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
1．教学目的:
2．掌握钢在加热时组织转变——钢的奥氏体化；
3．明确过冷奥氏体的等温转变；
4．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.Acm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.Accm、Ar1.Ar3.Arcm。

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Accm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）1. 奥氏体的形成
2）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。

3）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。

由于界面上的碳浓度处于中间值, 原子排列也不规则, 原子由于偏离平衡位置处于畸变状态而具有较高的能量。

同时位错和空间密度较高铁素体和渗碳体的交接处在浓度结构和能量上为奥氏体形核提供了有利
条件。

图6-2 奥氏体的形成过程
2）奥氏体长大
奥氏体一旦形成, 便通过原子扩散不断张大在于铁素体接触的方向上, 铁素体逐渐通过改组晶胞向奥氏提转化；在与渗碳体接触的方向上, 渗碳体不断溶入奥氏体。

3）残余渗碳体溶解
由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大, 因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。

当珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后, 仍有少量的渗碳体尚未溶解。

随着保温时间的延长, 这部分渗碳体不断溶入奥氏体, 直至完全消失。

4）奥氏体均匀化
刚形成的奥氏体晶粒中, 碳浓度是不均匀的。

原先渗碳体的位置, 碳浓度较高；原先属于铁素体的位置, 碳浓度较低。

因此, 必须保温一段时间, 通过碳原子的扩散获得成分均匀的奥氏体。

这就是热处理应该有一个保温阶段的原因。

对于亚共析钢与过共析钢, 若加热温度没有超过Ac3或Accm, 而在稍高于Ac1停留, 只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体, 而共析铁素体或二次渗碳体仍将保留。

只有进一步加热至Ac3或Accm以上并保温足够时间, 才能得到单相的奥氏体。

2. 奥氏体的晶粒度及其控制
如果加热温度过高, 或者保温时间过长, 将会促使奥氏体晶粒粗化。

奥氏体晶粒粗化后, 热处理后钢的晶粒就粗大, 会降低钢的力学性能。

1）奥氏体的晶粒度及其控制
奥氏体晶粒度是指将钢加热到相变点以上某一温度, 保温一段时间后, 所得到的奥氏体晶粒的大小。

若所获得的奥氏体晶粒细小, 则冷却后转变产物的组织也细小, 其强度、韧性都较高。

国家标准将晶粒度级别分为12级。

不同的钢在规定的加热条件下, 奥氏体晶粒长大的倾向性不同。

刚形成的奥氏体晶粒都很细小, 若继续升温或保温, 奥氏体的晶粒便会长大。

长大有良种情况：一种是随着加热温度的升高晶粒长大较快, 具有这种特性的钢称为粗晶粒钢；另一种是随着加热温度的升高经理不容易长大, 但加热到930℃以上时, 经理将迅速长大, 具有这种特性的钢称为细晶粒钢。

炼钢时, 用锰铁脱氧的钢多属于粗晶粒钢, 用铝脱氧的钢多属于细晶粒钢。

沸腾钢是粗晶粒钢, 镇静钢是细晶粒钢。

2）奥氏体晶粒度的控制
（1）欲使钢在热处理加热时奥氏体晶粒不粗化, 必须考虑以下几个方面的因素:
加热温度与保温时间:
加热温度愈高, 晶粒长大速度愈快, 奥氏体的晶粒也就越粗大。

随着保温时间的延长, 晶粒不断长大。

在保证工件完全热透并获得均匀奥氏体的前提下, 应尽量降低加热温度和保温时间。

一般都是将钢加热到相变点以上某一适当的温度。

（2）加热速度:
加热速度愈快, 过热度愈大, 奥氏体形核率大于长大速度, 易获得细小的起始晶粒。

但需严格控制保温时间, 若保温时间过长, 晶粒反而更粗大。

因此, 生产上采用快速加热和短时间
保温的方法来细化晶粒。

（3）钢的原始组织及成分:
钢的原始组织愈细, 则相晶界愈多, 使奥氏体晶核数量增加, 有利于获得细晶粒组织。

随着奥氏体中碳的质量分数的增加, 奥氏体晶粒长大的倾向性也增加。

当奥氏体晶界上存在未溶化的残余渗碳体时, 未溶的渗碳体有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。

1.3.1.2 钢在冷却时的组织转变
冷却是钢热处理的三个工序中影响性能的最重要环节, 所以冷却转变是热处理的关键。

热处理冷却方式通常有两种, 即等温冷却和连续冷却。

所谓等温转变是指将奥氏体化的钢件迅速冷却至Ar1以下某一温度并保温, 使其在该温度下发生组织转变, 然后再冷却至室温, 见图6-3所示。

连续冷却则是将奥氏体化的钢件连续冷却至室温, 并在连续冷却过程中发生组织转变。

图6-3 奥氏体的冷却曲线
1. 过冷奥氏体的等温转变
所谓“过冷奥氏体”是指在相变温度A1以下, 未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体（A’）。

在不同的过冷度下, 反映过冷奥氏体转变产物与时间关系的曲线称为过冷奥氏体等温转变的曲线。

由于曲线形状像字母C, 故又称为C曲线。

如图4-4所示。

共析钢过冷奥氏体在Ar1线以下不同温度会发生三种不同的转变, 即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。

1）珠光体转变共析成分的奥氏体过冷到Ar1～550℃高温区等温停留时, 将发生共析转变, 转变产物为珠光体型组织, 都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物。

由于过冷奥氏体向珠光体转变温度不同, 珠光体中铁素体和渗碳体片厚度也不同。

在Ar1～650℃范围内, 片间距较大, 称为珠光体（P）；在650℃～600℃范围内, 片间距较小, 称为索氏体（S）；在600℃～550℃范围内, 片间距很小, 称为托氏体（T）。

珠光体组织中的片间距愈小, 相界面愈多, 强度和硬度愈高；同时由于渗碳体变薄, 使得塑性和韧性也有所改善。

2）贝氏体转变共析成分的奥氏体过冷到550℃～Ms的中温区停留时, 将发生过冷奥氏体向贝氏体的转变, 形成贝氏体（B）。

由于过冷度较大, 转变温度较低, 贝氏体转变时只发生碳原子的扩散而不发生铁原子的扩散。

因而, 贝氏体是由于含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的两相混合物。

按组织形态和转变温度, 可将贝氏体组织分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）两种。

上贝氏体是在550～350℃温度范围内形成的。

由于脆性较高, 基本无实用价值, 这里不予讨论；下贝氏体是在350℃～Ms点温度范围内形成的。

它由含过饱和的细小针片状铁素体和铁素体片内弥散分布的碳化物组成, 因而, 它具有较高的强度和硬度、塑性和韧性。

在实际生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体。

3）马氏体转变当过冷奥氏体被快速冷却到Ms点以下时, 便发生马氏体转变, 形成马氏体（M）, 它是奥氏体冷却转变最重要的产物。

奥氏体为面心立方晶体结构。

当过冷至Ms以下时, 其晶体结构将转变为体心立方晶体结构。

由于转变温度较低, 原奥氏体中溶解的过多碳原子没有能力进行扩散, 致使所有溶解在原奥氏体中的碳原子难以析出, 从而使晶格发生畸变, 含碳量越高, 畸变越大, 内应力也越大。

马氏体实质上就是碳溶于α-Fe中过饱和间隙固溶体。

图6-4 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳含量。

当Wc低于0.2%时, 可获得呈一束束尺寸大体相同的平行条状马氏体, 称为板条状马氏体, 如图6-5a所示。

图6-5 马氏体的显微组织示意图
当钢的组织为板条状马氏体时, 具有较高的硬度和强度、较好的塑性和韧性。

当马氏体中Wc大于0.6%时, 得到针片状马氏体, 如图6-5b所示。

片状马氏体具有很高的硬度, 但塑性和韧性很差, 脆性大。

当Wc在0.2%～0.6%之间时, 低温转变得到板条状马氏体与针状马氏体混合组织。

随着碳含量的增加, 板条状马氏体量减少而针片状马氏体量增加。

与前两种转变不同的是, 马氏体转变不是等温转变, 而是在一定温度范围内（Ms～Mf）快速连续冷却完成的转变。

随温度降低, 马氏体量不断增加。

而实际进行马氏体转变的淬火处理时, 冷却只进行到室温, 这时奥氏体不能全部转变为马氏体, 还有少量的奥氏体未发生转变而残余下来, 称为残余奥氏体。

过多的残余奥氏体会降低钢的强度、硬度和耐磨性, 而且因残余奥氏体为不稳定组织, 在钢件使用过程中易发生转变而导致工件产生内应力, 引起变形、尺寸变化, 从而降低工件精度。

因此, 生产中常对硬度要求高或精度要求高的工件, 淬火后迅速将其置于接近Mf的温度下, 促使残余奥氏体进一步转变成马氏体, 这一工艺过程称为“冷处理”。

亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线与共析钢的奥氏体等温转变曲线相比, 它们的C曲线分别多出一条先析铁素体析出线或先析渗碳体析出线。

影响过冷奥氏体等温转变的因素:
碳的影响：亚共析钢的C曲线随着含碳量的增加而向右移, 过共析钢的C曲线随着含碳量的增加而向左移。

故在碳钢中, 共析钢的C曲线最靠右, 其过冷奥氏体最稳定。

合金元素的影响: 所有合金元素如入奥氏体后会增加过冷奥氏体的稳定性, 使C曲线右移。

2. 过冷奥氏体连续冷却转变
在实际生产中, 奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行, 故有必要对过冷奥氏体的连续冷却转变曲线有所了解。

它也是由实验方法测定的, 它与等温转变曲线的区别在于连续冷却转变曲线位于曲线的右下侧, 且没有C曲线的下部分, 即共析钢在连续冷却转变时, 得不到贝氏体组织。

这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长, 当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变, 所以不出现贝氏体转变。

连续冷却转变曲线又称CCT图, 如图6-6所示。

图中Ps和Pf表示A→P的开始线和终了线, K线表示A→P的终止线, 若冷却曲线碰到K线, 这时A→P转变停止, 继续冷却时奥氏体一直保持到Ms点温度以下转变为马氏体。

图6-6 共析钢的连续冷却转变曲线
称为临界冷却速度, 也称为上临界冷却速度, 它是获得全部马氏体组织的最小冷却速度。

愈小, 钢在淬火时越容易获得马氏体组织, 即钢接受淬火的能力愈大。

为下临界冷却速度, 是保证奥氏体全部转变为珠光体的最大冷却速度。

越小, 则退火速度所需时间越长。

过冷奥氏体转变图的应用:
过冷奥氏体转变图是选择钢种及制订热处理工艺的基本依据之一。

（1）不同成分的钢具有不同的转变图, 设计时可根据要求合理选择适用而廉价的材料。

（2）制定热处理工艺规程, 选择冷却介质。

（3）估计零件在热处理条件下各部位可能得到的组织。

小结：略
作业: 1.何谓钢的热处理, 常用的热处理方法有哪些？
2.以共析钢为例说明钢加热的目的及组织转变过程。