7-第七讲-钢在加热时的转变

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。

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。

钢在加热时的转变热处理—将固体金属或合金在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需要的工艺性能。

大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即奥氏体化。

奥氏体的形成奥氏体的形成是形核和长大的过程，也是Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。

分为四步。

共析钢中奥氏体的形成过程如图1所示：第一步奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。

第二步奥氏体晶核长大：g晶核通过碳原子的扩散向a和Fe3C方向长大。

第三步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。

残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。

第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。

图1 奥氏体的形成示意图亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。

但由于先共析a或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。

2. 影响奥氏体转变速度的因素（1）加热温度和速度增加→转变快；（2）钢中的碳质量分数增加或Fe3C片间距减小→界面多，形核多→转变快；(3)合金元素→钴、镍增加奥氏体化速度，铬、钼等降低奥氏体化速度。

3.奥氏体晶粒度（1）奥氏体晶粒度—奥氏体晶粒越细，退火后组织细，则钢的强度、塑性、韧性较好。

淬火后得到的马氏体也细小，韧性得到改善。

某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度。

奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。

通常将钢加热到930±10℃奥氏体化后，保温8小时，设法把奥氏体晶粒保留到室温测得的晶粒度为本质晶粒度。

用来衡量钢加热时奥氏体晶粒的长大倾向。

g晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。

前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。

（2）影响奥氏体晶粒度的因素第一，加热温度越高，保温时间越长→晶粒尺寸越大。

第二，碳质量分数越大晶粒长大倾向增多。

钢在加热时的转变钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界以上，使钢部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。

钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变功奥氏体化过程。

由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。

因此，弄清钢的加热转变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。

一、奥氏体形成的热力学条件从Fe —Fe 3C 状态图可知，珠光体被加热到A 1（727℃）以上时将转变为奥氏体。

这是因为珠光体与奥氏体的自由能均随温度的升高而降低，但是下降的速度不同，相交于某一温度，该交点所对应的温度即A 1（727℃）。

图1-1是珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系。

高于A 1（727℃）时，奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，珠光体将转变为奥氏体。

转变的驱动力即珠光体与奥氏体的体积自由之差ΔG V 。

奥氏体形成时系统总的自由能变化为图1-1 珠光体和奥氏体自由能 随温度的变化曲线示意ΔG=ΔG V +ΔG S +ΔG e式中：ΔG V为新相奥氏体与母相珠光体之间的体积自由能差；ΔG S为形奥氏体时所增加的界面能；ΔG e为形成奥氏体时所增加的应变能。

其中ΔG V是奥氏体转变的驱动力，ΔG S与ΔG e是相变的阻力。

因为奥氏体在高温下形成，ΔG e 一项较小，相变的主要阻力是ΔG S。

从能量方程可以看出：当T<T0时，ΔG V=G A-G P>0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体；当T=T0时，ΔG V=G A-G P=0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体；当T>T0时，ΔG V=G A-G P<0 ΔG<0 珠光体有可能转变为奥氏体；因此奥氏体形成的热力学条件是：必须在A1温度以上，即在一定的过热条件下奥氏体才能形成。

钢在冷却时的转变冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。

同一种钢，加热温度和保温 时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。

这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。

那么奥氏 体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。

碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外） ，所以热处理后的组织为非平衡组织。

碳钢 非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。

所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用 C 曲线来确定。

一、 共析钢等温转变 C 曲线先介绍几个概念。

等温冷却和连续冷却；过冷奥氏体：处于 A1以下热力学不稳定的奥氏体，而奥氏体在 A1以上是稳定的，不会发生转变。

所以等温转变 C 曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。

（一） 、等温 C 曲线的测定（略）（二） 、等温 C 曲线的结构坐标轴、线、区的含义；孕育期的问题，引出 C 曲线的“NOSE”，共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550℃，也就是说其“NOSE”出现在 550℃。

C 曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大，应注意。

（三） 、转变产物按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。

1、 珠光体类型转变在 A1--550℃之间等温时，过冷奥氏体转变成珠光体类型组织（即都是由 F 和 Fe3C 组成 ） ，而且等温温度越低， 组织中 F 和 Fe3C 的层片间距越小，组织越细，力学性能越高。

这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，用符号 P、 S、T 表示。

其中 S 只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态；而 T 则只有在更高倍的电子显微镜下才能分辨 出其层片状形态。

这个转变是一个扩散型相变，需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。

2、 贝氏体转变在550℃--Ms 之间等温时，过冷奥氏体发生贝氏体转变。

钢在加热时，钢的组织会发生哪些转变？大多数热处理工艺（如淬火、正火、退火等）都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，并使其成分均匀化，即进行奥氏体化。

加热时形成的奥氏体的质量（成分均匀性及晶粒大小等），对冷却转变过程及组织、性能有极大的影响。

因此，了解奥氏体化规律是掌握热处理工艺的基础。

一、转变温度根据Fe-Fe3C相图可知，共析钢、亚共析钢和过共析钢加热时，若想得到完全奥氏体组织，必须分别加热到PSK线（A1）、GS线（A3）和ES线（A ccm）以上。

实际热处理加热和冷却时的相变是在不完全平衡的条件下进行的，即加热和冷却温度与平衡态有一偏离程度（过热度或过冷度）。

通常将加热时的临界温度标为A C1、A C3、A ccm；冷却时标为A r1、A r3、A rcm，如图1所示。

图1 钢在加热和冷却时的临界温度二、奥氏体化若加热温度高于相变温度，钢在加热和保温阶段（保温的目的是使钢件里外加热到同一温度），将发生室温组织向A的转变，称奥氏体化。

奥氏体化过程也是形核与长大过程，是依靠铁原子和碳原子的扩散来实现的，属于扩散型相变。

下面以共析钢为例介绍其奥氏体化过程，亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同，但略有不同。

亚共析钢加热到A C1以上时还存在有自由铁素体，这部分铁素体只有继续加热到A C3以上时才能全部转变为奥氏体；过共析钢只有在加热温度高于A ccm时才能获得单一的奥氏体组织。

共析钢奥氏体化过程为（如图2所示）：图2 共析钢奥氏体化过程示意图1．A晶核的形成：钢加热到A C1以上时，P变得不稳定，F和Fe3C的界面在成分和结构上处于最有利于转变的条件下，首先在这里形成A晶核。

2．A晶核的长大：A晶核形成后，随即也建立起A-F和A-Fe3C 的C浓度平衡，并存在一个浓度梯度。

在此浓度梯度的作用下，A内发生C原子由Fe3C边界向F边界的扩散，使其同Fe3C和F的两边界上的平衡C浓度遭破坏。