第五章钢在加热时的转变1
第五章 钢的热处理1.2节1
2、临界温度与实际转变 、 温度 铁碳相图中PSK、GS、ES 铁碳相图中 线分别用A 表示. 线分别用 1、A3、Acm表示
第一节 钢在加热时的转变
加热是热处理的第一道工序。 加热是热处理的第一道工序。 一、奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大 的过程，分为四步。 的过程，分为四步。现以 共析钢为例说明： 共析钢为例说明：
第五章 钢的热处理
改善钢的性能，主要有两条途径： 改善钢的性能，主要有两条途径： 一是合金化，这是下几章研究的内容； 一是合金化，这是下几章研究的内容； 二是热处理，这是本章要研究的内容。 二是热处理，这是本章要研究的内容。
概述
1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却， 、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却， 以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺 以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺. 为简明表示热处理 的基本工艺过程， 的基本工艺过程， 通常用温度—时间 通常用温度 时间 坐标绘出热处理工 坐标绘出热处理工 艺曲线。 艺曲线。
第四步 奥氏体成分均匀 溶解后， 化：Fe3C溶解后，其所 溶解后 在部位碳含量仍很高， 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。 体成分趋于均匀。
温 度 ， ℃
共析钢奥氏体化曲线（ 共析钢奥氏体化曲线（875℃退火） 曲线 ℃退火）
共析钢奥氏体化过程
亚共析钢和过共析钢的奥 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α 相同。但由于先共析α 或 二次Fe 的存在 的存在， 二次 3C的存在，要获得 全部奥氏体组织， 全部奥氏体组织，必须相 应加热到Ac3或Accm以上 以上. 应加热到
冷却是热处理更重要的工序。 冷却是热处理更重要的工序。 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥 过冷奥氏体。 处于临界点 以下的奥氏体称过冷奥氏体 氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。 氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。转变产物取 决于它的转变温度
第5章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
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。
45钢经840℃加热在不同条件冷却后的力学性能
过冷奥氏体：冷却到相变温度以下且尚未转变的 奥氏体，处在不稳定的过冷状态。
第五章 钢的热处理
冷却方式： （1）连续冷却：将钢加热到一定温度，并以一定的冷却 速度连续冷却到室温的冷却方式。 （2）等温冷却：将 钢加热到一定温度，先 以较快的冷却速度，冷 却到Ar1线以 下某一温 度进行保温，使过冷 奥 氏体在恒温下发生组织 转变， 待转变结束后再 迅速冷却到室 温的冷却 方式。
第五章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
引言：
1、热处理的概念
将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得 所需组织与性能的工艺。
2、热处理的目的
（1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能
第五章 钢的热处理
第一节 钢的热处理原理
1.概念：将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织， 获得所需性能的工艺方法。
650 550
2s
40s
2s
10s
5s
第五章 钢的热处理
温度 (℃ ) 800 700 600 500 400 A1
300 200 100 0
-100 0 1 10 102 103 104 时间(s)
第五章 钢的热处理
温度 ( ℃) 800 700 600 500
（二）共析碳钢 TTT 曲线的分析
第五章 钢的热处理
珠光体、索氏体、屈 氏体三种组织无本质 区别，只是形态上的 粗细之分。片间距越 小，钢的强度、硬度 越高，而塑性和韧性 略有改善。
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。
gc05-1钢的热处理
1. 奥氏体是同时消耗两相来长大； 2. 实际上总是铁素体先消失，随后残余渗碳体 的溶解； 3. 奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均 成分，随后所含其它合金元素经扩散达到成 分均匀； 4. 在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核 心； 5. 亚(过)共析钢中过剩相的溶解(温度达到AC3或 Accm以上)。
奥氏体碳质量分数 与MS、Mf的位臵关系
碳质量分数 与残余A量的关系
②马氏体的形态 马氏体的形态有两类，主要取决于含碳量
●碳质量分数大于1.0%时，为片状马氏体 （高碳马氏体）。在光学显微镜中呈凸透镜状， ●碳质量分数在0.25%以下时，为板条马氏体 马氏体针之间形成一定角度(60°)。透射电镜分 （低碳马氏体）。 ●碳质量分数在0.25～1.0%之间时，为板条 析，片状马氏体内有大量孪晶，也称孪晶马氏体 在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在 马氏体和针状马氏体的混和组织。 或针状马氏体。 高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错 缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。
加热、冷却时材料内部的微观结构如 何变化（热处理原理）？
问题2： 热处理工艺有哪些？工程实际中有何 应用？
根据加热和冷却及应用特点的不同，常用的热处理方法的大致 分类有：
第一节 钢在加热时的转变
一、奥氏体的形成
1.钢在加热时的临界温度 大多数热处理工艺将钢加热到临界温度以上， 获得全部或部分奥氏体组织，进行奥氏体化。
本质细晶粒钢：晶粒细小。 本质粗晶粒钢：晶粒粗大。
2. 影响奥氏体晶粒度的因素 （1）加热温度、加热速度和保温时间 加热温度越高或保温时间越长，奥氏体晶粒 长大越明显；而高温、快速、短时加热可获得细 小晶粒。 （2）钢的成分 ●奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增 大。未溶碳化物则阻碍晶粒长大。 ●钛、钒、铌、锆、铝有利于得到本质细 晶粒钢。碳化物、氧化物和氮化物弥散分布在 晶界上，能阻碍晶粒长大。 ●锰、磷促进晶粒长大。
第五章 钢的热处理
等温退火
加热温度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度 组织：P 目的： ①与完全退火、球化退火相同 ②更均匀的组织和硬度 ③显著缩短生产周期 应用范围：高碳钢，合金工具钢，高合金钢。
球化退火（不完全退火）
加热温度：Ac1以上20-40度 应用范围：过共析钢，共析钢 组织：球状P（F+球状FeC3） 目的： ①使FeC3球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑ ②为淬火作准备
钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶 粒度 表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向 本质细晶粒钢
本质粗晶粒钢
本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图
图5-5
第二节 钢的冷却转变
一、过冷奥氏体 二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的 影响 三、过冷奥氏体等温转变曲线 四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性 能 五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线
三、过冷奥氏体等温转变曲线
温 度 ℃ 700 600 550 500 400 300 200 100
2 3 4 5 6
Ar
Ms
1
10 10 10
10
10 10
时间（s）
图5-8
共析碳钢过冷A等温曲线的建立
图5-9
四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能
珠光体转变 贝氏体转变
马氏体的组织与形态
一、奥氏体化前的组织
我们只考虑比较简单的情况即奥氏体化前的 组织为平衡组织的情况。 对于亚共析钢 → F+P 共析钢 → P 过共析钢 → Fe3CⅡ+P
二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系
对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条 件下的相变温度； 对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件 下的相变温度。 这个温差叫滞后度。加热转变 → 过热度， 冷却转变 → 过冷度，且加热与冷却速度越大，温 度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越 大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动 力的增大，从而使相变容易发生。
第一节 钢在加热和冷却时的转变
板条马氏体 针状马氏体
23
图12 马氏体透射电镜图
（二）奥氏体转变产物的组织和性能
(4) 马氏体转变的特点 马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点
3. 马 氏 体 转 变
是： ①无扩散性 铁和碳原子都不 扩散，因而马氏 体的含碳量与奥 氏体的含碳量相 同。
图13 马氏体组织图
3. 马 氏 体 转 变
状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶 马氏体。
光镜下
21
电镜下
图12 针状马氏体结构图
（二）奥氏体转变产物的组织和性能
70 60 硬度 ( HRC ) 50 1400 40 1000 30 20 10 600
(3) 马氏体的性能
2000 1800
200
0
0.1
0.2
0.3
A1～550℃;高温转变 区;扩散型转变; P 转变 区。
550～230℃;中温转变 区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;
物
0
1
10
102
103
104
时间(s)
图 9 3 共析钢C曲线分析
（二）奥氏体转变产物的组织和性能
（1）普通珠光体 形成温度为A1～650℃，片层较厚，500倍 光镜下可辨，用符号P表示.
3. 马 氏 体 转 变
转变为马氏体类型组织。
马氏体转变是强化钢的重 要途径之一。 (1) 马氏体的晶体结构 碳在-Fe中的过饱和固溶 体称马氏体，用M表示。
马氏体转变时，奥氏体中的
马氏体组织
碳全部保留到马氏体中。
19
图10 马氏体组织金相图
（二）奥氏体转变产物的组织和性能
4-2钢在加热及冷却时的组织转变1
一、钢在加热时的组织转变1．钢在加热和冷却时的相变温度钢在固态下进行加热、保温和冷却时将发生组织转变，转变临界点根据Fe-Fe3C 相图确定。
平衡状态下：当钢在缓慢加热或冷却时，其固态下的临界点分别用Fe-Fe3C相图中的平衡线A1(PSK线)、A3(GS线)、Acm(ES线)表示。
实际加热和冷却时：发生组织转变的临界点都要偏离平衡临界点，并且加热和冷却速度越快，其偏离的程度越大。
实际加热时——临界点分别用Ac1、Ac3、Accm表示实际冷却时——临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示钢热处理加热的目的是获得部分或全部奥氏体，组织向奥氏体转变的过程称奥氏体化。
加热至Ac1以上时：首先由珠光体转变成奥氏体（P → A）；加热至Ac3以上时：亚共析钢中的铁素体将转变为奥体（F → A）；加热至Accm 以上时：过共析钢中的二次渗碳体将转变成奥氏体（Fe3CI→ A）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。
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2、奥氏体的晶粒大小奥氏体晶粒对性能影响：奥氏体的晶粒越细小、均匀，冷却后的室温组织越细密，其强度、塑性和韧性比较高。
[奥氏体的晶粒度]：晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。
GB/T8493-1987将奥氏体晶粒分为8个等级，其中1~4级为粗晶粒；5~8级为细晶粒。
[本质粗晶粒钢]：热处理时随加热温度的升高，奥氏体晶粒迅速长大的钢。
[本质细晶粒钢]：热处理时随加热温度的升高，奥氏体晶粒不易长大的钢。
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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编号：QMSD/JWC-13-10
江苏省技工学校教案首页
课题§5－1钢在加热时的转变
教学目的、要求：
掌握钢在加热时的组织转变。
教学重点、难点：
奥氏体的形成。
授课方法：讲解、练习
教学参考及教具（含电教设备）：挂图、配套教参、电子教案
授课执行情况及分析：2教时
本节内容学生不易理解，还需讲解得更浅显、形象
板书设计或授课提纲
【导入】
复习1．碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和铸造碳钢的牌号。
2．碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和铸造碳钢的用途。
【新授】
概述：
热处理是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要的组织结构与性能的工艺。
钢的热处理方法可分为退火、正火、淬火、回火
及表面热处理等五种。
热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都
是
由加热、保温和冷却一个阶段所组成的。
如图6-1所示。
曲线称为热处理工艺曲线。
§5－1钢在加热时的转变
在热处理工艺中，钢的加热是为了获取奥氏体。
由Fe－FeC相图可知，
A1，A3,A CM是钢在极缓慢加热和冷却时的临界点，但在实际的加热和冷却条件下，钢的组织转变总有滞后现象，在加热时高于而在冷却时低于相图上的临界点。
把加热时的各临界点分别用Ac l，A C3,A Ccm来表示，冷却时的各临界点分别用Ar1，Ar3,Ar cm来表示。
5．钢的奥氏体化
热处理时须将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体，这种通过加热获得奥氏体组织的过程称为奥氏体化。
下面以共析钢为例说明钢的奥氏体化过程。
共析钢加热到Ac l以上时，钢中珠光体将向奥氏体转变。
这一转变过程遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大的过程来进行的。
（1）奥氏体晶核的形成及长大
奥氏体晶核最容易在铁素体与渗碳体的界面上生成。
晶核生成后，与奥氏体相邻的铁素体中的铁原子通过扩散运动转移到奥氏体晶核上来，使奥氏体晶核长大。
同时与奥氏体相邻的渗碳体通过分解不断地溶人生成的奥氏体中，也便奥氏体逐渐长大，直至珠光体全部消失为止。
（2）残余渗碳体的溶解
由于渗碳体的晶体结构和含碳量与奥氏体相差很大，故渗碳体向奥氏体的溶解落后于铁素体向奥氏体的转变，即在铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解。
随着时间的延长，残余渗碳体继续向奥氏体中溶解，直至全部消失为止。
（3）奥氏体的均匀化
由于珠光体中的铁素体和渗碳体是两种含碳量相差悬殊的相，所以当渗碳体刚刚消失时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。
在原来的渗碳体处含碳量较高，在原来的铁素体处含碳量较低，需要一定的保温时间，通过碳原子进一步的扩散，才能使奥氏体中含碳量渐趋均匀。
因此，热处理加热后的保温阶段，不仅是为了便工件热透，也是为了便组织转变完全及奥氏体成分均匀。
亚共析钢室温组织是珠光体和铁素体，当加热到Ac l时，其组织申的珠光体转变为奥氏体，温度继续升高，铁素体不断转变为奥氏体，直到Ac3时才全部转变为单一的奥氏体组
织。
过共析钢的室温组织是珠光体和二次渗碳体，当加热到Ac l时，珠光体转变为奥氏体，温度继续升高，渗碳体逐渐溶解到奥氏体中，直至A c cm线时，才全部转变为单相奥氏体组织。
二、奥氏体晶粒的长大
不论原来钢的晶粒是粗或是细，通过加热时的奥氏体化，都能得到细小晶粒的奥氏体。
但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。
加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大。
钢在一定加热条件下获得的奥氏体晶粒称为奥氏体的实际晶粒，它的大小对冷却转变后钢的性能有明显的影响。
钢在加热时，为了得到细小而均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间。
【课堂练习】
1．何谓孕育期？何谓过冷奥氏体？
2何谓钢的热处理？钢的热处理有何重要意义？
3何谓孕育期？何谓过冷奥氏体？
4以共析钢为例，过冷奥氏体在不同温度等温转变时，可得到哪些产物？(用符号表示)其性能如何？(用硬度表示)
【小结】
1．钢的奥氏体化。
2．奥氏体晶粒的长大。
【作业】
练习册。