第二节 钢在热处理加热和冷却时的组织转变

第二节钢在热处理加热和冷却时的组织转变

在热处理过程中，由于加热、保温和冷却方式的不同，可以使钢发生不同的组织转变，从而可根据实际需要获得不同的性能。

加热转变、冷却转变（等温冷却转变、连续冷却转变）

一、钢在热处理加热与保温时的组织转变

——钢热处理加热的目的是获得部分或全部奥氏体，组织向奥氏体转变的过程称奥氏体化。

加热至Ac1以上时：首先由珠光体转变成奥氏体（P→A）；

加热至Ac3以上时：亚共析钢中的铁素体将转变为奥体（F→A）；

加热至Ac cm以上时：过共析钢中的二次渗碳体将转变成奥氏体（Fe3C I→A）

1、奥氏体的形成过程

共析钢奥氏体化：热处理加热至Ac1以上时，将全部奥氏体化，过程如下图。

工程材料及成形工艺基础

共析钢奥氏体化过程

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Ac m以上时，Fe3C奥氏体化，组织全部奥氏体化

2、奥氏体的晶粒大小

奥氏体晶粒对性能影响：奥氏体的晶粒越细小、均匀，冷却后的室温组织越细密，其强度、塑性和韧性比较高。

[奥氏体的晶粒度]：晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。GB/T8493-1987将奥氏体晶粒分为8个等级，其中1~4级为粗晶粒；5~8级为细晶粒。

工程材料及成形工艺基础

4级5级6级7级

奥氏体的标准晶粒度×100倍

[本质粗晶粒钢]：热处理时随加热温度的升高，奥氏体晶粒迅速长大的钢。

[本质细晶粒钢]：热处理时随加热温度的升高，奥氏体晶粒不易长大的钢。一般完全脱氧的镇静钢、含碳化物元素和氮化物元素的合金钢为本质细晶粒钢。

3、影响奥氏体晶粒大小的主要因素

热处理工艺参数：加热速度、加热温度越、保温时间，其中加热温度对奥氏体晶粒大小的影响最为显著。

钢的化学成分：大多数合金元素（锰和磷除外）均能不同程度地阻止奥氏体晶粒的长大，特别是与碳结合能力较强的碳化物形成元素（如铬、钼、钨、钒等）及氮化物元素（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。

加热转变、冷却转变（等温冷却转变、连续冷却转变）

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A1以下时（A1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。

45钢经840℃加热在不同条件冷却后的力学性能

冷却方法

抗拉强度

/MPa 屈服点

/MPa

断后伸长

率/％

断面收缩

率/％

硬度/HRC

随炉冷却530 280 32.5 49.3

15～

18

空气中冷

却670～

720

340 15～18 45～50

18～

24

油中冷却900 620 18～20 48

40～

50 水中冷却1100 720 7～8 12～14 52～

60

1、等温冷却转变

[等温冷却转变]：钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点(Ar1或Ar3)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——t ime，T——t emperature，T——t ransformation”，又称为“C曲线”。

工程材料及成形工艺基础

共析钢的等温转变图建立过程示意图（TTT曲线，C曲线）

等温转变产物及性能：用等温转变图可分析钢在A1线以下不同温度进行等温转变所获的产物。根据等温温度不同，其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。

[ 高温转变]：转变温度范围为A1～550℃，获片状珠光体型（F+P）组织。

依转变温度由高到低，转变产物分别为珠光体、索氏体、托氏体，片层间距由粗到细。其力学性能与片层间距大小有关，片层间距越小，则塑性变形抗力越大，强度和硬度越高，塑性也有所改善。

[中温转变]：转变温度范围为550℃～M S，此温度下转变获贝氏体型组织，贝氏体型组织是由过饱和的铁素体和碳化物组成的，分上贝氏体和下贝氏体。

550～350℃范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，金相组织呈羽毛状；

350～M S范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，金相组织呈黑色针状或片状，下贝氏体组织通常具有优良的综合力学性能，即强度和韧性都较高。

等温转变温度——组织——性能变化规律：等温转变温度越低，其转变组织越细小，强度、硬度也越高，见下表。

600～

550 托氏体T

在光学金相显微镜下已无法分

辨的极细片状珠光体

35～40

中温转变

550～

350

上贝氏

体

B上羽毛状组织40～45 350～Ms

下贝氏

体

B下黑色针状或称竹叶状组织45～55

工程材料及成形工艺基础

共析钢的等温转变图分析（TTT曲线，C曲线）

亚共析钢和过共析钢的等温转变图：亚共析钢和过共析钢的等温转变图与共析钢等温转变图的区别是在C曲线的上方各增加了一条线，亚共析钢C曲线中，该线表示先共析铁素体线；而对于过共析钢，该线则是先共析渗碳体线。

工程材料及成形工艺基础