1概述及钢在加热时的转变

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。

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。

第1节钢在加热时的转变第三章钢的热处理第1节钢在加热时的转变第1讲钢的热处理概述碳钢从原材料到零部件的加工过程热处理铸造切削加工毛坯锻压原材料机器零件焊接装配(预先)热处理什么是金属热处理？钢的热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间(保温)后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。

加热保温冷却学习影响热处理工艺的因素保温时间加热温度升温/降温速率为什么进行热处理?改变钢的组织、表面的化学成分，获得满意的性能?充分发挥钢的潜力?延长工件的使用寿命热处理作用-例1退火态金属强度低，塑韧性好淬火态金属强度高，塑韧性差退火可以降低钢件的硬度降低硬度目的之一利于切削加工热处理作用-例2淬火可以提高钢件的强度、硬度退火态硬度<20HRCT8钢(碳素工具钢)淬火+低温回火后硬度60~64HRCT8钢硬度提高后，可以作为加工刀具/耐磨性提升热处理作用-例3调整金属材料的塑性和韧性45钢经调质和正火后的性能比较热处理状态抗拉强度MPa断后伸长率%冲击韧度ak,J/cm2布氏硬度HB组织正火700~80015~2050~80163~220细珠光体+铁素体调质750~85020~2580~120210~250回火索氏体热处理作用-例4片层状渗碳体球状(粒状)珠光体组织热处理作用-例5共析区表面：过共析钢组织心部：亚共析钢组织表面心部低碳钢渗碳后缓冷的组织成分变化：表面高碳内部低碳渗碳层深度：0.3~3mm与其它加工工艺相比，热处理工艺一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能热处理，被称为一种静态加工工艺退火正火淬火回火普通热处理表面淬火热处理表面热处理表面化学热处理真空热处理可控气氛热处理特种热处理形变热处理第三章钢的热处理第1节钢在加热时的转变第2讲共析钢的奥氏体形成过程加热是热处理的第一道工序箱式电阻炉台车式电阻炉热处理常用的加热设备加热的目的(共析钢为例)获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体(A)(1)为相变(热处理)做准备多数情况下，奥氏体(A)是热处理的母相(2)获得优异的性能奥氏体(A)晶粒细小→热处理后性能优异热处理相图中的特征线A1线(PSK线)A3线(GS线)铁素体Acm(SE)奥氏体A3(GS)A1(PSK)Acm线(SE线)二次渗碳体奥氏体Fe3C碳钢存在可逆的固态转变奥氏体(A)的形成与分解（以共析钢为例）沿A1线：加热共析转变P(F+Fe3C)A冷却(a)珠光体(P)的实际组织图(b)珠光体(P)组织示意图(c)局部珠光体(P)组织示意图放大图共析钢形成奥氏体的过程未溶Fe3CFA未溶Fe3CAFeC3AA(形核位置)共析钢奥氏体的形成过程示意图温度升高第一步：奥氏体形核固态相变(P→A)过程：先形核 +核长大形核位置：铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)的界面最易于形核FFe3CA形核位置第二步奥氏体的长大F→A(同素异构转变/多形性转变)奥氏体晶粒长大途径Fe3C的溶解→A第三步残余碳化物溶解F→A的速度快Fe3C溶解的速度慢F→A完成后，还一部分碳化物残留第四步奥氏体的均匀化相变结束→得到单相奥氏体(A)原珠光体中F处的位置含碳量低原珠光体中Fe3C处的位置含碳量高第四步，长的保温时间，通过C的扩散形成各个区域含碳量均匀的A等轴晶影响奥氏体化的因素温度加热温度越高，P→A的转变速度越快加热速度速度越快，P→A的转变越快，A晶粒越细组织P越细，P向A转变速度越快，转变速度依次为：细片状P＞粗片状P，层片状P＞粒状P亚、过共析钢形成奥氏体过程共同点：在A1以上，完成P→A的转变在A3以上，完成铁素体(F)的奥氏体A加热亚共析钢沿A3线：F A冷却在Acm以上，完成先析Fe3C的A化加热过共析钢A沿Acm线：Fe3CⅡ冷却奥氏体晶粒大小冷却后强度高塑、韧性好组织细小A的晶粒细小奥氏体晶粒大小奥氏体的晶粒度基本概念实际晶粒度：指钢在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小金相显微镜下观察到的奥氏体晶粒大小Mn18钢带有孪晶的奥氏体本质晶粒度的测定方法：930±10℃保温3~8小时本质晶粒度:反映不同的钢在相同加热条件下的A晶粒长大倾向性标准的晶粒度等级示意图1~4级定义为本质粗晶粒钢(A晶粒长大倾向较大的钢）234156 75~8级定义为本质细晶粒钢(A晶粒长大倾向较小的钢)8晶粒长大速度越来越慢，且不会无限制地长大下去加热温度升高、保温时间的延长，晶粒不断长大，加热时，奥氏体晶粒度超过规定尺寸，被称为“过热”。