6-情境2 汽车用钢铁材料-钢的热处理：钢在加热和冷却时的组织转变

《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1．教学目的:2．掌握钢在加热时组织转变——钢的奥氏体化；3．明确过冷奥氏体的等温转变；4．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.Acm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.Accm、Ar1.Ar3.Arcm。

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Accm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）1. 奥氏体的形成2）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。

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。

主要教学步骤和教学内容★课程回顾：（5min）铁碳合金相图中钢的室温平衡组织★课程导入：（5min）1、实际生产中加热或冷却速度不可能无限慢，那么临界转变温度将如何？2、将室温的钢加热，其组织将如何转变？（提出问题，学生思考并回答）★新课讲授：（70min）一、钢的热处理工艺曲线热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的一种工艺。

为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线，如图所示。

二、钢在加热时的组织转变钢的热处理一般需要先加热至奥氏体，然后以不同的冷却方式使奥氏体转变为不同的室温组织，得到不同力学性能。

因此掌握钢在加热时的组织变化规律，合理制订加热工艺规范，是保证热处理工件质量的首要环节。

1．钢的奥氏体化钢加热时奥氏体形成的过程称为奥氏体化。

以共析钢为例，当温度加热到Ac1线时，珠光体向奥氏体转变，这一过程也是由晶核形成及长大两个基本过程来实现的。

（1）奥氏体晶核的形成及长大在铁素体和渗碳体相界面上优先形成奥氏体晶核。

这是因为铁素体和渗碳体交界处易于满足形核所需要的能量起伏和浓度起伏。

晶核生成后，与奥氏体相邻的铁素体中的铁原子通过扩散运动转移到奥氏体晶核上来，使奥氏体晶核长大，同时与奥氏体相邻的渗碳体通过分解不断地溶入生成的奥氏体中，也使奥氏体逐渐长大，直至珠光体全部消失。

（2）残余渗碳体的溶解铁素体先行消失后，还残留着未溶的渗碳体。

所以仍需一定的时间，以使渗碳体全部溶于奥氏体中。

（3）奥氏体均匀化渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度还是不均匀的，在原先是渗碳体的地方，碳的浓度较高；原先是铁素体的地方，碳的浓度低。

为此，必须继续保温，通过原子扩散才能取得均匀化的奥氏体。

2．奥氏体晶粒的长大由于珠光体向奥氏体转变是在铁素体与渗碳体相界面上生核的，一个晶核可以生成一晶粒，而珠光体中这种相界面很多，能生成很多晶核，所以，当珠光体向奥氏体转变刚结束时，一个珠光体晶粒可以变成许多奥氏体晶粒，也就是说，刚开始转变成奥氏体的晶粒，总是细小的，但是随着温度的升高或保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发长大。

第二节钢的热处理一、钢的热处理原理1．概述热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。

根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为：热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温、和冷却三个阶段所组成的。

热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线，见图2-5。

图2-5热处理工艺曲线示意图2．钢在加热时的转变在热处理工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在高温状态时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。

因此，钢在加热时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间，以求在冷却后获得高性能的组织。

3．钢在冷却时的转变冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能，见表2-1。

表2-1冷却速度与力学性能二、退火与正火1．退火退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。

2．正火正火是指把钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上保温，使其完全奥氏体化，在空气中冷却的热处理工艺。

三、淬火与回火1．淬火淬火是将钢的组织加热到转变为奥氏体的临界温度以上，保温一定时间，以大于临界冷却速度快速冷却的热处理工艺。

2．回火钢的回火是指将淬火后的钢，在组织转变为奥氏体的临界温度以下加热，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

四、表面热处理常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。

1．表面淬火（1）火焰加热表面淬火 （如图2-8所示）（2）感应加热表面淬火 （如图2-9所示）图2-8火焰加热表面淬火2．化学热处理化学热处理是指将钢件放入一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。

化学热处理种类很多，最常用的是渗碳和渗氮。

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。

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。

了解钢在加热和冷却时的组织转变
江苏省技工院校
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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。