第五章 钢的热处理

马氏体转变具有很大的体积效应，造成较大的内应力
马氏体是C在a-Fe中过饱和间隙固溶体，具有一定的正方度
§5.2 钢在冷却时的转变
2) 马氏体的组织形态 C% < 0.25 % 时，为板条M（低碳M，位错M ） ； C% > 1.0 % 时，为针状M （高碳M，孪晶M ） ； C% = 0.25~1.0 % 时，为混合M 针状M（凸透镜状） 板条M, 平行的细板条束组成
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§5.2 钢在冷却时的转变
§5.2 钢在冷却时的转变
1. 奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即 发生转变呢？ 2. 不同的冷却速度是否也得到同一种的组织 呢？
§5.2 钢在冷却时的转变
过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变的奥 临界点以下 不稳定 将要发生转变
氏体，称为过冷奥氏体。 等温冷却方式 冷却方式：等温冷却方式和连续冷却方式。 连续冷却方式
改善
§5.2 钢在冷却时的转变
片状珠光体
粒状珠光体
相同成分条件下，粒状珠光体的强硬度较低，塑韧性较好
§5.2 钢在冷却时的转变
2. 马氏体转变和马氏体的组织形态与性能
马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散 分解而产生的无扩散型的相变，转变产物称为马氏体。
1) 马氏体转变特征 马氏体转变的无扩散性，转变温度低，通过切变和原子的微 小调整来实现结构的转变； 马氏体转变的瞬时性，转变速度很快； 马氏体转变的不彻底性，存在残余奥氏体，对材料的稳定性 有很大影响
200 100
200 100
Ms
M+A'
Mf
3. 奥氏体化过程越充分，奥氏体越稳定，使C曲线右移。 0 0
10 10 时间/s
2 3
M+A'
10
4
-100
Mf
0
1
10
10 10 时间/s
2
3
10
4
10
5
-100
0
1
10
10 10 时间/s
2
3
10
4
10
5
§5.2 钢在冷却时的转变
四、过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）
钢在加热时的转 钢在冷却时的转变 钢的退火和正火 钢的淬火 钢的回火 钢的表面淬火 钢的化学热处理
§5.1 钢在加热时的转变
§5.1 钢在加热时的转变
一、奥氏体的形成过程
晶体结构的改变：bcc → fcc Fe、C原子的扩散
共析钢的奥氏体形成过程 ： 奥氏体的形核 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
1) 贝氏体转变特征
半扩散型转变，介于珠光体和马氏体转变之间 ；
Fe原子不扩散，切变完成晶格改组 ；C原子扩散，析出碳 化物
两相混合物，其中a相过饱和
§5.2 钢在冷却时的转变 2) 贝氏体的形貌及性能 上贝氏体—— 羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。 上B 强度和韧性差
45钢，上B+下B，×400
§5.2 钢在冷却时的转变 3) 马氏体的性能
C %↑→ M 硬度↑ 针状M 硬度高，塑韧性差。 板条M 强度高，塑韧性较好。 尽可能细化奥氏体粒度，是细化马氏体晶粒提高马氏体韧性 的有效手段
§5.2 钢在冷却时的转变
3. 贝氏体转变和贝氏体的纽织形态与性能
钢的过冷奥氏体在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以上 的温度范围内，发生一种半扩散型相变，称之为贝氏体转变。 转变产物贝氏体，通常用字母B表示。
A →P
过共析钢的C曲线随着含碳量增加左移； 500
P+F
600
P
600 500 400
A→ P
A→B
B A→B 2. 合金元素的影响：除钴以外所有的合金元素溶入奥氏体中都 400 B A→B 300 能增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移；合金碳化物降低奥 300 Ms
B
氏体的稳定性，使C曲线左移；
M+A'
§5.1 钢在加热时的转变
亚共析钢的A化：P→A 后，先共析 F溶解
过共析钢的A化： P→A 后， Fe3CⅡ 溶解
§5.1 钢在加热时的转变
二.、影响奥氏体形成速度的因素 奥氏体形成速度与加热温度、加热速度、钢的成分 以及原始组织等有关。 加热温度越高，奥氏体形成速度越快 加热速度越快，奥氏体形成速度越快 含碳量增加，利于奥氏体加速形成
合金元素显著影响奥氏体的形成速度
组织（珠光体）越细，奥氏体形成速度越快
§5.1 钢在加热时的转变
三、奥氏体晶粒大小及其影响因素
1. 奥氏体晶粒度： 起始晶粒度
奥氏体形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小
实际晶粒度
奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小
本质晶粒度
本质粗晶粒钢（Mn，Si）
转变产物组织性能均匀，研究领域应用广 转变产物为粗细不匀甚至类型不同的混合 组织，实际生产中广泛采用
§5.2 钢在冷却时的转变
一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
T Tm
C曲线：形状似C TTT曲线：
Time，Temperature、Transformation
高温转变：
转变终了线
A1 ~ 550℃
过冷A → P 型组织
特定条件 倾向性 特定条件下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性，并不代表具体的晶粒大小
930±10℃，保温8h 本质细晶粒钢（Al）
§5.1 钢在加热时的转变
2. 影响奥氏体晶粒长大的因素 温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明 显 晶界上存在未溶的碳化物时，会对晶粒长大起阻 碍作用，使奥氏体晶粒长大倾向减小 合金元素，也影响奥氏体晶粒长大，除锰、磷外 几乎所有合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大
连续冷却过程不会发 生贝氏体转变 ； 存在转变终止线KK’ 连续冷却，产物不可 能是单一均匀物质
P S
M+A'
T+M+A'
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第五章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
热处理：通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改善其
内部组织结构，以获得所需要性能的一种加工工艺。
保温 T 随炉冷却 加热 空冷 油冷
中温转变：
转变开始线
550℃ ~ MS 过冷A →贝氏体 ( M )
低温转变：
t
MS ~ Mf
过冷A →马氏体 ( M )
§5.2 钢在冷却时的转变
800 700 600 500 400 300
片间距：相邻两片渗碳体中心 之间的距离 F 渗碳体
§5.2 钢在冷却时的转变
按照片间距的大小，可将片状珠光体分为珠光体P，索氏体S和 托氏体T（屈氏体），片间距P﹥S ﹥ T；
屈氏体 T 8000×
珠光体 P 3800×
索氏体 S 8000×
随着转变温度的降低，片间距减小，强硬度提高，塑韧性也有
§5.1 钢在加热时的转变
§5.1 钢在加热时的转变
一、奥氏体的形成过程
晶体结构的改变：bcc → fcc Fe、C原子的扩散
共析钢的奥氏体形成过程 ： 奥氏体的形核 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
§5.1 钢在加热时的转变
亚共析钢的A化：P→A 后，先共析 F溶解
根据过冷奥氏体转变温度的不同，共析成分碳钢的转变产物可 分为珠光体（A1～550℃） 、贝氏体（550℃～MS）和马氏体 （MS～Mf）三种。 1. 珠光体转变和珠光体的组织形态与性能 过冷奥氏体向珠光体转变，是通过形核和长大的过程来完成的； 珠光体转变是一个扩散型转变（Fe、C原子都进行扩散）； 一般情况下，珠光体为片状铁素体和片状渗碳体相间分布的层状 组织，称为片状珠光体；
光学显微照片 1300×
电子显微照片 5000×
§5.2 钢在冷却时的转变
下贝氏体—— 针片状，铁素体针片内规则地分布着细片状碳化物。 下贝氏体 强度、硬度、塑性、韧性均高于上贝氏体，具有良好的综合机械性能
T8钢，下B，黑色针状 光学显微照片 ×400
F 针内定向分布着细小碳化物颗粒 电子显微照片 12000×
§5.2 钢在冷却时的转变
三、影响过冷奥氏体等温转变的因素
T/℃ 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100 0 1 10
Mf Ms
A3 A1
A
800
A→F 1.
A+F
T/℃
A1
A
A →P
T/℃ 800
Acm
A A+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ
700 e3 CⅡ 含碳量的影响：亚共析钢的C曲线随着含碳量的增加右移， A1 700 A→ F
过共析钢的A化： P→A 后， Fe3CⅡ 溶解
§5.1 钢在加热时的转变
二.、影响奥氏体形成速度的因素 奥氏体形成速度与加热温度、加热速度、钢的成分 以及原始组织等有关。 加热温度越高，奥氏体形成速度越快 加热速度越快，奥氏体形成速度越快 含碳量增加，利于奥氏体加速形成
钴、镍等↑ ； 铬、钼、钒等↓； 硅、铝、锰等－。
第五章 钢的热处理
第五章 钢的热处理
热处理：通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改善其
内部组织结构，以获得所需要性能的一种加工工艺。
保温 T 随炉冷却 加热 空冷 油冷
t
弹簧热处理过程
（１）钢筋绕成弹簧状； （２）加热钢筋至红热，急剧冷却； （３）将（２）钢筋再次加热（温度相对低）冷却。
为什么弹簧状钢筋加热到红热急冷后变得又硬又脆？ 为什么再次加热和冷却后变得刚柔相济，成为真正的弹 簧？
退火
普通热处理
正火 淬火（Zhan 通蘸） 回火 表面淬火 化学热处理
常见热处理工艺
表面热处理
实际生产中的临界点
第五章 钢的热处理
§5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5 §5.6 §5.7
钢在加热时的转变 钢在冷却时的转变 钢的退火和正火 钢的淬火 钢的回火 钢的表面淬火 钢的化学热处理
t
弹簧热处理过程
（１）钢筋绕成弹簧状； （２）加热钢筋至红热，急剧冷却； （３）将（２）钢筋再次加热（温度相对低）冷却。
退火 普通热处理 正火 淬火（Zhan 通蘸） 回火 表面淬火
常见热处理工艺
表面热处理
化学热处理
实际生产中的临界点
第五章 钢的热处理
§5.1 变 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5 §5.6 §5.7
转变产物组织性能均匀，研究领域应用广
T
转变产物为粗细不匀甚至类型不同的混合 组织，实际生产中广泛采用
t
§5.2 钢在冷却时的转变
一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
T A1
C曲线：形状似C TTT曲线：
Time，Temperature、Transformation
高温转变：
转变终了线
A1 ~ 550℃ 过冷A →珠光体 ( M )
中温转变：
转变开始线
550℃ ~ MS
过冷A →贝氏体
低温转变：
t
MS ~ Mf
过冷A →马氏体 ( M )
§5.2 钢在冷却时的转变
800 700 600 500 400 300
T/℃
A1
A
转变开 始
过 冷 A
A →P
转变结束
P 5~25HRC S
25~35HRC 35~40HRC 40~50HRC
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§5.2 钢在冷却时的转变
§5.2 钢在冷却时的转变
1. 奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即 发生转变呢？ 2. 不同的冷却速度是否也得到同一种的组织 呢？
§5.2 钢在冷却时的转变
临界点以下 不稳定 将要发生转变 过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变的奥 氏体，称为过冷奥氏体。 等温冷却方式 冷却方式：等温冷却方式和连续冷却方式。 连续冷却方式
A →S A →T
T
过 冷 A
Ms
A →上
B
上B
下B 50~60HRC A→下B 孕育期：过冷奥氏体等温转变开始所经历的时间，反映了
200 100 0 -100 0
Mf
过冷奥氏体的稳定性
A →M M+A'
60~65HRC
M
1
10
10
2
10
3
10
4
5 10 时间/s
§5.2 钢在冷却时的转变
二、过冷奥氏体转ຫໍສະໝຸດ Baidu及其产物的组织形态与性能
本质晶粒度
本质粗晶粒钢（Mn，Si）
特定条件 倾向性 特定条件下钢的奥氏体晶粒长大的倾向性，并不代表具体的晶粒大小
930±10℃，保温8h 本质细晶粒钢（Al）
§5.1 钢在加热时的转变
2. 影响奥氏体晶粒长大的因素 温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明 显 晶界上存在未溶的碳化物时，会对晶粒长大起阻 碍作用，使奥氏体晶粒长大倾向减小 合金元素，也影响奥氏体晶粒长大，除锰、磷外 几乎所有合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大
钴、镍等↑ ； 铬、钼、钒等↓； 硅、铝、锰等－。
合金元素显著影响奥氏体的形成速度
组织（珠光体）越细，奥氏体形成速度越快
§5.1 钢在加热时的转变
三、奥氏体晶粒大小及其影响因素
1. 奥氏体晶粒度： 起始晶粒度
奥氏体形成刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小
实际晶粒度
奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小