空气动力学与飞行原理课件 13-钢的热处理原理（二）

4.2钢的热处理原理（二）课前回顾任务实施1.热处理分为哪三个阶段？目的是什么？2.奥氏体的形成过程分为哪几步？影响奥氏体转变的因素有哪些？3.影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些？如何控制？导入新课45钢经过840ºC奥氏体化后，不同条件冷却的力学性能：冷却方法σb

/MPaσs

/MPaδ/%ψ/%硬度/HRC随炉冷却51927232.54915~18空气冷却657~70633315~1845~5018~24油中冷却88260818~204840~50水中冷却10787067~812~1452~60奥氏体化后，当采用不同的冷却速度冷却时，将会转变出不同的组织，具备不同的性能。所以，冷却过程是热处理的最关键环节。科学家精神任务实施2020年9月11日，习近平总书记在科学家座谈会上指出：“科学家精神是科技工作者在长期科学实践中积累的宝贵精神财富。新中国成立以来，广大科技工作者在祖国大地上树立起一座座科技创新的丰碑，也铸就了独特的精神气质。”爱国、创新、求实、奉献、协同、育人，这份精神气质书写下一个共同的名字——科学家。知识目标1.熟悉过冷奥氏体的组织转变方式；2.了解C曲线的建立与影响因素；3.掌握过冷奥氏体的等温转变和连续转变。能力目标会根据过冷奥氏体的连续冷却转变图和冷却速度分析转变产物及其性能。教学目标素质目标1.具有科学家精神；2.具有创新意识一、过冷奥氏体冷却时的转变方式当以极其缓慢的速度冷却时，奥氏体在A1线发生转变；但冷却速度较快时，奥氏体常需过冷到A1线以下，才能发生转变，我们把在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。其转变方式有两种：等温冷却转变和连续冷却转变。

钢在等温冷却或连续冷却条件下冷却，其组织的转变均不能用Fe-Fe3C相图分析。为了研究奥氏体在不同冷却条件下冷却时的组织转变的规律，测定了过冷奥氏体等温转变图和连续冷却转变图，这两个图揭示了过冷奥氏体转变的规律，为钢的热处理奠定了理论基础。一、过冷奥氏体冷却时的转变方式二、过冷奥氏体的等温转变所谓过冷奥氏体是指在相变温度A1以下，未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体。过冷奥氏体总是要自发地转变为稳定的新相。过冷奥氏体等温转变图是研究过冷奥氏体等温转变的重要工具，是通过实验方法测定的。下面以共析钢为例，分析过冷奥氏体等温转变规律。通过金相观察和硬度测试，获得各试样在不同时刻的组织和硬度，并标注到图上，就可得到完整的共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图。通常简称“C曲线”。又称为TTT曲线。二、过冷奥氏体的等温转变二、过冷奥氏体的等温转变1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点图所示是共析钢过冷奥氏体等温转变图。图中曲线呈“C”字形，通常又称C曲线。二、过冷奥氏体的等温转变在C曲线中，左边的一条C形曲线为过冷奥氏体等温转变开始线，右边的一条为等温转变终了线。一、过冷奥氏体的等温转变1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点在转变开始线的左方是过冷奥氏体区，在转变终了线的右方是转变产物区，两条曲线之间是转变区。一、过冷奥氏体的等温转变1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点在C曲线下部有两条水平线，一条是马氏体转变开始线（以Ms表示），一条是马氏体终了线（以Mf表示）。一、过冷奥氏体的等温转变1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点

在A1线以上，奥氏体处于稳定状态；在A1线以下，过冷奥氏体在各个温度下的等温转变并非瞬时就开始，而是经过一段“孕育期”（以转变开始线与纵坐标之间的距离表示）。一、过冷奥氏体的等温转变1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点孕育期越长，过冷奥氏体越稳定，反之则不稳定。孕育期的长短随过冷度而变化，在靠近A1线处，过冷度较小，孕育期较长。随着过冷度增大，孕育期缩短，约在550℃时孕育期最短。二、过冷奥氏体的等温转变1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点此后，孕育期又随过冷度的增大而增长。孕育期最短处即C曲线的“鼻尖”处过冷奥氏体最不稳定，转变最快。一、过冷奥氏体的等温转变1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点过冷奥氏体在A1线以下的不同温度范围内，可发生三种不同类型的转变：高温珠光体型转变；中温贝氏体型转变和低温马氏体型转变。1.共析钢过冷奥氏体等温转变图的特点一、过冷奥氏体的等温转变二、过冷奥氏体的等温转变1.过冷奥氏体的珠光体（高温）转变转变温度范围：A1～550℃。珠光体组成：F和Fe3C的机械混合物。渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上。形成特点：在固态下形核、长大。是扩散型相变（原子扩散能力强，通过碳、铁原子的扩散和晶体结构的重构来实现）。二、过冷奥氏体的等温转变1.过冷奥氏体的珠光体（高温）转变珠光体转变是以形核长大方式进行的，在A1～550℃温度范围内，奥氏体等温分解为层片状的珠光体组织。珠光体层间距随过冷度的增大而减小。二、过冷奥氏体的等温转变2.过冷奥氏体的珠光体（高温）转变层片状根据粗细不同，分为：A1--650℃：珠光体P650--600℃：索氏体S（细P)600--550℃：托氏体T（极细P）

转变温度越低，层间距越小。2.过冷奥氏体的珠光体（高温）转变二、过冷奥氏体的等温转变珠光体3800倍

索氏体8000倍托氏体8000倍珠光体型组织的扫描电镜照片二、过冷奥氏体的等温转变2.过冷奥氏体的珠光体（高温）转变珠光体的性能：

片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。二、过冷奥氏体的等温转变2.过冷奥氏体的珠光体（高温）转变二、过冷奥氏体的等温转变2.过冷奥氏体的贝氏体（中温）转变转变温度范围：550℃～MS。贝氏体组成：过饱和F和Fe3C的机械混合物。形成特点：原子扩散能力较弱；过冷度较大，主要通过相变驱动力来改变晶格结构。半扩散型相变（铁原子难扩散，碳原子通过扩散形成碳化物）。2.过冷奥氏体的贝氏体（中温）转变二、过冷奥氏体的等温转变形态：550---350℃：碳原子有一定的扩散能力，上贝氏体B上。350---Ms：碳原子扩散能力更弱，下贝氏体B下。二、过冷奥氏体的等温转变2.过冷奥氏体的贝氏体（中温）转变光镜下电镜下上贝氏体形貌（羽毛状）2.过冷奥氏体的贝氏体（中温）转变二、过冷奥氏体的等温转变二、过冷奥氏体的等温转变2.过冷奥氏体的贝氏体（中温）转变下贝氏体形貌（竹叶状——黑针状）光镜下电镜下2.过冷奥氏体的贝氏体（中温）转变二、过冷奥氏体的等温转变二、过冷奥氏体的等温转变2.过冷奥氏体的贝氏体（中温）转变性能：上贝氏体强度、塑性、韧性都较差，无使用价值。下贝氏体强韧性好，是生产上常用的强化组织之一。2.过冷奥氏体的贝氏体（中温）转变二、过冷奥氏体的等温转变组织名称符号形成温度范围（℃）显微组织特征硬度（HRC）二、过冷奥氏体的等温转变组织名称符号形成温度范围（℃）显微组织特征硬度（HRC）珠光体PA1-650粗片状机械混合物＜25索氏体S650-600细片状机械混合物25-35托氏体T600-550极细片状机械混合物35-40上贝氏体B上550-350羽毛状40-45下贝氏体B下350-Ms黑色针状45-55二、过冷奥氏体的等温转变二、过冷奥氏体的等温转变3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变马氏体转变区：

是当奥氏体被迅速过冷至MS线以下时发生的转变。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定温度范围内(MS～Mf线之间)连续冷却时完成的。二、过冷奥氏体的等温转变4.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变马氏体转变区：转变温度在Ms～Mf之间。Ms-马氏体转变开始温度Mf-马氏体转变结束温度过冷A快速冷却到Ms温度以下，转变为马氏体。

3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变二、过冷奥氏体的等温转变马氏体转变特点：过冷A转变为马氏体（M）是一种非扩散型转变：

铁、碳原子失去扩散能力。过冷度大，相变驱动力改变过冷A的晶格结构。铁原子沿奥氏体一定晶面，集体地按一定角度进行切变，使面心立方晶格改组为体心正方晶格。碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中，增大了其正方度c/a。二、过冷奥氏体的等温转变3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变马氏体转变特点：马氏体本质：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。晶格为体心正方晶格。过饱和碳使α-Fe的晶格发生很大畸变，

产生很强的固溶强化。3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变二、过冷奥氏体的等温转变马氏体转变特点：马氏体变温形成，形成速度很快；

奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，

瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷A不断转变为马氏体，是一个连续冷却的转变过程。马氏体形成时体积膨胀。体积膨胀在钢中造成很大的内应力，

严重时导致变形和开裂。二、过冷奥氏体的等温转变3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变马氏体转变特点：马氏体转变不彻底；

总要残留少量奥氏体。残余奥氏体的含量与MS、Mf的位置有关。奥氏体中的碳含量越高，则MS、Mf越低，残余A含量越高。碳质量分数<0.6%时，残余A可忽略。4.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变二、过冷奥氏体的等温转变马氏体的形态碳质量分数<0.25%，为板条马氏体（低碳马氏体）。a.在显微镜下为一束束平行排列的细板条。b.透射电镜分析，板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。光镜电镜二、过冷奥氏体的等温转变3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变马氏体的形态碳质量分数>1.0%，为针状马氏体（高碳马氏体）碳质量分数在0.25％～1.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。光学显微镜中呈凸透镜状。透射电镜分析，针状马氏体内有大量孪晶，也称孪晶马氏体。电镜光镜3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变二、过冷奥氏体的等温转变马氏体的性能A.硬度高：

a.硬度随马氏体的碳质量分数的增加而增加。b.马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，即母相奥氏体的含碳量。B.马氏体的塑性和韧性取决于马氏体中的碳含量：a.低碳马氏体不仅强度高，塑性、韧性也较好。b.高碳马氏体硬而脆，塑性、韧性极差。3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变二、过冷奥氏体的等温转变马氏体的性能C.马氏体的物理性能变化：a.马氏体的比容比奥氏体大。当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。高碳马氏体尤为严重。b.马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。c.马氏体转变是强化钢的重要途径之一。二、过冷奥氏体的等温转变3.过冷奥氏体的马氏体（低温）转变转变曲线多一条过冷奥氏体----铁素体的转变开始线。在高温转变区，转变产物：铁素体+珠光体型组织。在中温转变区，转变产物：贝氏体型组织。无铁素体转变。亚共析钢过冷A的等温转变曲线图4.亚共析钢过冷奥氏体的等温转变二、过冷奥氏体的等温转变过共析钢过冷A的等温转变曲线图C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体开始线。在高温转变区，转变产物：Fe3CII+珠光体型组织。在中温转变区，转变产物：贝氏体型组织。

无Fe3CII转变。二、过冷奥氏体的等温转变5.过共析钢过冷奥氏体的等温转变成分的影响含碳量的影响：与亚、过共析钢比，共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms

与Mf

点随含碳量增加而下降。三、影响C曲线的因素三、影响C曲线的因素成分的影响合金元素的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。除Co和Al外，所有合金元素都使Ms

与Mf

点下降。6.影响C曲线的因素奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长，使C曲线右移。（奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性）6.影响C曲线的因素

A.在实际生产当中，热处理的冷却多采用连续冷却。因此，过冷奥氏体连续冷却转变图对于确定热处理工艺及选材更具实际意义。B.过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT曲线，它是通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量获得的。C.实际上会将代表连续冷却的冷却速度线（V1、V2等）和TTT曲线画在一起，根据他们与TTT曲线的相交位置近似估算出组织和性能。1.3过冷奥氏体的连续转变1.过冷奥氏体连续转变曲线的建立Ps线是奥氏体向珠光体转变开始线。P’z线是奥氏体向珠光体转变的终了线。K线是珠光体转变终止线（余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体）。没有贝氏体转变区PP’KzsR1.3过冷奥氏体的连续转变1.过冷奥氏体连续转变曲线的建立PP’KzsA.Vk是上临界冷却速度，是保证A在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却速度。B.Vk是淬火最小冷却速度，是选择淬火剂的依据。C.Vk′称为下临界冷却速度，是保证A在连续冷却过程中全部分解而不发生马氏体转变的最大冷却速度。四、过冷奥氏体的连续转变2.过冷奥氏体在不同冷条件下的连续转变规律与TTT曲线相比，CCT曲线位于其右下方。转变温度低，孕育期长。四、过冷奥氏体的连续转变2.过冷奥氏体在不同冷条件下的连续转变规律冷却速率冷却条件转变产物符号V1炉冷V2空冷V3油冷V4水冷Vk上临界冷却速率Vk’下临界冷却速率四、过冷奥氏体的连续转变2.过冷奥氏体在不同冷条件下