华北理工金属材料学课件第3单元 热处理原理

金属材料学

主讲人：左桂福河北联合大学材料科学与工程学院

材料新产品研发实验过程模拟工作阶段创新性研发课题SCI论文发表博士研究生阶段

规范化毕设、SCI论文发表、计算材料学基础硕士研究生阶段

大材料知识拓展本科阶段课程的重要性主要内容金属热处理工程、机零钢合金化原理123章节安排第三单元：金属热处理原理

第一单元：绪论

第二单元：铁碳合金

第四单元：金属热处理工艺

第五单元：钢的合金化原理第七单元：工程构件结构钢

第六单元：钢的分类与编号、常见杂质、钢的性能指标

第八单元：机械零件结构钢

钢在加热时的转变1钢在冷却时的转变3目录第三章：热处理原理4淬火钢在回火中的转变§3－1钢在加热时的转变钢的热处理：将钢在固态下加热、保温和冷却，改变钢的内部组织，从而改变钢的性能的一种方法。钢的热处理原理包括三部分：加热、冷却和回火。一、钢的临界温度Fe-C相图中的临界点A1、A3、Acm线分别代表平衡温度线。钢的加热和冷却都是有一定速度的加热和冷却。加热贯以“r”，冷却贯以“c”，于是：AC1

–加热时由P→A的开始温度线。Ac3–加热时由F→A的终了温度线。Accm-加热时Fe3CⅡ溶入A的终了温度线。Ar1–冷却时由A→P的开始温度线。Ar3–冷却时由A→F的开始温度线。Arcm-冷却时由A→Fe3CⅡ的开始温度线。二钢的完全奥氏体化和非完全奥氏体化过程1．共析钢的奥氏体化：将共析钢加热到Ac1或稍上，便发生珠光体向奥氏体的转变，此过程为共析钢的奥氏体化。

P（F0.0218+Fe3C）

A0.77

BCC正交 点阵FCC奥氏体化过程包括：A的形核和长大、残余Fe3C溶解、A成分均匀化三个过程。形核和长大－A易于在F和Fe3C相界处形核并长大残余Fe3C溶解－一份Fe3C溶解可提供多份F

A转变，故F为先消失相，Fe3C为残余相。A成分均匀化－Fe3C溶解完后A成分不均匀。A12．完全奥氏体化和非完全奥氏体化

亚共析钢加热到AC3以上；共析钢、过共析钢加热到Ac1、Accm以上得到全部的A组织，称为完全A化过程。

钢种加热温度组织

亚共析钢AC3以上A

共析钢Ac1

以上A

过共析钢Accm

以上A

结论：亚共析钢一般为完全A体化。（1）完全奥氏体化

（2）非完全奥氏体化

亚共析钢加热到Ac1～AC3之间；共析钢加热到Ac1稍上、过共析钢加热到Ac1～Accm之间，分别得到A＋F、A＋Fe3C、A＋Fe3C组织。称为非完全奥氏体化。

钢种加热温度组织

亚共析钢Ac1～AC3A＋F

共析钢Ac1

稍上A＋Fe3C

过共析钢Ac1～Accm

A＋Fe3C

结论：共析钢和过共析钢一定是非完全A体化三、影响A晶粒度的因素（一）晶粒度的概念－晶粒度是衡量晶粒大小的一种尺度。1．实际晶粒度：指在实际热处理条件下得到的实际A晶粒大小。2．本质晶粒度：标志晶粒长大的倾向大小。本质晶粒度规定：将钢加热到930℃±10℃，保温3～8小时测取得A晶粒大小。国家晶粒度标准等级有8级：

1～4级为本质粗晶粒钢；一般用Mn、Si脱氧的钢为本质粗晶粒钢。

5～8级为本质细晶粒钢。一般用Al脱氧的钢为本质细晶粒钢。（二）影响A晶粒度的因素1.加热温度和保温时间－加热温度越高和保温时间越长，A晶粒越粗。其中加热温度是主要因素。2.加热速度－加热速度越快，保温时间越短，A晶粒越细。3.合金元素的作用－（1）强碳化物元素Nb、Ti、Al等元素强烈阻止A晶粒粗化，可细化晶粒.所以，含有这些元素的钢为本质细晶粒钢。（可形成NbC、TiC、Al）（2）非碳化物元素Mn、Ni、Cu、Si、Co等不阻止A晶粒粗化，易于使A晶粒粗化。结论：细化A晶粒只与加热有关，而与冷却无关。

§3－2钢在冷却时的转变钢的冷却依据钢的冷却曲线行。一、过冷A等温冷却曲线（TTT曲线）过冷A–在A1温度以下的奥氏体为过冷奥氏体。（一）共析钢的等温冷却曲线（TTT曲线）A1～550℃之间等温冷却发生珠光体转变

即A→P550℃～MS之间等温冷却发生贝氏体转变

即A→BMS以下等温或连续冷却发生马氏体转变

即A→M共析钢在A1～550℃之间等温冷却得到P组织。左边的线为P转变的开始温度线右边线为P转变的终了温度线。共析钢在MS线以下等温或连续冷却得到马氏体，MS线为M转变的开始温度线，Mf线为M转变的终了温度线。共析钢在550℃～MS之间等温冷却得到贝氏体左边的线为B转变的开始温度线，右边线为B转变的终了温度线。（二）亚共析钢和过共析钢的TTT曲线亚共析钢和过共析钢的TTT曲线和共析钢相比多了一条先共析F和Fe3C的析出线。图7－3(a)亚共析钢TTT曲线，（b）共析钢TTT曲线（c）过共析钢TTT曲线二过冷A的连续冷却曲线（CCT曲线）

1.共析钢的CCT与TTT比较（1）共析钢的CCT无B转变。（2）在A→P转变中有三条曲线：

A→P的开始线，

A→P的终了线

A→P的中止线（3）临界淬火速度–Vc

（只对CCT有意义）Vc为过冷A全部转变成M的最小冷却速度－上临界冷速Vc，为过冷A全部转变成P的最大冷却速度－下临界冷速

V>Vc时得到全部的M组织；

Vc>V>Vc，时得到M＋P组织；

V<Vc，时得到全部的P组织。2．亚共析钢的CCT曲线与TTT比较图7－5亚共钢（45钢）的CCT曲线亚共析钢的CCT曲线与TTT比较

有一条F的析出线，有B转变线。亚共析钢的CCT曲线MS线右端下降。（因为：F的析出使F周围奥氏体富碳从

而使A→M转变的MS点下降）每一条冷却曲线的下方表示的数字为该

冷却速度下组织的维氏硬度值；穿过每

一条的数字表示各组织所占面积的百分

含量。3.过共析钢的CCT曲线与TTT比较图7-6过共析钢(T10)的CCT曲线

过共析钢的CCT曲线与TTT比较

有P、M转变，无B转变

MS线右端上升（因为：Fe3C的析出使Fe3C周

围奥氏体贫碳，从而使A→M转变的MS点上

升）。三．过冷A体转变产物的组织和性能（一）珠光体体转变1．过冷A体在A1～MS之间进行等温冷却将发生珠光体转变。转变的反应式为：A→P(F+Fe3C)FCCBCC正交点阵0.77％0.02％6.69％一般情况均匀的A体将转变成片层状的P组织。

2．珠光体组织及性能（a）普通珠光体700℃等温2500X

（b）索氏体650℃等温7500X

（c）屈氏体600℃等温11000X图7－7片层状珠光体的组织形态abc

珠光体组织及性能

F为基体相，Fe3C呈片层状分布在F基体上。珠光体团越小，片层间距越小，则强度↑，硬度↑。在P体组织中按F和Fe3C片的粗细划分成三种组织：普通P－在A1～650℃间等温形成普通P即A→P,HB170～200,

500X可分辨F和Fe3C片索氏体－在650℃～600℃间等温形成索氏体，即

A→S，HRC25～35,>1000X可分辨F和Fe3C片屈氏体－在600℃～550℃间等温形成屈氏体，即

A→T，HRC35～40,>2000X可分辨F和Fe3C片

2．珠光体组织及性能（1）片层状P体结论：转变的T↓，F和Fe3C片层间距λ↓，

材料的

b↑，HB↑。

（2）粒状珠光体粒状珠光体中，F为基体相，Fe3C呈颗粒状（或球状）分布在F基体上。图7-8T8钢粒状珠光体图7-9T8钢片层状珠光体材料相同时，球状P体的强度、硬度均比片层状P体的强度、硬度低，塑性、韧性好，从而机加工性能

好。例如：T8钢球状P体的机加工性能好于片层状的P体，所以，工具钢机加工前的组织应为球状P体。珠光体相变特点：典型扩散型变

(二)马氏体相变马氏体：碳在α－Fe中的的过饱和固溶体。

过冷A体在MS以下等温或连续冷却都能发生马氏体转变，而主要是连续冷却。1.马氏体组织及性能图7－10片状马氏体的金相形态

片状马氏体

片状马氏体金相形态：马氏体片互成一定角度，马氏体片之间不相互穿过。M片内有一条中脊线。当C％↑M片狀％↑。

C％>1.0％时为100％的片状马氏体。

亚结构：孪晶（中脊线）。

性能：低强度、高硬度、较差的塑性和韧

性（淬火态组织）对于高碳钢淬火组织一般为隐晶M或针状M，马氏体针细小。

(二)马氏体相变

板条马氏体图7－10板条马氏体的金相形态

板条马氏体

金相形态：板条马氏体条呈束平行排列，当

C％

0.25％时为100％的板条马氏体。且

C％↓M板条％↑。板条马氏体

亚结构：位错。性能：较高的强度，较低的硬度，良好的塑性

和韧性。混合马氏体：当0.25％≤C％≤1.0％时为混合马氏体。如45钢淬火组织为混合马氏体。混合马氏体图7－11混合马氏体．马氏体晶体结构图7－11马氏体晶格示意图C％≤0.25％的马氏体为BCCC％≥0.6％的马氏体为体心正方。

a=b‡c，c>a，α＝β＝γ＝90℃

马氏体相变特点马氏体相变不完全性。（因Mf点较低）故淬火组织中有残余A体（A，）且C％↑MS↓

A，％↑。马氏体相变没有孕育期，瞬间形核瞬间长大。马氏体转变的变温性，一般为连续冷却得到。马氏体转变比容增大，必然导致体积膨胀，因此淬火必然要变形。马氏体相变为无扩散型相变－原子切变位移式相变。（三）贝氏体转变图6－12上贝氏体组织图6－13下贝氏体组织上贝氏体为550℃～350℃之间转变产物。组织为羽毛狀，平行分布，片间有Fe3C

。

下贝氏体为：350℃～MS之间转变产物。组织形态为针片狀，互成一定角度，片内有平行分布的粒状Fe3C。贝氏体性能

上贝氏体的强度低、韧性低。上贝氏体组织没有用处。下贝氏体的强度高、韧性好且耐磨性好。高碳钢均希望得到下贝氏体。（一）碳原子的偏聚（T<100℃）

在100℃以下由于温度较低，碳原子由间隙位置逸出到位错线附近。淬火钢在回火中的转变

（二）马氏体分解及碳化物的析

（100℃～400℃）

1．M分解：在此温度间马氏体中的碳浓

度不断降低并发生M体的分解，即从碳的过饱和固溶体中析出碳化物。碳化物的析出过程：

100～250℃析出

-Fe2.4C；

250℃～400℃之间，

-Fe2.4C溶解并重新析出θ-Fe3C。

（三）残余奥氏体的转变（A，）

（200℃～300℃