第5章 钢的热处理
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钢的热处理课件
热处理的工艺要素是温度和时间。任何热处理过程都是 由加热、保温和冷却三个阶段组成的。因此，要掌握钢的热 处理原理，主要就是要掌握钢在加热和冷却时的组织转变规 律。
温 度 加热 保 温 冷却
0 图3-1 热处理工艺曲线
时间
热处理的任务是通过改变钢材的组织，来改变钢材的性 能，以满足使用要求的。一般都有将钢加热到相变温度以上， 使常温组织变为高温组织--奥氏体。然后在冷却过程中使它 向要求的组织转变。因此，奥氏体在形成过程中，其成份、 晶粒大小等，将直接影响热处理的效果。为此，了解奥体的 形成过程和影响因素是很重要的。 以共析钢为例，说明奥氏体的转变(形成)过程。 其转变过程可归纳为四个阶段。 1．奥氏体（A）晶核的形成 2．奥氏体（A）晶核的长大 3．残余渗碳体（Fe3C）的溶解
② 改善低碳钢的可切削性 。
③ 作为中碳钢的预备热处理（可以替代部分退火热处理）。
三 、淬火
方法： 将钢加热到AC3(亚共析钢)或ACcm(共析钢或过共析钢)以上 30～50℃，保温一定时间使其奥氏体化，然后在冷却介质中迅速 冷却。 目的： 是获得均匀细小的马氏体组织，再经过回火处理，提高钢的 力学性能。 注意： ①淬火的关键是：确定淬火温度和冷却方式。 ②它是最常用的一种热处理，是决定产品质量的关键。
目前应用较广的是气体氮化法。把工件放在专门氮化的炉 子里，加热到500～600℃，同时通入氨气(NH3)，氨气加热到 450℃，就分解出活性氨原子，扩散渗入工件表层，形成氮化 层。 氮化的要素是温度和时间，用时间控制渗层厚度。
氮化处理的缺点是：时间长 , 一般要用合金钢 , 所以 成本高。只用于机床中高速传动轴；精密齿轮等。 一般氮化零件的工艺路线为： 锻造→退火→粗加工→调质→精加工→除应力退火→磨 削→氮化→精磨。 3．碳氮共渗 把碳和氮同时渗入零件表层的过程称为氰化 。 根据处理温度的不同分为高温、中温和低温氰化。 4．其它化学热处理方法 (1) 渗铝 目的：是使钢的表面具有高的抗氧化性能。 (2) 渗铬 目的：是增加零件抗蚀性能，还可提高碳钢 的硬度和耐磨性。
《钢的热处理》PPT课件
231形成当a过冷到a1线以下时a产生了变化在晶界处产生了fe3c晶核长大使侧a的含量下降当fe3c长大时使到原有的a的c含量达到f时fe3c两侧形成的晶核当f长大时cmax0006向周围的a排出多原子增加了两侧a的c含量促进了fe3c片的形成如此反复24形成f与fe3c层片相间的混合组织与此同时在晶界其他部位又可能产生新的晶核fe3c小片并不断交替生核长大直到各种不同取向的p晶团群彼此相遇a全部转变为p
三) 转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : A1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。
600～550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 35～40HRC。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
屈 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
三) 转变产物的组织与性能
2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) :
形成，F 与 Fe3C 层片相间的混合组 织，与此同时，在晶界其他部位又可能 产生新的晶核（ Fe3C 小片），并不断 交替生核长大，直到各种不同取向的P晶 团（群）彼此相遇，A全部转变为P。 由此可见，P的形成，包含两个不 同的过程： 通过C的扩散而使成分产生改变，即 由含C量0.8％（0.77％）的A 含 C量极高的Fe3C和含C量极低的F转变；
( % ) 50 40 30 20 10 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wc 100
三) 转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : A1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。
600～550℃:极细片状P---屈氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 35～40HRC。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
屈 氏 体 形 貌 像
光镜形貌
电镜形貌
三) 转变产物的组织与性能
2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) :
形成，F 与 Fe3C 层片相间的混合组 织，与此同时，在晶界其他部位又可能 产生新的晶核（ Fe3C 小片），并不断 交替生核长大，直到各种不同取向的P晶 团（群）彼此相遇，A全部转变为P。 由此可见，P的形成，包含两个不 同的过程： 通过C的扩散而使成分产生改变，即 由含C量0.8％（0.77％）的A 含 C量极高的Fe3C和含C量极低的F转变；
( % ) 50 40 30 20 10 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wc 100
工程材料 第2版课件PDF 版05
钛 合 金 中 的 魏 氏 组 织
亚
素 体 魏 氏 组 织
共 析 碳 钢 中 片 状
铁
5.4 钢的普通热处理
5.4.1 退火与正火
2 完全退火
将亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃， 保 温 后 随 炉 缓 冷 到 600℃ 出 炉 空 冷 。 组 织为α+P 。
目的
利用相变细化晶粒； 利用高温扩散消除组织缺陷； 利用缓冷去除应力； 降低硬度，改善加工性能。
均匀、且未过分长大。
组 织
工程材料学——第5章 钢的热处理
5.4 钢的普通热处理
AC3 AC1
5.4.2 淬火
淬火介质
理想的淬火介质应具有在中温区 冷却快，低温区冷却慢的特性。
温度
Ms
水
油
时间（对数）
工程材料学——第5章 钢的热处理
淬火介质
成分
特点
过饱和硝酸 盐水溶液
Na2CO3、 NaOH、KNO3
5.3 钢在冷却时的组织转变 5.3.2 过冷A连续冷却转变曲线
温度
Ps Pf
K' K
水冷
vk 油冷
vk′
临界点A1
炉冷
空冷
Ms
Mf
时间
工程材料学——第5章 钢的热处理
注意
KK′线为P转变终止线 Pf线为P转变终了线
共析碳钢连续冷却 时没有贝氏体形成（无 贝氏体转变区） 。
5.3 钢在冷却时的组织转变 5.3.3 过冷奥氏体转变
分级 淬火
在Ms点附近的热 减小了应力，防止变形、开
态介质中保温， 裂。适用于尺寸较小而形状
取出空冷或油冷。
复杂的高碳工具钢。
等温 淬火
第五章 钢的热处理
等温退火
加热温度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度 组织：P 目的： ①与完全退火、球化退火相同 ②更均匀的组织和硬度 ③显著缩短生产周期 应用范围：高碳钢，合金工具钢，高合金钢。
球化退火（不完全退火）
加热温度：Ac1以上20-40度 应用范围：过共析钢，共析钢 组织：球状P（F+球状FeC3） 目的： ①使FeC3球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑ ②为淬火作准备
钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶 粒度 表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向 本质细晶粒钢
本质粗晶粒钢
本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图
图5-5
第二节 钢的冷却转变
一、过冷奥氏体 二、在冷却转变时，相变温度对转变速度的 影响 三、过冷奥氏体等温转变曲线 四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性 能 五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线
三、过冷奥氏体等温转变曲线
温 度 ℃ 700 600 550 500 400 300 200 100
2 3 4 5 6
Ar
Ms
1
10 10 10
10
10 10
时间（s）
图5-8
共析碳钢过冷A等温曲线的建立
图5-9
四、过冷奥氏体等温转变的产物的组织和性能
珠光体转变 贝氏体转变
马氏体的组织与形态
一、奥氏体化前的组织
我们只考虑比较简单的情况即奥氏体化前的 组织为平衡组织的情况。 对于亚共析钢 → F+P 共析钢 → P 过共析钢 → Fe3CⅡ+P
二、奥氏体的形成温度与Fe- Fe3C状态图的关系
对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条 件下的相变温度； 对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件 下的相变温度。 这个温差叫滞后度。加热转变 → 过热度， 冷却转变 → 过冷度，且加热与冷却速度越大，温 度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越 大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动 力的增大，从而使相变容易发生。
第5章 模具钢料的热处理-模具表面处理技术
第二节模具表面处理工艺概述模具是现代工业之母。
随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航空航天、食品医疗等产业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。
如何提高模具的质量、使用寿命和降低生产成本，成为各模具厂及注塑厂当前迫切需要解决的问题。
模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。
这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。
这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果；模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。
从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。
在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。
◆提高模具的表面的硬度、耐磨性、摩擦性、脱模性、隔热性、耐腐蚀性；◆提高表面的高温抗氧化性；◆提高型腔表面抗擦伤能力、脱模能力、抗咬合等特殊性能；减少冷却液的使用；◆提高模具质量，数倍、几十倍地提高模具使用寿命。
减少停机时间；◆大幅度降低生产成本与采购成本，提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能。
◆减少润滑剂的使用；◆涂层磨损后，还退掉涂层后，再抛光模具表面，可重新涂层。
在模具上使用的表面技术方法多达几十种，从表面处理的方式上，主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面覆层处理法。
模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD化学气相淀积、PVD物理气相沉积、PACVD离子加强化学气相沉积、CVA铝化化学气相沉积、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等等。
下面综述模具表面处理中常用的表面处理技术：一、物理表面处理法：表面淬火是表面热处理中最常用方法，是强化材料表面的重要手段，分高频加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光表面淬火。
《钢的热处理》PPT课件
度高、保温时间长, 晶粒粗大.
⑵加热速度: 加热速度越快,过热 度越大, 形核率越高, 晶粒越细.
⑶合金元素：
Nb/%
Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响
阻碍奥氏体晶粒长大的元素:
Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、
Mo、Cr、Al等碳化物和氮 化物形成元素。
析出颗粒 对黄铜晶 界的钉扎
ppt课件
16
促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 ⑷ 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的
由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册
中的数据是以30-50℃/h 的速度加热或冷却时测得的.
ppt课件
8
第二节 钢在加热时的转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在
A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加 热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
一、奥氏体的形成过程
ppt课件
10
℃
第四步 奥氏体成分均匀 共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
化：Fe3C溶解后，其所 温 度
在部位碳含量仍很高， ，
通过长时间保温使奥氏
体成分趋于均匀。
ppt课件
11
共析钢奥氏体化过程
亚共析钢和过共析钢的奥 氏体化过程与共析钢基本 相同。但由于先共析 或 二次Fe3C的存在，要获得 全部奥氏体组织，必须相 应加热到Ac3或Accm以上.
常温力学性能，尤其是塑性。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。
真空热处理炉
箱式可控气氛多用炉
ppt课件
17
第三节 钢在冷却时的转变
冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程
⑵加热速度: 加热速度越快,过热 度越大, 形核率越高, 晶粒越细.
⑶合金元素：
Nb/%
Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响
阻碍奥氏体晶粒长大的元素:
Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、
Mo、Cr、Al等碳化物和氮 化物形成元素。
析出颗粒 对黄铜晶 界的钉扎
ppt课件
16
促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。 ⑷ 原始组织: 平衡状态的组织有利于获得细晶粒。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，降低钢的
由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册
中的数据是以30-50℃/h 的速度加热或冷却时测得的.
ppt课件
8
第二节 钢在加热时的转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在
A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加 热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
一、奥氏体的形成过程
ppt课件
10
℃
第四步 奥氏体成分均匀 共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
化：Fe3C溶解后，其所 温 度
在部位碳含量仍很高， ，
通过长时间保温使奥氏
体成分趋于均匀。
ppt课件
11
共析钢奥氏体化过程
亚共析钢和过共析钢的奥 氏体化过程与共析钢基本 相同。但由于先共析 或 二次Fe3C的存在，要获得 全部奥氏体组织，必须相 应加热到Ac3或Accm以上.
常温力学性能，尤其是塑性。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。
真空热处理炉
箱式可控气氛多用炉
ppt课件
17
第三节 钢在冷却时的转变
冷却是热处理更重要的工序。 一、过冷奥氏体的转变产物及转变过程
第五章钢的热处理-3.4.5.6节
钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。
40钢力学性能与回火温度的关系
淬火钢硬度随回火温度的变化
200℃以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢 的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。
200-300℃，由于 高碳钢中A’转变 为M回, 硬度再次 升高。
大于300℃,由于 Fe3C粗化，马氏 体转变为铁素体, 硬度直线下降。
⑵ 共析钢 淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’。
⑶ 过共析钢 淬火温度: Ac1+30-50℃. 温度高于Accm，则奥氏
体晶粒粗大、含碳量高, 淬火后马氏体晶粒粗大、 A’量增多。使钢硬度、 耐磨性下降，脆性、变 形开裂倾向增加。
淬火组织: M+Fe3C颗粒 +A’。(预备组织为P球)
第三节 钢的退火和正火
机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预 备热处理→机加工→ 最终热处理。
退火与正火主要用于 预备热处理，只有当 工件性能要求不高时 才作为最终热处理。
一、退火
将钢加热至适当温 度保温，然后缓慢 冷却 (炉冷) 的热处 理工艺叫做退火。
1、退火目的
真空退火炉
⑴调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为
4、等温淬火法 将工件在稍高于 Ms 的盐浴
或碱浴中保温足够长时间， 从而获得下贝氏体组织的淬 火方法。 经等温淬火零件具有良好的 综合力学性能，淬火应力小. 适用于形状复杂及要求较高 的小型件。
第五节 钢的淬透性
网带式淬火炉
一、淬透性的概念
淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其 大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。
强的介质中冷，却躲过 鼻尖后，再在另一种冷 却能力较弱的介质中发 生马氏体转变的方法。 如水淬油冷，油淬空冷.
40钢力学性能与回火温度的关系
淬火钢硬度随回火温度的变化
200℃以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢 的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。
200-300℃，由于 高碳钢中A’转变 为M回, 硬度再次 升高。
大于300℃,由于 Fe3C粗化，马氏 体转变为铁素体, 硬度直线下降。
⑵ 共析钢 淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’。
⑶ 过共析钢 淬火温度: Ac1+30-50℃. 温度高于Accm，则奥氏
体晶粒粗大、含碳量高, 淬火后马氏体晶粒粗大、 A’量增多。使钢硬度、 耐磨性下降，脆性、变 形开裂倾向增加。
淬火组织: M+Fe3C颗粒 +A’。(预备组织为P球)
第三节 钢的退火和正火
机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预 备热处理→机加工→ 最终热处理。
退火与正火主要用于 预备热处理，只有当 工件性能要求不高时 才作为最终热处理。
一、退火
将钢加热至适当温 度保温，然后缓慢 冷却 (炉冷) 的热处 理工艺叫做退火。
1、退火目的
真空退火炉
⑴调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为
4、等温淬火法 将工件在稍高于 Ms 的盐浴
或碱浴中保温足够长时间， 从而获得下贝氏体组织的淬 火方法。 经等温淬火零件具有良好的 综合力学性能，淬火应力小. 适用于形状复杂及要求较高 的小型件。
第五节 钢的淬透性
网带式淬火炉
一、淬透性的概念
淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其 大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。
强的介质中冷，却躲过 鼻尖后，再在另一种冷 却能力较弱的介质中发 生马氏体转变的方法。 如水淬油冷，油淬空冷.
金属材料热处理原理 第五章 马氏体转变
二、马氏体转变的主要特点 1. 切变共格和表面浮凸现象
钢因马氏体转变而产生的表面浮凸
马氏体形成时引起的表面倾动
马氏体是以切变方式形成的，马氏体与奥氏体 之间界面上的原子既属于马氏体，又属于奥氏体， 是共有的；并且整个相界面是互相牵制的，这种界 面称之为“切变共格”界面。
马氏体和奥氏体切变共格交界面示意图
4. 马氏体转变是在一个温度范围内完成的
马氏体转变量与温度的关系
Ms—马氏体转变开始温度；Mf—马氏体转变终了点； A、B—残留奥氏体。
5. 马氏体转变的可逆性
在某些铁合金中，奥氏体冷却转 变为马氏体，重新加热时，已形成的 马氏体又可以逆马氏体转变为奥氏体， 这就是马氏体转变的可逆性。一般将 马氏体直接向奥氏体转变称为逆转变。 逆转变开始点用As表示，逆转变终了 点用Af表示。通常As温度比Ms温度高。
2. 马氏体转变的无扩散性
马氏体转变的无扩散性有以下实验证据：
(1) 碳钢中马氏体转变前后碳的浓度没有 变化，奥氏体和马氏体的成分一致，仅发生晶 格改组：
γ-Fe(C) → α-Fe(C)
面心立方 体心正方
(2) 马氏体转变可以在相当低的温度范围 内进行，并且转变速度极快。
3. 具有一定的位向关系和惯习面
西山关系示意图
③ G-T关系
{111}γ∥{110}α′ 差1°；<110>γ∥<111>α′ 差2°。
(2) 惯习面
马氏体转变时，新相总是在母相的某个晶面族上 形成，这种晶面称为惯习面。在相变过程中从宏观上 看，惯习面是不发生转动和不畸变的平面，用它在母 相中的晶面指数来表示。
钢中马氏体的惯习面随碳含量及形成温度不同而 异，常见的有三种：(1) 含碳量小于0.6%时，为{111}γ； (2) 含碳量在0.6%~1.4%之间时，为{225}γ；(3) 含碳 量高于1.4%时，为{259}γ。随马氏体形成温度下降， 惯习面有向高指数变化的趋势。
热处理原理及工艺-第五章
二、贝氏体转变的特点和晶体学
由于贝氏体转变温度介于珠光体转变和马氏体转变之间，因而 使贝氏体转变兼有上述两种转变的某些特点： 贝氏体转变也是一个形核和长大的过程，其领先相一般是铁素 体（除反常贝氏体外），贝氏体转变速度远比马氏体转变慢； 贝氏体形成时会产生表面浮凸； 贝氏体转变有一个上限温度（Bs），高于该温度则不能形成， 贝氏体转变也有一个下限温度（Bf），到达此温度则转变终止； 贝氏体转变也具有不完全性，即使冷至Bf温度，贝氏体转变也 不能进行完全；随转变温度升高，转变的不完全性愈甚； 贝氏体转变时新相与母相奥氏体间存在一定的晶体学取向关系。
氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部延伸僻展；而下贝氏体的
表面浮凸往往相交呈“Λ”形，而且还有一些较小的浮凸在先 形成的较大浮凸的两侧形成。
下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量。下贝 氏体铁素体的亚结构与板条马氏体与上贝氏体铁素体相似， 也是缠结位错，但位错密度往往高于上贝氏体铁素体，而且 未发现有孪晶亚结构存在。
当温度稍低时，碳原子在铁素体中仍可以顺利的进行扩散，但在奥氏体中的
当温度较高时，碳原子在铁素体和奥氏体中都有相当的扩散能
力，故在铁素体片成长的过程中可不断通过铁素体—奥氏体相
界面把碳原子充分地扩散到奥氏体中去，这样就形成了由板条 状铁素体组成的无碳化物贝氏体。由于相变驱动力小，不足以 补偿在更多的新相形成时所需消耗的界面能和各种应变能，因 而形成的贝氏体铁素体较少，铁素体板条较宽。
B上中的铁素体形成时可在抛光试样表面形成浮 凸。B上中铁素体的惯习面为{111}g，与奥氏体之间的 位向关系为K-S关系。碳化物的惯习面为{227}g，与奥 氏体之间也存在一定的位向关系，因此一般认为碳化 物是从奥氏体中直接析出的。
5章钢的热处理要点课件
• (1) 珠光体转变
• 由A面心立方转变为体心立方的F和Fe3C，
转变前后各项晶格类型、成分不同，转变 过程中必然有晶格的改组和铁、碳原子的 扩散。因此，过冷奥氏体向珠光体的转变 属于扩散型相变，是在固态下形核与长大 的过程。
• 1）珠光体的形态及其形成
• 在A1线以下，在奥氏体晶界形成Fe3C晶
• 由于转变温度很低，转变过程中只有
γ-Fe向α-Fe晶格的改组,铁、碳原子不能 扩散,全部固溶在α-Fe晶格中。这种在αFe中的过饱和固溶体组织称为马氏体，用 符号“Ｍ”表示，属于单相的亚稳组织。
• 1、马氏体的晶体结构
• 过饱和的碳原子强制地分布在晶胞的
某一轴的间隙处，使其晶格常数增大，其 它两轴晶格常数减小。
• 4、亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的等温
转变
• (1) C曲线的形状与位置 • 位置：与共析钢C曲线比较，亚共析钢随含
碳量增加右移。过共析钢共析钢随含碳量 增加左移。
• 形状：亚共析钢在冷却过程中，首先析出F，
然后的过程与共析钢相同。
• 过共析钢首先析出Fe3CⅡ，其它与共析
钢相同。
• (2) 先析相得量与形态
合组织。
• ｖ4相当于淬火(水冷)。它与Ｃ曲线不
相交，直接冷却到Ms线以下，转变为马氏 体＋少量残余奥氏体。
• 图中ｖC与Ｃ曲线的“鼻尖”相切，称
为临界冷却速度。
• 三、马氏体转变 • 高温奥氏体获得极大过冷时(淬火)，
将转变为马氏体类型组织。
• 冷却速度大于该材料的马氏体临界冷
却速度，并过冷到Ms以下，就开始发生马 氏体转变。
• 体层片间，固其塑性、 • 韧性较差，强度也比 • 较低。一般无使用价 • 值。
• 由A面心立方转变为体心立方的F和Fe3C，
转变前后各项晶格类型、成分不同，转变 过程中必然有晶格的改组和铁、碳原子的 扩散。因此，过冷奥氏体向珠光体的转变 属于扩散型相变，是在固态下形核与长大 的过程。
• 1）珠光体的形态及其形成
• 在A1线以下，在奥氏体晶界形成Fe3C晶
• 由于转变温度很低，转变过程中只有
γ-Fe向α-Fe晶格的改组,铁、碳原子不能 扩散,全部固溶在α-Fe晶格中。这种在αFe中的过饱和固溶体组织称为马氏体，用 符号“Ｍ”表示，属于单相的亚稳组织。
• 1、马氏体的晶体结构
• 过饱和的碳原子强制地分布在晶胞的
某一轴的间隙处，使其晶格常数增大，其 它两轴晶格常数减小。
• 4、亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的等温
转变
• (1) C曲线的形状与位置 • 位置：与共析钢C曲线比较，亚共析钢随含
碳量增加右移。过共析钢共析钢随含碳量 增加左移。
• 形状：亚共析钢在冷却过程中，首先析出F，
然后的过程与共析钢相同。
• 过共析钢首先析出Fe3CⅡ，其它与共析
钢相同。
• (2) 先析相得量与形态
合组织。
• ｖ4相当于淬火(水冷)。它与Ｃ曲线不
相交，直接冷却到Ms线以下，转变为马氏 体＋少量残余奥氏体。
• 图中ｖC与Ｃ曲线的“鼻尖”相切，称
为临界冷却速度。
• 三、马氏体转变 • 高温奥氏体获得极大过冷时(淬火)，
将转变为马氏体类型组织。
• 冷却速度大于该材料的马氏体临界冷
却速度，并过冷到Ms以下，就开始发生马 氏体转变。
• 体层片间，固其塑性、 • 韧性较差，强度也比 • 较低。一般无使用价 • 值。
机械工程材料 第五章 钢的热处理.答案
30s
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2s
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2s 5s
10s
2、C 曲线的分析 ⑴ 转变开始线与纵
坐标之间的距离为
孕育期。
孕育期越小，过冷
奥氏体稳定性越小.
孕育期最小处称C
曲线的“鼻尖”。
碳钢鼻尖处的温度
为550℃。
在鼻尖以上, 温度较 高，相变驱动力小.
在鼻尖以下，温度
较低，扩散困难。
从而使奥氏体稳定
为板条与针状的混合
组织。
0.2%C 0.45%C 1..2%C
3、马氏体的性能 高硬度是马氏体性 能的主要特点。 马氏体的硬度主要 取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
度增加。
当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。
合金元素对马氏体硬度的影响不大。
℃
温 度 ，
共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
体成分趋于均匀。
共析钢奥氏体化过程
亚共析钢和过共析钢的奥 氏体化过程与共析钢基本
相同。但由于先共析 或
二次Fe3C的存在，要获得
全部奥氏体组织，必须相
应加热到Ac3或Accm以上.
二、奥氏体晶粒长大及其影响因素
1、奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的 晶粒度称起始晶粒度, 此时晶粒细小均匀。
(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）
第五章钢的热处理
第五章钢的热处理一、名词解释1.过冷：结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为过冷。
2.枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内不均匀的现象叫做枝晶偏析。
3.二次相：由已有固相析出的新固相称为二次相或次生相。
4.铁素体：碳在α—Fe中的固溶体称为铁素体。
5.奥氏体：碳在γ—Fe中的固溶体称为奥氏体。
6.莱氏体：转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体。
7.珠光体：转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体。
8.变质处理：又称为孕育处理，是一种有意向液态金属中加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。
9.共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程。
10.包晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相包着一定成分的固相，发生反应后生成另一一定成分新固相的反应。
二、填空题1、金属的结晶过程由晶核形成和晶核长大两个基本过程组成。
2、金属结晶过程中，细化结晶晶粒的主要方法有控制过冷度、变质处理和振动、搅拌3、当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出来的枝晶轴含有较多的高熔点组元。
4、在实际生产中，若要进行热锻或热轧时，必须把钢加热到奥氏体相区。
5、在缓慢冷却条件下，含碳0.8%的钢比含碳1.2%的钢硬度低强度低。
三、选择题1.铸造条件下，冷却速度越大，则（A.过冷度越大，晶粒越小）2.金属在结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度（B.越低）3.如果其他条件相同，下列各组铸造条件下，哪种铸锭晶粒细？（A.金属模铸造B.低温铸造A.铸成薄片A.浇注时振动）4.同素异构体转变伴随着体积的变化，其主要原因是（致密度发生变化）5.实际金属结晶时，可通过控制形核N和长大速度G的比值来控制晶粒大小，要获得细晶粒，应采用（A.增大N/G值）6.二元合金在发生共晶转变时，各相组成是（D.三相共存）7.二元合金在发生共析转变时，各相的（B.质量固定，成分发生变化）10.产生枝晶偏析的原因是由于（D.液、固相线间距大，冷却速度也大）11.二元合金中，铸造性能最好的是（B.共晶合金）14.在下列方法中，可使晶粒细化的方法是（D.变质处理）四、判断题1。
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第五章 钢的热处理
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。
45钢经840℃加热在不同条件冷却后的力学性能
过冷奥氏体：冷却到相变温度以下且尚未转变的 奥氏体，处在不稳定的过冷状态。
第五章 钢的热处理
冷却方式： （1）连续冷却：将钢加热到一定温度，并以一定的冷却 速度连续冷却到室温的冷却方式。 （2）等温冷却：将 钢加热到一定温度，先 以较快的冷却速度，冷 却到Ar1线以 下某一温 度进行保温，使过冷 奥 氏体在恒温下发生组织 转变， 待转变结束后再 迅速冷却到室 温的冷却 方式。
第五章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
引言：
1、热处理的概念
将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得 所需组织与性能的工艺。
2、热处理的目的
（1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能
第五章 钢的热处理
第一节 钢的热处理原理
1.概念：将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织， 获得所需性能的工艺方法。
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第五章 钢的热处理
温度 (℃ ) 800 700 600 500 400 A1
300 200 100 0
-100 0 1 10 102 103 104 时间(s)
第五章 钢的热处理
温度 ( ℃) 800 700 600 500
（二）共析碳钢 TTT 曲线的分析
第五章 钢的热处理
珠光体、索氏体、屈 氏体三种组织无本质 区别，只是形态上的 粗细之分。片间距越 小，钢的强度、硬度 越高，而塑性和韧性 略有改善。
第五章 钢的热处理
珠光体转变：是形核和长大的过程。 渗碳体晶核先在A晶界上形成，在长大过程中，其两侧A的含碳量 下降，促进了F形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。
第五章 钢的热处理
• 3）马氏体的性能 • 高硬度是马氏体性
能的主要特点。
• 马氏体的硬度主要
取决于其含碳量。
• 含碳量增加，其硬
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
度增加。
当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。 合金元素对马氏体硬度的影响不大，可提高强度。
第五章 钢的热处理
• 4) 马氏体转变的特点
• ⑴ 上贝氏体 • 形成温度为550-350℃。
• 在光镜下呈羽毛状.
• 在电镜下为不连续棒状 的渗碳体分布于自奥氏 体晶界向晶内平行生长
光镜下
的铁素体条之间。
电镜下
第五章 钢的热处理
• ⑵下贝氏体 • 形成温度为350℃-Ms。 • 在光镜下呈竹叶状。
光镜下
在电镜下为细片状碳
化物分布于铁素体针
内，并与铁素体针长 轴方向呈55-60º 角。
电镜下
第五章 钢的热处理
• 上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 • 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也 较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常 用的强化组织之一。
上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌
下贝氏体
第五章 钢的热处理
3、马氏体型转变
的马氏体，总有部
’
分奥氏体未能转变
而残留下来，称残余奥氏体，用A’ 或’ 表示。
第五章 钢的热处理
过冷奥氏体转变产物（共析钢）
第五章 钢的热处理
（四）亚共析钢与过共析钢的过冷奥氏体等温转变
第五章 钢的热处理
3.奥氏体晶粒大小
（1）加热时获得的奥氏体晶粒细小，则冷却后转变产物的晶粒也细小， 其强度、塑性和韧性较好；反之，粗大的奥氏体晶粒冷却后转变产物也粗大， 其强度、塑性较差，特别是冲击韧度显著降低。
（2）奥氏体晶粒大小用奥氏体晶粒度来表示，常用的为1～8级。其中 1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒
第五章 钢的热处理
2）马氏体的形态
• ⑴ 板条马氏体 • 立体形态为细长的扁 棒状 • 在光镜下板条马氏体 为一束束的细条组织。 • 在电镜下，板条内的 亚结构主要是高密度 的位错，=1012/cm2, 又称位错马氏体。
光镜下
电镜下
第五章 钢的热处理
• ⑵ 片状马氏体 • 立体形态为双凸透镜形的片 状。显微组织为针片状。 • 在电镜下，亚结构主要是孪 晶，又称孪晶马氏体。
⑴取一批小试样(1.5mm)并进行奥氏体化； • ⑵将试样分组淬入低于A1 点的不同温度的盐浴中，隔一定 时间取一试样淬入水中。 • ⑶测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间 的关系。 • ⑷将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度—时间坐标 中，并分别连线。
第五章 钢的热处理
5s 10s 30s
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103
104
时间(s)
第五章 钢的热处理
孕育期 —— 由图可知，过冷A在各个温度等温时，都要在该温 度下经过一段时间才能发生转变。把金属在一定过冷度条件下等 温转变时，等温停留开始至转变开始之间的时间称为孕育期。
A1 ~ 鼻温 随等温温度↓ △T↑, 孕育期变短，转变速 鼻温 度 ↑; 鼻温 ~ Ms 随等温温度↓ △T↑, 原 子扩散能力↓，孕育期 变长，转变速度↓。
第五章 钢的热处理
2、贝氏体型转变
550℃~ Ms 半扩散型转变
贝氏体B-----是含碳过 饱和的F 和渗碳体 （Fe3C）（或碳化物） 组成的两相混合物，转 变时必须进行碳的重新 分布和铁的晶格重构。 贝氏体分： 上贝氏体（B上）550~350 ℃ 羽毛状 下贝氏体（B下）350 ℃ ~Ms
第五章 钢的热处理
而亚共析钢中的铁素体和过共析钢中的渗碳体不发生组织转变。
钢在加热时的组织转变
第五章 钢的热处理
当温度加热到Ac3或Acm线以上时，钢中的铁素体、珠光体 和渗碳体都转变成奥氏体，开始形成细小的奥氏体晶粒。加热温 度越高和保温时间越长奥氏体晶粒就越粗大。
2.奥氏体化
对于亚共析钢或过共 析钢，若加热至Ac1温度， 只能使珠光体转变为奥氏 体，得到奥氏体+铁素体或 奥氏体+二次渗碳体组织， 称为不完全奥氏体化。只 有继续加热至Ac3或Accm 温度以上，才能得到单相 奥氏体组织，即完全奥氏 体化。
电镜下
光镜下
电镜下
第五章 钢的热处理
马氏体形态与含碳量的关系
• ⑶ 马氏体的形态主 要取决于其含碳量 • C%小于0.2%时，组 织几乎全部是板条马 氏体。 • C%大于1.0%C时几 乎全部是针状马氏体. • C%在0.2~1.0%之间 为板条与针状的混合 组织。
0.2%C
0.45%C
1..2%C
（极大过冷度冷至Ms以下）
• 当奥氏体过冷到Ms以 下将转变为马氏体类
型组织。
• 马氏体转变是强化钢
的重要途径之一。
1）定义及晶体结构: 马氏体M是一种碳在α – Fe中的过饱和固溶体。
第五章 钢的热处理
• • • • 马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c） 轴比c/a 称马氏体的正方度。 C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。 当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.
Mf
只要温度达到Ms以下即
发生马氏体转变。
在Ms以下，随温度下降,
转变量增加，冷却中断, 转变停止。
第五章 钢的热处理
• （3）高速长大 • 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。 • 当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的 马氏体产生裂纹。
• （4）转变不完全
即使冷却到Mf 点，
也不可能获得100%
（3）热处理工艺曲线：由时间和温度构成的曲线，用以说明热处理 的过程。
4.滞后现象：
平衡条件：A１、 A３、Acm
实际加热：Ac1、 Ac3、Accm 实际冷却：Ar1、 Ar3、Arcm
第五章 钢的热处理
第二节
一、奥氏体的形成
当钢加热到稍高于Ac1温度时，钢中的珠光体开始转变为奥氏体分 为奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、残余渗碳体的溶解、奥氏体 成分的均匀化四个阶段；
孕育期
孕育期
第五章 钢的热处理
（三）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能
1、珠光体型转变 • 过冷A在 A1到 550℃间 将转变为珠光体类型组 织，它是铁素体与渗碳 体片层相间的机械混合 物，根据片层厚薄不同， 又细分为珠光体P、索氏 体S和托氏体T。
第五章 钢的热处理
在过冷度很小时(Al-650℃)，会形成层片较粗 大的组织，片间距为0.6-0.7μm，硬度10HRC20HRC；称为珠光体(P)，在低倍的金相显微镜下 就可观察清楚。
930℃,8h
3、本质晶粒度:有的钢材 加热时A晶粒很容易长大，
而有的钢材就不容易长大，
这说明不同的钢材的晶粒长 大倾向是不同的。 本质晶粒度是反映钢材加 热时A晶粒长大倾向的一个
指标。
第五章 钢的热处理
（二）影响奥氏体晶粒长大的因素
1、钢料的化学成分和冶炼方法 a、随含碳量增加，晶粒长大倾向先 增大后减小：形成的碳化物阻碍奥 氏体晶粒的长大； b、加入适量的形成难熔化合物的合 金元素，强烈地阻碍奥氏体晶粒长 大。 2、加热温度、 速度、保温时间 A 奥氏体形成后随着加热温度升高 和保温时间延长，晶粒急剧长大； B 加热速度越大，奥氏体转变时的 过热度越大，奥氏体的实际形成温 度越高，则奥氏体的形核率越高， 起始晶粒越细。
第五章 钢的热处理
第三节 钢在冷却时的组织转变
奥氏体的冷却转变，直接影响钢热处理后的组织和性能。
处于临界点A1以下的奥氏体称为过冷奥氏体。 钢在冷却时的转变，实质上是过冷奥氏体的转变。过冷奥氏 体的转变产物，决定于它的转变温度，而转变温度又主要与冷却 的方式和速度有关。 研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲线及连续冷却转变 曲线。 将奥氏体化的共析钢快冷至临界点以下的某一温度等温停留，并 测定奥氏体转变量与时间的关系，即可得到过冷奥氏体等温转变曲线。 （C曲线或TTT曲线）