钢铁加热组织转变
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钢加热时的转变
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实际生产中采 用晶粒度级别N 晶粒度级别N越大， 晶粒尺寸越小； 1〜4级为粗晶粒 5〜8级为细晶粒
1级
2级
3级
八级以外的晶粒
为超粗、超细晶粒
6级
4级
5级
7级
8级
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图9-8 八级A晶粒度标准
晶粒度级别G(或N) 与晶粒大小之间的关系
n2
N 1
n ：放大100倍时每平方英寸（6.45cm ）
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三种晶粒度之间的关系
实际晶粒度＞起始晶粒度
本质粗晶粒钢 本质细晶粒钢 并非其实际晶粒度 粗大 细小
实际晶粒度与钢的具体加热条件（加热温度、 保温时间）有关 在相同条件下，实际晶粒度取决于本质晶粒度。
本质粗晶粒钢→ 实际晶粒度也大 本质细晶粒钢→ 实际晶粒度也小
因此，剩余Fe3C有必要继续溶解
8
一、共析钢奥氏体的形成过程
A均匀化
不均匀 均匀
原是Fe3C的部位ωc高 原是 F 的部位ωc低
扩散
扩散的重要性
9
亚共析钢和过共析钢的A化
与共析钢的A化过程基本相同 不同之处：温度只超过Ac1时，只有原始组织 中的P转变为A，仍部分保留先共析相（F和 Fe3C ） ，温度继续升高超过 Ac3、Accm,并保 温足够时间后，才能获得均匀的单相A组织。 A
§9－2 钢在加热时的转变
保温
温 度
加热
冷却
时间
“奥氏体”化： 把钢加热获得奥氏体的组织转变。
1
§9－2 钢在加热时的转变
A
2
§9－2 钢在加热时的转变
一、共析钢奥氏体的形成过程
α 或F ＋ Fe3C
Wc=6.69% 正交晶格 ＞ Ac1
钢在加热时的转变
4
可以看出，珠光体向奥氏体的转变包括铁原子的晶格改组、碳原子的扩散和渗碳体的溶 解。共析珠光体向奥氏体的转变包括奥氏体晶核的形成、晶核的长大、残余渗碳体的溶解和 奥氏体成分均匀化四个阶段，如图4-3所示。
（a）奥氏体形核 （b）奥氏体长大 （c）剩余渗碳体的溶解 （d）奥氏体成分均匀化 图4-3 共析钢中奥氏体形成过程示意图
6
3）残余渗碳体的溶解
由于铁素体转变为奥氏体的速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有 不少未溶解的“残余渗碳体”存在，还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。
4）奥氏体成分均匀化
即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量 偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散， 奥氏体成分才可能均匀。
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工程材料及热处理
1）起始晶粒度
它是指奥氏体化过程刚刚完成时的晶粒度。此时的奥氏体晶粒非常细小，但难以测定， 也没有实际应用意义。
12
2）本质晶粒度
它是指在规定的加热条件下（930℃±10℃，保 温3h或8h）所得到的奥氏体的晶粒度。晶粒度在5～ 8级者称为本质细晶粒钢，在1～4级者称为本质粗晶 粒钢。本质晶粒度并不代表实际晶粒大小，只是描 述晶粒长大的倾向性。
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2 亚共析钢和过共析钢奥氏体的形成过程
亚共析钢与过共析钢的珠光体加热转变为奥氏体过程与共析钢基本相同。不同的是，转 变过程还有亚共析钢的铁素体的转变与过共析钢的二次渗碳体的溶解。
亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以上，过共析钢要在Accm以上。若亚共析钢仍在 Ac1～Ac3温度之间加热，则加热后的组织为铁素体与奥氏体。若过共析钢在Ac1～Accm温度之间 加热，则加热后的组织为二次渗碳体与奥氏体。加热后冷却过程的组织转变也仅是奥氏体向 其他组织的转变，其中的铁素体及二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变。
可以看出，珠光体向奥氏体的转变包括铁原子的晶格改组、碳原子的扩散和渗碳体的溶 解。共析珠光体向奥氏体的转变包括奥氏体晶核的形成、晶核的长大、残余渗碳体的溶解和 奥氏体成分均匀化四个阶段，如图4-3所示。
（a）奥氏体形核 （b）奥氏体长大 （c）剩余渗碳体的溶解 （d）奥氏体成分均匀化 图4-3 共析钢中奥氏体形成过程示意图
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3）残余渗碳体的溶解
由于铁素体转变为奥氏体的速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有 不少未溶解的“残余渗碳体”存在，还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。
4）奥氏体成分均匀化
即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量 偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散， 奥氏体成分才可能均匀。
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工程材料及热处理
1）起始晶粒度
它是指奥氏体化过程刚刚完成时的晶粒度。此时的奥氏体晶粒非常细小，但难以测定， 也没有实际应用意义。
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2）本质晶粒度
它是指在规定的加热条件下（930℃±10℃，保 温3h或8h）所得到的奥氏体的晶粒度。晶粒度在5～ 8级者称为本质细晶粒钢，在1～4级者称为本质粗晶 粒钢。本质晶粒度并不代表实际晶粒大小，只是描 述晶粒长大的倾向性。
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2 亚共析钢和过共析钢奥氏体的形成过程
亚共析钢与过共析钢的珠光体加热转变为奥氏体过程与共析钢基本相同。不同的是，转 变过程还有亚共析钢的铁素体的转变与过共析钢的二次渗碳体的溶解。
亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以上，过共析钢要在Accm以上。若亚共析钢仍在 Ac1～Ac3温度之间加热，则加热后的组织为铁素体与奥氏体。若过共析钢在Ac1～Accm温度之间 加热，则加热后的组织为二次渗碳体与奥氏体。加热后冷却过程的组织转变也仅是奥氏体向 其他组织的转变，其中的铁素体及二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变。
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
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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。
钢的热处理的组织改变原理标准版文档
3
3
珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只是形态上有粗细之分，因此(yīncǐ)其界限也是相对的。
（3）托氏体（T）：形成温度(wēndù)为600～550℃，片层极薄，电镜下可辨，硬度值为35～42HRC。
（1）珠光体（P）：形成(xíngchéng)温度为 A1～650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，硬度值小于20HRC。
500倍光镜下可辨，硬度值小于20HRC。 （2）索氏体（S）：形成(xíngchéng)温度为650～600℃，片层较薄，
800-1000倍光镜下可辨，硬度值为22～35HRC。
珠光体
第六页，共9页。
索氏体
新能源汽车技术教学资源库
（3）托氏体（T）：形成温度(wēndù)为600～550℃，片层极 薄，电镜下可辨，硬度值为35～42HRC。
下贝氏体（B下）：形成温度(wēndù)为350～230℃，在光镜下呈竹叶状，硬度值为45～55HRC。
①奥氏体晶核的形成 ②奥氏体晶核的长大 上贝氏体（B上）：形成温度(wēndù)为550～350℃，在光镜下呈羽毛状，硬度值为40～45HRC。
③剩余(shèngyú)渗碳体的溶解 ④奥氏体的均匀化
针片状--高碳马氏体（C% ＞1%），在光镜下呈竹叶状。
（1000×）
（1500×）
板条状马氏体
针片状马氏体
第九页，共9页。
新 能 源 汽新车能技源术汽教车学技资术源教库学 资 源 库
钢的热处理的组织(zǔzhī) 改变原理
1
第一页，共9页。
新能源汽车技术教学资源库
一、钢的热处理定义 (dìngyì)
热处理是将钢铁材料在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却， 以获得所需组织和性能(xìngnéng)的工艺过程，可用下图所示的工艺曲线 表示。
03 热处理原理之加热转变
ΔG* =
4 η 3σ 3 27
/(ΔGV
+
ES )2
式中 η —— 与晶核形状和界面性质有关的常数；
σ—— 新相母相间的比界面能；
ΔGV——相变前后的体积自由能差； ES——晶核中每个原子引起的应变能。
40
N = C exp(−ΔG * / kTA ) exp(−Q / kTA )
ΔG* =
4 η 3σ 3 27
共析碳钢（含0.77%C）加热前组织为珠光体，共 析钢的加热转变即为珠光体将转变为奥氏体。
15
珠光体奥氏体化过程
奥氏体晶核的形成 奥氏体的长大
残余渗碳体的溶解 奥氏体成分的均匀化
珠光体向奥氏体转变示意图
16
第一阶段：奥氏体晶核的形成
铁素体
在A1温度下
渗碳体
奥氏体
含碳量 晶体结构
0.0218% 6.69% 体心立方 复杂斜方
亚共析钢与过共析钢的奥氏体等温形成动力学与 共析钢基本一样。 不同的是 过共析钢退火组织为珠光体和渗碳体，而且钢 中渗碳体的数量比共析钢中多，因此残留渗碳 体的溶解与奥氏体均匀化需要的时间更长。
亚共析钢退火组织由珠光体和铁素体组成，当加
热至Ac1以上温度时，除了有铁素体存在外，还有 残留渗碳体存在；加热至Ac3以上温度时，铁素体 全部转变为奥氏体后仍可能有部分残留渗碳体存
28
3.4 奥氏体形成动力学
㈠ 奥氏体等温形成动力学
研究奥氏体等温形成动力学的方法通常是： ① 将小试样迅速加热到Ac1以上不同温度； ② 在各温度下保持不同时间；
③ 迅速淬冷；
④ 再用金相法测定奥氏体转变量与时间的关系 （实际上是测定奥氏体淬冷后转变成马氏体的 量与时间的关系）。
钢的热处理及组织转变
温 度 A1
过 冷
奥 氏
A
A→P
P
转变终了线
体 A→B
B
转变开始线
MS
A→M
Mf
M 时间
珠光体型转变 贝氏体型转变 马氏体型转变
二、钢在加热及冷却时的组织转变
① 珠光体型转变:转变温度范围为 A1 ～ 500 0C，又叫高
温转变，是由奥氏体向珠光体的转变，产物形态多数为片
状，特殊情况下为粒状。
温度
二、钢在加热及冷却时的组织转变
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 三、钢在回火时的转变
二、钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变
⑴ 奥氏体形核－钢在加热到 A1 时，奥氏体晶核优先在 铁素体和渗碳体的相界面上形成。
奥氏体晶核形成
二、钢在加热及冷却时的组织转变
马氏体分解后最终形成过“过饱和 程度较低的马氏体+ 高度弥散的 ε 碳化物”的组织，称为回火马氏体。
一、钢的热处理
淬火钢回火时组织转变： ② 残余奥氏体的分解
当温度超过200℃时，马氏体继续分解，同时，残余奥 氏体也开始分解，转变为下贝氏体或回火马氏体，到 300℃时，残余奥氏体的分解基本结束；
随温度的继续升高，下贝氏体将进一步转变为铁素体和 渗碳体的二相混合物，即珠光体型产物。
钢的热处理及组织转变
一、热处理的概念、类型、作用 二、钢在加热时的组织转变 三、钢在冷却时的组织转变
一、钢的热处理
热处理的概念：钢在固态下加热、保温和冷却，改变其 组织结构，从而获得所需要性能的一种工艺。
热处理的作用：提高和改善钢的性能。 热处理的分类：
钢加热和冷却时的转变热处理
钢的热处理是一种通过加热、保温和冷却来改变钢的组织，进主要是实现奥氏体化，包括奥氏体形核、长大，残余渗碳体的溶解以及奥氏体的均匀化。加热温度的确定依赖于铁碳合金相图，而保温时间则确保奥氏体成分均匀且晶粒不过度粗化。随后，钢需要被快速冷却，以固定高温下的组织状态，形成较硬的相，从而改变钢的性能。这种热处理方式能够显著提高钢的硬度和强度，是钢铁工业生产中不可或缺的一环。同时，加热速度和化学成分也是影响奥氏体形成速度的重要因素，实际操作中需综合考虑这些因素以制定最佳的热处理方案。
热处理原理和工艺
低温回火： 温度： 150— 200° C ；得到的组织： M回；内应力和脆性降低，保持了
高硬度和高耐磨性。
中温回火
温度：350 —500 °C ；得到的组织： T回；具有一定的韧性和高的弹性
极限及屈服极限 高温回火
温度： 500-650°C；组织： S回；具有适当的强度和足够的塑性和韧性。
淬火后高温回火称调质处理。
体化。铁碳合金相图是确定钢加热转变的重要理论依据。
2、奥氏体化过程
共析钢加热到 727 °C（ A1) 以上，珠光体转变成奥氏体，经历了奥
氏体形核、长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段。如 下图所示：
奥氏体 形核
转变步骤
奥氏体
核长大
残余渗碳
体溶解
奥氏体成 分均匀化
奥氏体晶粒长大及其控制
650 °C---600°C ：珠光体层片较细， S （索氏体） 600 ° C--560 °C： 珠光体层片极细， T (托氏体 )
珠光体
索氏体
托氏体
2、 马氏体转变
（1）转变温度： Ms（230 °C）－ Mf （2）产物：马氏体 （3）马氏体：碳在 a--Fe 中形成的过饱和铁
素体，具有体心正方结构。
速度冷却，使奥氏体转变为马氏体或下贝氏体的热处理工艺。
回火：将淬火后的钢加热至 Ac1以下的某一温度后进行冷却的热处理工艺。
退火与正火
退火 ：采用炉冷，冷却速度很低
分类：
完全退火 球化退火
等温退火
扩散退火（均匀化退火） 去应力退火（低温退火） 再结晶退火
正火（采用空冷，冷却速度较快）
主要应用 低碳钢：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；
A1
700
高硬度和高耐磨性。
中温回火
温度：350 —500 °C ；得到的组织： T回；具有一定的韧性和高的弹性
极限及屈服极限 高温回火
温度： 500-650°C；组织： S回；具有适当的强度和足够的塑性和韧性。
淬火后高温回火称调质处理。
体化。铁碳合金相图是确定钢加热转变的重要理论依据。
2、奥氏体化过程
共析钢加热到 727 °C（ A1) 以上，珠光体转变成奥氏体，经历了奥
氏体形核、长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段。如 下图所示：
奥氏体 形核
转变步骤
奥氏体
核长大
残余渗碳
体溶解
奥氏体成 分均匀化
奥氏体晶粒长大及其控制
650 °C---600°C ：珠光体层片较细， S （索氏体） 600 ° C--560 °C： 珠光体层片极细， T (托氏体 )
珠光体
索氏体
托氏体
2、 马氏体转变
（1）转变温度： Ms（230 °C）－ Mf （2）产物：马氏体 （3）马氏体：碳在 a--Fe 中形成的过饱和铁
素体，具有体心正方结构。
速度冷却，使奥氏体转变为马氏体或下贝氏体的热处理工艺。
回火：将淬火后的钢加热至 Ac1以下的某一温度后进行冷却的热处理工艺。
退火与正火
退火 ：采用炉冷，冷却速度很低
分类：
完全退火 球化退火
等温退火
扩散退火（均匀化退火） 去应力退火（低温退火） 再结晶退火
正火（采用空冷，冷却速度较快）
主要应用 低碳钢：调整硬度（适当增加硬度），利于切削；
A1
700
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加热时奥氏体的形成过程
钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。
因此掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化。
一、加热时奥氏体的形成过程1．共析钢的加热转变
从铁碳相图中看到，钢加热到 727℃（状态图的PSK线，又称A1温度）以上的温度珠光体转变为奥氏体。
这个加热速度十分缓慢，实际热处理的加热速度均高于这个缓慢加热速度，实际珠光体转变为奥氏体的温度高于A1，定义实际转变温度为Ac1。
Ac1 高于A1，表明出现热滞后，加热速度愈快，Ac1愈高，同时完成珠光体向奥氏体转变的时间亦愈短。
共析碳钢（含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相相间排列
层片状组织，加热过程中奥氏体转变过程可分为四步进行，如图6-2示。
第一阶段：奥氏体晶核的形成。
由Fe-Fe3C状态图知：在A1温度铁素体含约0.0218%C，渗碳体含6.69%C，奥氏体含0.77%C。
在珠光体转变为奥氏体过程中，原铁素体由体心立方晶格改组为奥氏体的面心立方晶格，原渗碳体由复杂斜方晶格转变为面心立方晶格。
所以，钢的加热转变既有碳原子的扩散，也有晶体结构的变化。
基于能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体的铁素体与渗碳体两相交界处产生（见图6-2（a）），
这两相交界面越多，奥氏体晶核越多。
第二阶段：奥氏体的长大。
奥氏体晶核形成后，
它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。
随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域
及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。