5.2 钢在冷却时的转变
钢的冷却转变讲解
a）是一种最简单的IT图。它是P转变与B转变曲线重迭的图。 b）转变开始曲线与a)相同，但转变终了曲线向右侧凹陷，出
现两个鼻子。 c）转变开始曲线与转变终了曲线都出现了两个鼻子，但终了
线是两条C曲线。 d）是两线组独立的C曲线，分别是高温转变（A→P）和中温转
等温冷却
连续冷却
奥氏体不同的冷却方式示意图
温度/℃
临界温度
加热
保温
连续 冷却
②
冷却
①
等温 冷却
0
时间/min
同一种钢，加热条件相同，但由于采用不同的冷却条 件，钢所表现出来的机械性能明显不同，为什么会出现性 能上明显的差别？
这是由于钢的内部组织随冷却速度的不同而发 生不同的变化，导致性能上的差别。
（一）共析碳钢的连续冷却转变图
PS：P开始转变线； Pf：P转变结束线；
K: 是P转变终止线； VK: 上临界冷却速度，它是得到全部M组织的最小冷却速度。VK越
小，钢件在淬火时越易得到M组织，淬硬性越好。 VK′:下临界冷却速度，它是得到全部P组织的最大冷却速度。VK′ 越
小，退火所需的时间就越长。
三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线
IT图的主要反映了过冷A等温转变的规 律，主要用于研究相变机理、
组织形态等。在一般热处理生产中，多 为连续冷却，所以难以直接应用，CCT图 （连续转变图，Continuous-CoolingTransformation）能比较接近实际热处 理冷却条件，应用更方便有效。
合物。其形态、性能及形成过程都和P不同。
对T8而言： B上形成温度T：550～350℃
硬度HRC60～45 B下形成温度T：350～240℃
第三章 钢冷却时的转变
奥氏体化是钢的热处理重要的第一步。
在此基础上，在后续的冷却过程中可以通过控制过冷奥氏体分解，从而获得不同的组织。
钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键工序。
在热处理生产中，钢制奥氏体化后通常有两种冷却方式：等温冷却方式和连续冷却方式。
过冷奥氏体——在临界点以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体。
第三章钢在冷却时的转变（过冷奥氏体分解）冷却条件的不同，过冷奥氏体可通过不同机制进行转变而获得完全不同的组织。
三种转变：珠光体、贝氏体、马氏体转变（1）珠光体转变：以缓慢速度冷却时，发生分解的过冷度很小，过冷奥氏体在高温下有足够的时间进行扩散分解，转变为近于平衡的珠光体型的组织。
扩散型相变这种冷却速度相当于炉冷或空冷的冷却方式，热处理生产上成为退火或正火。
（2）贝氏体转变——当冷却速度很快时，可以把奥氏体过冷至较低温度，此时碳原子尚可进行扩散，但铁原子不能进行扩散，奥氏体只能转变为贝氏体。
半扩散型相变（3）马氏体转变——当采用更快的冷却速度时，奥氏体迅速过冷至不能进行扩散分解的低温M S点以下，此时只能得到马氏体。
非扩散型相变。
这种冷却方式相当于水冷方式，生产上叫淬火。
过冷奥氏体分解同样是一个点阵重构和碳的扩散过程，也是一个形核和长大的过程。
§3.1 过冷奥氏体等温转变图§3.2 过冷奥氏体连续冷却转变图及应用§3.1 过冷奥氏体等温转变图一、过冷奥氏体等温转变图的建立将奥氏体迅速冷至临界温度以下的一定温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为过冷奥氏体等温转变。
测定过冷奥氏体等温转变图的方法有金相法、膨胀法、磁性法、热分析法等。
将若干共析碳钢小试样加热到奥氏体状态，保温一定时间后迅速冷却到A1点以下不同温度，例如700℃、650℃、600℃等，随后在各温度下保温，每经过一定时间取出一个试样立即淬入盐水中，使未转变的奥氏体转变为马氏体。
其中马氏体为白色，分解产物为黑色。
钢在加热及冷却时的组织转变
十塚尤邯I十樓碳体I珠光体庶 C (%)―-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形核长大残余渗碳体溶解均匀化共析钢奥氏体化：热处理加热至Ac1以上时，将全部奥氏体化亚共析钢奥氏体化：原始组织为F+P,加热至Ac1以上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Ac3以上时，F奥氏体化，组织全部奥氏体化过共析钢奥氏体化：原始组织为P+Fe3C,加热至Ac1以上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Acm以上时，Fe3C奥氏体化，组织全部奥氏体化物元素（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。
()奥氏体冷却降至A i以下时（A以下温度存在的不稳定奥氏体称过冷奥氏体）将发生组织转变。
热处理中采用不同的冷却方式，过冷奥氏体将转变为不同组织，性能具有很大的差异，如下表为45钢奥氏体化后经不同方式的冷却，其性能的差异。
1 •奥氏体的等温转变奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。
这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。
这种转变就称为奥氏体的等温转变。
［等温冷却转变］:钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点（Ar i或A®线以下，等温保持时过冷奥氏体发生的转变。
［等温转变曲线］:可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温温度、保持时间与转变产物所占的百分数（转变开始及转变终止）的关系曲线，称“ TTT图”，T time，T temperature，T 1ransformation ”，又称为“C 曲线”。
iio ~io^~io 3~~io 1 ~io 5z/s共析钢等温转变曲线图等温转变产物及性能：用等温转变图可分析钢在 A i 线以下不同温度进行等温转变 所获的产物。
5-2钢冷却时的组织转变
温度 (℃ ) 800
共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图
Mn、Si、Ni、Cu等非碳化物形成元素，仅仅使C曲线→， 但不改变C曲线形状；
除Co和Al之外，其余Ae使Ms点↘。
1 过冷γ的等温冷却转变图
(4)影响C曲线的因素
③ T和 t ：
γ化的T↗和保温t↗，碳化物充分溶解并成分均匀化，晶 粒粗大， γ越稳定，C曲线→。
2 过冷γ的连续冷却转变图-CCT图
③M转变区——Ms以下
M的组织形态和性能： M的组织形态取决于C%，当C%>1%时，全部得到片状M； 当C%<0.2%时，得到板条状M； 当0.2%<C%<1%时，得到混合M。
片状M主要在高碳钢和高碳合金钢中出现，故又叫高碳M。
片状M的立体形貌为透镜状，二维形貌呈竹叶状或针状， 故又叫针状M。
1 过冷γ的等温冷却转变图
1 过冷γ的等温冷却转变图
(3)过冷γ转变产物的组织形态与性能
②β转变区——550℃-Ms之间
在该温度区间保温，过冷γ转变成β，该转变叫做中温转 变，得到Fe3C和含C过饱和F的机械混合物，即β体。 片间距随着△T的↗而↘。 β转变属于半扩散型转变，C原子扩散而Fe原子不扩散。
1 过冷γ的等温冷却转变图
(3)过冷γ转变产物的组织形态与性能
①P转变区——A1-550℃之间
在该温度范围内，原子能充分扩散，随着T的↘，相变驱 动力↗，孕育期逐渐↘，转变速度↗。 A1-650℃—生成较粗片状的P组织，普通光镜下可分辨；
钢的热处理钢在加热和冷却时组织转变课件
钢在冷却时的组织转变
珠光体的形成
总结词
珠光体是钢在冷却过程中形成的一种组织，由铁素体和渗碳体的层片状交替排 列构成。
详细描述
当钢在冷却时，奥氏体中的碳原子开始扩散并偏聚在铁素体和渗碳体的界面处， 形成富碳的铁素体和贫碳的渗碳体。随着温度的降低，这些富碳的铁素体和贫 碳的渗碳体会逐渐形成层片状结构，最终形成珠光体。
马氏体的转变
总结词
马氏体是钢在冷却过程中形成的一种组织，其特点是具有较 高的硬度和强度。
详细描述
当钢在冷却时，如果冷却速度足够快，奥氏体中的碳原子来 不及扩散，就会形成一种过饱和的固溶体，即马氏体。马氏 体的硬度高、强度大，因此在制造高强度、耐磨性好的刀具、 模具等产品时具有重要的应用。
贝氏体的转变
奥氏体的形成是一个扩 散过程，需要一定的时 间和温度。
04
奥氏体的形成与钢的成 分、加热速度和温度等 因素有关。
奥氏体晶粒的长大
01
02
03
04
随着温度的升高，奥氏体晶粒 逐渐长大。
晶粒的大小对钢的性能有重要 影响，晶粒越细，钢的强度和
韧性越好。
加热温度和时间是影响奥氏体 晶粒大小的主要因素。
为了获得细小的奥氏体晶粒， 通常采用快速加热和短时间保
回火
总结词
回火是一种将淬火后的金属重新加热至低温 并保持一段时间的过程，主要用于消除淬火 过程中产生的内应力、提高金属的韧性和塑 性。
详细描述
回火的主要目的是通过低温加热使金属内部 组织结构发生转变，消除淬火过程中产生的 内应力，提高金属的韧性和塑性。回火工艺 通常包括将淬火后的金属加热到低温回火温
开裂
是指热处理过程中，由于内应力过大 或组织转变不均匀，导致钢的表面出 现裂纹。开裂可以通过优化热处理工 艺、控制冷却速度和改善材料成分来 减少。
工程材料学 (27)
性能主因
层片间距 亚结构 组织形态
5.2 冷却时的组织转变 5.3.3 过冷奥氏体转变
温度/℃
1 珠光体转变
800
A
700
600
500
400
300
Ms
200
100
0 Mf
-100
0
1
10
102
103
时间/s
104
105
工程材料学——第5章 钢的热处理
(a)珠光体 3800× ,150～450nm (b) 索氏体 8000×, 80～150nm (c)托氏体 8000 × ,30～80nm
5.2 冷却时的组织转变 5.3.3 过冷奥氏体转变
珠光体的力学性能
P、S、T三者同属于铁素体＋渗碳体的层片状组织，其区 别仅在于片层粗细不同。片状P的性能主要取决于P的层片间距。 间距越小，强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。
350
延伸率 强度 硬度
260
190
80 20
100 35
120 50
珠光体
100 等温30min
80
冲击韧性（J/cm2)
60
40
20
0
250
350
450
贝氏体形成温度（℃）
三种低合金钢等温温度与韧性的关系
%C
% si
%Mn %Cr
1 0.27
1.02
1.00
0.98
2 0.40
1.10
1.21
1.62
3 0.42
1.14
1.04
0.96
工程材料学——第5章 钢的热处理
组织
800
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？。
钢在加热和冷却时的转变
第七章钢在加热和冷却时的转变§7.1 钢的热处理概述一、钢的热处理1.热处理的定义钢的热处理是指在固态下，将钢加热到一定的温度、保温一定的时间，然后按照一定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。
具体的热处理工艺过程可用热处理工艺曲线表示（图7.1）。
从该曲线可以看出：热处理过程由加热、保温、冷却三阶段组成，影响热处理的因素是温度和时间。
2.热处理的原理钢能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变。
通过固态相变，可以改变钢的组织结构，从而改变钢的性能。
钢中固态相变的规律称为热处理原理，它是制定热处理的加热温度、保温时间和冷却方式等工艺参数的理论基础。
热处理原理包括钢的加热转变、冷却转变和回火转变，在冷却转变中又可分为：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。
3.热处理的作用1)热处理通过改变钢的组织结构，不仅可以改善钢的工艺性能，而且可以提高其使用性能，从而充分发挥钢材的潜力。
2)热处理还可以部分消除钢中的某些缺陷，细化晶粒，降低内应力，使组织和性能更加均匀。
4.热处理的分类1)根据加热、冷却方式的不同，热处理可分为：普通热处理，表面热处理和特殊热处理。
普通热处理又包括退火、正火、淬火和回火，俗称四把火。
表面热处理又包括：表面淬火和化学热处理。
特殊热处理又包括形变热处理和真空热处理。
2)根据生产流程，热处理可分为：预备热处理和最终热处理。
前者是指为满足工件在加工过程中的工艺性能要求进行的热处理，主要有退火和正火。
而后者是指工件加工成型后，为满足其使用性能要求进行的热处理，主要有淬火和回火。
5. 热处理的重要性热处理在冶金行业和机械制造行业中占有重要的地位。
常用的冷、热加工工艺只能在一定程度上改变工件的性能，而要大幅度提高工件的工艺性能和使用性能，必须进行热处理。
例如，热轧后的合金钢钢材要进行热处理，汽车中70%——80%的零件也要进行热处理。
如果把预备热处理也包括进去，几乎所有的工件和零件都要进行热处理。
钢在冷却时的组织转变的连续冷却转变过程
钢在冷却时的组织转变的连续冷却转变过程
钢在冷却时的组织转变是一个非常重要的过程，它决定了钢的力学性
能和使用寿命。
这个过程可以被分为三个阶段：
第一阶段：初次冷却
在初次冷却阶段，钢的组织会发生初步的变化。
当温度降到钢的临界
温度以下时，钢中的所有组织都会开始转变。
这个过程是不可逆的，
一旦开始就不能停止。
第二阶段：持续冷却
在持续冷却阶段，钢的组织会进一步变化。
随着温度的降低，钢中的
残留奥氏体会逐渐转变为贝氏体。
这个过程会在几个小时内完成，然
后钢的组织就会保持不变，直到它被重新加热。
第三阶段：再次加热
在再次加热阶段，钢的组织会重新发生变化。
当温度达到一定程度时，钢中的组织开始再次转变，从贝氏体转变为奥氏体。
这个过程同样是
不可逆的。
以上就是钢在冷却时的组织转变的连续冷却转变过程。
需要注意的是，在这个过程中，钢的组织变化是不可逆的，因此加热和冷却的过程必
须严格控制。
如果温度过高或过低，会导致钢的力学性能和使用寿命
都受到影响。
钢在冷却时的组织转变
钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变，这个话题一听就觉得有点儿专业，但其实挺有意思的。
想象一下，把一块热乎乎的钢铁放在水里，哇，那一瞬间就像是给它来了个“冰桶挑战”。
这时候，钢的内部结构开始忙碌起来，简直是个小工厂在快速运转呢。
钢铁的成分和冷却的速度就像人类的性格一样，各有各的特点，慢慢来和快刀斩乱麻的效果完全不同。
你知道吗，钢的冷却就像是一个舞蹈。
刚开始的时候，热气腾腾的钢像个热情的舞者，随着温度的降低，它的舞姿开始发生变化。
一开始是那种流畅的感觉，冷却得慢，结晶的过程很优雅，像是优雅的芭蕾舞。
但要是冷却速度快，就变成了“急转弯”，结晶过程就会产生一些小麻烦。
就好比一位舞者突然摔了一跤，哎呀，这样可不行，得赶紧调整姿势。
这样的变化就是钢中不同组织的转变。
说到这里，不能不提到钢铁的几种常见组织。
淬火钢就像是小鸟展翅高飞，给人一种强烈的感觉，硬度特别高，抗压能力也很棒，感觉随便能拎起一座楼来。
而如果是退火钢，哎呀，那就像是刚睡醒的懒猫，软软的，温柔得很，弹性好得让人感到惊讶。
它的处理过程就像是给钢铁做了个全面的“水疗”，恢复了活力。
这些不同的组织变化决定了钢铁的性格，真是“千姿百态”啊！冷却过程中还有一些意想不到的“小秘密”。
比如说，冷却得太快，内部就容易出现“裂纹”。
这就像是泡泡糖吹得太大，啪一声，唉，不小心破了。
钢铁的结构如果不稳固，使用时就很容易出问题，真是“前怕狼，后怕虎”。
所以，控制冷却速度就像做菜，要火候掌握得当，才能煮出美味的佳肴。
再说说，这些冷却后的组织对钢的性能影响可大了。
比如说，马氏体组织就像个小强，无论怎样都很难被击倒，硬度和强度都出奇地高。
而珠光体组织呢，就像个聪明的家伙，柔韧性好，耐磨损，使用范围广，感觉就像是“百搭”的衣服，哪里都能穿。
这样的性能差异让钢铁在各种应用中都有了“定制”的可能，真是让人佩服。
除了这些物理性质，钢的冷却过程还和实际应用息息相关。
在建筑中，钢铁的强度关系到整个大厦的安全，工业设备中的钢材性能更是直接影响到生产效率。
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。
点击动画
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
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σb
ψ
图5-6共析珠光体转变产物的力学性能与间距和温度的关系
5.2 钢在冷却时的转变
一、过冷奥氏体的等温冷却转变
图5-2 不同冷却方式示意图 Ⅰ-连续冷却 Ⅱ-等温冷却 连续冷却 等温冷却
共析钢的C 共析钢的C曲线分析
过冷A 过冷A : 不稳定. T < A1时，A不稳定. A体等温转变曲线 曲线或TTT) (C 曲线或TTT) 高温转变:A 高温转变:A1 ~ 550℃ 过冷A 过冷A → P 型组织
100 0 -100 0
A→M
Mf
M+A'
60~65HRC
M
1
10
10
2
10
3
10
4
5 10 时间/s
二、冷却转变后的组织和性能
1、珠光体转变（A1～550℃） 550℃） 珠光体转变（ 一是晶格重组，二是铁、碳原子扩散. 一是晶格重组，二是铁、碳原子扩散. 属扩散型转变
珠光体转变过程示意图
1. P 体型组织 —— F + 层片状 Fe3C
珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T 层片间距： 层片间距：P > S > T
索氏体 S 8000× 8000×
屈氏体 T 8000× 8000×
3800× 珠光体 P ，3800×
过冷奥氏体高温转变产物的形成温度和性能
组织名称 珠光体 索氏体 屈氏体 表示符号 P S T 形成温度范围 /℃ A1~650 650~600 600~550 硬度 170~200HB 25~35HRC 35~40HRC 片间距 /nm 150~450 80~150 30~80 能分辨片层的 放大倍数 00× ＜ 5 00× ＞1000× 1000× ＞2000× 2000×
四、过冷奥氏体的连续冷却转变
Ps —— A→P 开始线 Pf —— A→P 终了线 K —— P型转变终止线 型转变终止线 Vk —— 上临界冷却速度 Vk' —— 下临界冷却速度 MS —— A→ M 开始温度 Mf —— A→ M 终止温度
of 5.2 & Chapter 5
图5-7球状珠光体显微组织（500×） 球状珠光体显微组织（500×
800 700 600 500 400 300
Ms
T/℃
A1
A
始 转变开
过 冷 A
A→P
转变结束
P 5~25HRC S
25~35HRC 35~40HRC 40~50HRC
A→S A →T
T
过 冷 A
A→上 B
上B
A→下B
下B 50~60HRC
中温转变:550℃ 中温转变:550℃ ~ MS 200 过冷A →贝氏体 过冷A →贝氏体 ( B ) 低温转变:M 低温转变:MS ~ Mf 过冷A →马氏体 过冷A →马氏体 ( M )
板条M, 板条M, 平行的细板条束组成
针状M 凸透镜状） 针状M（凸透镜状）
片状马氏体的形成过程
针片状和板条状马氏体性能比较
马氏体的强度和硬度与其C 图5-16板条马氏体与片状马氏体的性能比较 马氏体的强度和硬度与其C的质量分数的关系
淬火钢中 含碳量/% 含碳量/% 马氏体形态 板条状 片状
(MN· (MN·m-2) 1020～ 1020～1530 2350
F 针内定向分布着细小 2.4C颗粒 针内定向分布着细小Fe 颗粒 电子显微照片 12000× ×
αk
等温转变温度/℃ 等温转变温度/℃
图5-10 共析纲的力学性能与等温转变温度的关系
马氏体 (M)：C在α－Fe中的过饱和固溶体。 (M)： Fe中的过饱和固溶体 中的过饱和固溶体。
转变特点： 转变特点：
3 .马氏体转变 .马氏体转变
含碳量对马氏体转变温度的影响
图5-12奥氏体的C的质量分数对马氏体转变温度的影响 12奥氏体的C 奥氏体的
马氏体的组织类型
为板条M 低碳M C% < 0.2% 时，为板条M（低碳M）。 为针状M C% > 1.0 % 时，为针状M 。 Fe-1.8C，冷至Fe-1.8C，冷至-100℃ Fe-1.8C，冷至Fe-1.8C，冷至-60℃
上贝氏体的形成过程
上贝氏体中的Fe 分布于铁素体条之间， 上贝氏体中的Fe3C分布于铁素体条之间，分割了基体 的连续性，易脆断， 的连续性，易脆断，故上贝氏体的强度和韧性较低
× 45钢，B上+B下，×400 光学显微照片 1300× 电子显微照片 5000× 钢 ×
下贝氏体的形成
T8钢，B下，黑色针状 钢 下 光学显微照片 ×400
三、影响C曲线的因素 影响C
1）含碳量(奥氏体的含碳量) 含碳量(奥氏体的含碳量) 2）合金元素
除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都 Co外 绝大多数合金元素溶入奥氏体后， 使C曲线右移，形状也可能会发生改变。 曲线右移，形状也可能会发生改变。
3）加热温度和保温时间
随温度的提高和保温时间的延长， 随温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充 奥氏体成分均匀，晶粒粗大，晶界减少（ 分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大，晶界减少（总形 核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性， ），这些都增加过冷奥氏体的稳定性 核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性， 曲线右移。 使C曲线右移。
可见：珠光体的片层间距越小，硬度越高， 可见：珠光体的片层间距越小，硬度越高，同样强度 也高,韧性也随片层间距变化。 也高,韧性也随片层间距变化。 也随片层间距变化 同一成分的钢， 同一成分的钢，组织为片状珠光体时硬度和强度比粒 状珠光体的高，但塑性、韧性低， 状珠光体的高，但塑性、韧性低，为改善工具钢的切削 性能，常用球化退火来得到粒状珠光体组织， 粒状珠光体组织 性能，常用球化退火来得到粒状珠光体组织，降低钢的 硬度。 硬度。
2. 贝氏体转变
中温转变： ℃～Ms点 中温转变：550 ℃～Ms点 转变特点：半扩散型，铁原子不扩散， 转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原 子有一定的扩散能力。 子有一定的扩散能力。 转变产物：贝氏体， 转变产物：贝氏体，即Fe3C分布在含碳过饱 和的铁素体上的两相混合物。 和的铁素体上的两相混合物。 上贝氏体： 350℃，呈羽毛状. 上贝氏体： 550 ～ 350℃，呈羽毛状.小片 分布在F体条间。强度和韧性差。 状Fe3C分布在F体条间。强度和韧性差。 下贝氏体： ℃～Ms点 呈针状,韧性高， 下贝氏体： 350 ℃～Ms点，呈针状,韧性高， 综合力学性能好。 综合力学性能好。
1）无扩散型转变 原子都不进行扩散， 体是体心正方的C过饱和的F Fe 和 C 原子都不进行扩散，M体是体心正方的C过饱和的F体， 固溶强化显著。 固溶强化显著。 2）降温形成 连续冷却完成。 连续冷却完成。 3）瞬时性 体的形成速度很快， 温度越低，则转变量越多。 M 体的形成速度很快， 温度越低，则转变量越多。 4）转变的不完全性 体中的C%越多， C%越多 越低， M 体转变总要残留少量 A体，A体中的C%越多，则 MS、Mf越低， 残余A体含量越多。 的量主要取决于M 点的位置。 残余A体含量越多。AR的量主要取决于MS和MF点的位置。 5） M形成时体积膨胀 造成很大内应力。 造成很大内应力。
σ b/
σs/
(MN· (MN·m-2) 820～1330 820～ 2040
硬度/
HRC 30～50 30～ 66
δ/%
9～17 ≈1
ψ /%
40～65 40～ 30
(J·cm-2) (J· 60～180 60～ 10
αk /
0.1～0.25 0.1～ 0.77
C %↑→ M 硬度 ，针状 硬度高，塑韧性差。板条 强度高，塑韧性较好 硬度↑，针状M 硬度高，塑韧性差。板条M 强度高，