第6讲钢的热处理及合金化精选文档.ppt

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1、第6讲钢的热处理及合金化本讲稿第一页，共五十九页v热处理是一种与铸、锻、焊接等加工密切相关的工艺热处理是一种与铸、锻、焊接等加工密切相关的工艺。在铸、锻、焊过程中，。在铸、锻、焊过程中，不可避免地会出现这样或者那样的缺陷。不可避免地会出现这样或者那样的缺陷。如铸造过程如铸造过程中由于铸件形状复杂、厚薄不中由于铸件形状复杂、厚薄不均，造成冷却不均、组织变化不均而产生很大的铸造应力。此外，铸件从高温缓慢均，造成冷却不均、组织变化不均而产生很大的铸造应力。此外，铸件从高温缓慢冷却，晶粒易于粗大。冷却，晶粒易于粗大。锻造时锻造时，由于终锻温度过高或过低，会出现粗大的魏氏组织，由于终锻温度过高或过低，会

2、出现粗大的魏氏组织或带状组织。或带状组织。焊接件在焊接过程中焊接件在焊接过程中的局部加热与熔化，随后的冷却又较快，必然存的局部加热与熔化，随后的冷却又较快，必然存在很大的内应力。在很大的内应力。缺陷的存在，将严重影响构件的使用性能。为了消除缺陷，需要缺陷的存在，将严重影响构件的使用性能。为了消除缺陷，需要进行一定的热处理进行一定的热处理，如退火可以改善构件组织结构和性能。，如退火可以改善构件组织结构和性能。热处理更重要作用还在于它是赋予工件最终性能的关键工序。不少重要零件加热处理更重要作用还在于它是赋予工件最终性能的关键工序。不少重要零件加工成型后，并不能直接使用，还必须进行最终的热处理，以获

3、得最佳使用性能，充工成型后，并不能直接使用，还必须进行最终的热处理，以获得最佳使用性能，充分发挥钢材的潜力分发挥钢材的潜力。因此，在冶金生产、机械制造和航空制造等众多工业中，热处。因此，在冶金生产、机械制造和航空制造等众多工业中，热处理都占有重要的地位。理都占有重要的地位。v根据热处理所起作用的不同、加热和冷却方法的不同、以及组织和性能变化的根据热处理所起作用的不同、加热和冷却方法的不同、以及组织和性能变化的不同，不同，钢的热处理工艺通常分为退火、正火、淬火、回火和化学热处理等钢的热处理工艺通常分为退火、正火、淬火、回火和化学热处理等。在不同使用条件下，对钢材的性能要求不同。即使是同一零件，在

4、其加工过程在不同使用条件下，对钢材的性能要求不同。即使是同一零件，在其加工过程中，前后性能的要求也不一样。因此，热处理的方式也就不同。中，前后性能的要求也不一样。因此，热处理的方式也就不同。本讲稿第二页，共五十九页二、钢的临界温度二、钢的临界温度 钢的热处理的依据就是钢在固态加热、保温和冷却过程中，会发生一些列组织钢的热处理的依据就是钢在固态加热、保温和冷却过程中，会发生一些列组织转变。因此，转变。因此，铁碳相图的左下角（如图铁碳相图的左下角（如图1-2所示），对于研究钢的相变和制定热处所示），对于研究钢的相变和制定热处理工艺有重要的参考价值。理工艺有重要的参考价值。由图可见，由图可见，钢在缓

5、慢加热和冷却时，其固态组织钢在缓慢加热和冷却时，其固态组织转变的临界温度是由转变的临界温度是由PSK线（线（A1线）、线）、GS线（线（A3线线）、）、ES线（线（Acm线）来决定的线）来决定的。共析钢只有一个临界。共析钢只有一个临界点点A1,亚共析钢有两个临界点亚共析钢有两个临界点A1和和A3，过共析钢有两，过共析钢有两个临界点个临界点A1和和Acm。铁碳相图上的铁碳相图上的A1、A3、Acm都是平衡临界点，是都是平衡临界点，是新旧两相自由能相等的温度。而实际转变过程不可能新旧两相自由能相等的温度。而实际转变过程不可能在平衡临界点进行。在平衡临界点进行。加热转变只有在平衡临界点以上（即有一定

6、过热度）才能进加热转变只有在平衡临界点以上（即有一定过热度）才能进行。相反，冷却转变只有在平衡临界点以下（即有一定的过冷度）才能发生。行。相反，冷却转变只有在平衡临界点以下（即有一定的过冷度）才能发生。所以实际的加热转变点和冷却转变点都偏离平衡临界点。而且，加热和冷却速所以实际的加热转变点和冷却转变点都偏离平衡临界点。而且，加热和冷却速度越大，其偏离也越大。度越大，其偏离也越大。通常，加热转变点标以通常，加热转变点标以c，冷却转变点标以，冷却转变点标以r。本讲稿第三页，共五十九页 碳钢的实际转变点在铁碳钢的实际转变点在铁-碳相图上的位置如图碳相图上的位置如图1-2中虚线所示中虚线所示.其物理意

7、义如下：其物理意义如下：vAc1：加热时珠光体转变为奥氏体的温度；：加热时珠光体转变为奥氏体的温度；Ar1：冷却时奥氏体转变为珠光体的温度；：冷却时奥氏体转变为珠光体的温度；Ac3：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；的终了温度；Ar3：冷却时奥氏体开始析出先：冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度；共析铁素体的温度；Accm：加热时：加热时Fe3C全部溶入奥氏体的终了温度；全部溶入奥氏体的终了温度；Arcm：冷却时：冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。应指出，应指出，工业碳素钢工业碳素钢并不是单纯的并不是单纯的F

8、e-C合合金金，里面还有，里面还有Si、Mn、S、P等杂质。这些杂等杂质。这些杂质元素对于碳素钢的平衡临界点是有影响的，质元素对于碳素钢的平衡临界点是有影响的，不过因含量少，影响不大，可以忽略，不过因含量少，影响不大，可以忽略，仍可以用仍可以用Fe-Fe3C相图确定钢临界点相图确定钢临界点。对于合金钢，合金元素对平衡临界点有很大的影响，甚至会大大改变相图结对于合金钢，合金元素对平衡临界点有很大的影响，甚至会大大改变相图结构，使构，使A1、A3、Acm点不再是恒定的温度，而变成一个温度区间。点不再是恒定的温度，而变成一个温度区间。这时就不能再用这时就不能再用Fe-Fe3C相图来确定合金钢的临界点

9、，而必须用三元或者多元相图才行。相图来确定合金钢的临界点，而必须用三元或者多元相图才行。本讲稿第四页，共五十九页三、奥氏体的形成三、奥氏体的形成 钢加热时，奥氏体的形成过程，称作奥氏体化。钢加热时，奥氏体的形成过程，称作奥氏体化。根据根据Fe-Fe3C相图，由铁素体相图，由铁素体和渗碳体两相组成的珠光体，加热至和渗碳体两相组成的珠光体，加热至AC1稍上温度时转变为奥氏体，即稍上温度时转变为奥氏体，即 由于奥氏体和铁素体及渗碳体由于奥氏体和铁素体及渗碳体的晶格类型和含碳量度不同，因此的晶格类型和含碳量度不同，因此奥氏体化过程包含着奥氏体形核、奥氏体化过程包含着奥氏体形核、核长大、残留渗碳体溶解以

10、及奥氏核长大、残留渗碳体溶解以及奥氏体内成分的均匀化四个阶段。体内成分的均匀化四个阶段。图图1-3示意地表示了共析钢奥氏体形成各个阶段的主要特征。示意地表示了共析钢奥氏体形成各个阶段的主要特征。将钢加热至将钢加热至AC1以上温度时，珠光体组织处于不稳定状态，以上温度时，珠光体组织处于不稳定状态，在铁素体和渗碳体在铁素体和渗碳体的界面上择优生成奥氏体晶核的界面上择优生成奥氏体晶核。本讲稿第五页，共五十九页 奥氏体晶核形成后，会同时向铁素体和渗碳体两侧生长，如图奥氏体晶核形成后，会同时向铁素体和渗碳体两侧生长，如图b。这个阶段实这个阶段实质上是铁素体和奥氏体间的晶格重构，同时渗碳体不断地溶入奥氏体

11、，以及碳在奥质上是铁素体和奥氏体间的晶格重构，同时渗碳体不断地溶入奥氏体，以及碳在奥氏体中扩散。氏体中扩散。共析钢奥氏体长大终了时，铁素体和渗碳体两相应同时消失。但实验共析钢奥氏体长大终了时，铁素体和渗碳体两相应同时消失。但实验发现，铁素体完全消失后，还有部分渗碳体未溶解。发现，铁素体完全消失后，还有部分渗碳体未溶解。共析钢钢中铁素体总是先消共析钢钢中铁素体总是先消失，残留有渗碳体相，如图失，残留有渗碳体相，如图c。奥氏体形成时，残留渗碳奥氏体形成时，残留渗碳体刚刚溶解，此时碳在奥氏体体刚刚溶解，此时碳在奥氏体中的分布不均匀，如图中的分布不均匀，如图d示。示。原先渗碳体区域，碳浓度较高；原先渗

12、碳体区域，碳浓度较高；原先铁素体区域含碳量较低。原先铁素体区域含碳量较低。这种不均匀性随着加热的速度这种不均匀性随着加热的速度增大而越加严重。只有经继续增大而越加严重。只有经继续加热或保温，使碳充分扩散，才能使整个奥氏体中碳浓度趋于均匀，如图加热或保温，使碳充分扩散，才能使整个奥氏体中碳浓度趋于均匀，如图1-3示。示。共析钢奥氏体形成过程的四个阶段，对于任何钢材都是普适的。共析钢奥氏体形成过程的四个阶段，对于任何钢材都是普适的。本讲稿第六页，共五十九页四、奥氏体晶粒度及其控制四、奥氏体晶粒度及其控制 奥氏体晶粒度及均匀性是衡量钢件力学性能与工艺性能的重要指标，是分析服奥氏体晶粒度及均匀性是衡量

13、钢件力学性能与工艺性能的重要指标，是分析服役构件断裂失效的主要参考依据。因此，控制奥氏体晶粒度有重要的实际意义。役构件断裂失效的主要参考依据。因此，控制奥氏体晶粒度有重要的实际意义。1、奥氏体的晶粒度、奥氏体的晶粒度 奥氏体形成后，在继续加热过程中奥氏体晶粒大小要发生变化。此时需要区分奥氏体形成后，在继续加热过程中奥氏体晶粒大小要发生变化。此时需要区分三种有关奥氏体晶粒度的概念三种有关奥氏体晶粒度的概念奥氏体起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度奥氏体起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。奥氏体起始晶粒度：奥氏体起始晶粒度：是指将钢加热至是指将钢加热至AC1以上，奥氏体形成刚完成，其晶粒边以上，奥氏

14、体形成刚完成，其晶粒边界刚接触时的晶粒大小。奥氏体起始晶粒度取决于奥氏体的形核率和长大速度。增界刚接触时的晶粒大小。奥氏体起始晶粒度取决于奥氏体的形核率和长大速度。增大形核率或降低长大速度，是获得细小奥氏体起始晶粒的重要途径。大形核率或降低长大速度，是获得细小奥氏体起始晶粒的重要途径。奥氏体实际晶粒度：奥氏体实际晶粒度：是指在一定热处理加热、焊接或者热加工制度下所获得的是指在一定热处理加热、焊接或者热加工制度下所获得的奥氏体晶粒大小。对于热轧（锻）钢材，它是指热轧（锻）终了时钢中的奥氏体晶奥氏体晶粒大小。对于热轧（锻）钢材，它是指热轧（锻）终了时钢中的奥氏体晶粒大小；对于实际零件，一般是指热处

15、理加工状态下的奥氏体晶粒大小。粒大小；对于实际零件，一般是指热处理加工状态下的奥氏体晶粒大小。奥氏体实际晶粒基本决定了钢件热处理后基体相晶粒大小。在一般加热速度奥氏体实际晶粒基本决定了钢件热处理后基体相晶粒大小。在一般加热速度下，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体实际晶粒度越大，实际晶粒度越大。下，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体实际晶粒度越大，实际晶粒度越大。本讲稿第七页，共五十九页 奥氏体本质晶粒度：根据标准实验方法规定，将钢材加热至奥氏体本质晶粒度：根据标准实验方法规定，将钢材加热至93010，保温，保温3-8小时，然后冷却至室温测定奥氏体晶粒大小，该晶粒度叫做奥氏体本质晶粒度。小时，

16、然后冷却至室温测定奥氏体晶粒大小，该晶粒度叫做奥氏体本质晶粒度。奥氏体本质晶粒度仅表示钢材加热时晶粒长大奥氏体本质晶粒度仅表示钢材加热时晶粒长大的倾向，这种长大倾向有两种情况，如图的倾向，这种长大倾向有两种情况，如图1-13所示。所示。图中曲线图中曲线a表示随着奥氏体化温度的升高或者奥氏表示随着奥氏体化温度的升高或者奥氏体化时间的延长，奥氏体晶粒逐渐长大的过程，体化时间的延长，奥氏体晶粒逐渐长大的过程，这种长大过程叫做这种长大过程叫做正常长大正常长大。图中曲线。图中曲线b表示在较表示在较低的奥氏体化温度时晶粒长大甚微或者不长大，低的奥氏体化温度时晶粒长大甚微或者不长大，当加热至一定温度时，晶粒

17、骤然增大，然后长大当加热至一定温度时，晶粒骤然增大，然后长大速度又减小。这一类长大过程叫做速度又减小。这一类长大过程叫做异常长大异常长大。奥氏体异常长大的温度叫做奥氏体晶粒粗化温度。奥氏体异常长大的温度叫做奥氏体晶粒粗化温度。若奥氏体晶粒粗化温度高于若奥氏体晶粒粗化温度高于奥氏体本质晶粒度检验温度（奥氏体本质晶粒度检验温度（930），则本质晶粒度级别较高，一般是合格的；），则本质晶粒度级别较高，一般是合格的；反之会出现奥氏体晶粒异常长大，晶粒度不合格率往往很高。反之会出现奥氏体晶粒异常长大，晶粒度不合格率往往很高。本讲稿第八页，共五十九页 2、奥氏体晶粒度的控制、奥氏体晶粒度的控制 奥氏体晶粒

18、长大倾向既取决于奥氏体起始晶粒度，又取决于第二相质点的性奥氏体晶粒长大倾向既取决于奥氏体起始晶粒度，又取决于第二相质点的性质、大小、数量及分布。质、大小、数量及分布。凡是与这两者有关的因素，如钢中化学成分及原始组织，凡是与这两者有关的因素，如钢中化学成分及原始组织，钢材热轧（锻）工艺，及预先热处理工艺等都影响奥氏体晶粒的长大。因此，控钢材热轧（锻）工艺，及预先热处理工艺等都影响奥氏体晶粒的长大。因此，控制这些因素就能够获得所需要的奥氏体晶粒度。制这些因素就能够获得所需要的奥氏体晶粒度。A、钢中化学成分、钢中化学成分 研究表明，在奥氏体异常长大过程中，不是任何第二相质点对晶界都有良好的研究表明，

19、在奥氏体异常长大过程中，不是任何第二相质点对晶界都有良好的钉扎作用，主要是钉扎作用，主要是AlN相具有这样的特殊作用。相具有这样的特殊作用。AlN相具有难熔的密排六方结构，相具有难熔的密排六方结构，它是炼钢脱氧时形成并残存于钢中。在热轧（锻）及预热处理时，当温度超过它是炼钢脱氧时形成并残存于钢中。在热轧（锻）及预热处理时，当温度超过1250后，后，AlN相就基本上固溶于钢中，然后在冷却或者再加热时析出。如果相就基本上固溶于钢中，然后在冷却或者再加热时析出。如果AlN相大量弥散析出（相大量弥散析出（500 ），它能有效阻碍奥氏体晶界迁移，提高奥氏体晶粒，它能有效阻碍奥氏体晶界迁移，提高奥氏体晶粒

20、的粗化温度。相反，如果的粗化温度。相反，如果AlN相以粗大或者少量存在，则对晶界迁移无阻碍作用。相以粗大或者少量存在，则对晶界迁移无阻碍作用。因此，因此，钢中的残余铝量应控制在钢中的残余铝量应控制在0.0200.045%之间之间。本讲稿第九页，共五十九页 此外，钢中的此外，钢中的合金元素合金元素Nb、Ti、V等等，当形成弥散稳定的碳化物或者氮化物，当形成弥散稳定的碳化物或者氮化物时，也能够有效阻滞晶界的迁移，提高奥氏体的粗化温度。时，也能够有效阻滞晶界的迁移，提高奥氏体的粗化温度。而而Mn、P等元素却有增大晶粒的倾向等元素却有增大晶粒的倾向。应该指出，应该指出，钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒

21、也随着长大。但当含碳量增加钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒也随着长大。但当含碳量增加到一定程度时，由于奥氏体晶界上存在着未熔的二次渗碳体，反而会阻碍奥氏体的到一定程度时，由于奥氏体晶界上存在着未熔的二次渗碳体，反而会阻碍奥氏体的长大长大。B、热加工工艺、热加工工艺 奥氏体的粗化温度还与钢材的热轧或者锻造工艺有关。奥氏体的粗化温度还与钢材的热轧或者锻造工艺有关。C、预先热处理工艺、预先热处理工艺 通过预先热处理，不仅改变钢的原始组织，而且还改变钢中通过预先热处理，不仅改变钢的原始组织，而且还改变钢中AlN相的大小、数相的大小、数量及分布，从而影响加热时奥氏体的长大倾向。量及分布，从而影响加热时奥

22、氏体的长大倾向。本讲稿第十页，共五十九页五、钢在冷却时的转变五、钢在冷却时的转变 1、冷却条件对钢机械性能的影响、冷却条件对钢机械性能的影响 钢经加热获得均匀奥氏体，一般只是为实现热处理的目的创造了一个前提条钢经加热获得均匀奥氏体，一般只是为实现热处理的目的创造了一个前提条件。热处理后钢的性能是由随后冷却所得到的组织来决定的。因此，控制奥氏体在件。热处理后钢的性能是由随后冷却所得到的组织来决定的。因此，控制奥氏体在冷却时的转变过程是获得所需要性能的关键。冷却时的转变过程是获得所需要性能的关键。实际生产中控制奥氏体转变的冷却方实际生产中控制奥氏体转变的冷却方式有两种：式有两种：一种是大量采用的一

23、种是大量采用的连续冷却连续冷却：即由高：即由高温连续冷却下来，如随炉冷却、空冷、油温连续冷却下来，如随炉冷却、空冷、油冷、水冷等，如图中曲线冷、水冷等，如图中曲线2所示。所示。另一种是另一种是等温冷却：等温冷却：即由高温快速冷即由高温快速冷却到某一温度，等温停留一段时间，然后却到某一温度，等温停留一段时间，然后再冷却下来，如图中曲线再冷却下来，如图中曲线1所示。所示。本讲稿第十一页，共五十九页 下表列出了下表列出了40Cr钢经同样奥氏体化后，不同冷却条件对其的影响。可钢经同样奥氏体化后，不同冷却条件对其的影响。可以看出，同样的奥氏体经过不同冷却之后，性能显著不同，强度要相差几以看出，同样的奥氏

24、体经过不同冷却之后，性能显著不同，强度要相差几倍。倍。这是由于在不同的冷速之下，奥氏体的过冷度不同，转变产物的组织这是由于在不同的冷速之下，奥氏体的过冷度不同，转变产物的组织便不同，因而其性能也不同。便不同，因而其性能也不同。钢在铸造、锻制、焊接后，也都要经过由高温到室温的冷却过程，实质钢在铸造、锻制、焊接后，也都要经过由高温到室温的冷却过程，实质上也是个冷却转变过程，应正确控制，否则也会形成缺陷。上也是个冷却转变过程，应正确控制，否则也会形成缺陷。本讲稿第十二页，共五十九页 钢在冷却时的转变规律，不仅是制定热处理工艺所依据的原理，也是制钢在冷却时的转变规律，不仅是制定热处理工艺所依据的原理，

25、也是制定热加工后的冷却工艺的理论依据。定热加工后的冷却工艺的理论依据。为什么冷却方式不同，奥氏体转变产物的组织就不同？奥氏体在冷却过为什么冷却方式不同，奥氏体转变产物的组织就不同？奥氏体在冷却过程中是怎样转变的？受哪些因素影响以及怎样控制这些因素才能获得所需程中是怎样转变的？受哪些因素影响以及怎样控制这些因素才能获得所需要组织和性能？要回答这些问题，就必须研究要组织和性能？要回答这些问题，就必须研究奥氏体的冷却转变规律奥氏体的冷却转变规律。通常采用两种方法：通常采用两种方法：一种是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过一种是在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出程，绘出奥氏体等温转变曲线奥

26、氏体等温转变曲线；另一种是在不同冷速的连续冷却过程中测；另一种是在不同冷速的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体连续冷却转变曲线奥氏体连续冷却转变曲线。这两种曲线在热处理中的作用很大。这两种曲线在热处理中的作用很大。本讲稿第十三页，共五十九页2、过冷奥氏体等温转变曲线、过冷奥氏体等温转变曲线 过冷奥氏体等温转变：过冷奥氏体等温转变：是将奥氏体迅速冷却到临界温度以下的某一温度，并在此温度下进是将奥氏体迅速冷却到临界温度以下的某一温度，并在此温度下进行保温，在等温过程中发生的转变。行保温，在等温过程中发生的转变。把综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温转变的过程参数

27、如转变开始和终了时间、转把综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温转变的过程参数如转变开始和终了时间、转变产物和转变量与温度和时间的关系曲线就叫做过冷奥氏体等温转变曲线，叫做变产物和转变量与温度和时间的关系曲线就叫做过冷奥氏体等温转变曲线，叫做C-曲线。曲线。A、共析碳钢、共析碳钢C-曲线曲线建立：建立：C-曲线是曲线是利用过冷奥氏体转变产物的组织形态或物利用过冷奥氏体转变产物的组织形态或物理性质的变化来测定的。理性质的变化来测定的。常用的有金相法、常用的有金相法、磁性法等。以金相法为例，介绍建立过程。磁性法等。以金相法为例，介绍建立过程。v首先将共析钢制成首先将共析钢制成 101.5mm的圆片的

28、圆片试样，分为若干组，每组几个试样。试样试样，分为若干组，每组几个试样。试样在同样条件下奥氏体化，获得均匀奥氏体。在同样条件下奥氏体化，获得均匀奥氏体。v然后，把各组试样分别迅速冷却到然后，把各组试样分别迅速冷却到A1以以下不同温度，如下不同温度，如700、650、600、等温等温浴槽中进行等温，同时记录时间，每隔一浴槽中进行等温，同时记录时间，每隔一定时间取出一个试样，这样就把不同时刻的定时间取出一个试样，这样就把不同时刻的等温状态固定下来，如图示。等温状态固定下来，如图示。本讲稿第十四页，共五十九页v进行金相分析。凡是等温时未转变的奥氏体，水冷后就变为马氏体和残余奥氏体，呈白亮进行金相分析

29、。凡是等温时未转变的奥氏体，水冷后就变为马氏体和残余奥氏体，呈白亮色。而等温转变产物则原样保留下来，呈暗黑色。色。而等温转变产物则原样保留下来，呈暗黑色。v通过金相分析，作出各温度下奥氏体转变量和通过金相分析，作出各温度下奥氏体转变量和时间的关系曲线，即时间的关系曲线，即奥氏体等温转变动力学曲线奥氏体等温转变动力学曲线，如图示。从图中可以找出奥氏体在各温度下转变开如图示。从图中可以找出奥氏体在各温度下转变开始时间（以转变量为始时间（以转变量为1%时间为转变开始点），及时间为转变开始点），及转变终了时间转变终了时间(转变量为转变量为99%时间作为转变终了点时间作为转变终了点)。v将各个温度的转变

30、开始时间和转变终了时间都将各个温度的转变开始时间和转变终了时间都绘在温度绘在温度-时间坐标中，再分别把所有转变开始时时间坐标中，再分别把所有转变开始时间（间（a1、a2、）及转变终了时间（）及转变终了时间（b1、b2、）连接起来，便绘成连接起来，便绘成C-曲线，如图曲线，如图b所示。所示。图中，图中，a1a2曲线为奥氏体开始转变线，其左曲线为奥氏体开始转变线，其左边边区是尚未转变奥氏体区；区是尚未转变奥氏体区；b1b2曲线为奥氏体曲线为奥氏体转变终了线，右边转变终了线，右边区是奥氏体转变终了区。区是奥氏体转变终了区。区区是过冷奥氏体和转变产物共存区。其上部向是过冷奥氏体和转变产物共存区。其上部

31、向A1线线趋近而不相交，其下部与马氏体转变开始线趋近而不相交，其下部与马氏体转变开始线MS相交。相交。本讲稿第十五页，共五十九页B、由共析钢、由共析钢C-曲线可看出规律性：曲线可看出规律性：a)过冷奥氏体各温度的等温转变不是瞬间过冷奥氏体各温度的等温转变不是瞬间开始，而需要孕育期。开始，而需要孕育期。孕育期长短随过冷度而孕育期长短随过冷度而变化。越靠近变化。越靠近A1点，孕育期越长。随着过冷度点，孕育期越长。随着过冷度增加，孕育期缩短，在约增加，孕育期缩短，在约570到极小。此后到极小。此后孕育期随过冷度增大而变长。孕育期随过冷度增大而变长。即孕育期随过冷即孕育期随过冷度的变化出现了度的变化出

32、现了“长长-短短-长长”的变化规律。的变化规律。b)转变终了时间随过冷度的变化和孕育期转变终了时间随过冷度的变化和孕育期相似，出现了慢相似，出现了慢-块块-慢的变化规律，曲线呈慢的变化规律，曲线呈C形。形。孕育期长短反映出过冷奥氏体稳定性大小。孕育期长短反映出过冷奥氏体稳定性大小。在在C-曲线鼻尖曲线鼻尖570处，孕育期最短，过冷奥处，孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，转变最快。靠近氏体最不稳定，转变最快。靠近A1点和点和MS点的点的温度，孕育期长，过冷奥氏体稳定，转变很慢。温度，孕育期长，过冷奥氏体稳定，转变很慢。c)对共析钢来说，在对共析钢来说，在A1以下，过冷奥氏体以下，过冷奥氏体发生三种

33、不同转变：发生三种不同转变：C-曲线鼻子以上曲线鼻子以上A1500间，发生珠光体转变，为珠光体区。在间，发生珠光体转变，为珠光体区。在C-曲线曲线鼻子以下约鼻子以下约550MS点间，发生贝氏体转变，为贝氏体区。在点间，发生贝氏体转变，为贝氏体区。在MS线以下，为马氏体区。线以下，为马氏体区。正是由于转变性质和转变产物的组织、形态的不同，所以钢的硬度随温度的降低而升高。正是由于转变性质和转变产物的组织、形态的不同，所以钢的硬度随温度的降低而升高。本讲稿第十六页，共五十九页3、过冷奥氏体在连续冷却中的转变、过冷奥氏体在连续冷却中的转变 生产上大多数热处理是在生产上大多数热处理是在连续冷却条件下进行

34、的。如普连续冷却条件下进行的。如普通水冷淬火、炉冷退火和空冷通水冷淬火、炉冷退火和空冷正火等。钢在铸造、锻轧、焊正火等。钢在铸造、锻轧、焊接之后，也大多采用空冷、坑接之后，也大多采用空冷、坑冷等连续冷却方式。所以研究冷等连续冷却方式。所以研究过冷奥氏体连续冷却中的转变过冷奥氏体连续冷却中的转变规律，对指导生产有重要意义。规律，对指导生产有重要意义。如前所示，奥氏体等温转变规律可以用如前所示，奥氏体等温转变规律可以用C-曲线表示出来。同样地，曲线表示出来。同样地，奥氏体奥氏体连续冷却转变的规律也可以用另一种连续冷却转变的规律也可以用另一种C-曲线表示出来，这就是连续冷却曲线表示出来，这就是连续冷

35、却C-曲线。曲线。目前测得比较完善的连续冷却目前测得比较完善的连续冷却C-曲线如图曲线如图1-38所示。所示。本讲稿第十七页，共五十九页A、连续冷却、连续冷却C-曲线的建立：曲线的建立：连续冷却连续冷却C-曲线的测定方法通常有综合曲线的测定方法通常有综合应用热分析法、金相法和膨胀法。应用热分析法、金相法和膨胀法。以金相法为例，简要介绍共析钢的连续以金相法为例，简要介绍共析钢的连续冷却冷却C-曲线的测定过程。曲线的测定过程。v用若干组共析钢小圆片试样，经同样奥用若干组共析钢小圆片试样，经同样奥氏体化后，每组试样各氏体化后，每组试样各以一个恒定的速度连以一个恒定的速度连续冷却续冷却，每隔一段时间取

36、出一个试样淬入水，每隔一段时间取出一个试样淬入水中，见图中，见图1-39，将高温转变的状态固定到室，将高温转变的状态固定到室温，然后进行金相分析，求出每种转变的开温，然后进行金相分析，求出每种转变的开始温度、开始时间和转变量。始温度、开始时间和转变量。v将各冷速下的数据综合绘在温度将各冷速下的数据综合绘在温度-时间的时间的坐标中，连接物理意义相同的点，便得到共坐标中，连接物理意义相同的点，便得到共析钢的连续冷却析钢的连续冷却C-曲线，如图曲线，如图1-40所示。所示。本讲稿第十八页，共五十九页B、共析钢的连续冷却、共析钢的连续冷却C-曲线分析：曲线分析：只有珠光体转变区和马氏体转变区。由图可只

37、有珠光体转变区和马氏体转变区。由图可看出，看出，珠光体转变区由三条曲线构成：左边一条珠光体转变区由三条曲线构成：左边一条是转变开始线，右边是转变终了线，下面是转变是转变开始线，右边是转变终了线，下面是转变中止线。马氏体转变区则由两条曲线构成：马氏中止线。马氏体转变区则由两条曲线构成：马氏体开始转变的温度上限体开始转变的温度上限MS线，和冷速下限线，和冷速下限VC线。线。连续冷却连续冷却C-曲线清楚地反映了过冷奥氏体在曲线清楚地反映了过冷奥氏体在各冷速下连续冷却过程中，将会发生的各种转变各冷速下连续冷却过程中，将会发生的各种转变以及各种转变进行的温度、时间和转变量。以及各种转变进行的温度、时间和

38、转变量。用连续冷却用连续冷却C-曲线分析不同冷速下转变过程曲线分析不同冷速下转变过程和产物时，应沿着和产物时，应沿着C-曲线由左上方向右下方来读。曲线由左上方向右下方来读。如当冷速为如当冷速为5.6/s时时，当冷却曲线和珠光体，当冷却曲线和珠光体转变开始线相交时，便开始转变开始线相交时，便开始 P转变，与终了线转变，与终了线相交时，转变即结束，形成相交时，转变即结束，形成100%珠光体。珠光体。当冷速为当冷速为33.3/s时时，转变情况如前，仍形成，转变情况如前，仍形成100%珠光体。只是转变的开始和终了温度珠光体。只是转变的开始和终了温度降低，转变时间缩短。降低，转变时间缩短。本讲稿第十九页

39、，共五十九页 若再增大冷速，若再增大冷速，则冷却曲线只与则冷却曲线只与P开始线相交，不再与转变终了线相交，而是与中止线相开始线相交，不再与转变终了线相交，而是与中止线相交。奥氏体部分转变为珠光体，剩余奥氏体一直要冷到交。奥氏体部分转变为珠光体，剩余奥氏体一直要冷到MS线以下才转变为马氏体。此后，随线以下才转变为马氏体。此后，随着冷速加大，珠光体转变量越来越少，马氏体转变量越来越多。着冷速加大，珠光体转变量越来越少，马氏体转变量越来越多。当冷速增加到当冷速增加到138.8/s时，时，冷却曲线不再与转变开始线相交，奥氏体不再珠光体转变，而全部过冷到马氏体区，只发生冷却曲线不再与转变开始线相交，奥氏

40、体不再珠光体转变，而全部过冷到马氏体区，只发生马氏体转变。马氏体转变。此后增大冷速此后增大冷速转变情况不再变化。转变情况不再变化。上述分析可见，上述分析可见，图中图中VC和和VC是两个临界冷却是两个临界冷却速度。速度。当冷却速度小于当冷却速度小于VC时，只发生珠光体转变；时，只发生珠光体转变；大于大于VC时，则先后发生珠光体转变和马氏体转变。时，则先后发生珠光体转变和马氏体转变。大于大于VC时，只发生马氏体转变。所以时，只发生马氏体转变。所以VC是保证奥是保证奥氏体连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏氏体连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷速，叫做体区的最小冷速，叫做上临界

41、冷速上临界冷速。VC则是保证则是保证奥氏体在连续冷却过程中发生全部分解而不转变为奥氏体在连续冷却过程中发生全部分解而不转变为马氏体的最大冷速，称为马氏体的最大冷速，称为下临界冷速下临界冷速。钢在淬火时的冷却速度应大于上临界冷速钢在淬火时的冷却速度应大于上临界冷速VC，而在铸造、锻轧、焊接以后的冷速应小于而在铸造、锻轧、焊接以后的冷速应小于VC。本讲稿第二十页，共五十九页C、连续冷却与等温转变之间的关系、连续冷却与等温转变之间的关系 连续冷却过程可以看成是无数个微小的等温过程，在经过每一温度时都连续冷却过程可以看成是无数个微小的等温过程，在经过每一温度时都停留了一个微小时间。连续冷却过程就是在这

42、些微小过程中孕育、发生和停留了一个微小时间。连续冷却过程就是在这些微小过程中孕育、发生和发展的。发展的。连续冷却过程实质上是由无数个微小等温转变过程组成的，所连续冷却过程实质上是由无数个微小等温转变过程组成的，所以，在连续冷却过程中，只能出现已有的等温过程，而不会出现任何新的以，在连续冷却过程中，只能出现已有的等温过程，而不会出现任何新的变化。而且每种转变只能在自己的温度区间内。变化。而且每种转变只能在自己的温度区间内。如果在连续冷却过程中，某一转变在自己的温度区内达到了孕育期的要如果在连续冷却过程中，某一转变在自己的温度区内达到了孕育期的要求，这一转变就出现并发展；如果达不到孕育期的要求，这

43、一转变就不会求，这一转变就出现并发展；如果达不到孕育期的要求，这一转变就不会出现。已经在进行的转变，一旦冷到自己的温度区以下，便立即停止。出现。已经在进行的转变，一旦冷到自己的温度区以下，便立即停止。本讲稿第二十一页，共五十九页4、过冷奥氏体转变曲线的应用、过冷奥氏体转变曲线的应用 A、根据过冷奥氏体转变曲线可制定等温退火、等温淬火、分级淬火的温度、根据过冷奥氏体转变曲线可制定等温退火、等温淬火、分级淬火的温度、时间等参数。还可确定形变热处理的温度范围。时间等参数。还可确定形变热处理的温度范围。B、分析转变产物、分析转变产物 利用等温转变曲线近似地估算在实际热处理条件下，奥氏体的转变过程及转变

44、利用等温转变曲线近似地估算在实际热处理条件下，奥氏体的转变过程及转变产物。方法就是把已知的冷却曲线叠加在等温转变曲线上，看其与等温转变的交产物。方法就是把已知的冷却曲线叠加在等温转变曲线上，看其与等温转变的交点，就可以定性地判断某钢在这种冷却条件下的转变温度范围及其产物。点，就可以定性地判断某钢在这种冷却条件下的转变温度范围及其产物。利用连续冷却转变曲线，可较精准地估计实际热处理条件下，所能得到的组织利用连续冷却转变曲线，可较精准地估计实际热处理条件下，所能得到的组织和硬度。和硬度。C、利用过冷奥氏体连续冷却转变曲线，不仅可以分析不同焊接方法得到的热、利用过冷奥氏体连续冷却转变曲线，不仅可以分

45、析不同焊接方法得到的热影响区组织和性能冷却的变化，判断那种焊接方法可不降低性能，而且还可以分析影响区组织和性能冷却的变化，判断那种焊接方法可不降低性能，而且还可以分析焊接产生裂纹的倾向。焊接产生裂纹的倾向。本讲稿第二十二页，共五十九页5、钢热处理后常见的几种组织形态、钢热处理后常见的几种组织形态 A、珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。、珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。根据渗碳体形状，珠根据渗碳体形状，珠光体分为两种：光体分为两种：一种是一种是片状珠光体片状珠光体，如图，如图1-45所示。另一种是所示。另一种是粒状珠光体粒状珠光体，渗碳体，渗碳体呈颗粒状均匀分布在铁素体基体

46、上。呈颗粒状均匀分布在铁素体基体上。根据片层间距大小，珠光体又可分为珠光体根据片层间距大小，珠光体又可分为珠光体P、索氏体、索氏体S、屈氏体、屈氏体T三种。三种。在光学显微镜下放大在光学显微镜下放大400倍以上便能看清珠光体倍以上便能看清珠光体(图图(a)，放大，放大1000倍以上就能看清索氏体倍以上就能看清索氏体(图图b)。在光镜最大倍数下也看不清屈氏体，。在光镜最大倍数下也看不清屈氏体，必须用电子显微镜放大几千倍以上，才能看清屈氏体片层结构必须用电子显微镜放大几千倍以上，才能看清屈氏体片层结构(图图(c)、(d)。本讲稿第二十三页，共五十九页v珠光体珠光体P、索氏体、索氏体S、屈氏体、屈氏

47、体T三者实际上是同一种组织，只是渗碳体片三者实际上是同一种组织，只是渗碳体片的厚度不同，因而片层间距不同罢了。的厚度不同，因而片层间距不同罢了。转变温度越低，即过冷度越大，则转变温度越低，即过冷度越大，则形成的珠光体组织越细，片层间距越小，硬度越高。形成的珠光体组织越细，片层间距越小，硬度越高。v片状珠光体的性能主要取决于片层间距，片层间距越小，则珠光体的强片状珠光体的性能主要取决于片层间距，片层间距越小，则珠光体的强度和硬度越高，同时塑性和韧性也变好。渗碳体的强化作用度和硬度越高，同时塑性和韧性也变好。渗碳体的强化作用并不是依靠本并不是依靠本身的强度，身的强度，而是依靠相界面强化而是依靠相界

48、面强化。渗碳体与铁素体的相界面增强了位错运。渗碳体与铁素体的相界面增强了位错运动的阻力，因而提高了强度和硬度。动的阻力，因而提高了强度和硬度。v在相同硬度下，粒状珠光体比片状珠光体的综合力学性能要优越得多。在相同硬度下，粒状珠光体比片状珠光体的综合力学性能要优越得多。这是由于粒状这是由于粒状Fe3C不易产生应力集中和裂纹的原因。不易产生应力集中和裂纹的原因。本讲稿第二十四页，共五十九页B、马氏体、马氏体:是碳在是碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体，具有体心正方点阵结构中的过饱和间隙固溶体，具有体心正方点阵结构，如图示。，如图示。由由Fe-Fe3C相图可知，在相图可知，在723时时-Fe的最大溶碳量

49、为的最大溶碳量为0.02%。在室温下几乎不。在室温下几乎不溶碳。而马氏体转变时，奥氏体的碳量将溶碳。而马氏体转变时，奥氏体的碳量将全部全部“冻结冻结”在马氏体中，而且这些过饱和在马氏体中，而且这些过饱和固溶碳原子优先分布在沿着固溶碳原子优先分布在沿着C轴的扁八面轴的扁八面体间隙中，从而使体间隙中，从而使-Fe的体心立方结构发的体心立方结构发生正方畸变。生正方畸变。淬火钢中的马氏体，按其金相形态可淬火钢中的马氏体，按其金相形态可分为两种主要类型：一分为两种主要类型：一种是片状马氏体，种是片状马氏体，另一种是条状马氏体另一种是条状马氏体。本讲稿第二十五页，共五十九页 片状马氏体出现在高碳钢淬火组织

50、中，也叫高碳马氏体。条状马氏体出现在低片状马氏体出现在高碳钢淬火组织中，也叫高碳马氏体。条状马氏体出现在低碳钢淬火组织中，也叫碳钢淬火组织中，也叫低碳马氏体低碳马氏体。v 片状马氏体在光学显微镜下呈针片状马氏体在光学显微镜下呈针片状或竹叶状，组织中白亮针状组片状或竹叶状，组织中白亮针状组织就是片状马氏体，暗色部分是残织就是片状马氏体，暗色部分是残余奥氏体。一经低温回火，片状马余奥氏体。一经低温回火，片状马氏体就变成黑色针状，而残余奥氏氏体就变成黑色针状，而残余奥氏体就变成白色。体就变成白色。片状马氏体的立体形态是片状马氏体的立体形态是双透双透镜状镜状，如图示。片状马氏体的，如图示。片状马氏体的