钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体的等温转变
钢的热处理及表面处理技术
• M体转变特点：
• ①无扩散型转变 • ②降温形成:连续冷却完成 • ③瞬时性 • ④转变的不完全性
Fe-1.8CF，e-1冷.8至C，-10冷0℃至-60℃
M形成时体积↑，造成很大 内应力。
• 冷处理：P42
1)无扩散 Fe 和 C 原子都不进展扩散，M是C过饱 和的体心立方的F体，固溶强化显著。
↓ • 总结：A体晶粒越粗大，那么晶界越少，
形核几率越小，那么A体越稳定，C曲线 右移。淬透性越好
• 三、钢的淬透性
• 〔三〕淬透性的测 定
四、钢的回火〔P127〕
1．概念(Conception)
将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度， 保温后冷却下来的一种热处理工艺。
2.目的(purpose) 〔1〕稳定工件组织、性能和尺寸 〔2〕减小或消除剩余应力，防止工件的 变形和开裂 〔3〕降低工件的强度、硬度，提高其塑 性和韧性，以满足不同工件的性能要求
C %↑→ M 硬度↑， 片状M 硬度高，塑韧性差。板条M 强度高，塑韧性较好
二、共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变
共
析
碳
钢
连
续
冷
却
水淬
无
M+AR
B
体
转变终止线
P 退火
T
S 正火
T+ 油淬 M
亚共析钢连续冷却转变 过共析钢连续冷却转变
炉冷→ F + P 空冷→ F(少量) + S 油冷→ T + M+AR 水冷→ M +AR
(三〕淬透性的测定
〔一〕钢的淬透性与淬硬性的概念
• 淬透性：钢在淬火时能够获得M体的能力，它是 钢材本身固有的属性，主要取决于M体的临界冷 却速度
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。
7.3 钢的过冷奥氏体转变曲线
1、过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立 通常应用膨胀法、金相法和热分析法来测定过冷奥氏体连
续冷却转变曲线。为了提高测量精度，常配合使用金相法和热 分析法。
2、过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析 共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线最简单（见图
KK′线为转变的中止线，当冷却曲 线碰到此线时，过冷奥氏体就中止向 珠光体型组织转变，继续冷却到Ms点 以下，剩余的奥氏体转变为马氏体。 Vk称为CCT曲线的临界冷却速度， 它是获得全部马氏体组织（实际还含 有一小部分残余奥氏体）的最小冷却 速度。
图7.19共析钢
●可以看出：不同的冷却速度连续冷却时，过冷奥氏体将会转变 为不同的组织。通过连续转变冷却曲线可以了解冷却速度与过冷 奥氏体转变组织的关系。根据连续冷却曲线与CCT曲线交点的位置， 可以判断连续冷却转变的产物。 ●由图中可知，冷却速度大于Vk时，连续冷却转变得到马氏体组 织；当冷却速度小于Vk′时，连续冷却转变得到珠光体组织；而冷 却速度大于Vk′而小于Vk时，连续冷却转变将得到珠光体＋马氏体 组织。
金属学与热处理原理
第七章 钢在加热和冷却时的转变
7.3 钢的过冷奥氏体转变曲线
主讲教师 从善海
材料与冶金学院 金属材料工程系
2007年9月
7.3 钢的过冷奥氏体转变曲线
过冷奥氏体—在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥 氏体。 过冷奥氏体将发生分解，向珠光体或其它组织转变。在热处理生产 中，奥氏体的冷却方式可分为两大类： 等温冷却—将奥氏体状态的钢迅速冷至临界点以下某一温度保 一定时间，使奥氏体在该温度下发生组织转变，然后再冷至室温 （课本图7.15中曲线1所示）。 连续冷却——将奥氏体状态的钢以一定速度冷至室温，使奥氏体在 一个温度范围内发生连续转变（课本图7.15中曲线2所示）。
第三章1)钢的热处理——加热和冷却的组织变化
15
奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响
1. 奥 氏 体 晶 粒 均 匀 细 小 , 热 处理后钢的力学性能提高。
2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时
容易引起工件产生较大的变形
甚至开裂。
16
3.1.3、钢在加热时常见的缺陷及防止措施
1．常见缺陷
氧化；脱碳；过热；过烧
2．防止措施
在真空中加热； 可控气氛加热； 盐浴加热；
V1 ：炉冷（退火） P V2 ：空冷，S，T V3：空冷，S，T V4：油冷，T+M+A' V5 ：M+A'
（4）选择钢材的依据。钢号不同，C曲线不同。
（5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。
48
共析钢的等温 转变和连续转 变曲线的比较 及转变组织
49
作业：
术语：珠光体，奥氏体，铁素体，渗碳体，莱氏体，晶粒度
46
2．连续冷却转变曲线和等 温转变曲线的比较
（1）CCT位于TTT曲线右 下方 ，A→P转变温度低 一些，t长一些 （2）CCT无A→B转变
CCT测定困难，常用 TTT曲线定性分析
47
3．C曲线的应用
（1）根据工件的组织与性能要求，确定热处理工艺。
（2）为了获得M，确定工件淬火时的临界冷速。
（3）可以指导连续冷却操作。
简答题：
1、碳在Fe-C合金中有哪些存在方式？ 2、液态Fe-C合金中析出石墨的过程分为哪几个阶段？ 3、简述钢的奥氏体化过程，以及影响奥氏体化的因素。 4、影响奥氏体的晶粒度的因素有哪些？如何控制奥氏体的晶粒度。 5、简述过冷奥氏体等温转变产物及特征，与性能关系怎样？ 6、简述马氏体转变的特征。 7、简述影响C曲线的因素。 8、简述C曲线和CCT曲线的区别。
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
钢在加热及冷却时的组织转变
共析碳钢 曲线与曲线的比较
1、同一成分的钢的曲线位 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 。
光镜形貌
电镜形貌
形成温度为650600℃,片层较薄， 800-1000倍光镜下可 辨，用符号S 表示。
（3）托 氏 体 形 貌 像
形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符 号T 表示。
电镜形貌
光镜形貌
2）贝氏体型转变 -中温等温转变( 550～230℃ ):
（1）550～350℃: B上; 40～45;脆性大，几乎无价值。
3、奥氏体晶粒长大及其控制措施
钢加热时珠光体向奥氏体转变刚刚结束时，奥氏体晶 粒是比较细小的。如果继续加热或保温，奥氏体晶粒 会变粗大，影响热处理后钢的强度、塑性、韧性较低。 因此，加热时获得细小晶粒的奥氏体对提高热处理效 果和钢的性能有重要的意义。
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）
10
102
103
104
时间(s)
1）、珠光体型转变—高温转变（A1～550 ℃
）
共析碳钢三种珠光体型组织
第一节 钢在加热和冷却时的组织转变
⑴ 珠光体形貌
形成温度为A1～650℃ ，片层较厚，500倍光 镜下可辨，用符号P表示 .
三维珠光体如同放在水中的包心菜
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。
08讲 钢在加热、冷却时组织的转变
《机械制造技术基础》教案教学内容：钢在加热和冷却时的组织转变教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：1．掌握钢在加热时组织转变——钢的奥氏体化；2．明确过冷奥氏体的等温转变；3．掌握冷奥氏体连续冷却转变。
重点、难点：钢的奥氏体化过冷奥氏体的等温转变冷奥氏体连续冷却转变教学过程：1.3 钢的热处理热处理：采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。
热处理的分类：1．整体热处理：对工件整体进行穿透加热的热处理，如退火、正火、淬火、回火等。
2．表面热处理：仅对表面进行热处理的工艺，如火焰淬火、感应淬火等。
3．化学热处理：将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理，如渗碳等。
钢的热处理过程包括加热、保温和冷却三个阶段。
其主要工艺参数是加热温度、保温时间和冷却速度。
1.3.1 钢在加热和冷却时的组织转变1.3.1.1钢在加热时组织转变Fe-Fe3C相图相变点A1、A3、A cm是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。
但在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的，因此，钢的实际相变点都会偏离平衡相变点。
即：加热转变相变点在平衡相变点以上，而冷却转变相变点在平衡相变点以下。
通常把实际加热温度标为Ac1、Ac3、Ac cm、Ar1、Ar3、Ar cm。
如图6-1所示。
图6-1 钢在加热、冷却时的相变温度钢加热到Ac1点以上时会发生珠光体向奥氏体的转变，加热到Ac3和Ac cm以上时，便全部转变为奥氏体，这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。
1．奥氏体的形成珠光体转变为奥氏体是一个从新结晶的过程。
由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，铁素体与渗碳体的晶包类型不同，含碳量差别很大，转变为奥氏体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。
下面以共析钢为例说明奥氏体化大致可分为四个过程，如图4－2所示。
1）奥氏体形核奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。
第二节 奥氏体在冷却时的转变
3. 等温： 将A化后的试样快速投入 A1 以下某一温度
的浴炉中进行等温转变，并开始计时。
4. 记时：每隔一定时间取出一个试样急速淬入水
中，而后将各试样取出制样，进行金相组织观
察。对各试样做金相组织观察和硬度测定就可
以得出各等温温度下不同等温时间内奥氏体的 转变量，就可以得到在该温度下过冷奥氏体的 等温转变开始点和转变终了点。
1. 珠光体的转变过程
P Fe3C Fe3C
Fe3C
A
A
A
珠光体转变过程示意图
２.
珠光体转变的组织及性能 A相变 层片间距 HRC 性能
温度/ ℃
A→P 0.6～0.8μm， A1~650 10～20 （珠光体） 500×分清 随片间 距减小， A→S 0.25μm， 650~600 20～30 强度、塑、 （索氏体） 1000×分清 韧性升高
铬对C曲线的影响
随堂思考题（见习题集上２３、２４题）
23.45钢常用的淬火冷却介质是（ ）。 （a）空气 （b）油 （c）水 （d）油+水 24.40Cr钢常用的淬火冷却介质是（ ）。 （a）空气 （b）油 （c）水 （d）盐水
3. 奥氏体化条件的影响 加热温度越高、保温时间越长，碳化物溶解充
分, 奥氏体成分越均匀, 提高了过冷奥氏体的
A→T 0.1 μ m ， 30～40 600~550 （屈氏体） 5000×分清
珠光体（P）
索氏体（S）
屈氏体（T）
P 除了片状以外，还有粒状P。
F
Fe3CⅡ
粒状珠光体组织
（二）贝氏体转变( 550℃～230℃ ) A→ B (+Fe3C)，其中相具有一定的碳过饱和度。 半扩散型转变——碳原子扩散，铁原子不扩散。
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）。
钢的奥氏体等温转变图测定
实验三钢的奥氏体等温转变图测定一、概述奥氏体等温转变：钢加热奥氏体化后，冷却到临界点以下进行等温转变时所发生的组织转变为奥氏体等温转变。
奥氏体等温转变图：描述过冷奥氏体在等温转变过程中的转变温度与转变开始和转变终了时间的关系图为奥氏体等温转变图。
奥氏体等温转变图根据转变产物的形态和性质不同分三个区域，低温转变区、中温转变区和高温转变区。
高温转变区转变产物为珠光体。
中温转变区转变产物为贝氏体。
低温转变区转变产物为马氏体和残余奥氏体。
二、实验目的1、用金相法研究并建立GCr15钢奥氏体的等温转变图。
2、了解不同加热温度对GCr15钢奥氏体等温转变图的影响。
三、实验内容1、影响奥氏体等温转变的因素（1）化学成分的影响。
（2）奥氏体晶粒大小对过冷奥氏体转变的影响。
（3）塑性变形的影响。
2、测定奥氏体等温转变图的方法（1）金相法（2）硬度法（3）磁性法（4）膨胀法金相法：金相法能直接而精确地观察到奥氏体分解产物的数量和组织特征。
可以确定奥氏体分解的开始点和结束点，还可以精确确定在等温过程中不同等温时间内的奥氏体的分解量。
测量面积法、画线法、定点法和称重法。
硬度法：随等温停留时间的延长，奥氏体分解量增加，随后淬火得到的马氏体量减少，硬度值随之下降。
点1处硬度开始下降，为转变开始时间。
到点2处硬度值不再下降，为转变的终了时间。
3、实验步骤将GCr15钢加热至840℃保温5分钟将试样分别迅速投入到保持在不同温度的盐浴中进行不同时间的等温，然后取出，淬入水中冷却。
进行金相组织观察，用画线法测出转变开始时间和结束时间。
最后画出GCr15钢奥氏体的等温转变图。
不同温度各等温时间对应试样编号。
钢在冷却时的组织转变
怀化万昌中专学校备课
第二课时
二、共析碳钢TTT曲线的分析
A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;珠光体（P）转变区。
550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变
三)转变产物的组织与性能
1.珠光体型(P)转变(A1～650℃)：高温等温转变
A1～650℃P;综合力学性能较好，有一点的塑性;片间距
0.6～0.7μm(500×)。
650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4
由体心立方变成体心正方晶格。
＜0.2%C);30～50HRC;δ
加热温度和保温时间的影响:
保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。
注意：马氏体的形态有针状和板条状两种，针状马氏体含碳量高，硬度高脆性大；板条状马氏体含碳量低，具有良好的强度和较好的韧性。
马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。
马氏体的含碳量越高，其硬度也越高。
、以共析钢为例，过冷A在不同温度等温
可得到哪些不同产物？它们的性
、什么是马氏体？它有哪两种类型？它们
的性能各有何特点？。
铁碳相图
钢的冷却转变钢在室温时的组织与性能，不仅与加热时获得奥氏体的均匀化程度和晶粒大小有关，而且更重要的是与奥氏体在冷却时的组织转变有关。
控制奥氏体在冷却时的转变过程是热处理的关键。
图1 奥氏体转变1 过冷奥氏体等温转变（TTT曲线）1.1过冷奥氏体等温转变过程奥氏体在临界点A1以下是不稳定的，必定要发生转变，但并不是一冷到A1温度以下就立即发生转变，它在转变前需要一定的时间，这段时间称为孕育期。
在A1温度以下暂时存在的处于不稳定状态的奥氏体被称为“过冷奥氏体”。
奥氏体的等温转变，是将加热到奥氏体化的钢件冷至A1以下的某个温度，进行等温，在等温期间奥氏体所发生的相与组织的转变过程。
图2 共析钢过冷奥氏体等温转变图由共析钢的C 曲线孕育期的长短随过冷度而变化。
孕育期的长短反映出过冷奥氏体稳定性的大小。
在孕育期最短处，过冷奥氏体最不稳定，转变最快，这里被称为C -曲线的“鼻子”。
而在靠近A 1点和M s 点的温度，过冷奥氏体比较稳定，因而孕育期较长，转变也很慢。
在“鼻子”以上温度，转变速度要决定于自由能差∆F ，而在“鼻子”以下温度，转变速度主要决定于扩散系数D 。
共析成分奥氏体在A 1点以下会发生三种不同的转变：在C -曲线的“鼻子”以上部分，即A 1～550℃之间，过冷奥氏体发生珠光体转变，转变产物使珠光体，这一温度区称为珠光体区。
在C-曲线的“鼻子”以下部分，大约550℃～M s 点之间，过冷奥氏体发生贝氏体转变，转变产物是贝氏体，这一温度区称为贝氏体区。
在M s 线以下，过冷奥氏体发生马氏体转变，转变产物为马氏体，这一温度区称为马氏体区。
图3 ∆F 和D 对过冷奥氏体转变速度的影响过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能，以共析钢奥氏体等温转变为例：1.1.1 珠光体型组织A 1～550℃之间将发生奥氏体向珠光体转变，这一转变称之为高温转变。
形成由层片状渗碳体和铁素体所组成的组织。
过冷奥氏体转变温度越低，珠光体越细。
钢在冷却时的转变
完全退火：Ac3+20~30℃，缓冷到 600℃时空冷，得到 F+P；
亚共析钢 过共析钢
球化退火：Ac1+20~30℃，消除网状 碳化物，使之成为球状； 随炉缓冷到500-600℃时出炉空冷。
去应力退火：500-650℃炉冷至200℃后空冷， 消除应力。
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二、正火
(可以作为预备热处理，为机械加工提供适宜的硬度，又能细化晶粒、消 除内应力，并为最终热处理提供合适的组织状态；也可作为最终热处理 ，为某些受力较小，性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的力学性 能。正火还能消除过共析钢的网状碳化物，为球化退火作好组织准备。)
“TTT曲线”在连续冷却过程中的应用
马氏体转变
[马氏体]：碳在α -Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号“M”表 示。在MS线以下过冷奥氏体发生的转变称马氏体转变，马氏体转变 通常在连续冷却时进行，是一种低温转变。 马氏体组织形貌：低碳马氏体组织通常呈板条状M；高碳马氏体组织 通常呈针叶状M。 马氏体性能：马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的含碳量。随着 马氏体含碳量的提高，其强度与硬度也随之提高。低碳马氏体具有良 好的强度及一定的韧性；高碳马氏体硬度高、脆性大。
第四节
钢的表面淬火与 化学热处理
钢的整体热处理
表面淬火 化学热处理
[表面热处理]：是指通过快速加热，仅对钢件表面进行热处理，以改变
表面层组织和性能的热处理工艺。
常用的表面热处理工艺为表面淬火，是强化材料表面的重要手段， 特别适合于要求表面具有较高硬度和耐磨性、心部具
有一定强度的零件（如齿轮、活塞销、曲轴、凸轮等）。
马氏体的碳含量与性能的关系
共析钢冷却组织转变(1)
共析钢在冷却时的组织转变教学目的：了解冷却两种形式，掌握转变得到的组织名称及相关的性能、特点。
重点：共析钢奥氏体等温转变图的理解。
难点：冷却后各种组织（珠光体、贝氏体、马氏体）的区别、性能和使用价值。
复习巩固：1．钢经过加热、保温得到奥氏体，是实现热处理的先决条件。
（）2．共析钢的含碳量是0.77%，45号钢表示含碳量为0.45%的钢。
（）3．铁碳相图中PSK线表示为A1，温度是1538度。
（）4．奥氏体加热时的三条控制线为Ac1、Ac3和。
5．热处理的三个阶段是加热、、冷却组成。
6．补全奥氏体加热、冷却的临界点图：具体讲解：一、奥氏体冷却转变的两种方式：判断：1．钢经过加热、保温得到奥氏体，创造了实现热处理目的的先决条件，但是最终的性能主要决定于奥氏体冷却转变后的组织。
（）2．45号钢奥氏体化后用不同的冷却方法，转变后产物的性能差别很小。
（）A、等温冷却方式示意图：B、连续冷却方式示意图：----------------------------Ar1 ---------------------------- Ar1二、共析钢奥氏体等温转变图：1．(共析钢、过共析钢)奥氏体在临界冷却温度A1以下处于不稳定状态，必然要发生转变，但并不是一旦冷却到（A1、A3）温度以下就会立即发生转变，而是在转变前尚需停留一段时间，这一时间称为“孕育期”。
2．在孕育期中暂时存在但处于不稳定状态的奥氏体称为（过热、过冷）奥氏体。
3．共析钢奥氏体等温转变图（将下图补充完整：温度、硬度值、组织名称等）A、其中a1-----a5为过冷奥氏体转变线，b1-----b5是。
焊件热处理基础班级：姓名：学号：第9页。
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2.火焰加热表面淬火 (1)基本原理和特点 (2)方法 ①固定法；②旋转法；③前进法；④联合法。
图4-30 火焰表面淬火方法示意图 1—火焰喷嘴;2—喷水装置;3—加热层;4—淬硬层
4.5.2 钢的化学热处理
1.化学热处理的基本原理 (1)化学热处理的概念 (2)化学热处理的基本过程 2.渗碳 (1)渗碳概述 (2)气体渗碳 (3)渗碳后的热处理及其性能 ①渗碳后的热处理: ②渗碳淬火后的组织: 一类是从表面到心部组织依次为马氏体 +残余奥氏体→ 马 氏体→心部组织; 另一类是马氏体+残余奥氏体+碳化物→马氏体+残余奥氏 体→马氏体→心部组织。
4.5 钢的表面热处理和化学热处理
4.5.1 钢的表面热处理 1.感应加热表面淬火 (1)基本原理
图4-28 感应加热示意图
(2)特点及其在热处理中的应用 ①感应加热能够在一定范围内控制加热层深度。 ②加热速度快，生产效率高。 ③工件的热处理质量高而稳定。 ④热效率高。 ⑤易实现局部加热和连续加热。 ⑥便于实现机械化和自动化。
(2)回火后的力学性能
淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是： 随着回火温度的上升，硬度、强度降低， 塑性、 韧性升高。
①回火对淬火钢硬度的影响
图4-26 不同碳含量的碳钢回火温 度与硬度的关系
②回火对钢的强度、塑性和韧性的影响
图4-27 碳钢的力学性能与回火温度的关系
2.回火的分类及回火工艺的制定 （1）回火的分类 ①低温回火: ②中温回火: ③高温回火: （2）回火工艺的制定 制定回火工艺的主要参数有: 回火温度、回火时间、回火后的冷却速度。
1.铁碳合金的基本组织 （1）铁素体 （2）奥氏体 （3）渗碳体 （4）珠光体 （5）莱氏体
4.1.2 铁碳合金相图的分析
Fe-Fe3C相图
①Fe-Fe3C相图中的特性点:
1148℃ LwC4.30% Ld wC4.30%（AwC2.11%+Fe3C） 共晶转变 1148℃ 或 LwC4.30% 727℃ AwC0.77% PwC0.77%（FwC0.021 8% +Fe3C） 共析转变 （4-4） 共晶转变 LdwC4.30% （4-3） （4-2）
图4-23 钢在理想淬火介质 中冷却速度示意图
●蒸气膜阶段（图4-24中 AB段） ●沸腾阶段 （图4-24中 BC段） ●对流阶段 （图4-24中 CD段）
图4-24 冷却过程的三个阶段
常用的淬火介质
常用的淬火介质有水、盐水和碱 水、油、熔盐和熔碱等。 ●水 ●盐水和碱水: ●油: ●熔盐和熔碱: ●新型淬火介质:主要有聚乙烯醇 水溶液和三硝水溶液等。
(1)回火时的组织转变 淬火钢回火时的组织转变大致包括以下几 个过程: ①碳原子的偏聚和聚集: ②马氏体的分解: ③残余奥氏体的转变: ④碳化物的析出、转化和长大: ⑤铁素体的回复与再结晶:
总之，淬火钢的回火转变是由以上 五个过程综合作用的结果，难以用明 确的温度范围将 它们截然分开，它们 有时互相交错，有时同时进行。
图4-19 连续冷却的等温转变图
4.3.3 过冷奥氏体的组织转变类型
1.珠光体型转变 (1)珠光体的组织形态及力学性能 (2)珠光体的形成机理 珠光体的形成过程，包含两个同时进行的 过程: 一个是碳的扩散，生成高碳的渗碳体和低 碳的铁素体;另一个是晶体的点阵重构，由面 心立方的奥氏体转变成体心立方的铁素体和 复杂斜方的渗碳体。
(4)感应加热表面淬火后的组织及性能 ①感应加热表面淬 火后的组织: ②感应加热表面淬 火后的力学性能: ●硬度: ●疲劳强度: ●耐磨性:
图4-29 淬火钢感应加热表面淬火后的组 织、硬度与加热温度之间关系
(5)工艺
感应加热表面淬火的工艺参数分为热参数和电参数两种。 ①感应加热表面淬火方法:●同时加热淬火法；●连续加热 淬火法。 ②淬火温度和加热速度的选择 ③感应加热设备的选择:应根据工件的淬硬层深度要求选择 电流频率。 ④感应加热后的冷却：●喷射冷却；●浸液冷却；●埋油冷 却。 ⑤感应加热表面淬火后的回火 通常回火方法有三种: ●炉中回火；●自回火；●感应加热 回火。
(2)珠光体的形成机理
图4-20 片状珠光体形成过程示意图
2.贝氏体型转变
（1）贝氏体的组织形态和力学性能 （2）贝氏体的形成机理 上贝氏体和下贝氏体的转变机理见图4-21。
图4-21 贝氏体形成机理示意图
3.马氏体型转变
（1）马氏体的组织形态及力学性能 （2）马氏体的形成条件 （3）马氏体型转变的特点 钢中马氏体型转变有着许多不同于珠光体型 转变的特点: ①转变的非扩散性: ②转变的非等温性: ③转变的非彻底性: ④比容增大:
(1)纯金属的冷却曲线及过冷度
图4-1 热分析装置示意图
图4-2 纯金属的冷却曲线
图4-3 纯金属结晶时 的冷却曲线
综上所述，纯金属的结晶有两个特点:
一是结晶总是在一定的过冷度条件下进行; 二是结晶的整个过程是在一恒温(T1)情况下由 开始到结束的。 前者也是合金结晶以及其他固态下组织转变的 共同特点。
(3)淬火冷却方法 ①单液淬火: ②双介质淬火: ③马氏体分级淬火: ④下贝氏体等温淬 火: ⑤延迟淬火冷却: ⑥局部淬火: ⑦深冷处理:
图4-25 常用淬火方法冷却 曲线示意图
2.钢的淬硬性和淬透性 淬硬性和淬透性是表示钢接受淬火能力的 两项性能指标。它们是选材、用材的重要依据， 也是热处理技师必须了解的材料的重要性能。 ①淬硬性 ②淬透性
图4-17 共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
2.影响奥氏体等温转变曲线的因素
影响C曲线形状、位置的因素很多，主要有 下面几个方面: (1)碳含量 (2)合金元素 (3)加热温度和保温时间
4.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析
图4-18 共析钢C曲线与CCT曲线关系
4.3.2 过冷奥氏体连续冷却转变的近似分析
(2)纯金属的结晶过程
图4-4 纯金属结晶过程示意图
(3)晶粒大小对金属力学性能的影响
常用的细化晶粒方法有: ①增加过冷度 ②变质处理 ③振动处理
2.铁的同素异构现象
1394℃ δ-Fe γ-Fe 912℃ α-Fe
（4-1）
图4-5 纯铁的冷却曲线
图4-6 铁的同素异构转变示意图
4.1.2 铁碳合金相图的分析
3.控制奥氏体长大的措施 (1)合理选择加热温度和保温时间 (2)合理选择钢的原始组织 (3)加入一定量的合金元素
4.3 钢在冷却时的组织转变
4.3.1 过冷奥氏体的等温转变
钢在冷却时，主要的冷却方式有两种:
一种是等温冷却，另一种是连续冷却，如图4-16所示。
图4-16 不同冷却方式示意图
1.过冷奥氏体等温转变曲线
（1）奥氏体晶核形成 （2）奥氏体晶核长大 （3）残余渗碳体溶解 （4）奥氏体成分均匀化
图4-14 珠光体向奥氏体转变示意图
4.2.3 奥氏体的晶粒长大及其控制
• 1.奥氏体晶粒度的概念
图4-15 钢的标准晶粒度等级示意图
2.奥氏体晶粒长大及其影响因素 （1）加热温度 （2）保温时间 （3）加热速度 （4）化学成分 钢中的碳含量和合金元素都会对奥氏体晶粒长 大产生显著影响。 ①碳含量: ②合金元素:
4.4.2 正火
将钢加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温适 当时间后，在静止的空气中冷却的热 处理工艺称为 正火。由于正火将钢加热到完全奥氏体化状态，使钢 中原始组织的缺陷基本消除，然后再控制以适当的冷 却速度，所以正火得到以索氏体为主的组织。 正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却 速度比退火稍快，故正火钢组织比较细，它的强度、 硬度比退火钢高。
4.4 钢的整体热处理工艺
4.4.1 退火 所谓退火，就是将金属或合金加热到适当 温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理 工艺。退火的实质是将钢加热奥氏体化后进行 珠光体型转变。退火后的组织，对亚共析钢是 铁素体加片状珠光体;对共析或过共析钢则是 粒状珠光体。总之，退火组织是接近平衡状态 的组织。
(1)淬火加热温度 在具体选择钢的 淬火加热温度时，除 了遵循一般原则外， 还应考虑工件的化学 成分、技术要求、尺 寸形状、原始组织以 及加热设备、冷却介 质等诸多因素的影响， 对加热温度予以适当 调整。
图4-22 碳钢的淬火加热温度范围
(2)淬火介质
生产中实际使用 的淬火介质可分为两 大类: 一类是工件在冷 却过程中会发生物态 变化的介质; 另一类是不发生 物态变化的介质。 其冷却特性的不同， 直接影响了工件的冷 却速度。
(3)Fe-Fe3C相图的应用 ①根据Fe-Fe3C相图判断铁碳合金的力学性能:
图4-8 铁碳合金室温平衡组织与碳质量分数wC的关系
②作为选用钢铁材料的依据: ③制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据:
图4-10
Fe-Fe3C相图与铸、锻等工艺的关系
在热处理工艺上的应用
图4-11
Fe-Fe3C相图与热处理温度的关系
4.4.4 回火
1.淬火钢在回火时的组织和性能转变 回火就是钢淬硬后，再加热到低于Ac1以下 的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室 温的热处理工艺。 回火的目的是:合理调整力学性能，使工件 满足使用要求;稳定组织，使工件在使用过程中 不发生组织转变，从而保证工件的形状、尺寸 不变;降低或消除内应力，以减少工件的变形并 防止开裂。
1.退火的目的
①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加 工及冷变形加工。 ②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织 缺陷，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能 或为以后的热处理做准备。 ③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。
2.常用的退火工艺及应用
（1）完全退火 （2）球化退火 （3）去应力退火 （4）再结晶退火 （5）扩散退火
或
727℃ AwC0.77% PwC0.77% 共析转变