工程材料8.4.1 钢在加热、冷却时的组织转变
41 钢在加热冷却时的组织转变PPT课件
A Ac3
G Ar3
S
温度高于Accm时， A+F P
P
Fe3CⅡ才完全溶解。
F+P
E Accm A+Fe3CⅡ Arcm
Ar1
Ac1
P+Fe3CⅡ
WC/%
3、晶粒的长大及其影响因素 Grain growth and its control
(1)奥氏体的晶粒度 指将钢加热到相变点以上某一温度， 并保温一定时间后所得到的奥氏体晶 粒大小。
表示多晶体晶粒大小的一种指标，采 用标准晶粒度级别表示。
GB6394-81 00、0、1、2…10共12级。
1～3级为粗晶粒，4～6级为中等晶粒， 7～8级为细晶粒，>8级为超细晶粒。
本质晶粒度—在规定的加热条件下 （930℃±10 ℃ ，保温3～8h），奥氏体
的晶粒度。反映奥氏体晶粒长大的倾向性， 而不是实际奥氏体晶粒大小的度量。
0.77
2.11
4.3
6.69
5
10 15 20
30 40 50 60 70 80 90 100 Wc%
图5-4 简化的Fe—Fe3C相图
2、奥氏体化过程 Austenitizing process
包括奥氏体的形核与长大，残余渗碳体的 溶解和奥氏体成分的均匀化。
图6-3 共析钢中奥氏体的形成过程 Fig.6.3 Formation process of austenite in eutectoid steel
表面热处理 表面淬火（感应加热、火焰加热）
化学热处理 渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗等。
§4.1 钢在加热与冷却时的组织转变
一、加热时组织转变
1、加热转变的理论依 据——Fe-Fe3C相图 奥氏体化(austenitizing) 钢加热形成奥氏体的过 程。 A1-PSK
钢的热处理及组织转变
一、钢的热处理
钢的淬火：
冷却介质有：油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依次 加强，这些冷却介质都不能完全满足上述理想的淬火冷却 条件。
一、钢的热处理
钢淬火的方法：
单液淬火法：工件易变形和开裂 双液淬火法：减小了马氏体转变的相变应力 分级淬火法： Ms 线附近的盐槽或碱槽中，保温一段时 间，大大减小相变应力 等温淬火法：温度高于 Ms 的盐槽或碱槽中，保温一段 时间，发生下贝氏体转变
二、钢在加热及冷却时的组织转变
回火屈氏体（350 0C～500 0C）
由针状（或条状）铁素 体与粒状渗碳体组成的混 合物。具有较高的屈服强 度和弹性极限，并保持一 定的硬度（40HRC）和韧 性。
应用于弹簧和热锻模具。
二、钢在加热及冷却时的组织转变
回火索氏体（500 0C～650 0C）
由多边形的铁素体与粒 状渗碳体组成的混合物。 具有高强度，兼有高韧性， 硬度：187 HBS。有优良 的综合机械性能。
一、钢的热处理
淬火钢回火时组织转变： ③ 碳化物的转变
在 300 0C ～ 400 0C 温度回火时，ε 碳化物将转变为 Fe3C。400 0C时，过饱和的碳基本完全析出，钢的内应力 基本消除。
转变的过程是以 ε 碳化物重新溶入 α 固溶体，而稳定的 渗碳体相不断地析出的方式进行的。
一、钢的热处理
二、钢在加热及冷却时的组织转变
钢在加热及冷却时的组织转变：
一、钢在加热时的组织转变 二、钢在冷却时的组织转变 三、钢在回火时的转变
二、钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变
⑴ 奥氏体形核－钢在加热到 A1 时，奥氏体晶核优先在 铁素体和渗碳体的相界面上形成。
奥氏体晶核形成Leabharlann 二、钢在加热及冷却时的组织转变
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
钢的加热冷却组织转变
（F和Fe3C），转变为另一种晶格形式的单相（A）的过程，在这样的相变过程中，必然伴随 着Fe、C原子的扩散和相应的晶格重构。研究证明，α-γ晶格重构过程实际上是固态下重结
晶的过程，因此，同样遵循结晶的基本规律，是一个形核、长大和均匀化的过程。
珠光体向奥氏体的转变可分为以下3个步骤，共析钢中奥氏体形成过程示意图如图6－3
亚共析钢室温下的平衡组织是铁素体和珠光体，因此亚共析钢的奥氏体转变由两个阶段 组成。① 是珠光体向奥氏体的转变（加热到略高Ac1 ）；② 是铁素体向奥氏体的转变（加热 到Ac1～Ac3之间）。珠光体向奥氏体的转变与共析钢相同。当珠光体向奥氏体转变结束时，在 铁素体晶界上开始形成新的奥氏体晶核，这些新的晶核依靠吸收由先形成的奥氏体中越过晶 界扩散过来的碳原子而不断向铁素体晶粒内部长大。当温度略高于Ac3时，铁素体全部转变成 奥氏体，之后碳原子的扩散还要维持一段时间才能使所有奥氏体的成分达到均匀一致。 2.2.2 过共析钢的奥氏体转变
指在规定加热条件下（把钢加热到930±10℃、保温3～8h）所测得的奥氏体晶粒度。本 质晶粒度的实质是表示钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向。不同牌号的钢奥氏体晶粒长大的倾 向是不同的，在一定的温度下把随着温度的升高奥氏体晶粒迅速长大的钢称为本质粗晶粒钢， 而奥氏体的晶粒随温度的升高不易长大的钢称为本质细晶粒钢，钢的本质晶粒度示意图如图 6-8所示。一般需要进行热处理的零件大多采用的是本质细晶粒钢，因为本质细晶粒钢热处理 后易获得细小的实际晶粒度。
过冷或过热现象，在相图上实际的相变温度和平衡临界点就会产生偏移的现象，而且加热或
冷却速度越快，偏移量越大。为了便于区别，通常把实际加热时的各临界点用Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却时的各临界点用Ar1、Ar3、Arcm表示。钢的各实际临界点的含义如下：
钢在加热时的组织转变
➢奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的 力学性能较好；
➢粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产织转变
3、影响奥氏体晶粒大小的因素
➢1）加热温度； ➢2）保温时间； ➢3 ） 成 分 （ 含 碳 量 和
第16讲 钢在加热时的组织转变
谢谢大家！
合金元素）的影响；
第16讲 钢在加热时的组织转变
工业生产中细化奥氏体晶粒的方法： ➢ 快速、短时加热或合金化
第16讲 钢在加热时的组织转变
小结 一、钢的临界转变温度 二、钢在加热时的组织转变
第16讲 钢在加热时的组织转变
思考 题
✓ 1、实际加热、冷却时临界点温度如何表示？ ✓ 2、奥氏体的晶粒大小对金属性能的影响？
钢的实际临界转变温度：
Ar3
P Q
A3
Ac3
S
Accm
E Acm
Arcm
Ac1 AA1r1
加热时分别用Ac1、Ac3、Accm表示； 冷却时分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
Wc/% Fe－Fe3C相图的共析转变部分
第16讲 钢在加热时的组织转变
Fe-Fe3C相图的共析转变部分
➢ 思考：
➢ 亚共析钢(过共析钢)的完全奥氏体化温度？
➢ 由于先共析F（Fe3CII）的存在，要必须加热到相应的A3线（Acm线）
以上，才能获得全部奥氏体组织 。
第16讲 钢在加热时的组织转变 二、 钢在加热时的组织转变 1、钢的加热转变——奥氏体化(以共析钢为例)
奥氏体化是一个形核和长大的过程，分为四步。
共析钢的转变示意图（加热到A1温度以上）
第16讲 钢在加热时的组织转变
《第4章 钢的热处理基础》 第16讲 钢在加热时的组织转变 • 注：本讲部分图片来自网络
了解钢在加热和冷却时的组织转变讲课讲稿
了解钢在加热和冷却时的组织转变
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课题：了解钢在加热和冷却时的组织转变
教学目的要求： 1.了解热处理的定义、目的、分类及作用；
2.掌握钢加热和保温的目的；
3.掌握钢在冷却转变时的产物及转变曲线。
教学重点、难点：1. 钢加热及保温的目的；2. 奥氏体晶粒度的概念及影响因素；3. 共析钢过冷奥氏体等温冷却曲线中各种温度区域内奥氏体的转变产物及组织形貌，性能特点。
4. 过冷奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响
授课方法：面授（课堂教学）
教学参考及教具（含电教设备）：《金属材料及热处理》
授课执行情况及分析：
板书设计或授课提纲。
第三章1)钢的热处理——加热和冷却的组织变化.
4．奥氏体晶粒度的控制 a. 加热工艺
合理的加热温度（见下图）与保温时间。
b. 钢的成分——合金化 i. A中C%↑→晶粒↑ ii. 合金元素%↑ →晶粒↓
碳化物形成元素：形成稳定碳化物阻碍扩散，细化晶粒；
Al：形成氧或氮化合物于晶界，使形核率↑ 且C扩散受阻→
本质细晶钢； Mn 、P等：促进长大。
示意
→A (Fcc, 0.77)
a. 形核：优先在相界[F，Fe3C] b. 长大： c. 渗碳体完全溶解： d. 碳的均匀化：
7
2）、亚(过)析钢的奥氏体化
亚析钢
P + F →A
过析钢
P+ Fe3C →A
Ac3 Ac1
Accm Ac1
8
3.1.2、奥氏体晶粒大小及控制
1．晶粒度 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度、面积、体 积或晶粒度级别表示。
第3章
3.1 3.2 3.3 3.4
钢的热处理
钢在加热时的组织转变 钢在冷却时的组织转变 钢的普通热处理 钢的表面热处理
1
热处理是指将钢在固态下加热到预定的温度，保温一 段时间，然后以预定的方式冷却到室温，来改变其内 部组织结构，以获得所需性能的一种热加工工艺。 特点：改变钢的内部组织，而不改变其形状和尺寸。
（3）马氏体
硬度高 C%↑→HRC↑ 针/片状马氏体（高C% ），硬而脆，塑、韧性差； 板条状（低C% ） ，强度高，塑性、韧性好。
40
4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线
在C曲线左端多一条曲线。 亚：先析出F，
过：先析出Fe3C
碳含量对碳钢C曲线的影响
41
二、影响C曲线的因素
C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化 学成分和加热时的状态。 C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性 能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。
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。
复习思考题一工程材料(机制11)
复习一（工程材料部分）一、基本概念晶体、非晶体、晶格、晶胞、晶面、晶向、单晶体、多晶体、晶粒、晶界、结晶、同素异晶转变（重结晶）、过冷度、变质处理（孕育处理）、组元、.相、固溶体、金属化合物、机械混合物、固溶强化、相图、共晶反应、共析反应、热脆、冷脆、钢的热处理、化学热处理、索氏体、屈氏体（托氏体）、贝氏体、马氏体、临界冷却速度、淬透性、淬硬性、过冷奥氏体A’、残余奥氏体A＂、回火稳定性、二次硬化、回火脆性、红硬性、石墨化、球化处理、石墨化退火、固溶处理、时效强化。
二、基本知识点1.评定材料机械性能的常用指标、表示符号和物理意义2.单晶体与多晶体的区别3.金属中常见的三种晶格类型4.结晶的必要条件:5.结晶的基本规律6.晶粒大小对机械性能的影响及细化晶粒的主要方法7.合金相结构的主要特性：（固溶体，金属化合物，机械混合物）8.铁碳合金基本组织的概念、成分、组织结构和性能特征9.铁碳合金相图中特性点的物理意义、温度、含碳量10.铁碳合金相图中的特性线的物理意义11.铁碳合金各相区的组织12.铁碳合金的分类13.碳的含量与铁碳合金力学性能间的关系14.钢的结晶过程及组织转变（能用冷却曲线分析）15.共晶、共析反应式16.钢在加热时的组织转变（钢的奥氏体化即奥氏体的形成过程）17.钢在冷却时的组织转变（等温转变曲线的含义）18.常用热处理工艺的概念、目的、加热温度范围、冷却方式、热处理后组织和应用19.钢的分类、牌号、性能、热处理特点及其使用范围；20.常用铸铁的种类、牌号、生产特点、组织、性能及使用范围21.有色金属及其合金(铜合金、铝合金)的分类、牌号(代号)、性能及用途。
三、复习思考题1.金属的常见晶格类型有哪几种？它们的晶体结构有哪些差异？2.简述液态金属的结晶条件和结晶过程的基本规律。
怎么理解结晶与同素异晶转变？3.晶体的各向异性是怎样产生的？实际晶体为何各向同性？4.什么叫固溶强化？固溶强化是怎样形成的？5.晶粒大小对金属的力学性能有何影响？如何细化晶粒？6.下列情况是否有相变？①液态金属凝固；②同素异晶转变；③晶粒粗细变化。
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，由浅如深讲解教学目的：1．掌握钢在加热时组织转变——钢的奥氏体化；2．明确过冷奥氏体的等温转变；3．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、A cm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、Ac cm、Ar1、Ar3、Ar cm。
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Ac cm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．奥氏体的形成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。
1）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。
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。
钢在加热与冷却时的组织转变
图3-1 热处理工艺曲线示意图钢在加热与冷却时的组织转变热处理是指采用适当方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，获得所需组织结构与性能的一种工艺方法。
热处理是强化金属材料、提高产品质量和寿命主要途径之一，在机械制造中绝大多数的零件都要进行热处理。
如机床工业中60％～70％的零件要进行热处理，汽车、拖拉机工业中70％～80％的零件要经过热处理，各种量具、刃具。
模具和滚动轴承几乎100％要进行热处理。
因此热处理在机械制造工业中占有十分重要的地位。
热处理按照加热和冷却方式的不同，可分为以下三类：（1）整体热处理：指对工件整体进行穿透加热的热处理，常用的方法有退火、正火、淬火和回火。
（2）表面热处理：指对工件表层进行热处理，以改变表层组织和性能的热处理，常用的方法有火焰淬火、感应淬火。
（3）化学热处理：指改变工件表层的化学成分、组织和性能的热处理，常用的方法有滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金属等。
热处理的种类和方法很多，但其基本过程都由加热、保温和冷却三个阶段组成，通常用“温度—时间”为坐标的热处理工艺曲线来表示（如图3-1所示）。
改变加热温度、保温时间和冷却速度等参数，都会在一定程度上发生相应的组织转变，进而影响材料的性能。
所以，要了解各种热处理工艺方法，必须首先研究钢在加热（包括保温）和冷却过程中组织变化的规律。
由Fe —Fe3C 相图可知，A1、A3、Acm 线是碳钢在极其缓慢加热和冷却时的相变温度线。
因而这些线上的点都是平衡条件下的相变点。
但在实际生产中，加热或冷却速度都比较快，实际发生组织转变的温度与A1、A3、Acm 都有不同程度的过热度或过冷度（如图3-2）。
通常将加热时的各相变点用Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却时的各相变点用Ar1、Ar3、Arcm 表示。
钢的相变点是制定热处理工艺参数的重要依据，可通过查热处理手册或有关手册得到。
图3-2 钢的相变点在Fe-Fe 3C相图上的位置一、钢在加热时的组织转变将钢加热到Ac3或Ac1温度以上，以获得全部或部分奥氏体组织为目的的操作，称为奥氏体化。
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。
4.1 钢在加热、冷却时的组织转变
4、加热缺陷及控制
（一）过热现象 1.一般过热：加热温度过高或在高温下保温 时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗 大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性 转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。 而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料(常 为不懂工艺发生的)。过热组织可经退火、正 火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏 化使晶粒细化。
2.0 2.11 30
2.5
3.0
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 4.3 6.69 80 90 100
Wc%
0
40
50
60
70
Wc%
图5-4 简化的Fe—Fe3C相图
2、奥氏体化过程 Austenitizing process
包括奥氏体的形核与长大，残余渗碳体的 溶解和奥氏体成分的均匀化。
过冷奥氏体（A冷）: A1温 度以下不稳定的奥氏体。
常见的冷却方式有两种， 等温冷却和连续冷却。
等温冷却
时间
图6-6 不同冷却方式 Fig.6.6 different cooling style
（一）过冷奥氏体等温冷却转变
俗称C（S）曲线或TTT曲线。
过冷奥氏体: A1温度以下不稳定的奥氏体。
1. C曲线的建立与分析
（四）氢脆现象
高强度钢在富氢气氛中加热时出现塑 性和韧性降低的现象称为氢脆。出现氢 脆的工件通过除氢处理(如回火、时效等) 也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或 惰性气氛加热可避免氢脆。
二、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。
温度/℃
保温
临界点温度 连续冷却
Ac3
A A3 Ar3 S A+Fe3CⅡ
钢在加热及冷却时和组织转变共38页PPT
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51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
钢在加热及冷却时和组织转变
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
钢在加热及冷却时的组织转变
A长
A 形核
一、钢在加热时的组织转变
（一）共析碳钢A形成过程示意图
3)残留渗碳体的溶解 铁素体先于渗碳体消失。因 此，奥氏体形成后，仍有未 溶解的渗碳体存在，随着保 温时间的延长，未溶渗碳体 将继续溶解，直至全部消失 。4)奥氏体成分均匀化 延长保温时间，让碳原 子充分扩散，才能使奥 氏体的含碳量处处均匀 。
§4－2 钢在加热及冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变 二、钢在冷却时的组织转变
一、钢在加热时的组织转变
1．钢在加热和冷却时的相变温度
在加热时钢的转变温 度要高于平衡状态下的临 界点；在冷却时要低于平 衡状态下的临界点。
加热时的各临界点： 1、3和
冷却时的各临界点： 1、3和
一、钢在加热时的组织转变
（一）共析碳钢A形成过程示意图
1. 1)奥氏体的形核 2. 优先在铁素体和渗碳体
的 23)奥. 氏相体界晶面核上的形长成大。 在奥氏体中出现碳的浓度梯度， 并引起碳在奥氏体中不断地由高 浓度向低浓度的扩散。为了 维持 原界面碳浓度平衡，奥氏体晶粒 不断向铁素体和渗碳体两边长大 ，直至，铁素体全部转变为奥氏 体。
留氏在体低铁，低碳的用碳晶符马马格号氏中M氏体表，体其示形形。成状碳在为α－中的过高高饱碳碳和马马固氏 氏溶体 体体，其称断为面马 一束一束相互平行的细条 呈针叶状，故也称针状 状，故也称板条状马氏体 马氏体
总结 过冷奥氏体转变产物（共析钢）
2．奥氏体的连续冷却转变
1、在等温转变图上估计连续冷却转变产 物
转变开始线与纵坐标轴之间的时间为孕育期。在C曲 线拐弯的“鼻尖处”（约550℃），孕育期最短，过冷 奥氏体最不稳定。
水平线为马氏体转变开始线（约230℃）， 水平线为马氏体转变终了线（约－50℃）。 A′：残余奥氏体，即淬火冷却到室温后残留的奥氏
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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。
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）
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
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
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
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、
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
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。
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
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。
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)
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
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. 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。
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 冷源自TC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
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
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。
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
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。
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。