第二章 钢的加热转变2
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C第二单元 钢的热处理原理
金属热处理原理
钢中碳含量的影响
钢中的含碳量越高，奥氏体形成速度越快。 钢中的含碳量越高，奥氏体形成速度越快。这是因为钢中的含 碳量越高，原始组织中渗碳体数量越多， 碳量越高，原始组织中渗碳体数量越多，从而增加了铁素体和 渗碳体的相界面，使奥氏体的形核率增大。此外， 渗碳体的相界面，使奥氏体的形核率增大。此外，碳的质量分 数增加又使碳在奥氏体中的扩散速度增大， 数增加又使碳在奥氏体中的扩散速度增大，从而增大了奥氏体 长大速度。 长大速度。
奥氏体的均匀化当渗碳体刚刚全部溶入奥氏体后奥氏体内碳浓度仍是不均匀的原来是渗碳体的地方碳浓度较高而原来是铁素体的地方碳浓度较低只有经过长时间的保温或继续加热让碳原子进行充分地扩散才能获得成分均匀的奥氏体
金属热处理
第二单元
金属热处理
金属热处理原理
第一章 金属热处理原理
金属热处理原理
第一节 前言
热处理定义： 钢的热处理就是根据钢在固态下组织转变的规律，通过不同的 加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构，达到改善钢材性能 的一种加工工艺。 原则上只有在加热或冷却时发 生溶解度显著变化或发生类似 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。
金属热处理原理
二、影响奥氏体化的因素 加热温度和保温时间
在影响奥氏体形成速度的因 素中，温度的作用最为显著。 素中，温度的作用最为显著。 加热温度越高，转变的孕育 加热温度越高， 期和完成转变的时间越短， 期和完成转变的时间越短，即 奥氏体的形成速度越快。 奥氏体的形成速度越快。 低温长时间加热和高温短时 间加热效果相同。 间加热效果相同。
金属热处理原理
固态相变的类型
第2章钢的热处理工艺
▪
17、儿童是中心，教育的措施便围绕 他们而 组织起 来。上 午1时11分53秒 上午1时11分01:11:5321.7.15
▪ 2、Our destiny offers not only the cup of despair, but the chalice of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二一年六月十七日2021年6月17日星期四
▪ 亚共析钢的淬火温度： 一般为Ac3以上30℃～
50℃，淬火后获得均匀 细小的马氏体组织。 ▪过共析钢淬火温度： 一般为Ac1以上30℃～50℃
图6-14是碳钢的淬火温度范围。
工件尺寸及形状的影响
小工件采用较低的淬火温度。反之，采用高的淬 火温度。
小工件加热快，温度高可能引起棱、角处过热和增大变形， 故淬火温度取下限。
保温时间按照零件最大厚度或条件厚度来确定。 最大厚度指零件最厚截面处的尺寸或叠放零件的总厚度。 条件厚度指零件实际厚度（壁厚）乘以形状系数。
球形、正方形零件的形状系数为0.75； 棒状零件的形状系数为1.0。
保温时间的影响因素
钢的化学成分的影响 钢中碳及合金元素含量越高，合金的导热性下降，保温
时间适当延长。高碳钢的保温时间大于低碳钢，合金钢的保 温时间大于碳素钢，高合金钢的保温时间大于低合金钢。
▪ 适用钢材: 中碳钢（消除魏氏组织、晶粒 粗大、带状组织等）
▪ 目的 均匀组织，细化晶粒 降低硬度，消除内应力 改善钢的切削加工性能
▪ 实际生产中，600℃出炉空冷。
中碳钢：珠光体+铁素体
▪ 等温退火
（1）概念
将奥氏体化后的钢较快地 冷却到稍低于Ar1温度等温，使 奥氏体转变为珠光体，再空冷 到室温的热处理工艺。
§4-2 钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变 （一）共析碳钢A形成过程示意图
1. 1)奥氏体的形核
优先在铁素体和渗碳体的 相界面上形成。
A 形核
2)奥氏体晶核的长大
在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并 引起碳在奥氏体中不断地由高浓度 向低浓度的扩散。为了 维持原界面 碳浓度平衡，奥氏体晶粒不断向铁 素体和渗碳体两边长大，直至，铁 素体全部转变为奥氏体。
光镜下
电镜下
2）贝氏体型转变 -中温等温转变( 550～230℃ ):
（2）350～230℃: B下; 45～55HRC;良好综合力学性能，生产中常等 温淬火获得。
过饱和碳 α -Fe针叶状 Fe3C细片状 针叶状
B =过饱和碳 α -Fe针叶状 + Fe3C细片状
下
下贝氏体形貌
在光镜下呈竹叶状。
§4－2 钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变
二、钢在冷却时的组织转变
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
在加热时钢的转变温 度要高于平衡状态下的临 界点；在冷却时要低于平 衡状态下的临界点。 加热时的各临界点： Ac1、Ac3和Accm 冷却时的各临界点： Ar1、Ar3和Arcm
共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较
1、同一成分的钢的CCT曲 线位于C曲线右下方。要 获得同样的组织，连续 冷却转变比等温转变的 温度要低些，孕育期要 长些。 2、连续冷却时，转变时在 一个温度范围内进行的 ，转变产物的类型可能 不只一种，有时是几种 类型组织的混合。 3、连续冷却转变时，共析 钢不发生贝氏体转变。
A 均匀化
一、钢在加热时的组织转变 共析钢奥氏体化过程
一、钢在加热时的组织转变
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。
1概述及钢在加热时的转变
其中淬火+回火，它可提高钻头的硬度（达到 HRC60-65）、耐磨性和红硬性，可以切削加工其它 金属，达到工程所要求的使用性能。—最终热处理
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概述
二、热处理与相图
钢为什么可进行热处理？热处理后为什么能获得前 面所述的效果？是不是所有金属材料都能进行热处理 呢？这些问题与合金相图有关。
原则上只有在加热或冷却时有固态相变发生的合金 或溶解度发生显著变化的合金才能进行热处理。在固
态下不发生相变的纯金属、某些单相合金等不能用热 处理手段强化，只能采用加工硬化的方法。
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概述
例如：某二元合金系相图如右图
①位于F点以左的合金：
在固态加热或冷却过程中均无相 变发生。-不可热处理。
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概述
A.热处理原理部分
第一章 钢在加热和冷却时的转变
1.1 概 述
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2020/5/20
概述
一、热处理的作用 1、什么是热处理？ 零件的加工过程为：下料→锻造（或铸造）→ 热处理→成形加工→热处理→精加工→包装。 第一道热处理是为了便于后续机加工和为后续 热处理做组织准备，满足的是零件加工的工艺性 能；第二道热处理使零件具有高的机械性能（硬 度、韧性、耐磨性等），赋予零件最终的使用性 能。
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概述
热处理的目的： 主要是改变钢的组织结 构，使其具备工程技术上所需要的性能， 包括工艺性能与使用性能。
正确的热处理工艺还可以消除钢材经 铸造、锻造、焊接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，使组织和性能更加均匀。
(金属熔焊基础)第二章钢的热处理基础
1.奥氏体等温转变图 奥氏体等温转变图是通过多种实验方法测定的。图2-
实现等温冷却转变的具体操作方法是：将试样或工 件(小件)奥氏体化后，快速淬入(转入)导热性很好并保 持某一恒定温度的介质中，使试样或工件温度迅速降到 与介质相同的温度，并在恒温介质中保持一定时间，使 其完成转变，然后再取出冷却到室温。通常采用的冷却 介质有液态金属铅、熔融的硝盐浴和碱浴等。
一、过冷奥氏体的等温转变
二、奥氏体晶粒的大小及控制措施
奥氏体晶粒的大小对钢热处理后的力学性能有很大 影响，如加热得到细小而均匀的奥氏体晶粒，则冷却时， 奥氏体的转变产物的组织也均匀细小，其强度、塑性、 韧性都比较高；反之，则都差。故加热时总是希望得到 细小均匀的奥氏体晶粒。在生产中常采用以下措施来控 制奥氏体晶粒的长大。
ห้องสมุดไป่ตู้
一、奥氏体的形成与长大
以共析钢为例，当温度加热到Ac1线时，珠光体向奥 氏体转变，这一过程同样是由形核及晶核长大两个基本过 程来实现的。它的转变全过程，可分为下列几个阶段，如 图2-3所示。
(1)奥氏体形核 实验证明，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的相界 面上形成。这是因铁素体和Fe3C两相中碳的浓度差很大，相界面处原 子排列较不规则，位错、空位密度较高，晶核形成所需功小，为奥氏 体形核在浓度和结构方面提供了有利条件。 (2)奥氏体长大 奥氏体的晶核生成后，依靠铁素体和渗碳体的不断溶 入，开始长大。由于铁素体晶格改组比渗碳体的溶解快，所以，铁素 体消失后，仍有部分剩余的渗碳体。
(3)剩余渗碳体溶解 铁素体消失后，随着保温时间的延长，渗碳体 相继溶入奥氏体中。 (4)奥氏体均匀化 剩余渗碳体的溶解完毕后，奥氏体中碳的浓度还 是不均匀的，在原先是渗碳体的地方，碳的浓度较高；原先是铁素 体的地方，碳的浓度较低。为此，必须继续保温，通过原子扩散才 能取得均匀化的奥氏体。 (5)奥氏体晶粒的长大 已经形成的奥氏体晶粒，若温度继续升高或 保温时间的延长，就会迅速长大，特别是加热温度比保温时间影响 更大。
第2章 钢中奥氏体的形成
加热转变的意义：1.改进热处理工艺 2.为冷却转变打基础
2.1 奥氏体及其形成条件
奥氏体稳定存在区域 是：GSEJNG 相变临界点：
A1、A3、Acm
实际加热时相变临界 点：Ac1、Ac3、Accm
实际冷却时相变临界 点：Ar1、Ar3、Arcm
1. 2. 3.
思考：
S、E、G、P点？
线膨胀系数大：可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。
2.2 奥氏体的形成机制
奥氏体形成的热力学条件
相变驱动力： 相变阻力：
A1
Fe-C合金珠光体与奥氏体 的自由能与温度的关系
•以共析钢为例： •奥氏体的相组成、点阵结构、碳含量与 铁素体和渗碳体不同
相组成： 碳含量：
0.02%
2.5 奥氏体晶粒长大及其控制
一、 奥氏体晶粒度： 定义:指奥氏体化后实际晶粒大小 表示方法：晶粒直径、单位面积 中奥氏体晶粒数目 等级标准：8级 超细晶粒：超过8级
n=2N-1
式中： n-放大100倍时每平方英寸(6.45cm2)面 积内晶粒数, N-晶粒度级别
奥氏体晶粒度种类：
二、奥氏体晶粒长大原理
长大条件：
A刚形成时均很细小，且不均匀，界面能越高， 界面越不稳定，在一定条件下，必然自发地向减 小晶界面积、降低界面能的方向发展。所以小晶 粒合并成大晶粒，弯曲晶界变成平直晶界是一种 自发过程。
长大方式：互相吞并、晶界推移而实现的。
1、A晶粒长大驱动力：
来自A的晶界能
+
Fe3C
6.69% 复杂斜方
→
第二章钢的过冷奥氏体转变图
⑴
⑶⑷
⑸
⑵
第二章 钢的过冷奥氏体转变图
§2.1 过冷奥氏体等温转变图 §2.2 过冷奥氏体连续转变图 §2.3 过冷奥氏体转变图的应用
一、过冷奥氏体等温转变曲线
温度 t / ℃
800 A1 700
600
500 A’
400
300
Ms
200
100
A→P T M+AR
A S
B上 A→B
P B下
0 Mf
A化温度830℃
时间和晶粒度
A→F F9
A’ A→P
P91 P
Ms B转变区
M
vc v2 vc’
v
HV 220
1
10
102
103 104
2、过共析钢CCT图分析 τ/s
⑴有先共析F析出区和B转变区 ⑵Ms线右端降低。为什么？ 先共析F析出和B转变使A周围富碳
组织产物分析
⑴有先共析Fe3C析出区,无B转变区 ⑵Ms线右端升高。为什么？ 先共析Fe3C析出使A周围贫碳
组织产物分析
⑴v＜vc’：P+F
⑴v＜vc’：P+ Fe3C
-100 1
10
102
103
时间 t / ℃
104
105
二、影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素
A→P A→B M
亚共析钢C-曲线
A→P A→B
M 共析钢C-曲线
A→P A→B
M 过共析钢C-曲线
1、含碳量的影响 先共析铁素体的析出减慢
珠光体转变： 亚共析钢 随C↑，C曲线右移； 相对共析钢 过共析钢 随C↑，C曲线左移；
2、CCT图无贝氏体转变区； 说明奥氏体碳浓度高，B转 变孕育期长，来不及发生B 转变，便冷却至低温。
⑶⑷
⑸
⑵
第二章 钢的过冷奥氏体转变图
§2.1 过冷奥氏体等温转变图 §2.2 过冷奥氏体连续转变图 §2.3 过冷奥氏体转变图的应用
一、过冷奥氏体等温转变曲线
温度 t / ℃
800 A1 700
600
500 A’
400
300
Ms
200
100
A→P T M+AR
A S
B上 A→B
P B下
0 Mf
A化温度830℃
时间和晶粒度
A→F F9
A’ A→P
P91 P
Ms B转变区
M
vc v2 vc’
v
HV 220
1
10
102
103 104
2、过共析钢CCT图分析 τ/s
⑴有先共析F析出区和B转变区 ⑵Ms线右端降低。为什么？ 先共析F析出和B转变使A周围富碳
组织产物分析
⑴有先共析Fe3C析出区,无B转变区 ⑵Ms线右端升高。为什么？ 先共析Fe3C析出使A周围贫碳
组织产物分析
⑴v＜vc’：P+F
⑴v＜vc’：P+ Fe3C
-100 1
10
102
103
时间 t / ℃
104
105
二、影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素
A→P A→B M
亚共析钢C-曲线
A→P A→B
M 共析钢C-曲线
A→P A→B
M 过共析钢C-曲线
1、含碳量的影响 先共析铁素体的析出减慢
珠光体转变： 亚共析钢 随C↑，C曲线右移； 相对共析钢 过共析钢 随C↑，C曲线左移；
2、CCT图无贝氏体转变区； 说明奥氏体碳浓度高，B转 变孕育期长，来不及发生B 转变，便冷却至低温。
1概述及钢在加热时的转变
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概述
③成分位于D点以右的合金： α固溶体在温度变化时溶解度
发生显著变化。-可热处理
④如果相图α相中的溶解度曲线 DF变成垂直线DF′：
溶解度不随温度变化，所有合金在固态下均无相变发 生。-所有成分的合金不可热处理
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概述
因为钢在加热或冷却 过程中越过临界温度就 要发生固态相变，所以 能进行热处理。如能根 据其变化规律，采取特 定的加热和冷却方法， 控制相变过程，便可获 得所需的组织、结构和 性能。
奥氏体的形成也是通过形核和长大方式进行的，符合 相变的普遍规律。
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三、奥氏体的形成过程
共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成： 奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解和奥 氏体成分均匀化。
1奥成、氏（奥体特氏晶别核体是通在的常与形优晶核先界在相铁连素的体α/F和e渗3C碳界体面的上相）界。面因上为形在
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概述
热处理的目的： 主要是改变钢的组织结 构，使其具备工程技术上所需要的性能， 包括工艺性能与使用性能。
正确的热处理工艺还可以消除钢材经 铸造、锻造、焊接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，使组织和性能更加均匀。
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第二章.热处理原理1
（２）、加热速度的影响 加热速度越快，奥氏体实际形成温度就越高， 形核率和长大速度越大，则奥氏体的起始晶粒就越 细小；但晶粒易长大，因此，保温时间不宜太长。 应短时快速加热。
（３）、钢化学成分的影响
一般含碳量越高，奥氏体的长大倾向越大； 但当超过一定量时，出现未溶的碳化物阻碍奥氏 体晶粒的长大，例如：过共析钢。
（三）、化学成分的影响 １、Ｃ：钢中含碳量越高，奥氏体形成速度越 快；（因为含碳量高，增加了铁素体和渗碳体的相 界面；同时，增加碳在奥氏体中的扩散速度。） ２、合金元素（Ｍｅ）： ①影响Ｃ在Ａ中的扩散速度： Ⅰ、Co和Ni提高了碳在奥氏体中的扩散速度，故加 快奥氏体的形成速度； Ⅱ、Si、Al、Mn、Cu等，对奥氏体的形成速度影响 不大； Ⅲ、Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素显著降低碳 在奥氏体中的扩散速度，因而大大地减慢了奥氏体 的形成速度。
2、热处理的特点与目的：
特点：改变钢的内部组织结构，不改变外形；
目的：改善性能：
工艺性能： 使用性能：具体表现如下
（1）消除铸、锻、焊件等热加工艺缺陷； （2）细化晶粒； （3）消除偏析，均匀组织； （4）降低内应力； （5）改善钢的某些特殊性能，如 耐磨性、耐蚀 性、磁性及物理化学性能等。 例：工具钢
一般强碳化物形成元素易与碳形成强碳化物， 阻碍奥氏体晶粒的长大。
Al—AlN，900℃以上溶入奥氏体，促进。
Ti、 Zr 、 V 、Nb—弥散碳化物和氮化物。 Mn、P、C、N—溶入奥氏体后加速铁原子的扩 散，促进奥氏体晶粒的长大。
（４）、钢的原始组织的影响：
钢的原始组织越细，碳化物的弥散度 越大，则奥氏体的起始晶粒度就越细小。 例如：
N n0 1.01 G
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