航空工程材料教案钢的热处理原理

1、项目 （任务）学习子情境：钢的热处理原理的认知之一授课班级授课教师地 点课时/累计审批/日期多媒体教室2/26授课周次课程类型理论课教学方法举例教学目标知 识 目 标能力（技能）目标1、掌握钢在加热时的组织转变；2、了解“C”曲线的建立方法；会利用钢在加热时的组织转变细化晶粒提高力学性能重难点及解决方法重点：钢在加热时的组织转变；“C”曲线的建立与概况。难点：钢的奥氏体化和晶粒长大解决方法：多媒体演示、举例能力训练任务及案例汽车齿轮20CrMnTi,加Ti的目的是阻止奥氏体晶粒的长大教学回顾回顾前面所学的铁碳合金和成分不同的材料，其性能不同。同一化学成分的材料，组织不同，性能也不同。教学过程设

2、计：1.复习上节课的内容。2.多媒体演示、挂图讲解共析钢在加热时的组织转变。3.多媒体演示、讲解“C”曲线的建立与概况。学习子情境 钢的热处理的认知之一一、教学回顾：回顾前面所学的铁碳合金和成分不同的材料，其性能不同。同一化学成分的材料，组织不同，性能也不同。二、热处理：1、定义：对固态下的金属，通过加热、保温和冷却来改变它们的内部组织，从而改善其性能的工艺方法。加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。保温的目的是要保证工件烧

3、透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。2、热处理的分类：根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以分为下列几类：1普通热处理 包括退火、正火、淬火和回火等。2表面热处理 包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、渗碳、氮化和碳氮共渗等。3其它热处理 包括可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理、局部热处理等。按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热处理工艺还可分为预备热处理和最终热处理。预

4、备热处理是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。最终热处理是零件加工的最终工序，其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能达到所需要的使用性能。3、热处理工艺曲线：热处理工艺过程的“温度-时间”坐标曲线（例：20CrMnTi渗碳、淬火、回火）。：热处理能主动控制和改变钢的性能，其根本原因是由于铁有同素异晶转变，能通过热处理主动控制其内部组织与结构变化。：目的：研究钢在加热和冷却时内部组织转变的规律，并据此确定加热温度、保温时间、冷却介质。三、钢在加热时的组织转变：加热目的：获得奥氏体，并控制

5、其晶粒大小、成分及均匀度。根据铁碳相图，共析钢加热到超过A1温度时，全部转变为A；而亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能获得单相A组织。在实际热处理加热条件下，相变是在不平衡条件下进行的，其相变点与相图中的相变温度有一些差异。由于过热和过冷现象的影响，加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为滞后。加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。1、共析钢加热时的组织转变共析碳钢（含0.77%C）加热前为P组织，一般为F与Fe3C相间排列的层片

6、状组织，加热过程中A转变过程可分为四步进行，如下图所示。（1）A晶核的形成:由Fe-Fe3C状态图知：在A1温度F约含0.0218%C，Fe3C含6.69%C，奥氏体含0.77%C。在P转变为A过程中，原F由体心立方晶格改组为A的面心立方晶格，原Fe3C由复杂斜方晶格转变为面心立方晶格。所以，钢的加热转变既有碳原子的扩散，也有晶体结构的变化。基于能量与成分条件，A晶核在P的F与Fe3C两相交界处产生，这两相交界面越多，A晶核越多。珠光体向奥氏体转变过程示意图 （2）A的长大:A晶核形成后，它的一侧与Fe3C相接，另一侧与F相接。随着F的转变（F区域的缩小），以及Fe3C的溶解（Fe3C区域缩小

7、），A不断向其两侧的原F区域及Fe3C区域扩展长大，直至F完全消失，A彼此相遇，形成一个个的A晶粒。（3）残余Fe3C的溶解:由于F转变为A速度远高于Fe3C的溶解速度，在F完全转变之后尚有不少未溶解的“残余Fe3C”存在，还需一定时间保温，让Fe3C全部溶解。（4）A成分的均匀化。即使Fe3C全部溶解，A内的成分仍不均匀，在原F区域形成的A含碳量偏低，在原Fe3C区域形成的A含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散，A成分才可能均匀。上述分析表明，P转变为A并使A成分均匀必须有两个必要而充分条件：一是温度条件，要在Ac1以上加热，二是时间条件，要求在Ac1以上温度保持足够时间。在一定加

8、热速度条件下，超过Ac1的温度越高，A的形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度（高于Ac1）条件下，保温时间越长，A成分越均匀。还要看到A晶粒由小尺寸变为大尺寸是一个自发过程，在Ac1以上的一定加热温度下，过长的保温时间会导致A晶粒的合并，尺寸变大。相对之下，相同时间加热，高的加热温度导致A晶粒尺寸的增大倾向明显大于低的加热温度的A晶粒长大倾向。A晶粒尺寸过大（或过粗）往往导致热处理后钢的强度降低，工程上往往希望得到细小而成分均匀的A晶粒，为此可以采用：一是在保证A成分均匀情况下选择尽量低的奥氏体化温度和短暂保温；二是快速加热到较高的温度经短暂保温使形成的A来不及长大而冷却得到细小的晶粒

9、；三是化学成分；四是原始组织。工程上把A晶粒尺寸大小定义为晶粒度，并分为8级，其中14级为粗晶粒，5级以上为细晶粒，超过8级为超细晶粒。2、非共析钢的加热转变亚共析钢与过共析钢的P加热转变为A过程与共析钢转变过程是一样的，即在Ac1温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢中的P均要转变为A。不同的是还有亚共析钢的F的转变与过共析钢的二次Fe3C的溶解。更重要的是铁素体的完全转变要在A3温度（Fe-Fe3C状态图的GS线)以上，考虑热滞后实际要在Ac3以上，二次Fe3C的完全溶解要在温度Acm(Fe-Fe3C状态图的ES线)以上，考虑热滞后要在Accm以上。即亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以

10、上，对过共析钢要在Accm以上。如果亚共析钢仍仅在Ac1Ac3温度之间加热，无论加热时间多长加热后的组织仍为F与A共存。对过共析钢在Ac1Accm温度之间加热，加热后的组织应为二次渗碳体与A共存。加热后冷却过程的组织转变也仅是奥氏体向其它组织的转变，其中的铁素体及二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变。四、钢在冷却时的组织转变：同样的钢，加热条件相同，但冷却条件不同，它们在性能上会产生明显的差异。故必须了解A在冷却过程中的组织改变规律。两种冷却方式：等温冷却、连续冷却。1、A等温冷却时的转变过冷A:在A1温度以下暂时存在的处于不稳定状态的A。孕育期：A过冷至A1温度以下时至转变开始前的这段时间。过

11、冷A的等温冷却转变：过冷A在A1温度以下恒温冷却完成转变的过程。“C”曲线：过冷A等温冷却转变的温度不同，获得的组织和性能也不同。全面表达过冷A的等温冷却转变温度、时间与转变产物之间关系的图形称过冷A的等温冷却转变曲线，因形如字母“C”，称“C”曲线。是通过实验测得的。（1）“C”曲线的建立与概况（以共析钢为例）：取若干共析钢试片，将它们都加热A化，然后将它们分别投入不同温度的保温炉中完成等温转变过程。在各个不同的等温转变过程中，测出A开始分解点和分解终了点的时间，将它们标在温度时间（对数）坐标图上，然后分别用平滑的曲线把转变开始点和转变终了点连接起来，即得“C”曲线。下图为共析碳钢过冷奥氏体的等温转变曲线。纵坐标表示转变温度，横坐标表示转变时间。它反映了奥氏体在快速冷却到临界点以下在各不同温度的保温过程中，温度、时间与转变组织、转变量的关系。“C”曲线概况（如图）：两条曲线：三条水平线：