钢在加热过程中的转变
钢在加热时的组织转变
钢在加热时的组织转变
1. 钢在加热过程中的组织变化
钢是一种具有高强度和韧性的金属材料，广泛用于机械制造、建筑、船舶、桥梁等领域。
在钢材加工过程中，热处理是一项重要的工艺步骤，可以改善钢的力学性能、提高其使用寿命。
而钢在加热过程中的组织变化，是影响其热处理效果和性能表现的关键因素之一。
2. 软化和晶粒长大
钢材经过冷加工和热加工后，其组织结构会发生变化。
加热可以使钢材发生软化，原因是钢的晶界杂质和碳化物颗粒会被空气中的氧化物气体消耗掉，在高温下形成低能量状态的组织结构，从而改变了材料的硬度和韧度，有利于加工和使用。
同时，钢材在加热时晶粒也会长大，因为温度升高会使晶界能量降低，晶界的迁移和改变也会导致晶粒的长大。
3. 相变和组织重构
除了软化和晶粒长大，加热还可以使钢材发生相变和组织重构。
钢材中的相是指金属组织的多种形态和状态，在不同的温度下会发生相变。
例如，铁素体（ferrite）和奥氏体（austenite）是钢中常见的相，钢的性能也与其相的形态和含量密切相关。
因此，在加热过程中应该控制温度和时间，以使钢材中的相变完成，并尽量避免相的不均匀分布。
4. 总结
总之，钢材在加热时会产生多种组织变化，包括软化、晶粒长大、相变和组织重构等。
这些变化会影响钢材的力学性能、延展性和可加
工性，同时也决定了热处理工艺的制定和实施。
因此，在进行热处理
之前，应该准确了解材料的组织结构和特性，并选择合适的工艺参数
和方式，以使钢材发挥最佳性能。
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
钢在加热过程中的组织转变
钢在加热过程中的组织转变1. 开场白大家好，今天我们来聊聊一个有趣的话题——钢在加热过程中的组织转变。
这听起来可能有点儿专业，不过别担心，我会尽量用简单易懂的语言来讲。
如果你觉得难懂，没关系，咱们可以一起“打水漂”，边聊边懂，哈哈！2. 钢的基本知识2.1 钢是什么？首先，钢其实就是铁和碳的结合体，想象一下，就像铁和碳是一对小情侣，甜甜蜜蜜地在一起。
为了让我们的钢更坚硬，通常还会加入其他元素，比如锰、镍、铬等，这些就像是调味料，让钢的味道更丰富！而不同的配方，就能造出不同特性的钢。
哎呀，真是一种神奇的化学反应呀！2.2 加热的目的接下来，我们要说的就是加热。
为什么要加热钢呢？这就像冬天里喝热汤一样，让人暖和，钢在加热的过程中，也能变得更“舒服”。
加热的主要目的是为了改变钢的组织结构，增强它的性能。
想象一下，咱们就像在健身房里，通过锻炼来变得更强壮。
钢也是一样，它通过加热，能够提升硬度、韧性，甚至是塑性，听起来是不是有点儿“牛逼”？3. 加热过程中的组织转变3.1 奥氏体的形成好啦，咱们进入正题！在加热过程中，钢首先会形成一种叫“奥氏体”的组织。
这就像是一群小伙伴在一起聚会，彼此之间的距离都变得更远，更松散。
奥氏体的形成温度大约在727℃以上，温度越高，钢里的原子运动就越激烈。
这个时候的钢，变得非常柔软，就像是刚出锅的面条，随便你怎么扭。
3.2 班氏体与贝氏体的出现接着，当温度继续升高，钢的组织会逐渐变成“班氏体”和“贝氏体”。
这时候，钢的性能会进一步提高，硬度也会增加。
班氏体就像是一群精英，组织紧凑，彼此之间的联系非常紧密，而贝氏体则是一种过渡状态，既有班氏体的优点，又保留了奥氏体的一些特性。
可以说，它们是钢的“变形金刚”，随时根据需求变换形态！4. 冷却与最终组织4.1 快速冷却的影响说到这里，咱们不得不提冷却的过程。
加热后，钢如果快速冷却，就会形成“马氏体”。
这种状态就像是铁打的火锅底料，既有韧性又很坚硬。
钢在加热时的组织转变
➢奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的 力学性能较好；
➢粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产织转变
3、影响奥氏体晶粒大小的因素
➢1）加热温度； ➢2）保温时间； ➢3 ） 成 分 （ 含 碳 量 和
第16讲 钢在加热时的组织转变
谢谢大家！
合金元素）的影响；
第16讲 钢在加热时的组织转变
工业生产中细化奥氏体晶粒的方法： ➢ 快速、短时加热或合金化
第16讲 钢在加热时的组织转变
小结 一、钢的临界转变温度 二、钢在加热时的组织转变
第16讲 钢在加热时的组织转变
思考 题
✓ 1、实际加热、冷却时临界点温度如何表示？ ✓ 2、奥氏体的晶粒大小对金属性能的影响？
钢的实际临界转变温度：
Ar3
P Q
A3
Ac3
S
Accm
E Acm
Arcm
Ac1 AA1r1
加热时分别用Ac1、Ac3、Accm表示； 冷却时分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
Wc/% Fe－Fe3C相图的共析转变部分
第16讲 钢在加热时的组织转变
Fe-Fe3C相图的共析转变部分
➢ 思考：
➢ 亚共析钢(过共析钢)的完全奥氏体化温度？
➢ 由于先共析F（Fe3CII）的存在，要必须加热到相应的A3线（Acm线）
以上，才能获得全部奥氏体组织 。
第16讲 钢在加热时的组织转变 二、 钢在加热时的组织转变 1、钢的加热转变——奥氏体化(以共析钢为例)
奥氏体化是一个形核和长大的过程，分为四步。
共析钢的转变示意图（加热到A1温度以上）
第16讲 钢在加热时的组织转变
《第4章 钢的热处理基础》 第16讲 钢在加热时的组织转变 • 注：本讲部分图片来自网络
第一节 钢在加热和冷却时的转变
板条马氏体 针状马氏体
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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
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。
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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
课程（论文）成绩：
课程（论文）评分依据（必填）：
任课教师签字：
日期：年月日
课程（论文）题目：钢在加热过程中的转变
内容：
1.章节主要内容
重点：1、掌握钢件在加热过程中的组织转变规律；
2、掌握奥氏体晶粒大小的影响因素及控制措施。
难点：奥氏体的形成机理。
内容提要：钢在加热时的组织转变是钢件热处理的基础。
这是因为为使钢经热处理后获得所要求的组织和性能，大多数热处理（如退火、正火和回火等）都需要将钢件加热至相变临界点以上，形成奥氏体组织，称为奥氏体化，然后再以一定的速度进行冷却。
1.1 钢及热处理的概述
钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.06%之间的铁碳合金的统称。
热处理是将钢在固态下加热到预定温度，保温一段时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺，如图1所示。
图1 热处理工艺图图2 自由能随温度变化示意图
1.2 奥氏体的形成机理
1.2.1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 温度以上，才能得到均匀的单相奥氏体组织。
奥氏体形成时系统总的自由能变化为（如图2所示）：
+
∆
=
∆（2-1）
∆
+
Ge
Gs
Gv
G∆
1.2.2奥氏体的形成过程
以共析钢为例：相组成：（α＋ Fe3C ）→γ
碳含量： 0.02％ 6.69％ 0.77％
点阵结构：体心立方复杂斜方面心立方奥氏体的形成：是由四个基本过程组成：1、奥氏体形核；2、奥氏体长大；3、剩余渗碳体溶解；4、奥氏体成分均匀化。
（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
由图可以看出，共析钢加热到A c1以上某一温度等温，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一定时间才开始形成，这段时间称为孕育期，这是因为形成奥氏体晶核需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间。
随着等温温度的升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。
例如在740℃等温转变时，经过10 s转变才开始，而在800℃等温时，瞬间转变便开始。
1.3奥氏体晶粒度概念、影响晶粒长大因素及控制
1.3.1 奥氏体晶粒度
奥氏体晶粒大小可以用奥氏体晶粒直径或单位面积中奥氏体晶粒数目来表示。
为了方便起见，实际生产上习惯用奥氏体晶粒度来表示奥氏体晶粒大小。
对于钢来说，如不特别指明，奥氏体晶粒度一般是指奥氏体化后的奥氏体实际晶粒大小。
奥氏体晶粒度通常分为8级标准评定，图5所示。
1级最粗，8级最细，超过8级以上者称为超细晶粒。
奥氏体晶粒度级别N与奥氏体晶粒大小的关系为
1
n (2-6)
=N
2-
式中，n为放大100倍的视野中每平方英寸(6.45cm2)所含的平均奥氏体晶粒数目。
奥氏体晶粒愈细小，n就↑，N也就↑。
图5 钢中晶粒度标准级别图
奥氏体晶粒度有三种：
（1）起始晶粒度：在临界温度以上，奥氏体刚刚形成时的晶粒度。
（2）实际晶粒度：在某一加热条件下（实际热处理）所得到的实际奥氏体晶粒大小。
（3）本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10℃，保温足够时间(3～8小时)后测得的奥氏体晶粒大小。
经上述试验，奥氏体晶粒度在5～8级者称为本质细晶粒钢，而奥氏体晶粒度在1～4级者称为本质粗晶粒钢。
随着温度的升高，钢中奥氏体晶粒长大的倾向存在着两种情况，如图6所示。
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930℃以下随温度升高，奥氏体晶粒长大的速度很缓慢，当温度超过某一温度（950-1000℃），也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质细晶粒钢。
1.3.2影响晶粒长大因素
a. 加热温度和保温时间的影响
加热温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒将愈粗大。
在每个温度下都有一个加速长大期，当奥氏体晶粒长到一定尺寸后，长大过程将减慢直至停止长大。
加热温度越高，奥氏体晶粒长大进行得就越快，如图7所示。
b．加热速度的影响
加热速度越大，过热度就越大，即奥氏体实际形成温度就越高，如图8所示。
图7 加热温度和保温时间对奥氏体晶粒大小的影响（Wc0.48%、WMnO82%钢）
图8 加热速度对奥氏体晶粒大小的影响
c．钢中碳含量的影响
在钢中碳含量不足以形成过剩碳化物的情况下，加热时奥氏体晶粒随钢中碳含量增加而增大。
这是因为，钢中碳含量增加时，C原子在奥氏体中的扩散速度及Fe原子的自扩散速度均增大，故奥氏体晶粒长大的倾向增大。
d．合金元素的影响
钢中加入适量形成难溶化合物的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、AI、Ta等，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。
形成易溶化合物的合金元素
W、Mo、Cr等也阻碍奥氏体晶粒的长大，但其影响程度为中等。
不形成化合物的合金元素如Si和Ni对奥氏体晶粒长大的影响很小，Cu和Co几乎没有影响。
而Mn、P、O和含量在一定限度以下的C可增大奥氏体晶粒长大的倾向。
当几种合金元素同时加入时，其相互影响十分复杂。
图9 合金元素对奥氏体晶粒粗化温度的影响
e．原始组织的影响
原始组织主要影响奥氏体起始晶粒度。
一般来说，原始组织越细，碳化物弥散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒就越细小。
1.3.3 控制奥氏体晶粒长大措施
（1）合理选择加热温度和保温时间；
（2）采用快速加热和短时间保温；
（3）加入一定量合金元素（除锰、磷外）。
2.研究意义
为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当方式〔或速度)冷却，以获得所需要的组织和性能。