工程材料8.4.1 钢在加热、冷却时的组织转变

的倾向。 的倾向。(钢的本质晶粒如图所示)
1. 将钢加热到 ９３０ ℃，保温８小时， 保温８小时，
然后缓慢冷却。 然后缓慢冷却。
2. 将其实际晶粒度分为八级１～４级为 将其实际晶粒度分为八级１
本质粗晶粒钢， 本质粗晶粒钢，５～８级为本质细晶 粒钢。 粒钢。
3. 其中1 级最粗，８级最细。从１～８ 其中 级最粗， 级最细。
A1～680℃，呈粗片状 ℃ 680℃～600℃，呈细片状 ℃ ℃ 600℃～550℃，呈极细片状 ℃ ℃
550℃～350℃形成，呈羽毛状 ℃ ℃形成，
350℃～Ms ，呈针状或竹叶状 ℃
Ms
2．共析钢C曲线各区转变过程及特点 ．共析钢 曲线各区转变过程及特点
曲线上部的转变——珠光体转变 1) C曲线上部的转变 珠光体转变 曲线下部的转变——贝氏体转变 贝氏体转变 2) C曲线下部的转变 贝氏体 低于Ms线的转变——马氏体转变 Ms线的转变 马氏体转变 3) 低于Ms线的转变 马氏体
第四节 钢的热处理
1. 2. 3. 4.
热处理 热处理的工艺过程 热处理的工艺过程 热处理的特点 热处理的特点 热处理的种类和方法 热处理的种类和方法
1. 是将钢或其他金属在固态范围内通过 是将钢或其他金属在固态范围内通过 在固态范围内
不同的加热、保温和冷却来改变内部 不同的加热、保温和冷却来改变内部 加热 组织结构， 组织结构，以达到改变其性能的一种 工艺。 工艺。
炉 冷
T
C曲线 应用分析
V1冷却速度曲线：相当于退火炉冷的情况与等 冷却速度曲线：相当于退火炉冷 退火炉冷的情况与等 曲线交于710℃～680℃附近，可判断过冷 温C曲线交于 曲线交于 ℃ ℃附近，
奥氏体发生珠光体转变，形成珠光体。 奥氏体发生珠光体转变，形成珠光体。 珠光体
冷却速度曲线：相当于正火空冷 正火空冷的 V2 、V3 冷却速度曲线：相当于正火空冷的
晶粒由粗渐渐变细。 级，晶粒由粗渐渐变细。 需经热处理的零件多采用本质细晶 粒钢。一般在930~950℃以下加热 粒钢。一般在 ℃ 时晶粒长大倾向小，适于热处理。 时晶粒长大倾向小，适于热处理。
1. 加热温度和保温时间：提高加热温度和延长保温时 加热温度和保温时间： 间都使奥氏体晶粒长大； 间都使奥氏体晶粒长大； 2. 钢的成分：钢中的合金元素，如钒、钛、铌、钼、 钢的成分：钢中的合金元素，如钒、 铬具有阻止晶粒长大的作用，而锰、磷、碳（若碳 铬具有阻止晶粒长大的作用，而锰、
3) 两种马氏体的混合组织：碳浓度在 ．2％～ ．0％的 两种马氏体的混合组织：碳浓度在0． ％～ ％～1． ％
范围， 只是碳浓度越高 条状马氏体量越少， 只是碳浓度越高， 范围，(只是碳浓度越高，条状马氏体量越少，而针 状马氏体量越多。 状马氏体量越多。)
针状马氏体硬度高而脆性大 条状马氏体是硬度高且韧性好
剩余渗碳体溶解后，奥氏体碳浓度的分布不均匀， 剩余渗碳体溶解后，奥氏体碳浓度的分布不均匀，
在原来渗碳体处浓度较高，而原来铁素体处则较低， 在原来渗碳体处浓度较高，而原来铁素体处则较低，
必须经较长时间的保温使碳原子充分扩散， 必须经较长时间的保温使碳原子充分扩散，奥氏 长时间的保温使碳原子充分扩散
体成分才均匀。 体成分才均匀。
3．非共析钢的等温转变 ．
1) 亚共析钢的 曲线：比共析钢的 曲线增 亚共析钢的C曲线 比共析钢的C曲线增 曲线：
加了 A→F的转变开始线 的转变开始线
2) 过共析钢的 曲线：增加了 A→Fe3C 的转 过共析钢的C曲线 曲线：
变开始线
4．奥氏体等温转变的应用（共析钢） ．奥氏体等温转变的应用（共析钢）
全部转变为奥氏体，称为奥氏体化。 全部转变为奥氏体，称为奥氏体化。
2) 加热是热处理工艺的第一个环节，加热到 加热是热处理工艺的第一个环节，
A1以上或以下，钢的组织转变有着本质的 以上或以下， 不同。 不同。
在加热、冷却时的内部结构转化是以Fe-Fe3C 在加热、冷却时的内部结构转化是以 状态图为依据 如果钢中不存在固态下的组织转变，也就不 如果钢中不存在固态下的组织转变， 能进行热处理。所以， 能进行热处理。所以，钢中组织转变的规律 是进行热处理的基础。 是进行热处理的基础。
2. 适用于钢、铸铁、有色金属及其合金， 适用于钢、铸铁、有色金属及其合金，
是一种重要的金属热加工工艺。 是一种重要的金属热加工工艺。
1. 热处理是基于同素异构转变、共析 热处理是基于同素异构转变、
转变、 转变、固溶和脱溶等固态下的组织 转变来改变材料性能的
2. 热处理工艺的任务是不改变原有形 热处理工艺的任务是不改变原有形
奥氏体的晶粒度是评定加热质量的指标之一
①起始晶粒度
为奥氏体刚刚形成时的晶粒大小， 为奥氏体刚刚形成时的晶粒大小，
故无实际意义。 故无实际意义。 ②实际晶粒度 为钢在热处理或热加工的具体加
热条件下所获得的奥氏体晶粒的大小，一般比 热条件下所获得的奥氏体晶粒的大小， 起始晶粒度大， 起始晶粒度大，对钢的性能有直接影响 ③本质晶粒度 反映钢在加热时奥氏体晶粒长大
状和尺寸仅改变金属材料的性能。 状和尺寸仅改变金属材料的性能。 （基本上不改变材料的化学成分） 基本上不改变材料的化学成分）
热处理的种类和方法
一、钢在加热时的组织转变
1. 碳钢在平衡条件下加热和冷却的相变线 2. 加热和冷却速度对钢的临界点的影响 3. 研究钢的热处理的依据 4. 钢的奥氏体化 5. 共析钢的奥氏体化 6. 非共析钢的奥氏体化 7. 奥氏体晶粒的长大及其影响
残余奥氏体 马氏体的两种组织形态
4) 转变产物的各组织和性能的比较
贝氏体： 贝氏体：是过饱和的铁素体与碳化 物所组成一种非层片组织) 物所组成一种非层片组织
马氏体： 马氏体：当过冷奥氏体以极快的速度冷 到低于Ms点时（ ），将 到低于 点时（共析钢为 230 ℃），将 点时 发生马氏体转变，形成马氏体。 发生马氏体转变，形成马氏体。碳原子 过饱和地溶解在α 过饱和地溶解在α－Fe中，使晶格严重歪 中 扭，所以表现出高硬度。 所以表现出高硬度。
形成的，所以又称为低碳马氏体；显微组织呈一束束 形成的，所以又称为低碳马氏体；显微组织呈一束束 低碳马氏体 细条状
2) 针状马氏体：在光学显微镜下截面形态呈针片状或竹 针状马氏体：在光学显微镜下截面形态呈针片状或竹
叶状，含碳量＞ ． ％ 叶状，含碳量＞1．0％的钢淬火后的组织几乎全部都 是针状马氏体，主要出现在高碳钢的淬火组织中， 是针状马氏体，主要出现在高碳钢的淬火组织中，又 高碳马氏体。 称高碳马氏体。
1) PSK线—共析转变线（A1线） 共析转变线（ 线 共析转变线 2) GS线—同素异构转变线（A3线） 同素异构转变线（ 线 同素异构转变线 3) ES线—固溶线（Acm线） 固溶线（ 线 固溶线
它们是平衡条件下钢的三条固态组织转变线 A1 、A3、 Acm称为临界点。 称为临界点。
1) 把钢加热到 3 、Ａｃ1 、Accm以上，将 把钢加热到Ac 以上，
以渗碳体Fe 的形式存在 则阻止晶粒长大） 的形式存在， 以渗碳体 3C的形式存在，则阻止晶粒长大） 、氮等元
素则具有促进奥氏体晶粒长大的作用 钢的成分是形成本质粗或细晶粒钢的主要原因。 钢的成分是形成本质粗或细晶粒钢的主要原因。
钢加热后的奥氏 体A的实际晶粒越 细小， 细小，冷却后转 变成珠光体P 变成珠光体P或其 它相的晶粒也细 钢的强度、 小，钢的强度、 硬度、塑性和韧 硬度、 性也越优良。 性也越优良。
由此可见， 由此可见，对于非共析钢要获得单一奥 氏体相，必须加热到Ac3 或Accｍ以上， 氏体相，必须加热到 ｍ以上， 才能完成全部奥氏体化。 才能完成全部奥氏体化。
（１）奥氏体的晶粒度 —评定钢材本质晶粒度的方法 评定钢材本质晶粒度的方法 （２）影响奥氏体晶粒长大的因素 （３）奥氏体的晶粒度对钢的机械性能影响
马氏体转变终了温度( 4)马氏体转变终了温度(Mf)：
冷却到－ 冷却到－ 50 ℃ 马氏体转
变结束，这一温度为马氏体转变终了温度。 变结束，这一温度为马氏体转变终了温度。
5)孕育期
：表示奥氏体在不同过冷度开始转变所需要的时间，称 表示奥氏体在不同过冷度开始转变所需要的时间，
之为孕育期， 离纵轴的距离) 之为孕育期，(离纵轴的距离)
共析钢的室温组织是珠光体P，加热至Ac 共析钢的室温组织是珠光体 ，加热至 1以 上时，全部转变为奥氏体 ；转变是靠铁、 上时，全部转变为奥氏体A；转变是靠铁、 碳原子的扩散和铁原子的晶格改组来完成的。 碳原子的扩散和铁原子的晶格改组来完成的。
0.02% C 体心立方晶格
F
+ Fe3C →
1. 亚共析钢和过共析钢统称为非共析钢 2. 非共析钢加热后的奥氏体要分两步完成： 非共析钢加热后的奥氏体要分两步完成：
1) 第一步是加热到 1以上，完成珠光体的奥氏 第一步是加热到Ac 以上，
体化； 体化；
2) 第二步是继续加热至 3 或Acc ｍ以上，完成铁 第二步是继续加热至Ac 以上，
素体或二次渗碳体的奥氏体化。 素体或二次渗碳体的奥氏体化。
复杂斜方晶格
6.69% C
> Ac1
0.77% 面心立方晶格
A
奥氏体的形成是按形核与长大规律进行的。 奥氏体的形成是按形核与长大规律进行的。
1) 奥氏体的成核与长大 2) 剩余渗碳体的溶解 3) 奥氏体的均匀化
形核：相界面局部具备形成奥氏体晶核的条件（ 形核：相界面局部具备形成奥氏体晶核的条件（如 液体结晶，需要一定的条件：能量—相界面原子排 液体结晶，需要一定的条件：能量 相界面原子排 列不规则处于高能状态；浓度 Fe 列不规则处于高能状态；浓度—Fe3C高碳区为形核提 供所需的碳原子） 供所需的碳原子） 奥氏体晶核长大：晶核形成后，处于F 奥氏体晶核长大：晶核形成后，处于F 与Fe3C与之 间的A 两侧碳浓度不同， 间的A，两侧碳浓度不同，致使碳原子不断自高碳侧 向低碳侧扩散，促使Fe 不断溶解， 向低碳侧扩散，促使Fe3C不断溶解，A不断向两侧扩 展而长大 与此同时又有新的晶核产生和不断长大，直至A 与此同时又有新的晶核产生和不断长大，直至A晶 粒彼此相碰，珠光体P全部消失为止。 粒彼此相碰，珠光体P全部消失为止。
非共析钢的M 6)非共析钢的Ms、Mf
随着含碳量的增加而逐渐降低。 随着含碳量的增加而逐渐降低。
过冷奥氏体 等温冷却转变 曲线反映了过 冷奥氏体等温 转变的规律。 转变的规律。 因其形似“ 因其形似“C” 而得名。 而得名。 过冷奥氏体： 过冷奥氏体： 暂存于临界点 以下的（ 以下的（不稳 定的） 定的）奥氏体 相
界温度A 界温度 1以下的某一温度等温停留一段时间 后再冷至室温。 后再冷至室温。
1．奥氏体的等温转变 ．
1)共析钢C曲线的建立 共析钢C
曲线) 2)共析钢等温转变曲线 (C曲线)
奥氏体过冷至230℃ 230℃， 3)马氏体开始转变温度(Ms)： 奥氏体过冷至230℃，则开始 发生马氏体转变的温度
二 . 钢在冷却时的组织转变
连续冷却： 是奥氏体在一定温度范围内， 连续冷却： 是奥氏体在一定温度范围内，
以一定冷却速度自高温冷至室温，如炉冷、 以一定冷却速度自高温冷至室温，如炉冷、 空气冷、水冷、油冷及其他液体冷等等； 空气冷、水冷、油冷及其他液体冷等等；
Leabharlann Baidu温冷却：
是奥氏体自高温快速冷至临
由于铁素体F的碳浓度与结构和奥氏体A接近， 由于铁素体F的碳浓度与结构和奥氏体A接近，故铁 素体先消失， 素体先消失，而在所形成的奥氏体中尚有未溶解的 渗碳体存在。 渗碳体存在。 此时奥氏体的平均碳浓度低 通过保温，剩余渗碳体的原子扩散，使奥氏体中的 通过保温，剩余渗碳体的原子扩散， 保温 碳浓度达到共析成分
残余奥氏体： 残余奥氏体：在Ms ～Mf 温度范围内如果停 止冷却，马氏体转变停止， 止冷却，马氏体转变停止，这时钢中组织除 马氏体外，尚有未转变的奥氏体， 马氏体外，尚有未转变的奥氏体，这种奥氏 体称为“残余奥氏体”。 体称为“残余奥氏体”
马氏体的两种形态： 马氏体的两种形态： 1) 板条状马氏体：一般是由含碳量＜0.2%的钢淬火后 板条状马氏体：一般是由含碳量 含碳量＜ 的钢淬火后