钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体的等温转变

§6-3 钢在冷却时的转变一、过冷奥氏体等温冷却转变曲线1、过冷奥氏体等温冷却转变曲线建立以共析钢为例：取尺寸相同的T8钢试样，A化后，迅速冷却到A1以下不同温度保温，进行等温转变，测出转变的开始点与转变结束点。

将开始点与结束点分别连接起来，就得到奥氏体等温转变曲线。

该曲线称为TTT图（Time Temperature TransformationDiagram）或C曲线。

2、孕育期：转变开始线与纵坐标轴之间的距离。

孕育期越短，过冷奥氏体越不稳定，转变越快。

孕育期最短处称为鼻温3、影响C曲线的因素A的成分越均匀，晶粒越粗，其稳定性越高，C曲线右移；A含碳量越高，稳定性越高，C曲线右移，共析钢C曲线最靠右；合金元素，除Co外所有合金元素均使C曲线右移，并使C曲线改变形状。

二、共析钢过冷奥氏体的转变产物及性能、珠光体型转变（P）转变温度：A1～鼻温（550℃）之间（高温转变）转变规律：是通过碳、铁的扩散完成转变。

铁原子重新排列由fcc bcc,碳从铁中扩散出，形成转变产物：珠光体型组织铁素体和渗碳体的机械混合物产物形态：渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小。

珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)珠光体3800×索氏体8000×屈氏体8000×2、贝氏体型转变（B）转变温度：鼻温（550℃）～Ms之间（中温转变）转变规律：半扩散型转变，铁原子不扩散，只能做微小的位置调整，由fcc→bcc。

碳原子有一定扩散能力，部分碳原子从铁中扩散出来，形成碳化物。

转变产物：贝氏体型组织，渗碳体分布在过饱和的铁素体基体上的两相混合物。

上贝氏体（B上）：550℃～350℃之间形成形态：呈羽毛状, 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。

光学显微照片1300×电子显微照片5000×上贝氏体性能：铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。

§2-2 钢在冷却时的组织转变
同一化学成分的钢材加热到奥氏体后，若采用不同的冷却方法和冷却速度，将得到不同形态的组织，从而获得不同的性能。

Wc=0.45%非合金钢加热到840°C，不同方法冷却后的力学性能
由铁碳相图可知，当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的。

当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。

过冷奥氏体是不稳定的，它会转变为其他组织。

钢奥氏体化后的冷却方式有两种，如图所示。

一种是等温冷却，即把已奥氏体化的钢快速冷却到A1以下某一温度，并在此温度下保温，使奥氏体在一定的过冷度下向稳定的组织转变，转变结束后，再空冷到室温。

另一种是连续冷却，即奥氏体化的钢以不同的冷却速度连续地冷却到室温，使奥氏体在冷却过程中转变为较稳定的组织。

共析钢过冷奥氏体等温转变与不等温转变产物的组织和性能
采用等温转变可以获得单一的珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体组织。

而采用连续冷却转变，由于转变是在一个温度范围内进行，其转变产物不是单一的。

根据冷却速度的变化，有可能是：P+S、S+T、T+M等。

另外，马氏体组织既可以通过等温转变方式获得，也可以通过连续冷却转变方式获得。

《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。

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。

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。

等温转变产物及性能：用等温转变图可分析钢在A
线以下不同温度进行等温转变
1
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。

～550℃ ，获片状珠光体型（F+P）组织。

[ 高温转变]：转变温度范围为A
1
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
炉冷V
：比较缓慢，相当于随炉冷却（退火的冷却方式），它分别与C曲线的
1
转变开始和转变终了线相交于1、2点，这两点位于C曲线上部珠光体转变区域，估计它的转变产物为珠光体，硬度170~220HBS。

空冷V
：相当于在空气中冷却（正火的冷却方式），它分别与C曲线的转变开
2
始线和转变终了线相交于3、4点，位于C曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断。

1/1钢在冷却时的组织转变常识钢进行热处理冷却的目的是获得所需要的组织和性能，这需要通过采用不同冷却方式来实现。

冷却方式不同转变的组织也不同，性能差异较大。

奥氏体冷却至A1以下温度时将发生组织转变（A1温度以下还存在的不稳定奥氏体通常称过冷奥氏体）。

钢的冷却方式分为等温冷却和连续冷却。

等温冷却的组织转变形式1.奥氏体的等温转变对过冷奥氏体（即：奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下还未转变的奥氏体）经过一段时间的等温保持后转变为稳定的新相。

这种转变过程就称为奥氏体的等温转变。

2.等温冷却转变钢经奥氏体化后迅速冷却至临界点Ar1或Ar3)线以下，等温保持时过冷奥氏体发生的转变。

等温冷却的组织转变产物与性能1.A1～550℃也称高温转变，获片状珠光体型（F+P）组织，按转变温度由高到低的顺序，转变产物分别为珠光体、索氏体、托氏体；片层间距由粗到细，趋势是：片层间距越小，塑性变形阻力越大，强度和硬度越高1)A1～650℃获粗片状珠光体金相组织2)650～600℃获细片状索氏体金相组织3)600～550℃获极其细片状的托氏体金相组织2.550℃～M S 也称中温转变，获贝氏体型组织（过饱和的铁素体和碳化物组成，有上贝氏体和下贝氏体之分。

）1)550～350℃获羽毛状上贝氏体金相组织2)550℃～M S获黑色针状下贝氏体金相组织（这种组织强度和韧性都较高）3.M S线温度以下连续冷却时，过冷奥氏体发生转变获得马氏体组织，马氏体内的含碳量决定着马氏体的强度和硬度，总的趋势是随着马氏体含碳量的提高，强度与硬度也随之提高；高碳马氏体硬度高、脆性大，而低碳马氏体具有良好的强度和韧性。

连续冷却的组织转变过冷奥氏体在一个温度范围内，随温度连续下降发生组织转变。

连续冷却有炉冷、空冷、油冷、水冷四种最为常用的连续冷却方式1)炉冷冷速约10℃/min，产生新相为珠光体，如退火的冷却2)空冷冷速约10℃/s，产生新相为索氏体，如正火的冷却3)油冷冷速约150℃/s，产生新相为托氏体+马氏体，如油淬4)水冷冷速约600℃/s，产生新相为残余奥氏体+马氏体，如水淬（残余奥氏体的存在降低了淬火钢的硬度和耐磨性，也会因零件在使用过程中残余奥氏体会继续转变为马氏体，从而使工件变形；一些重要精密的零件通常会通过把淬火后的工件冷却到室温以下并继续冷却到－80～－50℃来减少残余奥氏体含量的存在）。

实验三钢的奥氏体等温转变图测定一、概述奥氏体等温转变：钢加热奥氏体化后，冷却到临界点以下进行等温转变时所发生的组织转变为奥氏体等温转变。

奥氏体等温转变图：描述过冷奥氏体在等温转变过程中的转变温度与转变开始和转变终了时间的关系图为奥氏体等温转变图。

奥氏体等温转变图根据转变产物的形态和性质不同分三个区域，低温转变区、中温转变区和高温转变区。

高温转变区转变产物为珠光体。

中温转变区转变产物为贝氏体。

低温转变区转变产物为马氏体和残余奥氏体。

二、实验目的1、用金相法研究并建立GCr15钢奥氏体的等温转变图。

2、了解不同加热温度对GCr15钢奥氏体等温转变图的影响。

三、实验内容1、影响奥氏体等温转变的因素（1）化学成分的影响。

（2）奥氏体晶粒大小对过冷奥氏体转变的影响。

（3）塑性变形的影响。

2、测定奥氏体等温转变图的方法（1）金相法（2）硬度法（3）磁性法（4）膨胀法金相法：金相法能直接而精确地观察到奥氏体分解产物的数量和组织特征。

可以确定奥氏体分解的开始点和结束点，还可以精确确定在等温过程中不同等温时间内的奥氏体的分解量。

测量面积法、画线法、定点法和称重法。

硬度法：随等温停留时间的延长，奥氏体分解量增加，随后淬火得到的马氏体量减少，硬度值随之下降。

点1处硬度开始下降，为转变开始时间。

到点2处硬度值不再下降，为转变的终了时间。

3、实验步骤将GCr15钢加热至840℃保温5分钟将试样分别迅速投入到保持在不同温度的盐浴中进行不同时间的等温，然后取出，淬入水中冷却。

进行金相组织观察，用画线法测出转变开始时间和结束时间。

最后画出GCr15钢奥氏体的等温转变图。

不同温度各等温时间对应试样编号。

怀化万昌中专学校备课
第二课时
二、共析碳钢TTT曲线的分析
A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;珠光体（P）转变区。

550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变
三)转变产物的组织与性能
1.珠光体型(P)转变(A1～650℃)：高温等温转变
A1～650℃P;综合力学性能较好，有一点的塑性;片间距
0.6～0.7μm(500×)。

650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4
由体心立方变成体心正方晶格。

＜0.2%C);30～50HRC;δ
加热温度和保温时间的影响:
保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。

注意：马氏体的形态有针状和板条状两种，针状马氏体含碳量高，硬度高脆性大；板条状马氏体含碳量低，具有良好的强度和较好的韧性。

马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。

马氏体的含碳量越高，其硬度也越高。

、以共析钢为例，过冷A在不同温度等温
可得到哪些不同产物？它们的性
、什么是马氏体？它有哪两种类型？它们
的性能各有何特点？。

钢的冷却转变钢在室温时的组织与性能，不仅与加热时获得奥氏体的均匀化程度和晶粒大小有关，而且更重要的是与奥氏体在冷却时的组织转变有关。

控制奥氏体在冷却时的转变过程是热处理的关键。

图1 奥氏体转变1 过冷奥氏体等温转变（TTT曲线）1.1过冷奥氏体等温转变过程奥氏体在临界点A1以下是不稳定的，必定要发生转变，但并不是一冷到A1温度以下就立即发生转变，它在转变前需要一定的时间，这段时间称为孕育期。

在A1温度以下暂时存在的处于不稳定状态的奥氏体被称为“过冷奥氏体”。

奥氏体的等温转变，是将加热到奥氏体化的钢件冷至A1以下的某个温度，进行等温，在等温期间奥氏体所发生的相与组织的转变过程。

图2 共析钢过冷奥氏体等温转变图由共析钢的C 曲线孕育期的长短随过冷度而变化。

孕育期的长短反映出过冷奥氏体稳定性的大小。

在孕育期最短处，过冷奥氏体最不稳定，转变最快，这里被称为C -曲线的“鼻子”。

而在靠近A 1点和M s 点的温度，过冷奥氏体比较稳定，因而孕育期较长，转变也很慢。

在“鼻子”以上温度，转变速度要决定于自由能差∆F ，而在“鼻子”以下温度，转变速度主要决定于扩散系数D 。

共析成分奥氏体在A 1点以下会发生三种不同的转变：在C -曲线的“鼻子”以上部分，即A 1～550℃之间，过冷奥氏体发生珠光体转变，转变产物使珠光体，这一温度区称为珠光体区。

在C-曲线的“鼻子”以下部分，大约550℃～M s 点之间，过冷奥氏体发生贝氏体转变，转变产物是贝氏体，这一温度区称为贝氏体区。

在M s 线以下，过冷奥氏体发生马氏体转变，转变产物为马氏体，这一温度区称为马氏体区。

图3 ∆F 和D 对过冷奥氏体转变速度的影响过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能，以共析钢奥氏体等温转变为例：1.1.1 珠光体型组织A 1～550℃之间将发生奥氏体向珠光体转变，这一转变称之为高温转变。

形成由层片状渗碳体和铁素体所组成的组织。

过冷奥氏体转变温度越低，珠光体越细。

共析钢在冷却时的组织转变教学目的：了解冷却两种形式，掌握转变得到的组织名称及相关的性能、特点。

重点：共析钢奥氏体等温转变图的理解。

难点：冷却后各种组织（珠光体、贝氏体、马氏体）的区别、性能和使用价值。

复习巩固：1．钢经过加热、保温得到奥氏体，是实现热处理的先决条件。

（）2．共析钢的含碳量是0.77%，45号钢表示含碳量为0.45%的钢。

（）3．铁碳相图中PSK线表示为A1，温度是1538度。

（）4．奥氏体加热时的三条控制线为Ac1、Ac3和。

5．热处理的三个阶段是加热、、冷却组成。

6．补全奥氏体加热、冷却的临界点图：具体讲解：一、奥氏体冷却转变的两种方式：判断：1．钢经过加热、保温得到奥氏体，创造了实现热处理目的的先决条件，但是最终的性能主要决定于奥氏体冷却转变后的组织。

（）2．45号钢奥氏体化后用不同的冷却方法，转变后产物的性能差别很小。

（）A、等温冷却方式示意图：B、连续冷却方式示意图：----------------------------Ar1 ---------------------------- Ar1二、共析钢奥氏体等温转变图：1．(共析钢、过共析钢)奥氏体在临界冷却温度A1以下处于不稳定状态，必然要发生转变，但并不是一旦冷却到（A1、A3）温度以下就会立即发生转变，而是在转变前尚需停留一段时间，这一时间称为“孕育期”。

2．在孕育期中暂时存在但处于不稳定状态的奥氏体称为（过热、过冷）奥氏体。

3．共析钢奥氏体等温转变图（将下图补充完整：温度、硬度值、组织名称等）A、其中a1-----a5为过冷奥氏体转变线，b1-----b5是。

焊件热处理基础班级：姓名：学号：第9页。