钢的热处理及组织转变

钢在加热时的组织转变
1. 钢在加热过程中的组织变化
钢是一种具有高强度和韧性的金属材料，广泛用于机械制造、建筑、船舶、桥梁等领域。

在钢材加工过程中，热处理是一项重要的工艺步骤，可以改善钢的力学性能、提高其使用寿命。

而钢在加热过程中的组织变化，是影响其热处理效果和性能表现的关键因素之一。

2. 软化和晶粒长大
钢材经过冷加工和热加工后，其组织结构会发生变化。

加热可以使钢材发生软化，原因是钢的晶界杂质和碳化物颗粒会被空气中的氧化物气体消耗掉，在高温下形成低能量状态的组织结构，从而改变了材料的硬度和韧度，有利于加工和使用。

同时，钢材在加热时晶粒也会长大，因为温度升高会使晶界能量降低，晶界的迁移和改变也会导致晶粒的长大。

3. 相变和组织重构
除了软化和晶粒长大，加热还可以使钢材发生相变和组织重构。

钢材中的相是指金属组织的多种形态和状态，在不同的温度下会发生相变。

例如，铁素体（ferrite）和奥氏体（austenite）是钢中常见的相，钢的性能也与其相的形态和含量密切相关。

因此，在加热过程中应该控制温度和时间，以使钢材中的相变完成，并尽量避免相的不均匀分布。

4. 总结
总之，钢材在加热时会产生多种组织变化，包括软化、晶粒长大、相变和组织重构等。

这些变化会影响钢材的力学性能、延展性和可加
工性，同时也决定了热处理工艺的制定和实施。

因此，在进行热处理
之前，应该准确了解材料的组织结构和特性，并选择合适的工艺参数
和方式，以使钢材发挥最佳性能。

淬火钢回火时组织转变介绍淬火钢回火是一种常见的热处理工艺，通过控制加热和冷却过程中的温度和时间，可以改善淬火后的钢材组织和性能。

淬火后的钢材通常具有硬度高、脆性大等特点，回火处理可以使其获得一定的韧性和塑性，提高其综合性能。

淬火钢回火的基本原理是通过加热淬火后的钢材到一定温度，然后进行恒温保温一段时间，最后再进行冷却。

在这个过程中，钢材的组织会发生转变，主要表现为马氏体分解、析出出现和晶粒长大。

以下将详细介绍这些组织转变的过程。

淬火后的钢材主要为马氏体，而马氏体是一种脆性组织，回火时需要改变其组织形态。

在回火过程中，钢材受热到一定温度，马氏体开始分解成为一种较为稳定的组织形态，称为回火组织。

回火组织主要由贝氏体、残余奥氏体和回火渗碳体组成。

其中，贝氏体是一种具有韧性和塑性的组织，可以提高钢材的韧性。

残余奥氏体主要是未完全转变的马氏体，其含有适量的碳和合金元素，也具有一定的韧性和塑性。

回火渗碳体是在回火温度下，一部分由马氏体转变而来，富含碳元素，具有一定的韧性。

在回火过程中，马氏体析出出现也是重要的组织转变现象。

大部分马氏体靠较高的回火温度和长时间的回火使其尽量析出出现，以增加钢材的韧性。

马氏体析出的主要方式有两种：一种是基于长时间回火，由于较高温度使马氏体逐渐转变为贝氏体和残余奥氏体，从而使马氏体开始析出出现；另一种是基于高回火温度和短时间回火，使马氏体内部的残余奥氏体转变为贝氏体，从而使马氏体开始析出出现。

无论是哪种方式，都可以通过在适当的时间和温度下进行回火处理来增加马氏体的析出出现，提高钢材的韧性。

晶粒长大是淬火钢回火过程中的另一种组织转变。

在淬火过程中，钢材的晶粒会因快速冷却而变小，而小晶粒往往与碳化物结合更紧密，导致材料更加脆性。

回火时，由于较高的温度和较长的时间，晶粒开始重新长大，形成较大的晶粒。

较大的晶粒可以形成多个晶界，使得材料更加具有韧性。

总结起来，淬火钢回火时组织转变主要包括马氏体分解、马氏体析出出现和晶粒长大。

球化退火过程中的组织转变
球化退火是一种热处理技术，其主要目的是将钢中珠光体转变为球状组织，以便改善钢的塑性和切削性。

这个过程中发生的主要组织转变是由珠光体向球状体的转变，通常由三个阶段组成：
1. 奥氏体转变：将钢材加热到适当的温度，使其处于奥氏体状态。

这通常需要一个特定的温度范围，根据不同钢材和应用，通常在725℃至1050℃之间。

2. 等温球化：将钢材置于特定温度下进行处理，以促进球状体的形核和生长。

这个过程的时间通常是根据钢材的种类和规格而定的，从数分钟到数小时不等。

3. 退火：将钢材从等温球化处理的温度冷却到室温，这通常需要数小时到数天的时间，以便使钢材内部的组织转变充分完成。

在整个球化退火过程中，还会发生其他一些组织转变，如高温下的马氏体转变、低温下的马氏体和贝氏体转变等。

然而，球化退火过程中的主要组织转变是由珠光体向球状体的转变，这种转变可以提高钢材的塑性和切削性，从而使其更加适合各种应用。

１．３钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。

热处理的目的是提高工件的使用性能和寿命。

还可以作为消除毛坯〔如铸件、锻件等〕中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。

钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：钢在加热时的组织转变在Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中，共析钢加热超过ＰＳＫ线〔Ａ１〕时，其组织完全转变为奥氏体。

亚共析钢和过共析钢必须加热到ＧＳ线〔Ａ３〕和ＥＳ线〔Ａｃｍ〕以上才能全部转变为奥氏体。

相图中的平衡临界点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。

加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。

加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。

为了区别于平衡临界点，通常将实际加热时各临界点标为Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ；实际冷却时各临界点标为Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ，任何成分的碳钢加热到相变点Ａｃ１以上都会发生珠光体向奥氏体转变，通常把这种转变过程称为奥氏体化。

１．奥氏体的形成共析钢加热到Ａｃ１以上由珠光体全部转变为奥氏体第一阶段是奥氏体的形核与长大，第二阶段是剩余渗碳体的溶解，第三阶段是奥氏体成分均匀化。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢根本相同，不同处在于亚共析钢、过共析钢在Ａｃ１稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。

所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为Ａｃ３、Ａｃｃｍ以上。

２．奥氏体晶粒的长大及影响因素钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。

加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织那么粗大。

钢材晶粒细化，既能有效地提高强度，又能明显提高塑性和韧性，这是其它强化方法所不及的。

〔１〕奥氏体晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。

（2〕、影响奥氏体晶粒度的因素1〕加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，A晶粒粗大。

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。

实验2 钢的普通热处理及组织观察一、实验目的1．掌握退火、正火、淬火热处理工艺的操作方法，掌握根据零件硬度要求来选择回火温度的原则。

2. 熟悉连续冷却转变速度对钢的组织和硬度的影响规律；熟悉回火温度对淬火马氏体分解产物及硬度的影响。

3. 了解淬火钢回火脆性发生的温度范围，理解回火后采用不同冷却方式的涵义。

4.对钢热处理后的组织进行金相观察。

二、实验原理钢的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，获得所需要性能的一种工艺。

最基本的热处理工艺包括退火、正火、淬火及回火。

热处理后组织的分析，要借助于等温转变曲线。

以图1-1共析碳钢的等温转变曲线为例，图中的V1连续冷却速度相当于炉冷，叫作退火。

获得粗片状的珠光体。

V2相当于空冷，为正火。

获得较细片状的索氏体。

V3相当于油冷，为淬火。

获得了托氏体加马氏体的混合组织。

V4相当于水冷，为淬火。

其冷却速度大于马氏体临界冷速，获得马氏体。

图1-1 共析钢等温冷却曲线由获得的组织可分析判断硬度的大小。

显而易见，炉冷后的硬度小于空冷后的硬度，油冷后的硬度小于水冷后的硬度。

1. 退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。

退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。

一般情况下，亚共析钢加热至A c3+（30～50）℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至A c1+（10～20）℃（球化退火）；2. 正火其方法是将钢加热到相变点以上完全奥氏体化后，在空气中冷却。

正火的加热温度比退火高，一般为Ac3或Ac cm以上（30～50）℃。

保温时间主要取决于工件有效厚度和加热炉的型式，如在箱式炉中加热时，可以每毫米有效厚度保温一分钟计算。

保温后一般可在空气中冷却。

3. 淬火将钢加热到相变点以上，使钢发生奥氏体化，然后保温一定时间，以大于马氏体临界冷却速度Vc的速度进行快冷，使过冷奥氏体发生马氏体转变的热处理工艺，称为淬火。