钢在加热过程中的转变教材
《工程材料与热处理》(适用中职生源)
《工程材料与热处理》课程标准课程名称：工程材料与热处理课程性质：专业基础课学分：3.5计划学时：60适用专业：机械设计与制造1.前言1.1课程性质工程材料与热处理机制专业学生必修的一门专业基础课。
是一门应用性和综合性很强的课程，使学生通过理论教学，获得常用机械工程材料、金属热加工和热处理的基本知识，为学习后续课程及形成综合职业能力打下必要的基础。
1.2设计思路本课程根据机械行业技术专业发展需要和完成职业岗位实际工作任务所需要的知识、能力、素质要求选择课程内容，从“任务与职业能力”分析出发，设定职业能力培养目标。
通过绪论\金属材料力学性能、纯金属与合金的晶体结构与结晶、铁碳合金相图、钢的热处理、常用钢材及选用、铸铁、非铁金属材料、非金属材料、铸造成型工艺、锻压成形工艺、焊接成形工艺、机械零件的毛坯成形综合选材等十三个任务的学习，让学生在了解金属材料特性，各毛培成形工艺过程的基础上，初步形成合理选择零件材料及毛坯加工成形方法的能力，培养学生解决实际问题的能力。
在课程实施过程中，充分利用课程特征，加大学生工程体验的教学设计，激发学生的主体意识和学习兴趣。
2.课程目标2.1总体目标学习并掌握常用材料特性和用途、掌握常用材料的热处理方法与作用和用途，使学生能合理选择材料和进行合理的热处理，从而培养适合专业发展需要的专门人才。
2.2具体目标2.2.1能力目标：1.具有根据零件的使用要求选择零件材料的能力；2.初步具有选择钢材热处理方法的能力；3.初步具有选择零件毛坯成形方法的能力。
2.2.2知识目标：1.以铁碳合金的成分组织温度性能为主线，了解四者的相互关系和变化规律的基础知识，初步具有根据零件的使用要求选择零件材料的能力;2.了解钢材在实际加热和冷却时内部组织的变化及其对钢材性能的影响，了解各种热处理方法的目的、工艺和应用，初步具有选择钢材热处理方法的能力；3.了解毛坯的成形方法和基本工艺过程，初步具有选择零件毛坯成形方法的能力。
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。
41 钢在加热冷却时的组织转变PPT课件
A Ac3
G Ar3
S
温度高于Accm时， A+F P
P
Fe3CⅡ才完全溶解。
F+P
E Accm A+Fe3CⅡ Arcm
Ar1
Ac1
P+Fe3CⅡ
WC/%
3、晶粒的长大及其影响因素 Grain growth and its control
(1)奥氏体的晶粒度 指将钢加热到相变点以上某一温度， 并保温一定时间后所得到的奥氏体晶 粒大小。
表示多晶体晶粒大小的一种指标，采 用标准晶粒度级别表示。
GB6394-81 00、0、1、2…10共12级。
1～3级为粗晶粒，4～6级为中等晶粒， 7～8级为细晶粒，>8级为超细晶粒。
本质晶粒度—在规定的加热条件下 （930℃±10 ℃ ，保温3～8h），奥氏体
的晶粒度。反映奥氏体晶粒长大的倾向性， 而不是实际奥氏体晶粒大小的度量。
0.77
2.11
4.3
6.69
5
10 15 20
30 40 50 60 70 80 90 100 Wc%
图5-4 简化的Fe—Fe3C相图
2、奥氏体化过程 Austenitizing process
包括奥氏体的形核与长大，残余渗碳体的 溶解和奥氏体成分的均匀化。
图6-3 共析钢中奥氏体的形成过程 Fig.6.3 Formation process of austenite in eutectoid steel
表面热处理 表面淬火（感应加热、火焰加热）
化学热处理 渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗等。
§4.1 钢在加热与冷却时的组织转变
一、加热时组织转变
1、加热转变的理论依 据——Fe-Fe3C相图 奥氏体化(austenitizing) 钢加热形成奥氏体的过 程。 A1-PSK
§42 钢在加热及冷却时的组织转变PPT课件
• 1.加热温度和加热速度的影响
提高加热T，将加速A的形成。随着加热 速度的增加,奥氏体形成温度升高 （Ac1越高），形成所需的时间缩短。
2.化学成分的影响
随着钢中含碳量增加，铁素体和渗碳体相界 面总量增多，有利于奥氏体的形成。
3.原始组织的影响
由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界 面上形成,所以原始组织越细，相界面越多，形 成奥氏体晶核的“基地”越多，奥氏体转变就越快。
共析碳钢 C曲线建立过程示意图
1
10
102
103
A1 104 时间(s)
等温转变曲线图的解说
A1线以上是奥氏体稳定区；A1线以下，转变开始线的 左边为过冷奥氏体区，转变终了线的右边是转变产物 区，转变开始线和终了线之间为过冷奥氏体和转变产 物共存区。
转变开始线与纵坐标轴之间的时间为孕育期。在C曲 线拐弯的“鼻尖处”（约550℃），孕育期最短，过冷 奥氏体最不稳定。
A 长大
A 形核
一、钢在加热时的组织转变
（一）共析碳钢A形成过程示意图
3)残留渗碳体的溶解
铁素体先于渗碳体消失。因此 ，奥氏体形成后，仍有未溶解 的渗碳体存在，随着保温时间 的延长，未溶渗碳体将继续溶 解，直至全部消失。
残余Fe3C溶解
4)奥氏体成分均匀化
延长保温时间，让碳原子 充分扩散，才能使奥氏体 的含碳量处处均匀。
一、钢在加热时的组织转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1 以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热， 目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
2、奥氏体的形成
Fe，C原子扩散和晶格改变的过程 1).奥氏体晶核的形成 2).奥氏体晶核的长大 3).残余渗碳体的溶解 4).奥氏体成分的均匀化
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。
《钢的热处理》课件2-钢的加热转变
碳化物形状
• 奥氏体等温形成速度 • 片状>粒状 • 原因 • 片状珠光体相界面大 • 渗碳体呈薄片状，易于溶解
（二）原始组织——3. 钢的成分：碳
第 三 节 奥 氏 体 形 成 的 动 力 学
钢的成分
碳含 量
碳在奥氏中 的扩散系数 增加
（二）原始组织
第 三 节 奥 氏 体 形 成 的 动 力 学
第 三 节 奥 氏 体 形 成 的 动 力 学
为了满足形核的热力学条件，需 依靠能量起伏，补偿临界形核功， 所以形核率应与获得能量起伏的 几率因子成正比 为了达到奥氏体晶核对成分的要 求，需要原子越过能垒，经扩散 富集到形核区，所以形核率应与 原子扩散的几率因子成正比
（二）线长大速度
第 三 节 奥 氏 体 形 成 的 动 力 学
第 三 节 奥 氏 体 形 成 的 动 力 学
孕育期
转变速度 • 慢快慢 • 50%时最快 过热度与形成速度
（三）TTA图分析
第 三 节 奥 氏 体 形 成 的 动 力 学
四条曲线
• 奥氏体转变开始线 • 0.5% • 奥氏体转变终了线碳（化物溶解开始线） • 99.5% • 碳化物溶解终了线（奥氏体成分均匀化开 始线） • 奥氏体成分均匀化终了线
钢的加热转变
奥氏体的形成
奥氏体形成的机理
奥氏体形成的动力学 奥氏体晶粒的长大及其控 制
2.1
罗伯茨-奥斯汀（ Roberts-Austen）
第 一 节 奥 氏 体 的 形 成
罗伯茨-奥斯汀 • 1843.3.3.～1902.11.22.英国冶金学家 • 18岁进入皇家矿业学院，后在造币厂从事金、银和合金成分的研究。他用量热计 法测定银铜合金的凝固点，并首先用冰点曲线表示其实验成果。 • 1875年当选为英国皇家学会会员。 • 1876年与J.洛基尔一起用光谱仪作定量分析，以辅助传统的试金法。 • 1885年他开始研究钢的强化，同时着手研究少量杂质对金的拉伸强度的影响，并 在1888年的论文中加以阐述，成为早期用元素周期表解释一系列元素特性的范例。 • 奥斯汀采用Pt／（Pt-Rh）热电偶高温计，得以测定了高熔点物质的冷却速度，创 立共晶理论。用显微镜照相研究金属的金相形貌。在造币厂的工作使他成为了举 世闻名的铸币权威。 • 1882年到1902年他在伦敦的皇家矿业学院任冶金学教授，1899年被授予爵士爵位。 • 为纪念他，把γ-铁及其固溶体的金相组织命名为奥氏体。 • 此外，奥斯汀曾参加英国国家物理研究所的筹建工作。著有《冶金学研究入门》。
了解钢在加热和冷却时的组织转变讲课讲稿
了解钢在加热和冷却时的组织转变
江苏省技工院校
教案首页
课题：了解钢在加热和冷却时的组织转变
教学目的要求： 1.了解热处理的定义、目的、分类及作用；
2.掌握钢加热和保温的目的；
3.掌握钢在冷却转变时的产物及转变曲线。
教学重点、难点：1. 钢加热及保温的目的；2. 奥氏体晶粒度的概念及影响因素；3. 共析钢过冷奥氏体等温冷却曲线中各种温度区域内奥氏体的转变产物及组织形貌，性能特点。
4. 过冷奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响
授课方法：面授（课堂教学）
教学参考及教具（含电教设备）：《金属材料及热处理》
授课执行情况及分析：
板书设计或授课提纲。
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。
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研究生课程（论文类）试卷
2 0 15 /2 016 学年第 1 学期课程名称：金属材料学
课程代码：270100001
论文题目：钢在加热过程中的转变
学生姓名：
专业﹑学号：
学院：材料科学与工程学院
图1 热处理工艺图图2 自由能随温度变化示意图奥氏体的形成机理
奥氏体形成的热力学条件
根据Fe-Fe3C相图，温度在A1以下钢的平衡相为珠光体（铁素体和渗碳体）当温度超过A1时，珠光体将转变为奥氏体，亚共析钢或过共析钢分别加热到A3或Acm
（a）奥氏体形核；（b）奥氏体长大；（c）剩余Fe3C溶解；（d）奥氏体成分均匀化
图3珠光体向奥氏体转变过程示意图
1.2.3奥氏体的形成速度
如图4所示，图中左起第一条线表示珠光体向奥氏体转变开始，第二条线表示珠光体向奥氏体转变刚刚结束，第三条线表示剩余渗碳体溶解完毕，第四条线表示奥氏体均匀化完成。
图4 共析钢奥氏体等温形成图
图6 奥氏体晶粒长大示意图
本质粗晶粒钢随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大，而本质细晶粒钢在下随温度升高，奥氏体晶粒长大的速度很缓慢，当温度超过某一温度（
也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质细晶粒钢。