钢在高温加热时的奥氏体转变
2、钢的奥氏体形变与再结晶
c0.83p p 真应力-真应变曲线上应力峰值p所对应的应变量 p的大小与钢的奥氏体成分和变形条件（温度、速度）有关。
ε Aσ exp( Q/RT)
n
Z exp(Q / RT ) A
A：常数 R：气体常数 Q：变形活化能 T形速率因子，可表示
控制轧制方式示意图
(a) 奥氏体再结晶区控轧；(b) 奥氏体未再结晶区控轧；(c) (+)两相区控轧
第二阶段： 在第一阶段动态软化不能完全抵消加工硬化。随着变形量的 增加，位错密度继续增加，内部储存能也继续增加。当变形量达 到一定程度时，将使奥氏体发生另一种转变—动态再结晶。 动态再结晶的发生与发展使更多的位错消失，材料的变形应 力很快下降。由再结晶形成的新晶粒又发生了变形，产生了加工 硬化，加上新晶粒得到了细化，金属材料的变形应力仍然高于原 始状态的变形应力。 发生动态再结晶所必需的最低变形量称为动态再结晶的临界变 形量，以c表示，临界变形量的大小表征了奥氏体发生动态再结 晶的难易程度，而且可以通过改变工艺参数找出影响临界变形量 的各种因素，因此研究临界变形量是研究奥氏体动态再结晶的一 种好方法。
• 热加工中的软化过程分为:
（1）动态回复; （2）动态再结晶； （3）亚动态再结晶； （4）静态再结晶； （5）静态回复。 • 动态：在外力作用下，处于变形过程中发生的。 • 静态：在热变形停止或中断时，借助热变形的余热，在无 载荷的作用下发生的。
2.1 热变形过程中钢的奥氏体再结晶行为
热塑性加工变形过程是加工硬化和回复、再结晶软化过程 的矛盾统一 ，加工硬化和高温动态软化过程同时进行，根据这 两个过程的平衡状况来决定材料的变形应力。
48
64
– 静态回复
– 静态再结晶 – 亚动态再结晶
简述钢的奥氏体化过程
简述钢的奥氏体化过程
首先，我们需要理解奥氏体化是什么。
奥氏体化，指的是在一定的条件下，将钢中的铁素体转化为奥氏体的过程。
这个过程通常发生在加热时，且受到钢的化学成分和加热速度等多方面因素的影响。
奥氏体化过程大致可以分为三个阶段。
第一阶段是预热阶段，这个阶段的主要目标是使钢均匀升温，减少内部应力，防止在后续加热过程中由于温度不均而产生裂纹。
在此阶段，钢的内部结构不会发生太大变化。
第二阶段是奥氏体化阶段。
在这个阶段，钢会在720℃至910℃之间升温。
当温度达到723℃时，铁素体将开始转化为奥氏体。
随着温度的升高，这一转化过程将逐渐加速。
铁素体中的碳原子会开始进入奥氏体晶格，从而使奥氏体稳定化。
第三阶段是超热阶段。
当钢的温度超过奥氏体的稳定温度时，奥氏体将开始分解，形成高温稳定的相——奥氏体。
这一过程被称为超热。
超热的目的是增加奥氏体的数量，从而提高钢的硬度和强度。
在奥氏体化过程中，控制加热速度和保温时间是非常关键的。
加热速度过快，可能会使钢的内部产生过热，从而导致奥氏体化不完全，钢的性能下降。
保温时间过短，可能会使奥氏体转化不完全，钢的性能也会下降。
因此，必须根据钢的化学成分、形状和尺寸，以及所需的性能要求，确定合适的加热速度和保温时间。
总的来说，奥氏体化过程是一种通过加热，使钢中的铁素体转化为奥氏体的方法，以改善钢的性能。
这个过程需要在严格的控制下进行，才能得到理想的效果。
第三章 奥氏体与钢在加热过程中的转变
c: Calefaction r: Refrigeration
3.2.2 转变机制
共析钢的A形成
当加热至Ac1稍上温度时，由铁素体＋渗碳体 两相组成的珠光体转变为单相奥氏体，即：
（α＋
Fe3C
）
Ac1以上 加热
γ
碳含量： 0.02％C 6.69％C
0.77％C
空间点阵：体心立方 复杂斜方
面心立方
基本概念
原始组织 碳钢的平衡态组织 碳钢的非平衡态组织
平衡组织
通过缓慢冷却所得到
γ
的珠光体以及先共析
铁素体与渗碳体等组
织
P (pearlite)
P＋F (Ferrite)
P＋ Fe3C (Cementite)
不平衡组织
通过较快的速度进行冷却时获得的组织 如马氏体，贝氏体等。
细化晶粒还可显著提高钢材的耐蚀性。
3.4.1 晶粒度概念及晶粒长大现象
一）晶粒度 设n为放大100倍时每平方英寸in2面积内的晶粒 数，则下式中N即为晶粒度。
n=2 N-1
晶粒越细，N越大。 起始晶粒：加热转变终了时所得的A晶粒 实际晶粒：长大到冷却开始时的A晶粒 本质晶粒：930ºC保温3~8小时所得的晶粒 1－4级：本质粗晶粒钢，5－8本质细晶粒钢
亚共析钢两相区等温 转变过程示意图
1.两相区转变的三个阶段
A核在F与P交界面形成后，快速长进P直到P全部 转变为A为止。
A向先共析F慢速长进。转变停止时为两相组织， 等温温度越高，未转变的F量越少。
A与F间的最后平衡。 结论：亚共析钢在两相区的转变与共析钢相比在相
同温度下的转变要慢得多。
欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获 得A组织（奥氏体化），然后再以不同的方式冷 却，发生不同转变，以获得不同的组织。
共析钢加热时,珠光体转变为奥氏体的过程_概述说明
共析钢加热时,珠光体转变为奥氏体的过程概述说明1. 引言1.1 概述共析钢是一种重要的金属材料，在工业领域应用广泛。
在制备和加热过程中，共析钢的组织会发生相变现象，其中最主要的转变是珠光体向奥氏体的转变。
这个转变过程对于共析钢的性能和性质具有重要影响，因此深入研究珠光体向奥氏体转变的机理和控制方法具有重要意义。
1.2 文章结构本文将从三个方面介绍共析钢加热时珠光体向奥氏体转变的过程。
首先，我们将概述共析钢珠光体和奥氏体之间的相变关系，并介绍组织特点和相变规律。
其次，我们将探讨影响珠光体向奥氏体转变的因素，包括加热温度、合金元素等。
最后，我们将详细介绍珠光体到奥氏体转变的动力学和热力学机制。
1.3 目的本文旨在系统地总结并分析共析钢加热时珠光体向奥氏体转变的过程，并提出相关实验方法与控制策略。
通过对已有研究的综合评价，我们将展望未来可能的研究方向，为共析钢相变行为的控制与应用提供参考。
接下来，将详细介绍第二部分内容，即“2. 共析钢的珠光体与奥氏体转变过程”。
2. 共析钢的珠光体与奥氏体转变过程2.1 共析钢的组织特点与相变规律共析钢是一种由珠光体和奥氏体组成的复合材料。
珠光体是一种具有层状结构的晶体，具有优异的韧性和强度；而奥氏体则是一种具有六角紧密堆积结构的晶体，具有较高的硬度和磁性。
在共析钢中，珠光体和奥氏体之间存在着相变现象，主要表现为加热时珠光体向奥氏体转变，降温时则呈反向转变。
这种相变过程对于共析钢的性能起着重要作用，并且在许多工业应用中都需要进行控制和调控。
2.2 加热过程中珠光体向奥氏体转变的影响因素加热过程中珠光体向奥氏体转变受到多个因素影响。
首先，温度是影响转变过程最重要的因素之一。
通常情况下，在高温条件下进行加热可以促使珠光体向奥氏体转变更快速。
其次，共析钢的化学成分也会对相变过程产生影响。
一些合金元素的加入可以降低转变温度和提高转变速率，从而改善共析钢的性能。
此外，晶体缺陷、应力状态以及加热速率等因素也会对珠光体到奥氏体的相变行为产生影响。
钢的热处理原理 (2)
钢的热处理原理9-1概述一、热处理的作用热处理是将钢在固态下加热到预定温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。
其目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能。
通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶几十个。
恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。
++热处理也是机器零件加工工艺过程中的重要工序。
此外，通过热处理还可以使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。
二、热处理和相图原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者发生类似纯铁的同素异构转变，即有固态相变发生的合金才能进行热处理。
纯金属、某些单相合金等不能用热处理强化，只能采用加工硬化的方法。
现以Fe- FeC相图为例进3一步说明钢的固态转变。
共析钢加热至Fe- FeC相3图PSK线（A线）以上全部转1 变为奥氏体；亚、过共析钢则必须加热到GS线（A线）和ES3 线（A线）以上才能获得单相cm 奥氏体。
钢从奥氏体状态缓慢冷却至A线以下，将发生共析转1 变，形成珠光体。
而在通过A3线或A线时，则分别从奥氏体cm中析出过剩相铁素体和渗碳体。
但是铁碳相图反映的是热力学上近于平衡时铁碳合金的组织状态与温度及合金成分之间的关系。
A线、A线和A13cm线是钢在缓慢加热和冷却过程中组织转变的临界点。
实际上，钢进行热处理时其组织转变并不按铁碳相图上所示的平衡温、Ac、Ac；而把冷却时的实际临界温度标以字13cm度进行，通常都有不同程度的滞后现象。
即实际转变温度要偏离平衡的临界温度。
加热或冷母“r”，如Ar、Ar、Ar等。
却速度越快，则滞后现象越严重。
图9-3表示钢加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响。
第六章 钢的奥氏体转变图
Hale Waihona Puke 3.转变产物 IT 转变是在一个温度进行的，其转变产物类型是一种。 CT 转变是在一个温度范围内进行的，其转变产物类型
可能不止 一种，有时是几种类型组织的混合。即使是同 一种类型的组织，也由于先期转变的与后期转变的因温度 不同，所得的组织粗细不同，如P→S→T ；B上→B下。
（2）碳化物形成元素，主要有铬、钼、钨、钒、钛等。这 类元素如熔入奥氏体中也将不同程度地降低珠光体转变和贝 氏体转变的速度；同时还使珠光体转变C曲线移向高温和贝 氏体转变C曲线移向低温。当钢中这类元素含量较高时，将 使上述两种转变的C曲线彼此分离，使IT 图出现双C曲线的 特征。这样，在珠光体转变与贝氏体转变温度范围之间就出 现了一个过冷奥氏体的高度稳定区，参见图 6-2（b）。
Fe3C的机械混合物，成为片状组织。但随着 T↓，片状 越细，按片层的粗细分别珠光体型组织划分为三类： 珠光体（P）、索氏体（S）、 屈氏体（T）
对T8而言，对应温度的相变组织和性能： A1～650℃： A→P 硬度 HRC32～11 650～600℃：A→S 硬度HRC32～38（属Fe、C原子
（三） IT 曲线与CT曲线的比较 1.用途
IT：仅能粗略地、定性地估计在连续冷却时的转变情况。 CT：能较准确地用来作为制定、分析热处理工艺的依据。 2.位置：CT在IT的右下方，即CT的过冷度、孕育期较IT大
图7含0.84%碳钢CT图与IT图
图8 40Cr钢IT图(虚线)与CT图
①13mm 钢板：油冷。按照等温转变图，应在690℃开始转变，640℃结 束，但实际上是660℃开始转变，590℃结束；
钢的奥氏体晶粒度与加热温度的关系（可编辑）
钢的奥氏体晶粒度与加热温度的关系实验一钢的奥氏体晶粒度与加热温度的关系一实验目的1了解测定奥氏体晶粒度的常用方法2 掌握用氧化法或直接腐蚀法显示钢的奥氏体晶粒及用比较法评定晶粒度3研究加热温度对奥氏体晶粒大小的影响二实验原理钢材加热到相变温度临界点AC1 或AC3 ACm 以上形成奥氏体组织由于钢种加热温度和保温时间等因素的不同所得到的奥氏体晶粒大小也不相同奥氏体晶粒大小可用晶粒直径d 或单位面积中晶粒数n 等方法表示为了方便生产上多采用晶粒度来表示晶粒大小奥氏体晶粒的级别G 与晶粒大小的关系是G-1n 22式中 n放大100 倍时每平方英寸645mm 面积内的平均晶粒数目根据奥氏体形成过程和晶粒长大的不同情况奥氏体晶粒度分为起始晶粒度实际晶粒度和本质晶粒度起始晶粒度系指奥氏体刚形成时晶粒的大小实际晶粒度是钢材在某一具体热处理加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小而本质晶粒度则是表示晶粒大小的一种尺度对钢来说如不特别指明晶粒度一般是指奥氏体化后的实际晶粒度而实际晶粒度主要受加热温度和保温时间的影响加热温度越高保温时间越长奥氏体晶粒越易长大粗大生产实践表明钢材加热时形成的奥氏体晶粒大小对冷却转变及对钢的力学性能与工艺性能均有很大影响例如粗大的奥氏体晶粒冷却后获得粗大的转变产物这种产物的塑性与韧性比细小的奥氏体晶粒转变产物差而且其屈服点亦较细小奥氏体晶粒转变者为低如果奥氏体晶粒过分粗大钢件在淬火时还易于变形和开裂高碳钢加热时如形成粗大的奥氏体晶粒淬火后残余奥氏体将增多致使刀具的硬度和耐磨性能降低另外细晶粒度的板材易于冲压加工可获得表面光洁的冲压件而粗晶粒的板材冲压时容易开裂冲压成型后的表面亦比较粗糙晶粒度是表示材料性能的重要指标是评定钢材质量的主要依据之一所以生产中常需测定奥氏体晶粒大小以保证产品质量钢中晶粒度的测定分为本质晶粒度和实际晶粒度的测定晶粒度的测定包括两个步骤即晶粒的显示和晶粒尺寸的测定或评级晶粒的显示是晶粒测定的先决条件常用的显示方法如下一奥氏体晶粒的显示1奥氏体本质晶粒的显示奥氏体本质晶粒度是指在930 ±10℃保温一定时间后的奥氏体晶粒大小本质晶粒度可以反映奥氏体晶粒长大倾向根据它能正确估计零件经过热处理后晶粒的大小从而评定零件的力学性能故在生产中常需要测定奥氏体本质晶粒度由于奥氏体在冷却过程中可能已发生相变冷至室温时已不再是奥氏体组织为显示处原奥氏体晶界需采取以下一些方法1 渗碳法渗碳体显示奥氏体晶粒广泛应用于渗碳钢或含碳量≤06的其它类型的钢种本法系采用渗碳热处理方法提高试样表面的含碳量渗碳后的试样表层为过共析成分试样在渗碳后缓慢冷却过程中先共析的渗碳体优先沿原奥氏体晶粒边界析出勾划出了奥氏体晶粒1为了在黑灰色珠光体组织的背景上显露出亮的碳化物渗碳体网常选用下列浸蚀剂腐蚀试样13～4硝酸酒精溶液晶界呈现白色网状碳化物2 5苦味酸酒精溶液晶界亦呈现白色网状碳化物3 沸腾的碱性苦味酸钠水溶液苦味酸2g氢氧化钠25g水100mL腐蚀时间为10～25min 晶界网状碳化物呈现黑色本方法对碳化物形成元素过多的钢由于难以形成完整的碳化物网络故不宜采用2 氧化法将预测晶粒度的钢试样加热到奥氏体状态保温一定时间使试样表面受到氧化由于晶界比晶内具有根大的化学活性故奥氏体晶界较晶粒内部更易于氧化适当地保温可使晶界发生氧化而晶粒内部不受影响故使奥氏体晶粒得以清晰地显示氧化法主要有气氛氧化法和熔盐氧化腐蚀法其中以气氛氧化法较为简便应用最多1气氛氧化法将试样两段面先用细砂纸磨光和抛光制成金相试样然后将试样的抛光面向上装入预先加热到860 ±10℃的具有氧化性气氛炉中普通空气炉加热并在该温度保温 1h试样在加热和保温过程中暴露氧化待试样保温后出炉水冷水冷是为了避免铁素体呈块状析出以防铁素体晶界与奥氏体晶界相混淆造成误评再将水冷后的试样仔细研磨和抛光使晶粒表面的氧化膜几乎完全磨去而晶界处的氧化物只部分被磨掉在显微镜下借助晶界处的黑色氧化物即可显示出高温时的奥氏体晶粒大小如用15盐酸酒精溶液或2～4硝酸酒精溶液浸蚀试样磨面则所形成的黑灰色网络将显露得到更为清楚选择试样的奥氏体晶界轻微氧化或轻度脱碳区域观察晶粒度时沿氧化了的奥氏体晶界形成槽形凹沟可在显微镜下清晰地聚焦成线状它与真实的奥氏体本质晶粒度最为接近奥氏体晶粒显示的结果是否清晰准确关键在于试样冷却后的研磨与抛光研磨过少只能看到氧化膜而看不到晶界研磨过多则可能将氧化晶界全部磨掉这样就无法观测奥氏体晶粒大小因此应严格控制研磨量此法的缺点是所显示的往往为保温初期的奥氏体晶粒大小2 熔盐氧化腐蚀法将制备好的金相试样放入预先加热至 930 ±10℃不氧化的碳酸钠盐浴硼砂槽或其它盐浴中加热保温3h 后再转入成分为BaCl2 13NaCl 13CaCl 13 重量比未经脱氧的盐浴中进行腐蚀腐蚀温度为930 ±10℃腐蚀时间为2～5min腐蚀后的试样在煤油后的试样在煤油中冷却然后用冷水洗净酒精冲洗吹干经适宜的抛光在显微镜下放大100 倍进行观察如氧化网络不清晰时可用4苦味酸酒精溶液浸蚀氧化法适用于显示各种钢的奥氏体本质晶粒度尤以中碳钢及中碳合金钢为宜3 网状铁素体法此方法仅适用于亚共析钢对中碳调质碳素钢较为合适而对某些亚共析合金钢即使在很小的冷却速度下铁素体也不呈网状故此法不宜选用将欲测试样加热含C≤035 时为900 ±10℃保温300min当C＞035 时为860±10℃保温30min 水冷或空冷在冷却过程中当通过临界温度区域时先共析铁素体优先沿奥氏体晶粒边界析出呈网状分布晶粒内部为珠光体除去试样表面层根据围绕在奥氏体晶粒周围的网状铁素体测定钢的本质晶粒度对接近共析成分的亚共析钢在奥氏体化后可预先缓慢冷却至 700～730℃等温保持十几分钟后在空冷到室温也可得到明显的铁素体网网状铁素体法显示奥氏体晶粒的浸蚀剂可采用3～4硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶液腐蚀后晶界呈白色网状铁素体冷却速度是决定铁素体网勾划出奥氏体晶界质量好坏的关键如果冷却速度过快铁素体网未能布满奥氏体晶界易产生奥氏体晶粒过大的错觉若冷却太慢铁素体堆积成块状也难以显示出奥氏体晶界所以对不同钢种的冷却速度应通过多次试验选择确定24 网状渗碳体法适用于过共析钢的奥氏体晶粒的显示将试样加热到820±10℃保温30～60min 后炉冷到600℃冷却速度约80～100℃h 出炉以保证渗碳体呈网状分布除去试样表面氧化层制成金相试样用3～4硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶液浸蚀此时晶界网状碳化物呈现白色根据碳化物沿奥氏体晶界析出的网络测定钢的奥氏体晶粒度晶粒内部是珠光体5 网状珠光体法一端淬火法适用于淬透性较低的碳素钢和低合金钢以及不能获得完整铁素体或渗碳体网的钢如含碳量接近共析成分的钢实验时可采用Φ20mm ×40mm 的圆柱形试样现将试样加热到900 ±10℃保温1h然后自炉中取出一端淬入水中冷却约入水13～25 长度冷却时不要上下运动只可水平移动试样另一端在空气中冷却由于试样从下端之上端冷却速度逐渐减小因而沿轴向的组织依次由马氏体向珠光体过渡经过这样处理的试样沿纵向磨去约2～3mm 厚以后制成金相试样在淬硬与未淬硬的过渡区则可以找到黑色屈氏体优先沿奥氏体晶界析出的区域在屈氏体网所包围的内部则为灰白色的马氏体根据黑色屈氏体网可以测定钢的晶粒度所用浸蚀剂与网状铁素体法相同6 化学试剂腐蚀法此方法分为直接腐蚀法和马氏体腐蚀法1直接腐蚀法将试样加热到900 ±10℃保温1h 后水冷淬火获得马氏体和贝氏体组织有的钢种还需经过一定温度的回火除去试样表面脱碳层和氧化层制成金相试样选用具有强烈选择性腐蚀的腐蚀剂浸蚀使原奥氏体组织晶界变黑而基体组织腐蚀轻微从而直接显现奥氏体晶粒本法适用于合金化高的能直接淬硬的钢如高淬透性的铬镍钼钢等直接显现奥氏体晶界的腐蚀剂成分与使用条件是①含有05～1烷基苯碘酸钠 100mL 饱和苦味酸水溶液亦可用合成洗衣粉代替烷基苯磺酸钠浸蚀时间依温度不同20～70℃可选用05min 至3h由试验确定如再向此腐蚀剂中加少量医用消毒剂新洁尔灭则能更好控制腐蚀使样品更加清晰②含有 01～015g 十二醇硫酸钠的 100mL 饱和苦味酸水溶液加热到30℃浸蚀约100min 即可上述两种腐蚀剂都可抑制马氏体组织出现促使奥氏体晶界的显示采用直接腐蚀法显示奥氏体晶粒的常用钢种热处理工艺列于表1-1表1-1 直接显示奥氏体晶粒的热处理工艺钢号淬火工艺回火工艺12CrNi3A 930℃保温15～3h 水冷不经回火12Cr2Ni4A20CrNi3A40Cr 或45Cr60 碳钢38CrMoAlA 930℃保温15～3h 水冷 200～250 ℃保温15～30min 空冷18Cr2Ni4WA 4000 ℃保温30min 空冷40CrNiMoA 930℃保温15～3h 油冷不经回火18CrMnTi38CrA30CrMnSiA30CrMnSiNi2A 930℃保温15～3h 水冷 500℃保温300min 空冷30CrMnNi2MoA 600℃保温300min 空冷32 马氏体腐蚀法适用于淬火是得到马氏体的钢先将试样加热到930℃保温3h 后淬火得到马氏体然后再进行150～250℃15min 短时间回火以增加衬度选用适当腐蚀剂浸蚀由于原始奥氏体各晶粒位向不同则各晶粒间马氏体被腐蚀的深浅亦不同借此衬度颜色差异而显示出奥氏体晶粒大小为得到清晰的组织可重复进行抛光和腐蚀此法腐蚀剂可用1g 苦味酸5mL 盐酸100mL 酒精或 1g 氯化铁15mL 盐酸100mL酒精马氏体腐蚀法对粗大奥氏体晶粒较为有效但对细晶粒奥氏体以及钢中存在带状和树枝状偏析腐蚀时会出现混杂图形影响正确测定另外还有真空法高温金相法和氢气脱碳法等但因测试条件所限尚未普遍应用如选用时可参阅有关资料2实际晶粒度的显示测定实际晶粒度时试样直接在交货状态的钢材或零件上切取在切取及制备试样过程中应避免冷热加工的影响试样一般不经任何预先热处理直接测定制备好的试样用适合的腐蚀剂浸蚀而显示晶粒但这种方法因钢的种类化学成分及状态的不同其效果亦有所不同应根据试验实践选择确定对结构钢淬火和调质状态的原奥氏体晶粒的显示常用的腐蚀剂为1 饱和苦味酸水溶液2 结晶苦味酸4g 水100mL加热至沸腾浸蚀时间约15～20s3 饱和苦味酸水溶液海鸥牌洗净剂混合试剂饱和苦味酸水溶液100mL 加海鸥牌洗净剂1g4 饱和苦味酸水溶液加少量新洁尔灭5 10苦味酸乙醚溶液加盐酸1～2 mL对于结构钢在正火和退火后还常测定其铁素体晶粒度其方法是将试样研磨抛光后以5的硝酸酒精溶液腐蚀约15s 后进行观察并与铁素体标准级别图相比较来评定晶粒度对于大多数钢种淬火回火态的原奥氏晶粒的显示以苦味酸为基的试剂较适宜试剂成分为饱和苦味酸水溶液 100mL洗净剂10mL酸微量对不同钢种和不同热处理状态的原奥氏体晶粒的显示只要适当改换微量酸的种类盐酸硝酸和磷酸等和调整微量酸的加入量5～10 滴就可获得良好的效果高速钢淬火后一般均需测定奥氏体晶粒度以间接考察马氏体针的粗细作为判定淬火加热温度高低和工具热处理质量的主要依据从而控制合适的淬火温度另外分析高速钢成品刀具或进行缺陷分析时还需要检验回火后的晶粒度高速钢奥氏体晶界可用4硝酸酒精溶液或表 1-2 所列试剂浸蚀显示然后按晶粒度评级标准图依不同产品和材料确定不同的晶粒度要求表1-2 高速钢晶粒显示试剂成分编号饱和苦味酸水溶液浓硝酸浓盐酸乙醇甲醇海鸥洗净剂Ⅰ 15 1 25 50Ⅱ10 30 595 05Ⅲ 20 10 30 40注Ⅰ号试剂可用以显示淬火回火后的晶界和马氏体形态Ⅱ号试剂可用以显示淬火回4火后的晶界Ⅲ号试剂可用以显示淬火回火后的晶界深腐蚀可显示马氏体形态如果切取及制备试样借腐蚀直接观察难以分辨晶粒边界无法测定原奥氏体晶粒大小时试样可经适当热处理后再进行测定具体试验方法可按有关规定进行二奥氏体晶粒度的评定奥氏体晶粒度的评定有比较法和截点法两种一般多采用比较法1比较法比较法评定晶粒大小是通过与标准评级图相比较来确定晶粒度级别的图1-1 是钢的晶粒度标准级别图选用此法测定晶粒度时是先将制备好的试样在放大100 倍的显微镜下全面观察晶粒然后选择晶粒度具有代表性的视场与标准级别图比较当二者大小相同时试样的晶粒度就是标准级别图上所标定的级别如试样晶粒大小不均匀时若占优势晶粒所占面积不少于视场的 90时则可记录些一种晶粒的级别数否则应用不同级别来表示该钢的晶粒度其中一个级别代表占优势的晶粒级别例如8 级75 4 级25 等当钢的晶粒过大或过小而用100 倍的放大倍数不方便时可改用其它放大倍数观察和评定然后按照表1-3 的关系换算成100 倍下的标准级别表1-3 常用放大倍数下晶粒度级别数间关系表图像的放与标准评级图编号等同图像的晶粒度级别大倍数 No1 No2 No3 No4 No5 No6 No7 No8 No9No1025 -6 -2 -1 0 1 8 3 4 5 650 -1 0 1 2 3 4 7 6 7 8100 1 2 3 4 5 6 5 8 9 10200 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12400 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14800 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16钢的晶粒度标准评级是将钢中晶粒度分为8 级其中1～4 级的属粗晶粒5～8 级的为细晶粒8 级以上称为超细晶粒比较法评定晶粒度简便迅速但不够准确2 截点法当晶粒度测量准确性要求较高或晶粒为椭圆形时一般采用截点法1 等轴晶粒计算法当欲测定的奥氏体晶粒基本上是等轴时可先进行初步观察以确定晶粒的均匀程度然后选择有代表性的部位和适合的放大倍数测定时先用100 倍观察当晶粒过大或过小时可适当缩小或放大显微镜倍数以在80mm 视场直径内不少于50 个晶粒为限再将所选定部位的图像投影在毛玻璃上计算与一条直线相交截的晶粒数目截点数直线要有足够长度L 以使与直线相交截的截点数目不少于 10 个计算时直线端部未被完全交截的晶粒应以一个晶粒计算之选择三条以上不同部位的直线来计算相截的截点数用相截的截点总数Z 除所选用的直线总长度实际长度以mm 计得出弦的平均长度a mm 再以弦的平均长度值根据晶粒级别对照表便可确定钢的晶粒度弦的平均长度为nLdZ Z Z M1 2 35式中M显微镜的放大倍数截点法也可在带有目镜测微尺的显微镜下通过平行移动视场直接观察计数一般也是测Z 个晶粒的总长度再求弦的平均长度a2 非等轴晶粒计算法沿试样的三轴线分别计算出各轴线方向每 1mm 长度的平均节点数量每一轴线方向的平均截点数必须在不少于三条直线下求得3由试样的三个轴线方向得出每1mm 长度的平均截点数量值按下式计算出每 1mm 内平均截点数N 07n n n纵横法3式中 n每1mm 内平均截点数n 纵纵向上每1mm 长度平均截点数n 横横向上每 1mm 长度平均截点数n 法横向上每 1mm 长度平均截点数07晶粒扁圆度系数由上式计算出n 值根据晶粒级别对照表确定钢的晶粒度三实验设备及材料根据实验所采用的测定奥氏体晶粒度的方法选用所需要的设备和材料 1中温和高温热处理加热炉2 金相显微镜配有目镜测微尺3制备金相试样所需物品砂轮机抛光机砂纸腐蚀剂2～4硝酸酒精溶液或饱和苦味酸水溶液等4 晶粒度标准级别图5试验钢材20CrNi3A 40Cr 45 钢或T8T12CrWMn 等钢试样尺寸圆形试样Φ10～20mm ×15mm或矩形试样10mm×10mm×20mm6图1-1 晶粒度标准级别图四实验内容及步骤采用氧化法或直接腐蚀法显示钢的奥氏体晶粒并用比较法或计算法评定晶粒度级别同时验证加热温度对奥氏体晶粒大小的影响实验步骤如下一分组试验人员按不同加热温度分成若干组试样的加热温度为850℃900℃930℃950℃1000℃1100℃等二试样奥氏体晶粒的显示进行测定奥氏体晶粒度时先选用下列一种方法显示出奥氏体晶粒1氧化法1 每人取试样一块将其两端面研磨并抛光制成金相磨片2 将制备好的试样分别放置于加热到上述规定温度的热处理炉中试样磨面向上并应使加热和氧化均匀一致试样在指定温度保温30min 后取出放入水中冷却3 将冷却后的试样磨面在 04 号砂纸上仔细研磨待磨面磨至大部分发亮时进行抛光为找到一个合适的评级区域可将试样研磨抛光成一个倾斜面10o～15o有时还可配合显微镜观察控制研磨量4 试样抛光后若晶界显示不清晰时可采用浸蚀剂将试样磨面适度浸蚀便可清晰地显示出奥氏体晶界网络2直接腐蚀法1 选用20CrNi3A 或40Cr 等钢制成Φ10mm×10～20mm 圆形或矩形试样2 先将试样放入规定温度的热处理炉中加热加热到温后保温 30min 然后迅速淬入水中冷却以获得马氏体组织3 淬火后的试样磨去脱碳层制成金相试样选用含有 05～1烷基苯磺酸盐的7100mL 苦味酸饱和溶液等腐蚀剂浸蚀由于晶粒边界被腐蚀变黑依次测定奥氏体晶粒度腐蚀时间根据试验条件经试验确定配置腐蚀剂时应煮沸和充分溶解4 为获得更清晰光亮的组织试样可经二次或三次腐蚀抛光重复进行或向腐蚀剂中加少量新结尔灭或将腐蚀剂加热到50～60℃后腐蚀均可3网状铁素体法采用网状铁素体显示亚共析钢的奥氏体晶粒其热处理条件与氧化法相同但是试样预先不需研磨在加热过程中应防止氧化冷却速度应依次不同钢种恰当选择通常对低碳钢可选用油冷中碳钢选用空冷中碳合金钢选炉冷三评级待奥氏体晶粒显示后即可根据试验条件和需要采用比较法或计算法评定试验钢材试样奥氏体晶粒度级别五实验报告要求1写出对实验目的及所选用奥氏体晶粒显示和评级方法原理的简要叙述2 记录及画表格列出全组或全班实验结果并确定本实验用钢奥氏体晶粒度级别3绘出实验用钢或不同实验用钢加热温度与奥氏体晶粒长大关系曲线或比较不同实验用钢奥氏体晶粒长大的倾向性并说明加热温度对奥氏体晶粒大小的影响4 实验结果的分析讨论8实验二钢的淬透性一实验目的1了解钢的淬透性测定方法2 掌握用末端淬透性试验法测定钢的淬透性3研究合金元素等对钢的淬透性的影响二实验原理钢的淬透性是结构钢与工具钢的重要热处理工艺性能之一钢的淬透性对钢材的组织及性能有着十分重要的影响因而钢的淬透性亦是机械零件设计时选择钢种和生产上制定热处理工艺的主要依据之一为了合理地选择和使用工业用钢以及正确地进行钢的热处理对钢的淬透性进行测定和了解具有很大的实际意义一淬透性的本质与评定钢的淬透性也称可淬性是指钢在淬火时能够获得马氏体的能力它是钢材本身固有的一个属性它主要与钢的过冷奥氏体稳定性或钢的临界淬火冷却速度有关淬火是最常用的一种热处理工艺对结构钢和工具钢来说淬火是为了获得马氏体组织零件淬火时表面冷却快愈向心部冷却愈慢如果中心点的冷却速度达到或超过该钢种的临界淬火速度则钢件整个界面均可得到马氏体组织即钢件被淬透而当心部冷却速度小于临界淬火速度时则将在心部出现非马氏体称为未淬透在未淬透的情况下全淬成马氏体的区域就是淬硬层或淬透层钢件经淬火后一般从表面到心部一定深度均可获得马氏体组织这种马氏体组织的深度通常称为淬透层深度或淬硬层深度钢的淬透性反映了钢在淬火时获得马氏体的能力因此通常用标准尺寸试样在一定条件下淬火而得到的淬硬层深度h 或全部淬透的最大直径DC 来表示淬透性大小然而由于不同钢种的淬透性不同故其淬硬层深度以及能淬透的最大直径也不同淬硬层深度及直径愈大表面该钢种的淬透性愈高在实际的淬火钢件中由于从表面到中心各个部位的冷却速度不同因而各部位的组织和性能也就不同从表面全部马氏体组织开始向内依次为屈氏体索氏体珠光体甚至在心部出现铁素体此时显然应以全部马氏体组织或包含有很少量残余奥氏体组织层的深度作为判定淬透性的标准但是实际上当马氏体组织中含有 5～10非马氏体组织时是很难准确分辨出来的在硬度上亦无法测量出来因此现多采用由表面至半马氏体组织即50马氏体和50非马氏体组成的距离为淬透层深度并以此深度作为判定淬透性的标准这是因为半马氏体区域硬度变化显著很容易测量在酸蚀的断面上呈现出明显的明暗分界面见图2-1因此可以认为淬火后的马氏体组织大于50的部分即是被淬透的半马氏体组织的硬度主要与含碳量有关如图2-2 所示实践证明对碳素钢和不具有复杂奥氏体等温转变曲线的低合金钢及中合金钢采用半马氏体作为判定淬透性的标准是没有重大误差的但近年来贾查克Jatezak 等认为在淬火钢中存在 50的非马氏体组织与。
钢的奥氏体晶粒度与加热温度的关系
2
(4) 网状渗碳体法 适用于过共析钢的奥氏体晶粒的显示。将试样加热到 820±10℃， 保温 30～60min 后，炉冷到 600℃（冷却速度约 80～100℃/h）出炉，以保证渗碳体呈网状 分布。除去试样表面氧化层，制成金相试样，用 3%～4%硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶液浸 蚀，此时晶界网状碳化物呈现白色。根据碳化物沿奥氏体晶界析出的网络。测定钢的奥氏体 晶粒度，晶粒内部是珠光体。 (5) 网状珠光体法（一端淬火法） 适用于淬透性较低的碳素钢和低合金钢以及不能获 得完整铁素体或渗碳体网的钢。如含碳量接近共析成分的钢。 实验时，可采用Φ 20mm×40mm 的圆柱形试样，现将试样加热到 900±10℃，保温 1h， 然后自炉中取出，一端淬入水中冷却（约入水 1/3～2/5 长度） ，冷却时不要上下运动，只可 水平移动；试样另一端在空气中冷却。由于试样从下端之上端冷却速度逐渐减小，因而沿轴 向的组织依次由马氏体向珠光体过渡。 经过这样处理的试样， 沿纵向磨去约 2～3mm 厚以后， 制成金相试样， 在淬硬与未淬硬的过渡区， 则可以找到黑色屈氏体优先沿奥氏体晶界析出的 区域。在屈氏体网所包围的内部则为灰白色的马氏体。根据黑色屈氏体网，可以测定钢的晶 粒度，所用浸蚀剂与网状铁素体法相同。 (6) 化学试剂腐蚀法 此方法分为直接腐蚀法和马氏体腐蚀法。 1）直接腐蚀法。将试样加热到 900±10℃，保温 1h 后水冷淬火，获得马氏体和贝氏体 组织，有的钢种还需经过一定温度的回火。除去试样表面脱碳层和氧化层，制成金相试样， 选用具有强烈选择性腐蚀的腐蚀剂浸蚀，使原奥氏体组织晶界变黑，而基体组织腐蚀轻微， 从而直接显现奥氏体晶粒。 本法适用于合金化高的能直接淬硬的钢，如高淬透性的铬镍钼钢等。 直接显现奥氏体晶界的腐蚀剂成分与使用条件是： ① 含有 0.5%～1%烷基苯碘酸钠 100mL 饱和苦味酸水溶液（亦可用合成洗衣粉代替烷 基苯磺酸钠） ；浸蚀时间依温度不同（20～70℃） ，可选用 0.5min 至 3h，由试验确定。如再 向此腐蚀剂中加少量医用消毒剂新洁尔灭，则能更好控制腐蚀，使样品更加清晰。 ② 含有 0.1～0.15g 十二醇硫酸钠的 100mL 饱和苦味酸水溶液，加热到 30℃，浸蚀约 100min 即可。 上述两种腐蚀剂都可抑制马氏体组织出现，促使奥氏体晶界的显示。 采用直接腐蚀法显示奥氏体晶粒的常用钢种热处理工艺列于表 1-1。 表 1-1 直接显示奥氏体晶粒的热处理艺 钢号 12CrNi3A 12Cr2Ni4A 20CrNi3A 40Cr 或 45Cr 60 碳钢 38CrMoAlA 18Cr2Ni4WA 40CrNiMoA 18CrMnTi 38CrA 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A 30CrMnNi2MoA
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2. 奥氏体转变机制 以共析钢为例
(1) 奥氏体的形核
形核的成分、结构条件
点阵结构： 体心立方 复杂正交 面心立方
奥氏体形核必须依靠系统内的能量起伏、 浓度起伏和结构起伏来实现
形核位置
通常在铁素体和渗碳体的相界面处
珠光体团的边界 先共析铁素体镶嵌块边界
(1) 在两相界面处，碳原子的浓度差较大，有利于获 得形成奥氏体晶核所需的碳浓度；
K
6.69
Fe3C
2.1 奥氏体及其特点
1. 奥氏体的晶体结构
① 碳原子溶于γ–Fe形成的间隙固 溶体； 表示：A或γ
②碳原子处于八面体中心间隙位置 (面心立方晶胞的中心或棱边中点)
③但奥氏体的最大溶C量(溶解度) 仅为2.11%
C原子进入γ–Fe点阵间隙位 置引起γ–Fe点阵膨胀；C%增加， 奥氏体点阵常数增大
3. 奥氏体的性能
奥氏体是钢中的高温稳定相，但若钢中加入足够量 的能够扩大 相区的元素，则可使奥氏体在室温成为 稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状 态，以奥氏体状态使用的钢成为奥氏体钢。
Fcc结构 塑性 加工成形性好 最密排的点阵结构 比体积小 铁原子的扩散系数小 热强性好 高温用钢 线膨胀系数大 制作热膨胀灵敏的仪表元件 导热性能差 不宜采用过大的加热速度，以免引
(2) 两相界面处，原子排列不规则，铁原子有可能通 过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，从而促 使奥氏体形核，即形核所需的结构起伏较小；
(3) 在两相界面处，杂质及其它晶体缺陷较多，具有 较高的畸变能，新相形核时可能消除部分晶体缺 陷而使系统的自由能降低。
两相界面处形核，容易满足奥氏体晶核 形成所需的能量起伏、浓度起伏和结构 起伏，有利于晶核的形成。
通过Fe3C中的碳原子向 中扩散和铁原子向贫碳 Fe3C扩散以及Fe3C向 晶体点阵改组完成的。
(4) 奥氏体成分均匀化
综上所述，奥氏体形成分为四个阶段:
(1)奥氏体在铁素体—渗碳体界面上形核； (2)奥氏体向铁素体和渗碳体两侧长大； (3)剩余渗碳体的溶解 (4)奥氏体中碳的扩散均匀化。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程
2.1 奥氏体及其特点
1. 奥氏体的晶体结构
④ C原子在A当中分布是不均匀 的，存在浓度起伏
⑤ 合金元素(Mn, Si, Cr, Ni, Co) 等在γ–Fe中取代Fe原子的位置 而形成置换式固溶体
2. 奥氏体的组织形态
奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度、加热转 变的程度有关。一般由多边形等轴晶粒组成。这种形态 也称为颗粒状，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶 。
(1) 珠光体的奥氏体化过程
与共析钢基本相同，当加热温度仅超过Ac1时， 原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍保留一部 分先共析铁素体或先共析渗碳体，该过程称为不 完全奥氏体化过程。
(2) 先共析相的奥氏体化过程
只有当加热温度超过Ac3或Accm，并保温足够时 间，才能获得均匀单相奥氏体，此时称为完全奥 氏体化。
➢ 加热和冷却速度越快偏差越大。
0.125 ⁰C/min
加热时：
实际转变温度移向高温，以 Ac表示Ac1、Ac3、Accm
冷却时：
实际转变温度移向低温，以 Ar表示Ar1、Ar3、Arcm
钢在加热和冷却时临界温度的意义
Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开 始温度； Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度； Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度； Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度； Accm ——加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度; Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。
3. 奥氏体转变动力学
Fe-C相图只给出了热力学的平衡状况，无法给出奥氏体组 织状况（均匀性、晶粒大小等），须考虑时间的影响；
实际热处理中须控制奥氏体化程度，这就须了解奥氏体形 成速度。
共析钢奥氏体等温形成动力学图
将一组共析碳钢试样迅速加热至Ac1点以上不同温 度，保温不同时间后在盐水中急冷至室温，测出每个试 样中的马氏体转变量，作出各温度下奥氏体形成量与保 温时间的关系曲线，即为奥氏体等温形成动力学曲线。
(2) 奥氏体晶核长大
通过渗碳体的溶解、碳原子在奥氏体中的扩散，以及 奥氏体两侧的界面向铁素体和渗碳体推移来实现的。
(3) 残留碳化物溶解
当铁素体完全转变为奥氏体时，仍有部分渗碳体没有 转变为奥氏体，称为残余碳化物。 (1)A/F界面向F推移速度>A/Fe3C界面向Fe3C推移
速度 (2) 刚形成的A平均碳含量<P含碳量
原始组织
加热方式
平衡组织 非平衡组织
等温加热 连续加热
1. 奥氏体转变热力学 相变驱动力
奥氏体形成的热力学条件：必 须在一定的过热度（T > A1） 条件下才能发生。
实际生产
➢ 加热和冷却时的相变是在不平衡的条件下进行的；
➢ 相变温度与平衡临界温度之间有一定差异；
➢ 加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温；
共析钢奥氏体等温形成动力学图
动力学曲线特点：
(1) 在高于Ac1温度加热保温时，奥氏体 并不立即生成，而是经过一定的孕育期 后才开始形成。
(2) 在整个奥氏体形成过程中，奥氏体的 形成速率不同。转变初期，转变速率随 时间的延长而加快，当转变量达到50% 左右时转变速率最大，随后转变速率又 随时间的延长而减慢。
第2章 钢在高温加热时 的奥氏体转变
研究奥氏体转
δ
J
NH
γ
铁碳相图
L L+γ
E (2.11) C (4.3)
D
L+ Fe3C
F
G
α+γ
P (0.0218) S (0.77)
γ+ Fe3C
A1 (727ºC)
珠光体(P)
α α+ P
Q Fe
P+ Fe3C α+ Fe3C
C% →
起工件变形 顺磁性 无磁性钢，相变点和残留奥氏体的测定
2.2 钢的奥氏体等温转变
根据Fe-Fe3C相图，当把钢缓慢加热到共析温度以上时，珠 光体将向奥氏体转变。钢在热处理时，通常第一道工序就是把 钢加热，使之形成奥氏体组织。
通常把钢加热到临界温度以上获得奥氏体的转变过程称为奥 氏体化过程。
加热时钢中奥氏体的转变过程与条件，对最终形成的奥氏 体晶粒尺寸、形态、转变完善程度(如元素的均匀化程度)等有 重要影响，而所有这些又都必然影响到热处理后钢的最终组织 和性能。