钢的热处理原理课件.ppt

1、钢的热处理原理概述概述 定义：定义：钢的热处理钢的热处理是是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。目的与用途：目的与用途：通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质量，节约材料和能源。消除铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺量，节约材料和能源。消除铸造、锻造、焊接等

2、热加工工艺造成的各种缺陷。陷。 热处理原理：热处理原理：钢中组织转变的规律钢中组织转变的规律是热处理的理论基础，称为是热处理的理论基础，称为热处热处理原理理原理。热处理原理的内容：包括钢的热处理原理的内容：包括钢的加热转变加热转变、珠光体转变珠光体转变、马氏体转变马氏体转变、贝氏体转变贝氏体转变和和回火转变回火转变。根据热处理原理制定的具体的根据热处理原理制定的具体的加热温度、保温时间、冷却方式加热温度、保温时间、冷却方式等参等参数就是数就是热处理工艺热处理工艺。 钢为什么能够进行热处理？钢为什么能够进行热处理？原则上只有在原则上只有在加热或冷却时加热或冷却时发生发生溶解度的显著变化溶解度的显

3、著变化或发生或发生固态固态相变相变的合金才能进行热处理。的合金才能进行热处理。根据根据Fe-FeFe-Fe3 3CC相图，相图，钢在高温和低温时具有不同的结构状态钢在高温和低温时具有不同的结构状态： 共析钢在加热和冷却过程中经过共析钢在加热和冷却过程中经过PSKPSK线线（A A1 1）时，发生时，发生珠光体珠光体和和奥氏体奥氏体之间的相互转变；之间的相互转变；亚共析钢经过亚共析钢经过GSGS线线（A A3 3）时，发生时，发生铁素体铁素体与与奥氏体奥氏体之间的相互之间的相互转变；转变；过共析钢经过过共析钢经过ESES线（线（A Acmcm）时，发生）时，发生渗碳体渗碳体与与奥氏体奥氏体之间的

4、相互之间的相互转变。转变。钢在加热和冷却过程中越过上述临界点就要发生固态相变，所以能钢在加热和冷却过程中越过上述临界点就要发生固态相变，所以能进行热处理。进行热处理。A Ar1r1：冷却时：冷却时 A P A P 开始温度开始温度A Ar3r3：冷却时：冷却时 A A 开始温度开始温度A Arcmrcm：冷却时冷却时 A FeA Fe3 3CC开始温度开始温度A Ac1c1：加热时：加热时 P A P A 开始温度开始温度A Ac3c3：加热时：加热时 A A 终了温度终了温度A Accmccm：加热时：加热时 FeFe3 3CC A A 终了温度终了温度在在Fe-FeFe-Fe3 3CC相图

5、上反应的临界温度相图上反应的临界温度A A1 1、A A3 3、A Acmcm是平衡临界温度，即是平衡临界温度，即在非常缓慢的加热或冷却条件下钢发生组织转变的温度。在非常缓慢的加热或冷却条件下钢发生组织转变的温度。实际加热或冷却时组织转变会产生滞后现象，加热和冷却速度越快，实际加热或冷却时组织转变会产生滞后现象，加热和冷却速度越快，滞后现象将越加严重。滞后现象将越加严重。 钢的相变临界点钢的相变临界点加热和冷却速度为加热和冷却速度为0.1250.125min min 时对临界温度的影响时对临界温度的影响钢在加热时的转变钢在加热时的转变 钢在冷却时发生的固态转变钢在冷却时发生的固态转变(P(P、

6、B B、M) M) ，其母相均为奥氏体。，其母相均为奥氏体。为了使钢在热处理后获得为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，多数工艺都须先将所需要的组织和性能，多数工艺都须先将钢加热至单相奥氏体，然后再以适当方式钢加热至单相奥氏体，然后再以适当方式(或速度或速度)冷却，以获得所冷却，以获得所需要的组织和性能。需要的组织和性能。 钢加热获得奥氏体的转变过程钢加热获得奥氏体的转变过程，称为，称为奥氏体化奥氏体化过程。过程。奥氏体组织的状况（如奥氏体组织的状况（如成分、均匀程度、晶粒大小成分、均匀程度、晶粒大小等）直等）直接影响冷却转变过程以及转变产物的组织和性能，因此，研究加热接影响冷却转变过程以

7、及转变产物的组织和性能，因此，研究加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。时奥氏体的形成过程具有重要的意义。 当温度等于当温度等于A A1 1时，珠光体与奥时，珠光体与奥氏体的自由能相等。只有当氏体的自由能相等。只有当温度高温度高于于A A1 1时时，珠光体向奥氏体转变的驱，珠光体向奥氏体转变的驱动力才能克服界面能和应变能的相动力才能克服界面能和应变能的相变阻力，使奥氏体的自由能低于珠变阻力，使奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，奥氏体才能自发形光体的自由能，奥氏体才能自发形核。核。奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件珠光体和奥氏体的自由能随温度变化的曲线奥氏体形成时系统总的自由能变化为：

8、奥氏体形成时系统总的自由能变化为：G=GV+GS+Ge式中，式中，GV为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差；GS为形成奥氏体为形成奥氏体时所增加的界面能；时所增加的界面能；Ge为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，为形成奥氏体时所增加的应变能。其中，GV是奥氏体转变的驱动力，是奥氏体转变的驱动力，GS与与Ge是相变的阻力是相变的阻力。1. 奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程 FeFe3 3CC6.696.69CC复杂晶格复杂晶格-Fe-Fe0.020.02CCbccbcc -Fe-Fe0.770.77CCfccfcc+共析钢为例共析钢为例 奥氏体的形成过程就是

9、奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。具体过程包括具体过程包括：奥氏体的形核奥氏体的形核，奥氏体的长大奥氏体的长大，剩余渗碳体的溶剩余渗碳体的溶解解和和奥氏体的成分均匀化奥氏体的成分均匀化过程过程 (1)(1) 奥氏体的形核奥氏体的形核 优先在铁素体和渗碳体的优先在铁素体和渗碳体的相界面上相界面上形成，此处容易获得奥氏体形核所需要的形成，此处容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏浓度起伏、结构起伏结构起伏和和能量起伏能量起伏。珠光体群边界珠光体群边界也可以成为奥氏体的也可以成为奥氏体的形核部位；在快速加热时，由于过热度大，形核部位；在快速加热时，

10、由于过热度大，也可以在也可以在铁素体亚晶边界铁素体亚晶边界上上形核。形核。 FFe3CA晶核(2)(2) 奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成后即开始长大，奥氏体晶核形成后即开始长大，奥氏体和铁素体中碳的扩散是奥氏体和铁素体中碳的扩散是奥氏体吞噬渗碳体和铁素体而奥氏体吞噬渗碳体和铁素体而长大的驱动力长大的驱动力未溶Fe3CAA扩散破坏了该温度下相界面的平衡浓度，为了恢复平衡，扩散破坏了该温度下相界面的平衡浓度，为了恢复平衡，渗碳体势渗碳体势必溶入奥氏体必溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到，使它们相邻界面的碳浓度恢复到C-C，与此同时，另一，与此同时，另一个界面上，发生奥氏体碳原子

11、向铁素体的扩散，促使个界面上，发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使铁素体转变为奥氏铁素体转变为奥氏体体，使它们之间界面的碳浓度恢复到，使它们之间界面的碳浓度恢复到C-。这样，奥氏体的两个界面就向铁。这样，奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。 由于由于C-C C-，在奥氏，在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并引体中出现碳的浓度梯度，并引起碳在奥氏体中不断地由高浓起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度的扩散。度向低浓度的扩散。 由于在铁素体内，由于在铁素体内，铁素体与渗碳体和铁素体与渗碳体和铁素体与奥氏体接铁素体与奥氏体接触的两个界面之间触

12、的两个界面之间也存在着碳浓度差也存在着碳浓度差C-CC-，因此碳，因此碳在在铁素体中也进在在铁素体中也进行着扩散，行着扩散， 奥氏体长大机制奥氏体长大机制由于铁素体与奥氏体相界面的浓度差（由于铁素体与奥氏体相界面的浓度差（C-C-）远小于渗碳体与）远小于渗碳体与奥氏体相界面的浓度差（奥氏体相界面的浓度差（C CC-C），一份渗碳体溶解将促进几份铁素），一份渗碳体溶解将促进几份铁素体转变，因此，体转变，因此，铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解的速度铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体溶解的速度快得多快得多。当铁素体全部转变为奥氏体时，仍有部分渗碳体尚未溶解，剩余在奥当铁素体全部转变为奥氏体时，仍有

13、部分渗碳体尚未溶解，剩余在奥氏体中。这时，奥氏体的平均成分低于共析成分。氏体中。这时，奥氏体的平均成分低于共析成分。随后剩余随后剩余Fe3C通过扩散，不断溶通过扩散，不断溶人人A中，使中，使A碳浓度逐渐趋于共析成分。碳浓度逐渐趋于共析成分。 一旦渗碳体全部溶解，这一阶段一旦渗碳体全部溶解，这一阶段便告结束。便告结束。A未溶碳化物未溶碳化物(3)(3) 剩余渗碳体溶解剩余渗碳体溶解(4) 奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化 A 剩余渗碳体全部溶解后，剩余渗碳体全部溶解后，A中的中的碳浓度仍是不均匀的。碳浓度仍是不均匀的。只有继续延长保温时间或升温，只有继续延长保温时间或升温，通过碳原子的扩散，才能

14、使通过碳原子的扩散，才能使A碳浓度碳浓度逐渐趋于均匀化，最后得到均匀的单逐渐趋于均匀化，最后得到均匀的单相奥氏体。相奥氏体。 A形成过程全部完成。形成过程全部完成。 亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，与共析钢基本相同，当加热温度仅超过当加热温度仅超过A AC1C1时，只能使原时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍会保留一部分先共析始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍会保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体铁素体或先共析渗碳体。 这种奥氏体化过程被称为这种奥氏体化过程被称为 “ “部分奥氏部分奥氏体化体化”或或“不完全奥氏体化不完全奥氏体化”。

15、 只有只有当加热温度超过当加热温度超过A AC3C3或或A Accmccm，并保温足够的时间，并保温足够的时间，才能获得均匀的单相奥氏体才能获得均匀的单相奥氏体，这又被称为是非共析钢的，这又被称为是非共析钢的“完全完全奥氏体化奥氏体化”。2. 奥氏体的形成速度奥氏体的形成速度 共析钢的奥氏体等温形成图珠光体向奥氏体转变开始珠光体向奥氏体转变刚刚结束奥氏体均匀化完成剩余渗碳体溶解完毕奥氏体形核、长大阶奥氏体形核、长大阶段所需的时间较短，剩余段所需的时间较短，剩余渗碳体溶解所需时间较长，渗碳体溶解所需时间较长，而奥氏体均匀化所需时间而奥氏体均匀化所需时间更长。更长。 为获得同一状态，可为获得同一状

16、态，可用低温长时间用低温长时间 V1，也可，也可用高温短时间用高温短时间 V2加热。加热。AC1以上某温以上某温度等温时，奥度等温时，奥氏体需要一定氏体需要一定时间后才开始时间后才开始形成形成，这段时，这段时间称为间称为孕育孕育期期。温度温度 孕育期孕育期 亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图亚共析钢或过共析钢奥氏体等温形成图当珠光体全部转变为奥氏体后，还有当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转过剩相铁素体或渗碳体的继续转变变，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移，也需要碳原子在奥氏体中的扩散及奥氏体与过剩相之间相界面的推移来进行。与共析钢相比，过共

17、析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时来进行。与共析钢相比，过共析钢的渗碳体溶解和奥氏体的均匀化所需时间要长得多。间要长得多。 亚共析钢过共析钢3. 影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素 奥氏体形成是奥氏体形成是形核形核和和长大长大过程，整个过程受过程，整个过程受原子扩散原子扩散所控制。所控制。因此，一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。因此，一切影响扩散、形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。 主要影响因素有主要影响因素有加热温度加热温度、原始组织原始组织和和化学成分化学成分等。等。 （1 1）加热温度的影响）加热温度的影响 PAPA转变是扩散相变过程，随加热温

18、度转变是扩散相变过程，随加热温度，原子扩散系数原子扩散系数，特别是碳在特别是碳在A A中的扩散系数中的扩散系数，加快了，加快了A A的形核和长大速度；的形核和长大速度； 随加热温度随加热温度， A A中的中的碳浓度差碳浓度差，浓度梯度，浓度梯度，故原子扩散速，故原子扩散速度度； 随加热温度随加热温度， A A与与P P的自由能差的自由能差，相变驱动力，相变驱动力GvGv，A A的的形核率和长大速度急剧形核率和长大速度急剧，因此，转变的孕育期和转变所需时间显著，因此，转变的孕育期和转变所需时间显著，加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越。 影响奥氏体

19、形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。 （2 2）原始组织的影响）原始组织的影响 化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度化学成分相同时，随原始组织中碳化物分散度，F F和和FeFe3 3CC相界面增相界面增多，多，A A的形核率的形核率；P P片层间距片层间距，使，使A A中碳浓度梯度中碳浓度梯度，碳的扩散距离，碳的扩散距离，都使，都使A A的长大的长大速度速度。 因此，因此，钢的原始组织越细，形成速度越快钢的原始组织越细，形成速度越快。 （3 3）含碳量的影响）含碳量的影响 含碳量含碳量 ，奥氏体的形成速度，奥氏体的形成速度

20、。 随含碳量随含碳量 ，FeFe3 3CC量量，F F和和FeFe3 3CC相界面积相界面积，A A的形核部位的形核部位，A A的形核率的形核率 ； 碳化物数量碳化物数量，又使碳的扩散距离，又使碳的扩散距离，碳浓度梯度，碳浓度梯度； 随随A A中含碳量中含碳量，碳和铁原子的扩散系数将，碳和铁原子的扩散系数将，从而增大，从而增大A A的长大速的长大速度。度。（4）合金元素的影响）合金元素的影响 影响碳在影响碳在A A中的扩散速度中的扩散速度 碳化物形成元素碳化物形成元素( (如如CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等等) )大大减小了碳在大大减小了碳在A A中的扩中的扩散速度，故显著减慢

21、了散速度，故显著减慢了A A的形成速度。的形成速度。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素( (如如CoCo、NiNi等等) )能增加碳在能增加碳在A A中的扩散速度，因而，中的扩散速度，因而，加快了加快了A A的形成速度。的形成速度。 而而Si Si、A1A1、MnMn等元素对碳在等元素对碳在A A中的扩散速度影响不大，故对中的扩散速度影响不大，故对A A形成形成速度无明显影响。速度无明显影响。改变钢的临界温度改变钢的临界温度 改变了改变了A A转变时的过热度，从而改变了转变时的过热度，从而改变了A A与与P P的自由能差，因此改变的自由能差，因此改变了了A A的形成速度。的形成速度。 如如Ni

22、Ni、MnMn、CuCu等降低等降低A A1 1点，相对增大过热度，将增大点，相对增大过热度，将增大A A的形成速的形成速度。度。 CrCr、MoMo、WW、V V、Si Si等提高等提高A A1 1点，相对地降低过热度，将减慢点，相对地降低过热度，将减慢A A的的形成速度。形成速度。 在在P P中分布不均匀中分布不均匀 平衡组织中，平衡组织中，CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等主要集中于等主要集中于共析碳化物中共析碳化物中，而而NiNi、Si Si、AlAl等非碳化物形成元素主要存在于等非碳化物形成元素主要存在于共析铁素体中共析铁素体中。 渗碳体完全溶解后，合金元素在钢中分布仍是

23、极不均匀的，因此，渗碳体完全溶解后，合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，因此，合金钢的合金钢的A A均匀化过程，除了碳在均匀化过程，除了碳在A A中的均匀化外，还包括了中的均匀化外，还包括了合金元合金元素的均匀化素的均匀化。 相同条件下，合金元素在相同条件下，合金元素在A A中的扩散速度比碳的中的扩散速度比碳的扩散速度慢扩散速度慢10103 3-10-104 4倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢A A化要比碳钢缓慢得多。化要比碳钢缓慢得多。 合金钢热处理时，合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要加热温度要比碳钢高，

24、保温时间也需要延长延长。特别是高合金钢，如。特别是高合金钢，如W18Cr4VW18Cr4V高速钢的淬火温度需要提高到高速钢的淬火温度需要提高到1270127012801280，超过，超过A Aclcl(820-840)(820-840)数百度。数百度。4. 奥氏体的晶粒大小及其控制奥氏体的晶粒大小及其控制 A A形成后形成后继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。继续加热或保温，晶粒将长大，在热力学上是一种自发趋势。 加热时形成的加热时形成的A晶粒大小，对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能晶粒大小，对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影响。都有重要的影响。（1 1）晶粒

25、大小的表示方法）晶粒大小的表示方法 用直接测量的晶粒平均直径，用直接测量的晶粒平均直径，也可用单位体积或单位面积内含也可用单位体积或单位面积内含有的晶粒数来表示有的晶粒数来表示。 晶粒度级别晶粒度级别N与晶粒大小有如与晶粒大小有如下关系：下关系：n=2N-1。式中，。式中，n表示放表示放大大100倍时，每平方英寸视野中倍时，每平方英寸视野中观察到的平均晶粒数。观察到的平均晶粒数。 标准评级图标准评级图 ，用，用100100倍观察，倍观察， 1 14 4级为粗晶粒，级为粗晶粒，5 58 8级为细晶级为细晶粒，粒，8 8级以外的晶粒称为超粗或超级以外的晶粒称为超粗或超细晶粒。细晶粒。 （2） 奥氏

26、体晶粒度的概念奥氏体晶粒度的概念起始晶粒度起始晶粒度：A转变刚刚完成时的晶粒大小。转变刚刚完成时的晶粒大小。 实际晶粒度实际晶粒度：在某一具体的加热条件下获得的：在某一具体的加热条件下获得的A晶粒大小。晶粒大小。本质晶粒度本质晶粒度：在：在 930土土10加热，保温加热，保温3-8 h后测定的后测定的A晶粒大小称为晶粒大小称为本质晶粒度。本质晶粒度表示钢在一定条件下本质晶粒度。本质晶粒度表示钢在一定条件下A晶粒长大的倾向性。晶粒长大的倾向性。随加热温度升高，奥氏体晶粒随加热温度升高，奥氏体晶粒迅速长大迅速长大，称为，称为本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢；在在930以下，随温度升高，以下，随温度升高，奥

27、氏体晶粒长大速度很缓慢奥氏体晶粒长大速度很缓慢，称为称为本质细晶粒钢本质细晶粒钢。当超过某一温度。当超过某一温度（9501000）本质细晶粒钢也）本质细晶粒钢也可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过可能迅速长大，晶粒尺寸甚至超过本质粗晶粒钢。本质粗晶粒钢。钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧钢的本质晶粒度与炼钢的脱氧方法和钢的化学成分有关。方法和钢的化学成分有关。 高温下高温下A A晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。晶粒长大，引起系统的自由能降低，是自发过程。 A A晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近原子的扩晶粒长大是晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近原子的扩散。一切影响散。一切影响

28、原子扩散迁移原子扩散迁移的因素都能影响的因素都能影响A A晶粒大小。为控制晶粒大小。为控制A A晶晶粒长大，必须从控制影响粒长大，必须从控制影响A A晶粒长大的因素着手。晶粒长大的因素着手。加热温度和保温时间加热温度和保温时间 加热温度加热温度，晶粒长大速率，晶粒长大速率，最终晶粒尺寸，最终晶粒尺寸。这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随着温度升这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随着温度升高呈指数关系增加。高呈指数关系增加。在一定温度下，随保温时间在一定温度下，随保温时间，奥氏体晶粒，奥氏体晶粒；在每一个温度下都有一个加速长大期；当奥氏体晶粒长大到一定尺在每一个温度下

29、都有一个加速长大期；当奥氏体晶粒长大到一定尺寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。加热速度加热速度 加热速度加热速度，A的实际形成温度的实际形成温度，则，则A的形核率的形核率，起始晶粒尺寸，起始晶粒尺寸 。但是，如果在高温下长时间保温，晶粒则很容易长大。但是，如果在高温下长时间保温，晶粒则很容易长大。（3 3）奥氏体晶粒大小的控制）奥氏体晶粒大小的控制化学成分化学成分 碳碳量在一定范围内，随含碳量的量在一定范围内，随含碳量的，碳在钢中的扩散速度以及铁的自，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均扩散速度均， A A晶粒长大的倾向晶粒长大的倾向。 当碳

30、含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的当碳含量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的，二次渗碳体数量二次渗碳体数量，且分布在，且分布在A A晶界上，可以阻碍晶界上，可以阻碍A A晶界的移动，反而使晶界的移动，反而使A A晶粒长大倾向晶粒长大倾向。 合金元素 Ti Ti、Zr Zr、V V、AlAl、NbNb 等强烈地阻碍等强烈地阻碍A A晶粒长大；晶粒长大； WW、MoMo、CrCr 等一般阻止晶粒长大；等一般阻止晶粒长大； Si Si、NiNi、CuCu 等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显；等不形成化合物，对奥氏体晶粒长大的影响不明显； MnMn、P P

31、、N N、CC 等促进晶粒长大。等促进晶粒长大。 如加热温度高到使碳化物及其他化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍晶粒如加热温度高到使碳化物及其他化合物能溶入到奥氏体中时，阻碍晶粒长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。长大的作用将会消失，晶粒便迅速长大。原始组织原始组织 原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细小，原始组织越细，碳化物分散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细小，晶粒长大倾向越大。晶粒长大倾向越大。 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变冷却方式和速度对转变产物的类型和组织状态有很大影响，因此，冷却方式和速度对转变产物的类型和组织状态有很大影响，因此，冷却过程决定着钢固态转变后

32、的组织和性能。冷却过程决定着钢固态转变后的组织和性能。热处理生产中，过冷热处理生产中，过冷A A的冷却方式有两类：的冷却方式有两类： 一种是一种是等温冷却等温冷却，将，将A A状态的钢迅速冷至临界点以下某一温度保温一状态的钢迅速冷至临界点以下某一温度保温一定时间，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷至室温；定时间，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷至室温； 另一种是另一种是连续冷却连续冷却，将，将A A状态的钢以一定速度冷至室温，使其在连续状态的钢以一定速度冷至室温，使其在连续冷却过程中完成组织转变。冷却过程中完成组织转变。 将奥氏体状态的钢冷却到将奥氏体状态的钢冷却到A A1 1温度以下，

33、由于在此温度下温度以下，由于在此温度下奥氏体奥氏体的自的自由能比铁素体与渗碳体两相混合物的自由能高，因此由能比铁素体与渗碳体两相混合物的自由能高，因此奥氏体奥氏体将发生分解，将发生分解，向珠光体或其它组织转变，向珠光体或其它组织转变，在临界温度在临界温度A A1 1以下处于不稳定状态的以下处于不稳定状态的奥氏体奥氏体称为称为过冷过冷奥氏体奥氏体。 以金相以金相- -硬度法为例建立共析钢过冷奥氏体等温转变曲线：硬度法为例建立共析钢过冷奥氏体等温转变曲线： 加工成加工成10101.5mm 1.5mm 圆片试样，分成若干组，每组试样圆片试样，分成若干组，每组试样510510个。个。 首先选一组试样加

34、热至首先选一组试样加热至奥氏体化奥氏体化后，置于一定后，置于一定温度温度的恒温浴槽中冷的恒温浴槽中冷却，停留不同却，停留不同时间时间后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷激冷，使尚未转，使尚未转变的变的A A转变为转变为MM，因此，因此，MM量即为未转变的量即为未转变的A A量。量。 用金相法确定在给定的温度下，保持一定时间后的用金相法确定在给定的温度下，保持一定时间后的转变产物类型转变产物类型和和转变量转变量的百分数。的百分数。 一般将一般将A A转变量为转变量为1 % 3%1 % 3%所需要的时间定为所需要的时间定为转变开始时间转变开始时间；而把；而把转变量为

35、转变量为98%98%所需的时间定为所需的时间定为转变终了的时间转变终了的时间，根据需要也可以测出转，根据需要也可以测出转变量为变量为20%20%、50%50%、70%70%的时间。的时间。 多组试样在不同等温温度下进行实验，将各温度下的转变开始点和终多组试样在不同等温温度下进行实验，将各温度下的转变开始点和终了点都绘制在温度了点都绘制在温度- -时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和终了点分别终了点分别连接成曲线连接成曲线。1. 过冷奥氏体等温转变曲线的建立过冷奥氏体等温转变曲线的建立2. 2. 共析钢共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线分析

36、过冷奥氏体的等温转变曲线分析 过冷过冷A A等温转变曲线是综合反映过冷等温转变曲线是综合反映过冷A A在不同过冷度下，转变开始和终在不同过冷度下，转变开始和终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度间的关系等。称为了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度间的关系等。称为TTTTTT图图，俗称俗称CC曲线曲线。 温度温度 A A1 1550 550 高温转变区，高温转变区，A PA P；550550MMS S 中温转变区，中温转变区，A BA B； MMS S MMf f 低温转变区，低温转变区，A MA M。 在在A A1 1线温度以下，过冷线温度以下，过冷A A转变开转变开始线与纵坐

37、标之间的水平距离始线与纵坐标之间的水平距离为过冷为过冷A A在该温度下的在该温度下的孕育期孕育期，孕育期的长短表，孕育期的长短表示过冷示过冷A A稳定性的高低。稳定性的高低。在在A1线以下，随着等温温度线以下，随着等温温度，孕育期，孕育期，过冷奥氏体转变速度，过冷奥氏体转变速度（在（在550左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快）；此后，随着等温温度左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快）；此后，随着等温温度，孕育期又不断孕育期又不断，转变速度，转变速度。过冷过冷A A的稳定性受两个因素控制：旧相与新相之间的的稳定性受两个因素控制：旧相与新相之间的自由能差自由能差GG；原子的原子的扩散系数扩散系数

38、 D D。 等温温度等温温度，T T ，自由能差，自由能差 G G ，则，则 A A 的转变速度的转变速度；但原子扩散系；但原子扩散系数数 D ，过冷，过冷 A A 的转变速度的转变速度。高温时高温时，自由能差，自由能差 G 起主导作用；起主导作用； 低温时低温时，原子扩散系数，原子扩散系数 D 起主导作起主导作用；用； 处于鼻尖温度时，两个因素综合作处于鼻尖温度时，两个因素综合作用的结果，使孕育期最短，转变速度最用的结果，使孕育期最短，转变速度最大。大。3. 影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素（1 1）A A成分的影响成分的影响含碳量含碳量 与共析钢过冷与共析钢

39、过冷A A等温转变曲线相比，亚、等温转变曲线相比，亚、过共析钢的过冷过共析钢的过冷A A等温转变曲线上部各多出一等温转变曲线上部各多出一条条先共析相析出线先共析相析出线。在发生。在发生P P转变之前，亚转变之前，亚共析钢中先析出先共析共析钢中先析出先共析 F F，过共析钢中先析出，过共析钢中先析出先共析渗碳体。先共析渗碳体。 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共析钢过冷亚共析钢过冷A等温转变中的等温转变中的F、P转变转变部分随部分随A中含碳量的增加逐渐中含碳量的增加逐渐； 过共析钢中的过共析钢中的Fe3C、P转变转变部分随部分随A中中含碳量的增加逐渐含碳量的增加逐渐； 贝氏体转变贝氏体转变部分

40、都随含碳量的增加逐渐部分都随含碳量的增加逐渐。 随随A中含碳量的增加，中含碳量的增加，Ms 和和Mf 点点。合金元素合金元素 一般来说，除一般来说，除CoCo和和AlAl（Al2.5%Al2.5%）以外的所有合金元素，溶入）以外的所有合金元素，溶入A A都都增加过冷增加过冷A A的稳定性，使的稳定性，使过冷过冷A A等温转变曲线等温转变曲线，并使，并使MsMs。 MoMo的影响最强烈，的影响最强烈，WW、MnMn、NiNi的影响也很明显，的影响也很明显，Si Si、AlAl的影响较小。的影响较小。 钢中加入微量的钢中加入微量的B B可以明显提高过冷奥氏体的稳定性，但随含可以明显提高过冷奥氏体的

41、稳定性，但随含碳量的增加，碳量的增加，B B的作用逐渐减小。的作用逐渐减小。 CoCo降低过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体降低过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线等温转变曲线，MsMs。 非碳化物或弱碳化物形成元素，如非碳化物或弱碳化物形成元素，如NiNi、MnMn、Si Si、CuCu、B B等，只是不同等，只是不同程度地程度地减低减低 P P和和 B B 的转变速度的转变速度，使过冷，使过冷 A A等温转变曲线等温转变曲线，但，但不改变其形状不改变其形状。 碳化物形成元素，主要有碳化物形成元素，主要有Cr、Mo、W、V、Ti等，使过冷等，使过冷A等温转变曲等温转变曲线线，还能，还能

42、改变其形状改变其形状。 Si Si、MoMo、Ti Ti、V V、WW等使等使P P鼻温上升，而鼻温上升，而NiNi、MnMn、CuCu等则使其下降。等则使其下降。使使P P和和B B两种转变温度范围相互分离，形成两个鼻子，其间出现一个过冷两种转变温度范围相互分离，形成两个鼻子，其间出现一个过冷A A的稳定区。的稳定区。非碳化物形成元素非碳化物形成元素碳化物形成元素碳化物形成元素（2）奥氏体状态的影响）奥氏体状态的影响 A A 受拉受拉应力应力将加速转变，而等向压应力下，原子迁移阻力大，减慢将加速转变，而等向压应力下，原子迁移阻力大，减慢A A转变。转变。 塑性变形塑性变形使点阵畸变加剧，位错

43、密度增加，有利于使点阵畸变加剧，位错密度增加，有利于Fe Fe 、CC扩散和晶扩散和晶格改组，可促进格改组，可促进A A转变。转变。（3 3）应力和塑性变形的影响）应力和塑性变形的影响A晶粒晶粒细小，晶界总面积增加，有利于新相的形核和原子的扩散，因细小，晶界总面积增加，有利于新相的形核和原子的扩散，因此有利于先共析转变和珠光体转变，使此有利于先共析转变和珠光体转变，使C曲线左移。但晶粒度对曲线左移。但晶粒度对B转变影响转变影响不大；晶粒越粗，反而使不大；晶粒越粗，反而使Ms升高，加快升高，加快M转变。转变。 A成分成分越均匀，则越稳定，新相形核和长大过程中所需时间就越长，越均匀，则越稳定，新相

44、形核和长大过程中所需时间就越长，C曲线越向右移。曲线越向右移。A化温度越高，保温时间越长，则形成的晶粒越粗大，成分也就越均匀，化温度越高，保温时间越长，则形成的晶粒越粗大，成分也就越均匀，从而增加从而增加A的稳定性，使的稳定性，使C曲线向右移。反之，曲线向右移。反之，A化温度稍低，时间短，化温度稍低，时间短，A晶晶粒越细，未溶第二相越多，成分越不均匀，粒越细，未溶第二相越多，成分越不均匀，A越不稳定，使越不稳定，使C曲线向左移。曲线向左移。4. 过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线 过冷过冷A A连续冷却转变曲线，反映了在连续冷却条件下过冷连续冷却转变曲线，反映了在连续冷却条件

45、下过冷A A的转的转变规律，是分析转变产物与性能的依据，也是制定热处理工艺的重要变规律，是分析转变产物与性能的依据，也是制定热处理工艺的重要参考资料。过冷参考资料。过冷A A连续转变曲线又称为连续转变曲线又称为CCTCCT曲线曲线。 利用快速膨胀仪，将利用快速膨胀仪，将3310mm10mm试样真空感应加热到试样真空感应加热到A A状态，程状态，程序控制冷却速度，从不同速度的膨胀曲线上确定转变开始点（转变量序控制冷却速度，从不同速度的膨胀曲线上确定转变开始点（转变量为为1%1%）、转变终了点（转变量为）、转变终了点（转变量为99%99%）所对应的温度和时间。）所对应的温度和时间。 将测得的数据标

46、在温度将测得的数据标在温度- -时间半对数坐标系中，连接具有相同意义时间半对数坐标系中，连接具有相同意义的点，便可得到过冷的点，便可得到过冷A A连续冷却转变曲线。连续冷却转变曲线。 为了提高测量精度，常配合使用金相法和热分析法。为了提高测量精度，常配合使用金相法和热分析法。（1）测定方法）测定方法（2）过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析）过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析 共析钢的过冷共析钢的过冷A A连续冷却转变曲线（实线），只有连续冷却转变曲线（实线），只有珠光体转变珠光体转变区和区和马氏体转变马氏体转变区，没有区，没有贝氏体转变贝氏体转变区，说明共析钢在连续冷却过程中不区，说明共析钢在连续

47、冷却过程中不会发生贝氏体转变。会发生贝氏体转变。 这是由于奥氏体的碳浓度高，使贝氏体转变的孕育期这是由于奥氏体的碳浓度高，使贝氏体转变的孕育期延长，在连续冷却时贝氏体转变来不及进行便冷却至低温。延长，在连续冷却时贝氏体转变来不及进行便冷却至低温。 马氏体转变区CV转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线转变中止线转变中止线若过冷奥氏体以若过冷奥氏体以v1速度冷却时，当冷速度冷却时，当冷却曲线与珠光体转变却曲线与珠光体转变线相交时，奥氏体便线相交时，奥氏体便开始开始向珠光体转变与向珠光体转变与珠光体转变珠光体转变终了终了线相线相交时，则奥氏体转变交时，则奥氏体转变完了，得到完了，得到100%的的

48、P。 当冷却速度增大当冷却速度增大到到vC时时, 也得到也得到100%的珠光体，转变过程的珠光体，转变过程与与v1相同，但转变开相同，但转变开始和转变终了的始和转变终了的温度温度降低降低，转变温度，转变温度区间区间增大增大，转变，转变时间缩短时间缩短。vc表示过表示过冷奥氏体全部得冷奥氏体全部得到珠光体的最大到珠光体的最大冷却速度，称为冷却速度，称为下临界冷却速度下临界冷却速度 如果冷却速如果冷却速度大于度大于vc时，奥时，奥氏体过冷至氏体过冷至Ms点点以下发生马氏体以下发生马氏体转变，冷至转变，冷至Mf点点转变终止，最终转变终止，最终得到马氏体得到马氏体+残残余奥氏体组织。余奥氏体组织。 v

49、c表示过冷表示过冷奥氏体在连续冷奥氏体在连续冷却过程中不发生却过程中不发生分解，全部冷至分解，全部冷至Mf点以下发生马点以下发生马氏体转变的最小氏体转变的最小冷却速度，冷却速度，称为称为上临界冷却速度上临界冷却速度，或或临界淬火速度临界淬火速度 当冷却速度增大当冷却速度增大到到v2时（在时（在vc与与vc之之间），冷却曲线与珠间），冷却曲线与珠光体转变开始线相交光体转变开始线相交时，开始发生珠光体时，开始发生珠光体转变，但冷至转变中转变，但冷至转变中止线时，珠光体转变止线时，珠光体转变停止，继续冷至停止，继续冷至Ms点以下，未转变的过点以下，未转变的过冷奥氏体发生马氏体冷奥氏体发生马氏体转变，

50、室温组织为转变，室温组织为P+M。亚共析钢的亚共析钢的CCT CCT 曲线曲线 亚共析钢过冷亚共析钢过冷A A连续冷却转变曲线中出现了连续冷却转变曲线中出现了先共析先共析F F析出区析出区和和B B转变区转变区，且且MMs s 线右端降低线右端降低，这是由于先共析，这是由于先共析F F的析出和的析出和B B转变使周围转变使周围A A富碳所致。富碳所致。亚亚 共共 析析 钢钢 的的 C C T C C T 曲曲 线线先共析铁素体析出区先共析铁素体析出区当冷当冷却 速 度却 速 度大 于 上大 于 上临 界 冷临 界 冷却 速 度却 速 度时 ， 奥时 ， 奥氏 体 只氏 体 只发 生发 生 马马