 工序。因为在加热、保温时得到的奥氏体，当 以不同的冷却条件冷却下来时，会得到性能差 异很大的各种组织。 只要选择恰当的冷却方式，便可以获得预
期的组织和性能。因此，了解钢在冷却时组织
钢在冷却时的组织转变
第17讲 钢在冷却时的组织转变
一、两类冷却方式 二、过冷奥氏体的等温冷却转变 三、过冷奥氏体的连续冷却转变
第17讲 钢在冷却时的组织转变 内容导入：
将45钢试样加热至840℃保温相同时间后，分别 以不同方式冷却，测定的力学性能如下表所示：
第17讲 钢在冷却时的组织转变
二、过冷奥氏体的等温转变 1、过冷奥氏体 ：
把过冷至临界温度以下、在热力学上不稳定、即将发生转变的奥 氏体，称为过冷奥氏体。
分析：
保温
加 热
A1 (稳定的)奥氏体 过冷奥氏体
温度
时间
第17讲 钢在冷却时的组织转变
2.过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线） 曲线形似英文字母“C”故称“C曲线”， 又称TTT曲线。
52~60
57~62
冷却方式不同，性能不同。
冷却是热处理的关键工序。
第17讲 钢在冷却时的组织转变
一、两类冷却方式：
温度
保温 加
临界温度
热
连
等 温 冷
续冷 却
却
时间
➢ 等温冷却(理论研究)
将A快速冷至临界温度以下某一温度，使A在该温度下转变成其他组
织，然后再冷却至室温。
➢ 连续冷却（生产实际）
A在逐渐降温至室温的过程中转变成其他组织。
第17讲 钢在冷却时的组织转变
思考 题
✓ 1、过冷奥氏体等温转变可分为哪三大类？ ✓ 2、思考C曲线和CCT曲线的对应用的指导意义。
谢谢大家！
残余奥氏体：
→M转变结束后，总有部分奥氏体未转变而残留下来，这部分奥 氏体称为残余奥氏体，记作A、 或 R 。
5-2钢冷却时的组织转变
温度 (℃ ) 800
共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图
Mn、Si、Ni、Cu等非碳化物形成元素，仅仅使C曲线→， 但不改变C曲线形状；
除Co和Al之外，其余Ae使Ms点↘。
1 过冷γ的等温冷却转变图
(4)影响C曲线的因素
③ T和 t ：
γ化的T↗和保温t↗，碳化物充分溶解并成分均匀化，晶 粒粗大， γ越稳定，C曲线→。
2 过冷γ的连续冷却转变图-CCT图
③M转变区——Ms以下
M的组织形态和性能： M的组织形态取决于C%，当C%>1%时，全部得到片状M； 当C%<0.2%时，得到板条状M； 当0.2%<C%<1%时，得到混合M。
片状M主要在高碳钢和高碳合金钢中出现，故又叫高碳M。
片状M的立体形貌为透镜状，二维形貌呈竹叶状或针状， 故又叫针状M。
1 过冷γ的等温冷却转变图
1 过冷γ的等温冷却转变图
(3)过冷γ转变产物的组织形态与性能
②β转变区——550℃-Ms之间
在该温度区间保温，过冷γ转变成β，该转变叫做中温转 变，得到Fe3C和含C过饱和F的机械混合物，即β体。 片间距随着△T的↗而↘。 β转变属于半扩散型转变，C原子扩散而Fe原子不扩散。
1 过冷γ的等温冷却转变图
(3)过冷γ转变产物的组织形态与性能
①P转变区——A1-550℃之间
在该温度范围内，原子能充分扩散，随着T的↘，相变驱 动力↗，孕育期逐渐↘，转变速度↗。 A1-650℃—生成较粗片状的P组织，普通光镜下可分辨；
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珠光体 P ，3800×
过冷奥氏体高温转变产物的形成温度和性能
组织名称 表示符号 形成温度范围 /℃ 硬度 片间距 /nm 能分辨片层的 放大倍数
珠光体 索氏体 屈氏体
P S T
A1~650 650~600 600~550
170~200H B 25~35HRC 35~40HRC
150~450 80~150 30~80
四、过冷奥氏体的连续冷却转变
Ps —— A→P 开始线 Pf —— A→P 终止线 K —— P型转变终止线 Vk —— 上临界冷却速度 MS —— A→ M 开始温度 Mf —— A→ M 终止温度
of
3.3 & Chapter 3
800 700 600 500 400 300
T/℃
A1
A
始 转变开
5） M形成时体积膨胀 造成很大内应力。
马氏体的组织类型
C% < 0.2% 时，为板条M（低碳M）。 C% > 1.0 % 时，为针状M 。 Fe-1.8C，冷至-100℃ Fe-1.8C，冷至-60℃
板条M, 平行的细板条束组成
针状M（凸透镜状）
针片状和板条状马氏体性能比较
C %↑→ M 硬度↑，针状M 硬度高，塑韧性差。板条M 强度高，塑韧性较好
T
高温转变:A1 ~ 550℃ 400 过冷A → P 型组织 中温转变:550℃ ~ MS 300 过冷A →贝氏体 ( B ) 200 低温转变: MS ~ M f 过冷A →马氏体 ( M )
100 0 -100 0
Mf Ms
过 冷 A
A→上 B
A→下B
上B
下B 50~60HRC
A→M
M+A'
钢在冷却时的转变
一、过冷奥氏体的等温冷却转变
共析钢的C曲线分析
过冷A : T < A1时，A不稳定. A体等温转变曲线 (C 曲线或TTT)
800 700 600 500 T/℃
A1
A
始 转变开
过 冷 A
A→P
转变结束
P 5~25HRC S
25~35HRC 35~40HRC 40~50HRC
A→S A→T
上贝氏体的形成过程
上贝氏体中的Fe3C分布于铁素体条之间，分割了基体 的连续性，易脆断，故上贝氏体的强度和韧性较低
45钢，B上+B下，×400 光学显微照片 1300× 成
T8钢，B下，黑色针状 光学显微照片 ×400
F 针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒 电子显微照片 12000×
αk
等温转变温度/℃
图3-16
共析纲的力学性能与等温转变温度的关系
3 、马氏体转变
马氏体 (M)：C在α－Fe中的过饱和固溶体。
转变特点： 1）无扩散型转变 Fe 和 C 原子都不进行扩散，M是体心正方的C过饱和的F，固 溶强化显著。 2）降温形成 连续冷却完成。 3）瞬时性 M 的形成速度很快， 温度越低，则转变量越多。 4）转变的不完全性 M 转变总要残留少量 A，A中的C%越多，则 MS、Mf越低，残余 A含量越多。AR的量主要取决于MS和MF点的位置。
过 冷 A
A→P
转变结束
P 5~25HRC S
25~35HRC 35~40HRC 40~50HRC
A→S A→T
T
A→上 过 B 冷 A
Ms
上B
A→下B
下B 50~60HRC
200 100 0 -100 0
Mf
A→M
M+A'
60~65HRC
M
1
10
10
2
10
3
10
4
5 10 时间/s
三、影响C曲线的因素
1）含碳量(奥氏体的含碳量) 2）合金元素
除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都 使C曲线右移，形状也可能会发生改变。
3）加热温度和保温时间
随温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充 分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大，晶界减少（总形 核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性， 使C曲线右移。
60~65HRC
M
1
10
10
2
10
3
10
4
5 10 时间/s
二、冷却转变后的组织和性能
1、珠光体（A1～550℃）转变
一是晶格重组，二是铁、碳原子扩散
属扩散型转变
P 型组织 —— F + 层片状 Fe3C
珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T 层片间距：P > S > T
索氏体 S 8000×
屈氏体 T 8000×
＜ 5 00× ＞1000× ＞2000×
可见：珠光体的片层间距越小，硬度越高，同样强度也高,韧性
也随片层间距变化。 同一成分的钢，组织为片状珠光体时硬度和强度比粒状珠光体 的高，但塑性、韧性低，为改善工具钢的切削性能，常用球化退 火来得到粒状珠光体组织，降低钢的硬度。
2、贝氏体转变
中温转变：550
℃～Ms点 转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原 子有一定的扩散能力。 转变产物：贝氏体，即Fe3C分布在含碳过饱 和的铁素体上的两相混合物。
上贝氏体： 下贝氏体：
550 ～ 350℃，呈羽毛状,小 片状Fe3C分布在F体条间。强度和韧性差。 350 ℃～Ms点，呈针状,韧性 高，综合力学性能好。