第9章固态相变和热处理

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9.1.2 钢的临界温度
平衡转变温度： A1、 A3、Acm
实际加热时转变温度：
Ac1、 Ac3、Accm
实际冷却时转变温度：
Ar1、Ar3、Arcm
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9.2 钢在加热时的转变
9.2.1 共析钢的奥氏体形成过程 >Ac1 As（ ） P（α＋ Fe3C） Wc%: 0.02 6.69 晶格： b.c.c 正交 0.77 f.c.c
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9.3.4过冷奥氏体连续冷却转变曲线及其应用 上临界冷却速度与下临界冷却速度
vk表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解， 全部冷至Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速 度，称为上临界冷却速度或临界淬火速度； （critical cooling rate） vk′表示过冷奥氏体全部得到珠光体的最大冷却速度， 称为下临界冷却速度。 当实际冷却速度大于vk时只发生马氏体转变；当其 小于vk′时，只发生珠光体转变；当大于vk′而小于vk 时，则先发生珠光体转变后发生马氏体转变。
500
400 300
转变开始线 M+过冷A
200
100 0 -100 0
Mf
M
1 10 102 103
104
时间(s)
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3.孕育期 －－转变开始线与纵坐标轴之间的距离。 过冷奥氏体的稳定性取决于其转变的孕育期 （incubation period） 在曲线的“鼻尖”处(约550℃)孕育期最短，过 冷奥氏体的稳定性最小，在该温度等温，其转 变速度最快 。 鼻尖温度至A1温度之间，随温度下降(即过冷度 增大)，孕育期变短，转变速度加快，过冷奥氏 体的稳定性降低； 在鼻尖温度至Ms之间，随着温度下降，孕育期 变长，转变速度减慢，过冷奥氏体的稳定性提 高。
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9.3.1共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线
9.3.1共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线
呈C曲线原因： 过冷A等温转变速度受两个主 要因素：新相与母相间的自由 能差△G和原子的扩散系数D 影响。这两个因素作用是矛盾 的。 高温时过冷度小，△G小，D 大，以△G影响为主。 低温时过冷度大，△Gv大，D 小，以D影响为主。
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9.2.3 非共析钢的奥氏体形成过程
包括两个过程：
（1） P （ α ＋Fe3C）
（2）先共析相α（Fe3C）
As （ ）
γ
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9.2.3 非共析钢的奥氏体形成过程
完全奥氏体化加热与不完全奥氏体化加热 : 将亚共析钢和过共析钢分别加热到 Ac3 或 Accm 以上完全转变为A（单相区），此时称为完全奥 氏体化加热。
Ac1 v2 奥氏体 d v1 b Ⅱ Ⅰ 时间
奥氏体形成速 度加快，转变 所需要的时间 也越短
Td Tc Tb Ta
c
a 珠光体 c d a b
A1பைடு நூலகம்
在保证奥氏体成分均匀化的前提下，快速加热、 短时保温能够获得细小的奥氏体晶粒。
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9.2.2 影响奥氏体形成速度的因素 3.原始组织的影响
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9.3.1共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线
1.测试方法 金相－硬度法
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2.图形分析
温度 (℃)
800 700 600
孕育期
稳定奥氏体区 过 冷 + 奥 产 氏 体 区 过冷A Ms
过冷 A 过冷A 转变终了线 物 区
A1 A1～550℃;高温转变区 产 扩散型转变; P 转变区。 物 区 550～230℃;中温转变区 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区; 230～ - 50℃; 低温转变区 无扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。
本质粗晶粒钢
1
2
本质细晶粒钢 Ac1
930℃
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温度
图 9-11奥氏体晶粒长大示意图
9.2.4 奥氏体晶粒度及其影响因素
钢的本质晶粒度与钢的脱氧方法和化学成分有关。
一船用A1脱氧的钢，另外含有Ti、Zr、V、 Nb、Mo、W等碳化物形成元素的钢属于本 质细晶粒钢。 用Si或Mn脱氧的钢 属于本质粗晶粒钢。
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温度/℃ 800 600 0.5％C 2.2％Cr 800 600 0.5％C 4.2％Cr
400
200
400
200
1
10
102
103
104
105
1 10 102 103 104 105 时间/s
时间/s
铬对C曲线的影响
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9.3.1共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线 2.奥氏体化条件的影响
加热温度越高，保温时间越长，使过冷奥氏体难以分解 ，稳定性提高，C曲线向右移。
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9.3.2影响过冷奥氏体等温转变的因素 1. 奥氏体成分的影响 （1）含碳量的影响
图 9-16亚共析钢、共析钢和过共析钢过冷奥氏体等温转变曲线 a)亚共析钢 b)共析钢 c)过共析钢 30
9.3.2影响过冷奥氏体等温转变的因素
形状：多一条过冷AF （Fe3CⅡ）的转变 开始线，且Ms、Mf 线上（下）移。 位置： 亚共析钢：随含碳量的增加，C曲线逐渐向右移 过共析钢：随着含碳量的增加，C曲线反而向左移 共析钢的C曲线最靠右
p Fe A（ ）
s
Ac1
A1
（ ＋ Fe3C） P 0.77 Wc（％）
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9.2.1 共析钢的奥氏体形成过程 A形成包括四个阶段： A晶核 A形核 剩余 A
长大
Fe3C溶解
均匀化
未溶Fe3C
未溶Fe3C
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9.2.2 影响奥氏体形成速度的因素
1.加热温度和保温时间的影响
时间（s）
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9.2.2 影响奥氏体形成速度的因素 2.加热速度 加热速度越快
珠光体有片状和粒状两种形态。 当钢的原始组织为片状珠光体时，铁素体与渗碳体片 层愈薄（片间距愈小），奥氏体形成速度越快。
若珠光体中的渗碳体为粒状 时，因铁素体与渗碳体的相 界面较片状减少，故将减慢 奥氏体形成速度，
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图 9-8 不同原始组织的共析钢的等温奥氏体化曲线 1－淬火状态 2－正火状态 3－球化退化状态
亚共析钢的CCT曲线
有贝氏体转 变区 有先共析铁 素体析出区 Ms线右端 降低
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9.3.4过冷奥氏体连续冷却转变曲线及其应用
例题9－1 试分析图 9-19b中以v1、v2、v3速度冷 却时各得到什么组织以及各转变产物所占的百 分量。 解： v1速度冷却：铁素体占35％，珠光体占65%。 v2速度冷却：铁素体占4％，珠光体占18％，贝 氏体占7％，剩余71％为马氏体和少量残余奥氏 体。 v3速度冷却：马氏体加少量残余奥氏体（5％）。
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过共析钢的CCT曲线
无贝氏体转变 区 有先共析渗碳 体析出区 Ms线的右端升 高
冷却曲线与各转变终了线的交点旁数字表示该转变产物占全部组织的百分数。 每条冷却曲线终端数字表示以该速度冷却后得到最终组织的维氏(或洛氏)硬度 在图的右上角通常会注明钢的成分、奥氏体化温度、时间或晶粒度等级等条件。 38
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9.2.4 奥氏体晶粒度及其影响因素
3. 本质晶粒度 ——反映了奥氏体晶粒长大的倾向 性。 钢加热到930℃±10℃、保温3～8小时、冷却后 测得的晶粒度 。
晶粒度为1～4级，表示晶粒长大倾向大，称 为本质粗晶粒钢，晶粒度为5～8级，表示晶 粒长大倾向小，则为本质细晶粒钢。
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晶粒尺寸
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标准晶粒度等级图
通常1—4级为粗晶粒，5－8级为细晶粒，8级 以外的晶粒称为超细晶粒。
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9.2.4 奥氏体晶粒度及其影响因素
1. 起始晶粒度——奥氏体形成刚刚结束时的奥氏 体晶粒度。 2. 实际晶粒度 ——在某一具体加热条件下得到的 奥氏体晶粒大小。 实际晶粒一般总比起始晶粒大。实际晶粒度基本上决 定了钢在室温时的晶粒大小，因此它对钢热处理后的 性能有直接影响。
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9.3.1共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线
（2）合金元素的影响 一般来说，除Co和Al(﹥2.5％)以外的所有合 金元素，当其溶入奥氏体中都增大过冷奥氏 体的稳定性，使C曲线向右移，并使Ms点降 低。 Cr、Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素，使 C曲线向右移动外，还能改变其形状。 若碳化物形成元素未溶入奥氏体中，而是在 钢中形成稳定的碳化物，促进过冷奥氏体的 转变，使C曲线向左移。
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9.2.2 影响奥氏体形成速度的因素 4.化学成分的影响
钢中的含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。 合金元素一般将改变珠光体向奥氏体转变的 临界点；合金元素影响碳在奥氏体中的扩散 速度；合金元素在铁素体与碳化物中的分布 是不均匀的 。因此，合金钢中奥氏体的均 匀化时间要比碳钢长得多，使得奥氏体的形 成速度也大大降低。
热处理是将固态金属加 热到预定的温度，保温 一段时间，然后以一定 的速度冷却下来的一种 热加工工艺。
加热 保温 临界温度 冷却 时间/h
钢的热处理工艺曲线
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热处理工艺可分为预备热处理和最终热处理。 预备热处理：经铸造、锻造或焊接等热加工后 为随后冷拔、冲压、切削加工或最终热处理作 好组织准备的热处理。如退火和正火 最终热处理：工件经切削加工等成形工艺而得 到最终的形状和尺寸后，再进行的赋于工件使 用性能的热处理。如淬火加回火
3.原始组织 的影响
主要影响A成分的均匀性。原始组织愈细，加热后A成 分愈均匀，C曲线右移。A成分不均匀，促进A分解，C 曲线左移。
4.塑性形变的影响
在高温或低温对奥氏体进行形变使 C 曲线珠光体转变部分越向左移。 高温形变减缓贝氏体转变，低温则加速。
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9.3.4过冷奥氏体连续冷却转变曲线及其应用 1. 过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建 立 测定方法： 综合应用各种方法来测定，如膨胀法 、金相法和热分析法等。
材料科学基础
Chapter 9
固态相变和热处理
1
Chapter Outline
9.1概述 9.2钢在加热时的转变 9.3钢在冷却时的转变 9.4合金的时效与调幅分解 9.5钢的退火与正火 9.6钢的淬火与回火 9.7形变热处理 9.8表面淬火 9.9化学热处理
2
9.1 概述
9.1.1热处理的作用
若亚共析钢加热到Ac1～Ac3之间（两相区），获得
A＋F组织； 过共析钢加热到Ac1～Accm之间（两 相区），获得A＋Fe3C组织，此时称为不完全奥 氏体化加热。
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9.2.4 奥氏体晶粒度及其影响因素
1.奥氏体晶粒度
n2
N 1
式中n----放大100倍时，每平方英寸（6.45cm2) 面积内观察到的平均晶粒数。 N-----晶粒度级别
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（3）原始组织
主要影响A的起始晶粒。原始组织越细，起 始晶粒越细小。但晶粒长大的倾向大，即过 热敏感性增大， 对于原始组织极细的钢，不宜采用过高的加 热温度和长时间保温，宜采用快速加热、短 时保温的工艺方法。
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9.3 钢在冷却时的转变
9.3.1共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线 9.3.2影响过冷奥氏体等温转变的因素 9.3.3过冷奥氏体连续冷却转变曲线及其应用 9.3.4珠光体转变 9.3.5马氏体转变 9.3.6贝氏体转变 9.3.7钢在回火时的转变
保温时间/s
9.2.4 奥氏体晶粒度及其影响因素
（2）加热速度
在保证奥氏体成分均匀化的前提下，快速加热、 短时保温能够获得细小的奥氏体晶粒。 实际生产中采用快速短时加热的方法可以获得 细小的晶粒，如感应加热淬火，盐浴淬火。
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（2）钢的化学成分
含碳量 随着钢中含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向 增大，但是，当含碳量超过某一限度时，奥氏 体晶粒长大倾向又减小。 第二相 用Si或Mn脱氧的本质粗晶粒钢，晶粒长大倾向 大；用Al脱氧的本质细晶粒钢，可以细化晶粒。 但Al的加入量不可太多，否则奥氏体晶粒反而 会粗化。 若在钢中加入Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成 元素时，它们在钢中能形成高熔点的弥散碳化 物和氮化物，如TiC、NbC、VC，也能阻碍晶 粒长大。
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9.2.4 奥氏体晶粒度及其影响因素
2. 影响奥氏体晶粒度的因素 （1）加热温度和保温时间
晶粒度/μ m2
加热温度越高，晶粒长大越 快，最终晶粒尺寸也越大。
为了减小奥氏体晶粒的尺寸， 在热处理工艺的制定方面可在 保证零件性能要求的前提下， 尽量选择较低的加热温度和较 短的保温时间。
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加热时间
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9.3.4过冷奥氏体连续冷却转变曲线及其应用 2.过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析 共析钢CCT曲线 Ps —— 过冷A→P 开始线 Pf ——过冷A→P 终了线 KK′ —— P型转变中止线 Vk —— 上临界冷却速度 Vk′ ——下临界冷却速度 MS —— 过冷A→ M 开始温度 Mf —— A→ M 终止温度