5-2钢在冷却时的组织转变(1)
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。
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
钢的加热冷却组织转变
（F和Fe3C），转变为另一种晶格形式的单相（A）的过程，在这样的相变过程中，必然伴随 着Fe、C原子的扩散和相应的晶格重构。研究证明，α-γ晶格重构过程实际上是固态下重结
晶的过程，因此，同样遵循结晶的基本规律，是一个形核、长大和均匀化的过程。
珠光体向奥氏体的转变可分为以下3个步骤，共析钢中奥氏体形成过程示意图如图6－3
亚共析钢室温下的平衡组织是铁素体和珠光体，因此亚共析钢的奥氏体转变由两个阶段 组成。① 是珠光体向奥氏体的转变（加热到略高Ac1 ）；② 是铁素体向奥氏体的转变（加热 到Ac1～Ac3之间）。珠光体向奥氏体的转变与共析钢相同。当珠光体向奥氏体转变结束时，在 铁素体晶界上开始形成新的奥氏体晶核，这些新的晶核依靠吸收由先形成的奥氏体中越过晶 界扩散过来的碳原子而不断向铁素体晶粒内部长大。当温度略高于Ac3时，铁素体全部转变成 奥氏体，之后碳原子的扩散还要维持一段时间才能使所有奥氏体的成分达到均匀一致。 2.2.2 过共析钢的奥氏体转变
指在规定加热条件下（把钢加热到930±10℃、保温3～8h）所测得的奥氏体晶粒度。本 质晶粒度的实质是表示钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向。不同牌号的钢奥氏体晶粒长大的倾 向是不同的，在一定的温度下把随着温度的升高奥氏体晶粒迅速长大的钢称为本质粗晶粒钢， 而奥氏体的晶粒随温度的升高不易长大的钢称为本质细晶粒钢，钢的本质晶粒度示意图如图 6-8所示。一般需要进行热处理的零件大多采用的是本质细晶粒钢，因为本质细晶粒钢热处理 后易获得细小的实际晶粒度。
过冷或过热现象，在相图上实际的相变温度和平衡临界点就会产生偏移的现象，而且加热或
冷却速度越快，偏移量越大。为了便于区别，通常把实际加热时的各临界点用Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却时的各临界点用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢的各实际临界点的含义如下：
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。
钢在冷却时的转变
图4-5 珠光体的显微组织
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奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程，如图4-6所示。当奥氏体过冷到A1 以下时，首先在奥氏体晶界上产生渗碳体晶核，通过原子扩散，渗碳体依靠其周围奥氏体 不断地供应碳原子而长大。同时，由于渗碳体周围奥氏体含碳量不断降低，从而为铁素体 形核创造了条件，使这部分奥氏体转变为铁素体。由于铁素体溶碳能力低（<0.0218%C）， 所以又将过剩的碳排挤到相邻的奥氏体中，使相邻奥氏体含碳量增高，这又为产生新的渗 碳体创造了条件。如此反复进行，奥氏体最终全部转变为铁素体和渗碳体片层相间的珠光 体组织。
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1.2 贝氏体转变及其组织
过冷奥氏体在550℃～Ms的转变称为中温 转变，其转变产物为贝氏体，所以又称贝氏 体转变。贝氏体用符号B表示，它是渗碳体分 布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物， 硬度也比珠光体型的高。奥氏体向贝氏体的 转变属半扩散型相变，铁原子基本不扩散而 碳原子有一定扩散能力。
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9
生产上，中、高碳钢常利用 等温淬火获得以下贝氏体为主的 组织，使钢件具有较高的强韧性， 同时由于下贝氏体比容比马氏体 小，可减少变形开裂。
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1.3 马氏体转变及其组织
当奥氏体以极大的冷却速度过冷到Ms以下时， 即发生马氏体转变。与珠光体转变和贝氏体转变不 同，马氏体转变是在连续冷却的过程中进行的，由 于过冷度极大，碳原子已无法扩散，过冷奥氏体以 非扩散的形式发生铁的晶格转变，即由面心立方晶 格的γ-Fe“切变”为体心立方的α-Fe中，形成了碳 在α-Fe中的过饱和间隙固溶体，称之为马氏体，用 符号M表示。马氏体的成分与过冷奥氏体相同。
1 上贝氏体组织形态
上贝氏体在550～350℃温度范围内形成，在低碳钢中形成温度要高些。在光学显微镜下 呈羽毛状，即成束的自晶界向晶粒内生长的铁素体条，如图4-7（a）所示。在电子显微镜下， 可以看到铁素体和渗碳体两个相，渗碳体（亮白色）以不连续的、短杆状形状分布于许多平 行而密集的过饱和铁素体条（暗黑色）之间，如图4-8（a）所示。在铁素体条内分布有位错 亚结构，位错密度随形成温度的降低而增大。
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二、共析碳钢TTT 曲线的分析
A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变;珠光体（P）转变
550～230℃;中温转变区; 半扩散型转变; 贝氏体(
转变区;
230～- 50℃; 低温转变区; 非扩散型转变; 马氏体( M ) 转变区。
三) 转变产物的组织与性能
1.珠光体型( P ) 转变( A1～650℃)：高温等温转变
A1～650℃P ; 综合力学性能较好，有一点的塑性; 片间
晶格由体心立方变成体心正方晶格。
＜0.2%C ); 30～50HRC ;
加热温度和保温时间的影响:
保温时间越长, 碳化物溶解充分
提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而使TTT
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。
、以共析钢为例，过冷A在不同温度等温
可得到哪些不同产物？它们的性。