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。
共析钢转变的四个阶段
共析钢转变的四个阶段
共析钢是指含碳量为 0.77%的铁碳合金，其在冷却过程中会发生一系列的组织转变。
这些转变可以分为四个阶段，以下是对每个阶段的简要描述：
1. 奥氏体（A）析出珠光体（P）：当共析钢从高温缓慢冷却时，奥氏体开始转变为珠光体。
珠光体是由铁素体和渗碳体组成的两相混合物。
在这个阶段，奥氏体中的碳逐渐扩散到铁素体中，形成了渗碳体的薄片。
2. 珠光体（P）的粗化：随着冷却的继续，珠光体中的铁素体和渗碳体开始粗化。
这是由于碳原子在铁素体和渗碳体之间的扩散速率不同导致的。
铁素体的长大速度较快，而渗碳体的长大速度较慢，因此形成了粗化的珠光体组织。
3. 珠光体（P）的球化：当共析钢进一步冷却到一定温度以下时，珠光体中的渗碳体开始球化。
这是由于碳原子在渗碳体中的扩散速率增加，导致渗碳体逐渐变成球形。
球化的渗碳体对材料的力学性能有一定的影响。
4. 马氏体（M）形成：当共析钢冷却到室温以下时，如果冷却速度足够快，奥氏体将无法转变为珠光体，而是转变为马氏体。
马氏体是一种高硬度的组织，由过饱和的铁素体和弥散分布的碳原子组成。
这四个阶段描述了共析钢在冷却过程中的组织转变。
了解这些阶段对于控制材料的性能和加工工艺非常重要。
不同的冷却速度和处理方式可以影响共析钢的最终组织和性能。
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。
45钢缓慢冷却时组织变化过程
45钢缓慢冷却时组织变化过程
45钢是一种常用的钢材，由于其冷却时组织变化显著，决定了其加工性能和使用性能。
因此，研究45钢缓慢冷却对其组织变化影响十分重要。
45钢缓慢冷却时，它的组织变化大致经历以下几个阶段：首先，45钢经过热处理后，其
组织仍处于奥氏体组织。
当温度降至685℃左右时，进入第二个阶段，此时凝固晶粒开始
使标准回火温度介于685℃以上730℃之间的晶粒大小，50.8HRC。
随着温度的继续下降，
进入第三个阶段，温度降至600-570℃，相变开始改变晶粒组织，变成细小的廉价细晶粒。
此外，当温度降至570℃以下时，晶粒会再次发生变化，变成粗大晶粒。
最后，45钢组织
变得光滑，晶粒成为细小的贴片，称为细焊缝层。
45钢在经历不同温度的缓慢冷却后，其组织发生的显著变化有助于其更高的耐久性和抗压性。
从实际应用的角度来说，仔细控制45钢的冷却速度及温度，是提高45钢的加工性和
使用性能的有效方法。
钢在加热和冷却时的组织转变
钢在加热和冷却时的组织转变嘿，咱聊聊钢在加热和冷却时那神奇的组织转变。
钢啊，这硬家伙，平时看着就挺牛。
可你知道吗？当它被加热的时候，那可就像变魔术一样。
一开始，温度慢慢升高，钢就开始有点小动静了。
就好像一个睡眼惺忪的人，逐渐被唤醒。
那原本排列整齐的原子们，也开始不安分起来。
温度再高点，钢的组织就发生大变化啦。
这时候的钢，就如同一个正在进行大改造的工厂。
各种原子重新排列组合，形成新的结构。
那场面，可壮观了。
想象一下，无数的小原子们，就像一群忙碌的小工人，在高温的催促下，热火朝天地干着活。
要是继续加热，钢可就彻底不一样了。
它变得更加活跃，就像一个疯狂的派对现场。
原子们尽情地舞动，结构也变得越来越复杂。
这时候的钢，有着强大的力量，仿佛能征服一切。
可别光看加热的时候，冷却也很有看头呢。
当钢开始冷却，就像是一场疯狂派对后的安静。
原子们不再那么疯狂，开始慢慢回归秩序。
温度逐渐降低，钢的组织也逐渐稳定下来。
这就像一个人在经历了一场刺激的冒险后，开始平静地思考人生。
冷却过程中，钢的变化可细腻了。
有时候，它会变得更加坚硬，就像一个坚强的战士，不屈不挠。
有时候，它又会变得更加有韧性，像一个灵活的运动员，能应对各种挑战。
不同的加热和冷却方式，会让钢有不同的组织转变。
就好比不同的人生选择，会带来不同的结果。
如果加热得太快，冷却得太急，钢可能就会变得很脆弱。
但如果掌握好节奏，钢就能变得无比强大。
咱再想想，生活中的很多东西不都跟钢的组织转变有点像吗？我们在经历一些事情的时候，也会发生变化。
有时候是好的变化，让我们变得更强大；有时候可能不太好，但我们也能从中学到东西。
钢在加热和冷却时的组织转变，真的很神奇。
它让我们看到了物质的奇妙之处，也让我们思考人生的各种可能性。
总之，钢的组织转变告诉我们，变化是不可避免的，我们要学会适应变化，让自己变得更强大。
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；
第二节 钢在冷却时的组织转变(1)
第二节 钢在冷却时 的组织转变
交流与讨论
热处理时加热的目的是什么？ 亚共析钢、共析钢和过共析钢 奥氏体化分别时加热到什么临界温 度？请画出图示。
热处理中冷却是热处理最关
键的操作，冷却方式不同，得到的 组织也不同，请阅读表5-1 45钢 经840℃加热后在不同条件冷却后 的力学性能。
第二节 钢在冷却时 的组织转变
课堂练习与作业
作业
习题一（2） 习题二（1 ）（2） （3） 课堂练习 习题三
谢谢指导
组织名称 符号 温度范围
组织特征 硬度（HRC）
上贝氏体 B上 550℃~350℃ 羽毛状
40~45
下贝氏体 B下 350℃~Ms
黑色针叶状 45~55
小结
学习内容：
热处理的冷却方式 １、等温冷却 ２、连续冷却 一、过冷奥氏体等温转变 1、珠光体转变 2、贝氏体转变
学习重点
过冷奥氏体等温冷却的组织和 性能过冷奥氏体典型连续的产物
2．过冷奥氏体等温转变 产物的组织和性能
（1）珠光体转变 在A1~550℃温度范围
组织名称 符号 温度范围
组织特征
硬度（HRC）
珠光体 P A1~650℃
粗片状
＜25
索氏体 S 650℃~600℃
细片状
25~35
托氏体 T 600℃~550℃ 极细片状
35~40
（2）贝氏体转变 在550℃~Ms温度范围
热处理的冷却方式
Байду номын сангаас１、等温冷却 ２、连续冷却
一、过冷奥氏体等温转变
1．过冷奥氏体等温转变图
共析钢过冷奥氏体等温转变图
1．过冷奥氏体等温转变图
共析钢过冷奥氏体等温转变图：
钢在加热及冷却时的组织转变
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。
物元素（如铌、钒、钛等），会形成难熔的碳化物和氮化物颗粒，弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。
因此，大多数合金钢、本质细晶粒钢加热时奥氏体的晶粒一般较细。
原始组织：钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体的晶粒越细。
二、钢在冷却时的组织转变
冷却方式是决定热处理组织和性能的主要因素。
热处理冷却方式分为等温冷却和连续冷却。
等温转变产物及性能：用等温转变图可分析钢在A
线以下不同温度进行等温转变
1
所获的产物。
根据等温温度不同，其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。
～550℃ ，获片状珠光体型（F+P）组织。
[ 高温转变]：转变温度范围为A
1
依转变温度由高到低，转变产物分别为珠光体、索氏体、托氏体，片层间距由粗到细。
其力学性能与片层间距大小有关，片层间距越小，则塑性变形抗力越大，强度
炉冷V
：比较缓慢，相当于随炉冷却（退火的冷却方式），它分别与C曲线的
1
转变开始和转变终了线相交于1、2点，这两点位于C曲线上部珠光体转变区域，估计它的转变产物为珠光体，硬度170~220HBS。
空冷V
：相当于在空气中冷却（正火的冷却方式），它分别与C曲线的转变开
2
始线和转变终了线相交于3、4点，位于C曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断。
钢在冷却时的转变
1/1钢在冷却时的组织转变常识钢进行热处理冷却的目的是获得所需要的组织和性能，这需要通过采用不同冷却方式来实现。
冷却方式不同转变的组织也不同，性能差异较大。
奥氏体冷却至A1以下温度时将发生组织转变（A1温度以下还存在的不稳定奥氏体通常称过冷奥氏体）。
钢的冷却方式分为等温冷却和连续冷却。
等温冷却的组织转变形式1.奥氏体的等温转变对过冷奥氏体（即：奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下还未转变的奥氏体）经过一段时间的等温保持后转变为稳定的新相。
这种转变过程就称为奥氏体的等温转变。
2.等温冷却转变钢经奥氏体化后迅速冷却至临界点Ar1或Ar3)线以下，等温保持时过冷奥氏体发生的转变。
等温冷却的组织转变产物与性能1.A1～550℃也称高温转变，获片状珠光体型（F+P）组织，按转变温度由高到低的顺序，转变产物分别为珠光体、索氏体、托氏体；片层间距由粗到细，趋势是：片层间距越小，塑性变形阻力越大，强度和硬度越高1)A1～650℃获粗片状珠光体金相组织2)650～600℃获细片状索氏体金相组织3)600～550℃获极其细片状的托氏体金相组织2.550℃～M S 也称中温转变，获贝氏体型组织（过饱和的铁素体和碳化物组成，有上贝氏体和下贝氏体之分。
）1)550～350℃获羽毛状上贝氏体金相组织2)550℃～M S获黑色针状下贝氏体金相组织（这种组织强度和韧性都较高）3.M S线温度以下连续冷却时，过冷奥氏体发生转变获得马氏体组织，马氏体内的含碳量决定着马氏体的强度和硬度，总的趋势是随着马氏体含碳量的提高，强度与硬度也随之提高；高碳马氏体硬度高、脆性大，而低碳马氏体具有良好的强度和韧性。
连续冷却的组织转变过冷奥氏体在一个温度范围内，随温度连续下降发生组织转变。
连续冷却有炉冷、空冷、油冷、水冷四种最为常用的连续冷却方式1)炉冷冷速约10℃/min，产生新相为珠光体，如退火的冷却2)空冷冷速约10℃/s，产生新相为索氏体，如正火的冷却3)油冷冷速约150℃/s，产生新相为托氏体+马氏体，如油淬4)水冷冷速约600℃/s，产生新相为残余奥氏体+马氏体，如水淬（残余奥氏体的存在降低了淬火钢的硬度和耐磨性，也会因零件在使用过程中残余奥氏体会继续转变为马氏体，从而使工件变形；一些重要精密的零件通常会通过把淬火后的工件冷却到室温以下并继续冷却到－80～－50℃来减少残余奥氏体含量的存在）。