12 钢的热处理（1 钢在加热和冷却时的组织变化）

第五章钢的热处理机械工程材料2钢的退火和正火1钢在加热和冷却时的组织变化3钢的淬火和回火5其他热处理方法4钢的表面淬火和化学热处理6热处理零件质量分析8金属表面热处理技术7热处理技术条件和工序主要内容第五章钢的热处理机械工程材料掌握热处理的原理、作用及目的掌握钢在加热时的转变、过冷奥氏体冷却转变的规律，熟悉转变产物的类型、结构和性能。掌握钢的常用热处理方法及应用，为典型零件制定合理的热处理工艺。例如确定淬火钢的回火方法、并合理选择回火温度范围。学习成果达成钢的热处理GONGCHENGCAIL1AOJIRECHULI1GONGCHENGCAIL1AOJIRECHULI2GONGCHENGCAIL1AOJIRECHULI3（1）齿轮和轴为减速器等各种设备传动部位的主要零件，制造过程中必须经过相应的热处理，才能满足使用性能要求。请思考在制造齿轮或轴工艺过程中用到的热处理基本方法，并结合铁碳合金相图和C曲线说明理论依据。（2）棠溪宝剑位居九大名剑之首，具“强、韧、硬、弹”四大特点，硬可斩钉截铁，韧可弯曲不断裂变形，光鉴寒霜，灵气逼人。当前的复制工艺承袭了古代手工千锤百炼的传统工艺，极大地发挥了热处理的优势。请观看《棠溪宝剑》制作工艺系列短片，分析热处理工艺的作用。项目设计钢的热处理5.1钢的热处理概述钢的热处理定义：将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺。基本过程最基本的热处理曲线钢的热处理5.1钢的热处理概述钢的热处理预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理。5.2钢在加热时的组织变化将钢实际加热时的相变点称为Ac1、Ac3、Accm冷却时的相变点称为Ar1、Ar3、Arcm0.02180.772.11ESPA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡPAF+PF+AAccmAc1Ac3A3Ar3AcmArcmA1Ar1钢的相变点在相图中的位置共析钢在加热至Ac1以上温度时，珠光体便逐渐转变成奥氏体，这一过程称为钢的奥氏体化。G钢的热处理

奥氏体化的三个阶段奥氏体形核和晶核长大残余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化b晶核长大c残余渗碳体溶解d奥氏体成分的均匀化a晶核形成FFe3CA5.2钢在加热时的组织变化钢的热处理共析钢奥氏体化过程共析钢加热到Ac1以上温度即全部奥氏体化。亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析F或二次Fe3CⅡ的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。5.2钢在加热时的组织变化钢的热处理

奥氏体转变的影响因素加热温度

T↑，A↑加热速度钢的原始组织时间温度A1ν1ν2转变开始线转变终止线均匀化t1t2t1’t2’加热速度对A转变的影响5.2钢在加热时的组织变化钢的热处理奥氏体的晶粒度国家标准将奥氏体标准晶粒度分为00，0，1，……10等十二个等级。通常认为，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。5.2钢在加热时的组织变化钢的热处理奥氏体的晶粒度温度晶粒度Ac1930℃本质粗晶粒钢本质细晶粒钢5.2钢在加热时的组织变化钢的热处理过冷奥氏体由于冷却速度较快，A被过冷到共析温度一下才开始转变，在共析温度一下暂存的、不稳定的A成为过冷A.5.3钢在冷却时的组织变化钢的热处理临界点过冷A过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。冷却曲线

钢的冷却方式和冷却速度不同，所得到的组织和性能也不同。过冷A的冷却方式有两种：温度/℃时间12等温冷却曲线连续冷却曲线5.3钢在冷却时的组织变化钢的热处理显微镜下观察记录相变过程5506502s10s5s2s5s10s30s40s等温冷却方式C曲线的建立——共析钢为例共析钢的等温冷却曲线分析时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体珠光体型贝氏体型马氏体型第一种类型

扩散型转变共析钢等温冷却转变三种类型第二种类型半扩散型转变第三种类型非扩散型转变第一种转变类型产物形态——珠光体型P=F+层片状Fe3C层片间距：P>S>T光学显微组织（a）珠光体（b）索氏体（c）托氏体电子显微组织珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。珠光体转变珠光体转变过程贝氏体B（碳化物+含过饱和C的α-Fe）过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状B上上B，550-350℃产物，小片状Fe3C分布在α-Fe间——C原子扩散，Fe原子不扩散。上B强度和韧性差,不能应用，应尽量避免出现。第二种转变类型产物形态——贝氏体型上贝氏体针叶状B下过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状下B，350℃~MS产物。韧性高，综合机械性能好。第二种转变类型产物形态——贝氏体型下贝氏体碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体，称为马氏体第三种转变类型产物形态——马氏体型立体形态立体形态板条或束状马氏体（低碳wC＜0.25%）

片或针状马氏体（高碳wC>1.0%）第三种转变类型产物形态——马氏体型马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中，因此马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a

称马氏体的正方度。wC越高，正方度越大，正方畸变越严重。当wC＜0.25%时，c/a

=1，此时马氏体为体心立方晶格。含碳量增加，c/a

>1，晶格畸变越严重。第三种转变类型产物形态——马氏体型马氏体是同一成分钢的所有组织中最硬的组织，高硬度是马氏体的主要特点之一。马氏体的硬度主要受马氏体本身含碳量的影响，而合金元素含量的影响不大。含碳量对马氏体硬度和抗拉强度的影响冷处理——减少残余奥氏体量含碳量对残余奥氏体量的的影响过冷奥氏体转变产物（共析钢）

转变类型转变产物形成温度

℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火亚共析钢的C曲线

过共析钢的C曲线

共析钢的C曲线含碳量的影响Cr对C曲线的影响除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。合金元素的影响

冷却速度的影响——过冷奥氏体连续冷却转变图过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。共析钢CCT曲线过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线共析钢的连续冷却曲线水冷炉冷空冷5.3钢在冷却时的组织变化钢的热处理A1A→PPfPsKvk'vkv10v2时间（lgτ）→温度/℃→v4v3MsMfM+A'P

油冷与连续冷却转变曲线相切的冷却速度线vk称为（上）临界冷却速度，它是获得全部马氏体组织的最小冷却速度；vk'称为下临界冷却速度，它是获得全部珠光体的最大冷却速度。亚共析钢的C曲线应用

过共析钢的C曲线应用

共析钢的C曲线应用小

结钢的热处理钢的热处理由加热、保温和冷却三个阶段组成。加热就是奥氏体化的过程。

钢的奥氏体化基本过程：过冷奥氏体转变产物类型