第五章钢在加热时的转变1

一、钢在加热时的组织转变1．钢在加热和冷却时的相变温度钢在固态下进行加热、保温和冷却时将发生组织转变，转变临界点根据Fe-Fe3C 相图确定。

平衡状态下：当钢在缓慢加热或冷却时，其固态下的临界点分别用Fe-Fe3C相图中的平衡线A1(PSK线)、A3(GS线)、Acm(ES线)表示。

实际加热和冷却时：发生组织转变的临界点都要偏离平衡临界点，并且加热和冷却速度越快，其偏离的程度越大。

实际加热时——临界点分别用Ac1、Ac3、Accm表示实际冷却时——临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示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Accm 以上时：过共析钢中的二次渗碳体将转变成奥氏体（Fe3CI→ A）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。

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。

[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。

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。