6-情境2 汽车用钢铁材料-钢的热处理：钢在加热和冷却时的组织转变

钻头
热处理使其性能提高2倍以上， 可节省钢材10万吨/年
改 善：A. 消除铸、锻、焊工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，
消除偏析，降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。 B. 高（低）碳钢——硬（软），不易切削，经热处理 后，可以调整硬度（230-280HBS），改善切削加工性。
应用——在汽车、拖拉机中（80%），而刀、量、模具和
Ar1 ~ 650℃ 650~600℃ 600~550℃
珠光体 索氏体 托氏体
P
＞0.4μm
S 0.2 ~0.4μm
T
＜0.2μm
10~20 20~30 30~40
？ 问题：P、S、T有何异同
珠光体(P) 3800× 2019年10月2日星期三
索氏体 (S) 8000×
托氏体(T) 8000×
2)贝氏体转变
2019年10月2日星期三
钢的热处理概述
定义：
把钢在固态下，通过 加热 保温 冷却 来改变钢内部的组织和性能
目的：
提高和改善钢的性能；充分发挥钢的性能潜力； 提高产品质量，延长产品的使用寿命。
2019年10月2日星期三
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车刀
三面刃铣刀
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异型铣刀
温度：550℃~Ms
P
产物：贝氏体——含过饱和碳的铁素体和碳化物
S
组成的机械混合物，用“B”表示。 550
T
等温温度 组织名称 符号 形态
硬度HRC
B上
550~350℃ 上贝氏体 B上 羽毛状
40-45HRC 塑性低、脆
B下
350~Ms 下贝氏体 B下 黑色针状
45-55HRC 塑韧性好
上贝氏体 2019年10月2日星期三
表面淬火——火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火
表面热处理 化学热处理——渗碳、渗氮、碳氮共渗等
工艺曲线：描述热处理加热、保温和冷却三个过程的曲线。
T(℃)
保温
临界温度
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热处理工艺曲线 t(h)
临界温度---加热得到A的温度
热处理工艺曲线
钢热处理时首先要加热，其目的是 获得均匀而细小的奥氏体组织。
造？A Ld 3.为什么绑扎物件用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起
重机吊重物却用钢丝绳（60、65、70钢）？ 4.什么钢铆钉要用低碳钢制造？ 5.为什么钳工锯T8、T10钢比10、20钢费力，锯条
易磨钝？
2021091年9年101月0月2日2日星星期期三三
3.提高金属力学性能的重要途径有哪些？
答：形变强化、固溶强化、弥散强化、细晶强化。 形变强化：对金属材料进行冷塑性变形，改变其组织、结构，
35-40HRC
B上
B 转 变
550℃ -Ms
550-350℃ 350℃-Ms
上贝氏体 (B上)
下贝氏体 (B下)
羽毛 针状百度文库
40-45HRC 塑性低、脆
45-55HRC 塑韧性好
半扩散型
B下 M
M
Wc＜0.2%
板条M
板条
＞50HRC 塑韧性好
非扩散型
转 Ms-Mf 变
Wc＞1.0%
片状M
竹叶 (铁饼)
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2.2.1钢在加热和冷却时的组织转变
1.钢在加热时的组织转变（以共析钢（含碳0.77%）为例）：
珠光体
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共析钢（0.77%）在A1以下全部为P P是F和Fe3C组成的机械混合物。 当把共析钢加热到Ac1以上温度时， P→A，这种转变可用下式表示。
P（ F +
滚动轴承（100%）
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【案例引入】
据史书记载，三国时期蒲元为诸葛亮锻制出“斩金断玉，削铁如泥”
的神刀3000把。 据说蒲元在冶炼金属、制造刀具上所用方法与常人大不一样，当钢刀制
成后，为了检验钢刀的锋利程度，他在大竹筒中装满铁珠，然后让人举刀 猛劈，结果如同斩草一样，竹筒豁然断成两截，而筒内的铁珠也一分为二。
使金属强度、硬度提高的现象。
如：冷冲压（低碳钢板压花）。冷变形强化 加工硬化
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提高金属力学性能的重要途径
固溶强化:通过溶质原子的溶入，而使晶格畸变，使金属强度、硬度升高。
如：碳钢比纯金属强度高. 合金钢比碳钢强度高 F A
弥散强化：当硬而脆的金属化合物呈细小颗粒弥散分布在固溶体基体
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连续冷却转变产物和冷却速度的关系
炉冷→ P (υ ≈０)
空冷→ S (υ≤ υk′)
油冷→ T+M+A'(υk′ ～ υk)
P
水冷→ M+A' (υ≥ υk′ )
S
等温温度 组织名称 符号 片层间距 硬度HRC
Ar1 ~ 650℃ 650~600℃ 600~550℃
珠光体 索氏体 托氏体
问题回顾：
1.铁碳合金如何分类？其含碳范围和性能特点分别是什么？
工业纯铁 —— wC ≤ 0.0218 % 软，强度硬度低，塑韧性好。
钢—— 0.0218 % ＜ wC ≤ 2.11 % 低碳钢 wC ≤0.25% ： 强度硬度低，塑韧性好 中碳钢 wC =0.25-0.6%： 强韧性配合好
高碳钢 wC 0.6% ： 强度硬度高，耐磨性好，塑韧性差。
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ w(C) ＜ 6.69 %
共晶成分4.3%铸铁，铸造性能最好
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2.1.5铁碳相图的应用 ——在选材方面的应用
（1）要求塑韧性好的零件——选wC低的低碳钢
汽车的油底壳 汽缸盖罩
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2.1.5铁碳相图的应用 ——在选材方面的应用
（4）要求硬度、耐磨性较高时——选高碳钢（模具、切削刀具、测量工具）
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2.1.5铁碳相图的应用 ——在选材方面的应用
（5）形状复杂的箱体、机座等——选铸造性能好的铸铁（床身、轴承座）
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金属材料化学成分与组织结构和性能之间关系
A1——PSK Ms——马氏体转变开始线 Mf——马氏体转变终了线 aa′——等温转变开始线 bb′——等温转变终了线
五区
A1 线以上：奥氏体稳定存在区 Ms ~ Mf： 马氏体转变区 aa′以左： 过冷奥氏体区 bb′以右： 转变产物区 aa′~bb′：过冷A与转变产物共存区
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严格控制保温时间。
注意：1.固态下组织转变，通过加热，原子扩散
2.温度过高，晶粒粗大（晶粒小，强韧性好，反之，则差）
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案例1——坦克上的双扭弹簧
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案例2——沙发弹簧
加热炉
钢加热获得均匀而细小的A晶粒，是为随后的冷却做组织准备， 冷却方式不同，冷却后的组织和性能也不同。
上，使合金强度、硬度增加的现象。 Fe3C
细晶强化：通过增加过冷度和变质处理细化晶粒，使金属强度、硬度、
塑性和韧性等得到提高。
作 用：提高金属的力学性能，发挥金属材料性能潜力， 提高产品质量，延长产品使用寿命.
热处理
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任务2.2 钢的热处理
2.2.1 钢在加热和冷却时的组织转变 2.2.2 钢的普通热处理 ………………重点 2.2.3钢的表面热处理……………………1
两根T8钢制锯条，同时加热到760℃后
慢冷（随炉冷却）→±20HRC 快冷（水冷） →> 60HRC
空冷→＜25HRC------洛氏硬度计 45钢制小轴，加热到830℃后 油冷→±45HRC ------油槽
水冷→ ±56HRC ------水槽
可见：冷却转变决定了钢的性能。
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那么蒲元在冶炼金属、制造刀具上使用了什么方法呢？
其实蒲元对“神刀”进行了热处理---打造---淬火（蘸火）---打磨
那么钢材在热处理后性能为什么会发生改变？又是如何提高钢的强度和 硬度的呢？
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钢的热处理概述
热处理的分类和工艺曲线
分类
普通热处理—— （四把火：退火、正火、淬火、回火）
热处理生产中的冷却方式
等温冷却 连续冷却
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2.钢在冷却时的组织转变
（1）过冷A等温转变曲线
热处理工艺曲线
过冷奥氏体：把在Ar1温度以下暂时存在的、不稳定的奥
氏体称为过冷奥氏体。
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C 曲线
2. 钢在冷却时的组织转变 ——过冷A等温转变曲线
曲线分析
五线
针状马氏体
混合马氏体
隐晶马氏体
共析钢过冷A等温转变产物的组织和性能
类 型
温度
产物
形态
性能
特点
粗片
P
A r1-650℃ 珠光体(P) ＞0.4
＜25HRC
550
S
P 转 变
Ar1550℃
650-600℃
细片 索氏体(S) 0.4-0.2
25-35HRC
扩散型
T
600-550℃
屈氏体(T)
极细 ＜0.2
0.0218% bcc
Fe3C ）
6.69% 复杂斜方
→A
0.77% fcc
共析钢奥氏体形成过程可归纳为
奥氏体晶核的形成：a) 奥氏体晶核的长大: b) 残余渗碳体的溶解: c)
低碳钢：F+P → F+A → A 高碳钢：P+Fe3C → A+Fe3C → A
奥氏体成分均匀化: d)
加热时，为了获得均匀而细小的奥氏体晶粒，必须选取合适的加热温度，并
（2）要求综合性能较高时——选中碳钢（汽车连杆、曲轴及齿轮、轴）
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2.1.5铁碳相图的应用 ——在选材方面的应用
（3）要求弹性极限高的——中高碳钢（汽车上承受交变载荷的弹簧）
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2.1.5铁碳相图的应用 ——在选材方面的应用
2.工艺曲线：用来描述热处理加热、保温和冷却三个过程的曲线。
3.钢在加热时的组织转变（奥氏体形成过程）：奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、
2.含碳量与相的相对量关系（C ）：
w(C) ↑→F %↓，Fe3C %↑
3.含碳量与性能关系（d）： 硬度：随wC↑而↑ 强度：wC= 0.9% 时最大 塑性、韧性：随wC↑而↓
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通过铁碳相图，可以解释一些实际问题：
1.锻造时，为什么把钢加热到1000℃-1200℃？A 2.为什么在1000℃时，钢可锻造，而铸铁却不能锻
下贝氏体
3)马氏体转变
P S
温度：Ms~Mf
550
产 物：马氏体——碳在α-Fe中的过饱和固溶体，
T
B上
用“M”表示
B下
Wc
组织名称 符号 形态
硬度HRC
M
WC＜0.2% 板条马氏体 M板条 板条状
＞50HRC 塑韧性好
WC＞1.0% 针状马氏体 M针状 针状
65HRC 塑韧性极差、脆
板条马氏体
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65HRC 塑韧性差、
脆
不完全性 体积膨胀
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（3）过冷A的连续冷却转变曲线：
Ps —— A→P 开始线 Pf —— A→P 终了线 KK'—— P转变终止线 υ k —— 上临界冷却速度 υ k′ —— 下临界冷却速度 MS —— A→ M 开始温度 Mf —— A→ M 终止温度
P
＞0.4μm
S 0.2 ~0.4μm
T
＜0.2μm
10~20 20~30 30~40
T
M+A′ T+M+A′
马氏体——碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用“M”表示，＞50HRC
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小结
1.热处理：是将钢在固态下加热、保温、冷却以获得所需组织和性能的工艺。 目 的：提高或改善金属材料的性能，充分挖掘金属材料的性能潜力。
经过A化以后的钢，再以不同的方式 冷却，即可得到不同的组织，从而获 得所需要的性能。
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临界温度---通过铁碳相图确定
Fe-Fe3C相图上： PSK、 GS、 ES 平衡 临 界 点 为： A1、 A3、 Acm 加热时临界点为： Ac1、 Ac3、 Accm 冷却时临界点为： Ar1、 Ar3、 Arcm
a b
a b
a′
b′
a′
b′
共析钢的C曲线
（2）共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能
1)珠光体转变 Ar1~550℃ A过→P
550
2)贝氏体转变 550℃~Ms A过→B
3)马氏体转变 Ms~Mf连续冷却 A过→M
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共析钢的C曲线
1)珠光体转变
P S T
550
等温温度 组织名称 符号 片层间距 硬度HRC
金属的力学性能与其晶体结构密切相关。要深入认识金属 材料，必须从金属的晶体结构入手。
应 用
性能
组织 结构
化学成分 选 处理条件 材
例：（1）Fe-C合金的
钢 其性能也不同
铸铁
铁——脆 原因：Wc不同。组织不同
钢——塑性好
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2.1.4铁碳合金的 成分-组织-性能关系
1.含碳量与组织关系（a）和（b）：