第四章 钢的热处理及表面处理

1.7
3.贝氏体转变：过冷奥氏体在550℃-Ms点温度之间发生的 转变，又称为中温转变。在中温转变区，由于转变温度低， 过冷度大，只有 C 原子有一定的扩散能力，而 Fe 原子不发 生扩散，因此这种转变属于半扩散型转变。 贝氏体（ B ）是碳化物 （渗碳体）分布在碳 过饱和的铁素体基体 上的两相混合物。根 据组织形态可以分为 上贝氏体和下贝氏体。 温 度 加 热
700 600 500 温400 度 300 200 100 0 -100 -200 0
Ms Mf Wc 100
奥氏体含碳量对马氏体 转变温度的影响
残 90 80 余 70 奥 60 氏 50 体 40 量 30 ( % 20 ) 10 0 2.0 0.5
℃
Wc 100
奥氏体含碳量对残余 奥氏体数量的影响
-100 0
1
10
102
103
104
时间(s)
温度 (℃ ) 800 700 600 500 400 300 Ms 200 100 0 Mf
-100 0
2.亚共析钢的TTT曲线
F
A3 A1 P+F S+F T B
A
M + A残
1
10
102
103
104
时间(s)
温度 (℃ ) 800 700 600 500 400 300 Ms 200 100 0 Mf
课前案例
将45号钢加热到840℃，然后采用不同的冷却条件下得到的 力学性能 冷却方法 抗拉强度 屈服强度 延伸率 断面收缩率 519 272 32.5 49 随炉冷却 333 15-18 45-50 空气冷却 657-706 882 608 18-20 48 油中冷却 HRC
水中冷却
1078
706
二) 共析碳钢 TTT 曲线的分析
稳定的奥氏体区 A1
A1～550℃;高温转变区; 过 A 冷 产 扩散型转变; P 转变区。 A向产物 + 奥 物 转变终止线 产 氏 区 550～230℃;中温转变 体 物 区; 半扩散型转变; 400 区 A向产 区 贝氏体( B ) 转变区; 300 Ms 物转变开始线 200 230～ - 50℃; 低温转 100 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。 0 Mf
3.影响奥氏体晶粒长大的因素 ⑴加热温度（最主要）与保温时间 T越高，t越长，d粗大 ⑵加热速度 加热速度越快，过热度越大，形核率越高，d细小 ⑶钢的化学成分， 阻碍奥氏体晶粒长大的元素： Ti 、 Zr 、 V 、 Nb 、 Al 等会与 C 、 N形成强碳化物和氮化物，阻碍奥氏体晶粒长大； 促进奥氏体晶粒长大：Mn、P、C、N 奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的组织也粗大，降低钢的常温 力学性能，特别是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶 粒是热处理的关键问题之一！！！
600 500
400
CCT曲线
TTT曲线
300 Ms 200 100 0 Mf -100 0
1
10
102
103
104
时间(s)
共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较 1. CCT 曲线在 TTT 曲线的右下方，表明连续冷却时过冷 奥氏体更稳定，孕育期更长； 2. CCT曲线中没有贝氏体转变； 3. 连续冷却过程中，过冷奥氏体的转变是在一个温度区 间内进行的，随着冷却速度的增大，转变温度区间逐 渐移向低温，而转变时间则缩短； 4. 等温冷却条件下得到的组织产物基本为单一产物和残 余奥氏体，但是连续冷却条件下先后经过几个转变区 ，转变产物经常是几种组织的混合物，且由于转变开 始温度较高，使先转变的组织晶粒粗大，后转变的组 织晶粒相对细小。
保温
A1
1）马氏体的组织形态
板条马氏体（低碳马氏体） Wc<0.25%
亚结构为高密度的位错
位错马氏体 马氏体板条 原奥氏体晶界
针状马氏体（高碳马氏体） Wc>1.0%
亚结构主要是孪晶
孪晶马氏体 马氏体片
双凸透 镜状
晶区 板条束
2）马氏体的力学性能-主要取决于碳浓度
高强度和高硬度是马氏 体性能的主要特点。 其硬度随含碳量的增加 而升高。
2. 马氏体转变：钢从高温奥氏体状态快速冷却，在温度低于 Ms点以下转变为马氏体的相变，又称为低温转变。因为转变温 度很低，Fe和C原子都不能进行扩散，所以是非扩散型相变。 马氏体（M）是碳在α -Fe 中的过饱和间隙固溶体。 奥氏体与马氏体的成分 相同，因此马氏体转变 过程中只有晶格的改组 而没有成分的变化。 温 度 加 热 Ms 马氏体转变 Mf 时间
《工程材料及成型技术》
第4章 钢的热处理及表面处理
第一节 钢的热处理原理
热处理：将金属或合金在固态下进行加热、保温和冷却，改 变其组织（材料整体或表面），从而获得所需性能的一种热 加工工艺。
热处理的特点 1.在固态下进行 2.只改变工件的组织，不改变 形状和尺寸 热处理的目的 1.提高钢的力学性能 2.改善钢的工艺性能 热处理的理论依据：铁碳相图
1. 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线-CCT 曲 线 它表示钢经奥氏体化后在不同冷却速度的连续冷却 条件下，过冷奥氏体转变为亚稳定产物时，转变开 始及转变终了的时间与转变温度之间的关系曲线图。
C --- continuous C --- cooling T --- transformation
二、钢在冷却时的组织转变 （一）过冷奥氏体的转变及转变产物 过冷奥氏体：在相变温度A1一下，未发生转变而处于 不稳定状态的奥氏体。它是非稳定组织，迟早要发生 转变。
保温 A1 温 度 加 热 2
温 度 加 热
保温
珠光体转变 贝氏体转变
A1 550℃ Ms
1
马氏体转变 Mf 时间
时间
1. 珠光体转变：过冷奥氏体在临界温度A1以下较高温度范围 内A1～550℃发生的珠光体转变，又称为高温转变。 由于相变在较高温度下进行，Fe、C原子都能进行扩散，所 以珠光体转变属于扩散型相变。 温 度 加 热 保温 A A1
A1 向右移 Ms 向 下 移 Ms 含Cr合金钢 A1
合金元素的影响
3.奥氏体状态的影响 1）奥氏体晶粒越细，越有利形核和扩散，有利转变。 2）加热温度越高, 保温时间越长，碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀，提高了过冷奥氏体的稳定性，从 而使 TTT曲线向右移，越稳定。
（五）过冷奥氏体的连续冷却转变
B下 =过饱和碳 α-Fe针叶状 + Fe3C细片状
贝氏体的力学性能:取决于其组织形态。
上贝氏体 - 铁素体条粗大 - 碳化物颗粒粗大 强度和韧性均差，无实用价值。 下贝氏体 -铁素体针细小、分布均匀-碳化物 细小且呈弥散分布 - 强度高，韧性也好，较 好的综合力学性能 - 是生产上常用的强化组 织之一。
-100 0
3.过共析钢的TTT曲线
Fe3CⅡ A
ACM A1 P + Fe3CⅡ S + Fe3CⅡ T B
M + A残
1
10
102
103
104
时间(s)
(四) 影响 TTT 曲线形状与位置的因素
1.奥氏体中含碳量的影响:
亚共析钢
共析钢
过共析钢
2.奥氏体中含合金元素的影响: 除Co、Al (＞2.5% ) 外,所有合金元素溶入奥 氏体中,会引起曲线右移，Ms和Mf下降:
(二)钢在热处理时的冷却方式
温 度 保温 临界温度
热 加
连续冷却：钢从高温奥氏体状态 一直连续冷却到室温
连续冷却
等温冷却 时间
等温冷却：将奥氏体状态的钢迅速冷却到临 界点以下某一温度保温，让其发生恒温转变 ，然后在继续冷却到室温
(三) 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线 1. 建 立 共 析 钢 过 冷 奥 氏 体 等 温 冷 却 转 变 曲 线 TTT曲线 ( C 曲线 ) 它表示过冷奥氏体急速冷却到临界点 A1以下在各 不同温度下的保温过程中转变产物与转变时间的 关系曲线。
WC/% 板条马氏体 -含碳分数低-存在低密度位错区 -良好的塑性和 韧性； 片状马氏体-含碳分数高-孪晶亚结构-塑性和韧性很差。
马氏体强化的主要原因
1. 固溶强化：过饱和碳引起的晶格畸变； 2. 相变强化：马氏体转变时在晶内造成缺 陷密度很高的亚结构； 3. 时效强化：过饱和碳以弥散碳化物形式 析出； 4. 细晶强化：形成细小的马氏体。
T --- time T --- temperature T --- transformation
共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图
温度 (℃ ) 800 700 600
A1
500
400 300 200 100 0 -100 0 1 10 102 103 104 时间(s)
温度 ( ℃) 800 700 600 500
F
Fe3C A A
未溶Fe3C
奥 氏 体 的 形 成
A 形核
残留Fe3C
A 长大
A
A
残留Fe3C溶解
A 均匀化
亚共析钢的加热过程：
AC3 AC1 F P F A A
cm 1 A Fe3CⅡ A 过共析钢的加热过程： P Fe3CⅡ
AC
AC
1、 共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图
温 度 ℃
Ps Ms Mf 水冷 K 珠光体 转变区
中止线
A1
A+P Pf
炉冷
空冷 无贝氏体转变区
马氏体转变区
Vc 油冷 Vc ′
Vc上临界冷却速度
′下临界冷却速度 c V
时间( lg τ )
2 共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较
温度 (℃) 800 700 稳定的奥氏体区 A1
3）马氏体转变的主要特点
D. 转变是在一个温度范围内（Ms～Mf）进行的； 随着温度下降，过冷奥氏体不断转变为马氏体，如 果中途停止冷却，则奥氏体向马氏体的转变也停止。 E. 转变不完全，总要残留少量的奥氏体； 奥氏体中含碳量越高，则Ms和Mf越低，残余A含量越 高。只有在含碳量小于0.6%时，残余A才可以忽略。残余 A的存在不仅降低钢的硬度和耐磨化，而且还会在工件长 期使用中继续转变为马氏体，使工件尺寸发生变化。
保温
A
A1 550℃
贝氏体转变
上B 350℃ 下B Ms
时间百度文库
上贝氏体（B上）
550℃至350℃
组织形态呈 羽毛状
渗碳体
过饱和碳α-Fe条状
Fe3C细条状
羽毛状
B上 =过饱和碳 α-Fe条状 + Fe3C细条状
下贝氏体（B下）
350℃至Ms
呈黑色针状或竹 叶状。
渗碳体
过饱和碳 α-Fe针状 针叶状 Fe3C细片状
3、CCT曲线在连续冷却过程中的应用
温 度
A1
A+P Pf Ps Ms M
f
V1 = 5.5℃/s : 炉冷 ; P
℃
K
V2 = 20℃/s : V1炉冷 空冷 ; S
V2空冷
V3 = 33℃/s : 油冷;T+M+A残 V4 ≥ 138℃/s : 水冷 ; M+A残
78
12-14
15-18 18-24 40-50 52-60
一、钢在加热时的组织转变
（一）奥氏体的形成过程 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化，是晶格重 组和铁、碳原子扩散的过程。 以共析钢的奥氏体形成过程为例
1、奥氏体的形核 3、残留渗碳体的溶解
2、奥氏体晶核的长大 4、奥氏体成分均匀化
3）马氏体转变的主要特点
马氏体转变也是形核和长大的过程，其主要特点有： A. 无扩散性； Fe和C原子不能发生扩散。C在α -Fe形成过饱和固溶体， 造成很大的晶格畸变，产生很强的固溶强化，使马氏体具有 很高的强度和硬度。 B. 转变时体积发生膨胀； 奥氏体晶格为FCC，马氏体晶格为体心正方，转变时体积 发生膨胀，容易引起相变内应力，严重时导致工件变形和开 裂。 C. 马氏体高速长大，速度极快； 奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏 体，每个马氏体形成的时间极短，大约只需10-7s
550℃
P
时间
珠光体形成示意图
按片间距的大小可将其分为三类：
三种组织没有本质区别，只是形态上有粗细之分
珠光体P
<
索氏体S
< 托氏体（屈氏体）T
600～550℃ 片层极细 38-43
A1～650℃ 片层较粗 HRC15-27
650～600℃ 片层较细 27-38
片层间距越小，则强度和硬度越高，塑性和韧性也越好!
（二）奥氏体晶粒大小及其控制 1.晶粒大小的表示方法
标准金相图片（标准评级图）评定晶粒大小的级别。 分为8级，1级最粗，8级最细。
粗晶粒度
1级
2级
3级
4级
细晶粒度
5级
6级
7级
8级
2.奥氏体晶粒度的概念 实际晶粒度:实际条件得到的晶粒大小 本质晶粒度:用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度。
标准试验方法:加热到930±10℃，保温3～8h后测定奥氏体晶 粒大小，在1～4级，本质粗晶粒钢；在5～8级，本质细晶粒 钢。