07 第五章 钢的热处理.pptx

第1页：第五章 钢的热处理（原理）

第五章 钢的热处理（原理）：本页为图示内容，标出本章讲钢在加热与冷却时的组织转变。

第2页：热处理的概念

热处理的概念

• 钢的热处理
• 热处理是改善金属使用性能和工艺性能的一种非常重要的加工方法。在机械工业中，绝大部分重要零件都必须经过热处理。
• 热处理是将固态金属和合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体和表面组织，从而获得所需性能的工艺。

第3页：热处理前后性能对比表

原表文字提取后行列交错，表中数据按钢种与热处理前后的对应关系还原，T8钢的抗拉与屈服强度原表缺失，以“—”占位。

第4页：热处理工艺示意

热处理工艺示意：本页为图示内容，展示加热、保温与冷却三个阶段在温度时间坐标上的位置。

第5页：钢的热处理工艺曲线

钢的热处理工艺曲线：本页为图示内容，标出加热速度、保温时间与冷却方式对组织的影响。

第6页：钢在加热时的转变

钢在加热时的转变

• 5.1钢在加热时的转变
• 对钢进行加热，其目的是改变钢的原始组织，获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，并为冷却时的转变做好准备。
• （一）奥氏体的形成Fe-Fe3C相图，共析钢加热超过PSK线（A1）、亚共析钢超过GS线（A3）、过共析钢超过ES线（Acm）时,完全转变为奥氏体。

第7页：实际相变温度Ac与Ar

实际相变温度Ac与Ar

• （一）奥氏体的形成
• 实际热处理加热和冷却时，相变温度与平衡相变点有一定差异，需要一定的过热度和过冷度。加热、冷却速度越大，差距越大。
• 加热时相变点：Ac1 Ac3 Accm
• 冷却时相变点：Ar1 Ar3 Arcm

第8页：加热与冷却相变温度图

加热与冷却相变温度图：本页为图示内容，对比平衡临界点与实际Ac、Ar温度的相对位置。

第9页：共析钢的奥氏体化

共析钢的奥氏体化

• 共析钢的奥氏体化
• 共析钢室温平衡组织为珠光体，将其加热到Ar1温度以上时，发生珠光体向奥氏体的转变（P→A）。
• 转变过程：
• 奥氏体在F与Fe3C晶界上形核；
• 奥氏体晶核的长大；
• 残余渗碳体的溶解
• 奥氏体成分的均匀化。

第10页：奥氏体形成过程示意

奥氏体形成过程示意：本页为图示内容，分四格展示形核、长大、残余渗碳体溶解与均匀化。

第11页：亚共析钢的奥氏体化

亚共析钢的奥氏体化

• 亚共析钢的奥氏体化
• 亚共析钢室温平衡组织为P+F，将其加热到Ac1温度以上时，发生珠光体向奥氏体的转变（P→A），加热到Ac3温度以上时发生铁素体向奥氏体的转变（F→A）。

第12页：过共析钢的奥氏体化

过共析钢的奥氏体化

• 过共析钢的奥氏体化
• 过共析钢室温平衡组织为P+Fe3CⅡ，将其加热到Ac1温度以上时，发生珠光体向奥氏体的转变（P→A），加热到Ac3温度以上时，发生Fe3CⅡ溶入奥氏体的过程。但此时，奥氏体晶粒粗大，对热处理后的性能不利。

第13页：奥氏体晶粒度

奥氏体晶粒度

• （二）影响奥氏体晶粒大小的因素
• 加热后奥氏体晶粒的大小，决定了冷却后组织晶粒的大小，而钢的晶粒越细小，其室温机械性能就越好。所以常希望钢加热后获得晶粒细小而均匀的奥氏体。
• 奥氏体晶粒大小是用奥氏体晶粒度来衡量的。
• 奥氏体晶粒度是指奥氏体晶粒的大小。

第14页：起始、实际与本质晶粒度

起始、实际与本质晶粒度

• （二）影响奥氏体晶粒大小的因素
• 1．晶粒度:表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。
• 2．起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度
• 本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。
• 奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大→本质粗晶钢
• 奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时才迅速长大→本质细晶钢

第15页：本质晶粒度

本质晶粒度：本页为图示内容，对比本质粗晶钢与本质细晶钢随温度升高长大的差别。

第16页：实际晶粒度

实际晶粒度

• （二）影响奥氏体晶粒大小的因素
• 实际晶粒度：实际热处理条件下，奥氏体晶粒的大小。它决定钢热处理后的性能。
• 实际晶粒度的大小用标准晶粒度等级图衡量。

第17页：标准晶粒度等级图

标准晶粒度等级图：本页为图示内容，列出各级别晶粒大小的对比评级图片。

第18页：奥氏体晶粒度的控制

奥氏体晶粒度的控制

• （二）影响奥氏体晶粒大小的因素
• 3．奥氏体晶粒度的控制
• a.加热工艺加热温度，保温时间
• b.钢的成分——合金化奥氏体中C%↑→晶粒长大↑MxC%（未溶碳化物）↑→晶粒长大↓1)碳化物形成元素细化晶粒2)Al→本质细晶钢3)Mn、P促进长大

第19页：过冷奥氏体与冷却方式

过冷奥氏体与冷却方式

• 5.2钢在冷却时的转变
• 奥氏体在临界点以上为稳定相，能够长期存在，一旦冷却到临界点以下就变成了不稳定相。这种不稳定的处于过冷状态的奥氏体称为“过冷奥氏体”。过冷奥氏体迟早会转变成新的稳定相。
• 冷却方式：连续冷却；等温冷却

第20页：过冷奥氏体等温转变曲线

过冷奥氏体等温转变曲线：本页为图示内容，标出转变开始与终了线及各转变温度区间。

第21页：共析钢过冷奥氏体等温转变

共析钢过冷奥氏体等温转变

• （一）、等温转变
• 1．共析钢过冷A等温转变曲线
• 共析钢奥氏体化后，迅速冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间得到TTT曲图。
• TTT图又称为奥氏体等温转变曲线或C曲线。
• 相变温度（Temperature）
• 时间（Time）
• 相变产物（Transformation）

第22页：C曲线（续）

C曲线（续）：本页为图示内容，标出高温珠光体区、中温贝氏体区与低温马氏体区。

第23页：C曲线与转变产物（续）

C曲线与转变产物（续）：本页为图示内容，标出各等温温度所对应的组织与硬度范围。

第24页：C曲线的孕育期

C曲线的孕育期

• 1．共析钢过冷A等温转变曲线
• C曲线有一最小孕育期（鼻尖处）
• 孕育期：奥氏体处于过冷状态到开始转变的时间。
• 鼻尖以上，T↓，A——P的驱动力提高，孕育期减少；
• 鼻尖以上，T↓——扩散↓，孕育期增加。

第25页：珠光体型转变

珠光体型转变

• 2．等温转变产物的组织和特征
• （1）高温转变区
• A1——鼻子温度（5500C）
• A过冷——P（S，T）索氏体，屈氏体。
• P（S，T）的形成取决于冷却速度T↓，P片层间距薄，短；HB↑，强度↑
• 扩散型相变（Fe、C扩散），综合性能好，HB较低，韧性好。

第26页：珠光体类组织与硬度

第27页：珠光体与屈氏体组织

珠光体与屈氏体组织：本页为图示内容，对比不同片层间距下的显微形貌。

第28页：贝氏体转变

贝氏体转变

• （2）中温区转变
• 中温区转变，贝氏体转变550℃~MS
• A过冷→B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。
• 550℃~350℃上贝氏体；半扩散型转变（Fe不扩散、C扩散）；
• 形态：羽毛状，碳化物在F间，韧性差；

第29页：上贝氏体

上贝氏体：本页为图示内容，显示羽毛状碳化物分布在铁素体条间的形貌。

第30页：下贝氏体

下贝氏体

• 2．等温转变产物的组织和特征
• 350℃~MS，下贝氏体
• 形成温度降低，C原子的扩散能力下降；
• 针状碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好。
• 下贝氏体是一种有应用价值的组织。

第31页：下贝氏体

下贝氏体：本页为图示内容，显示针状碳化物分布在铁素体内部的黑色针状形貌。

第32页：马氏体转变

马氏体转变

• （3）低温区转变—马氏体转变，
• 过冷奥氏体在MS→Mf之间，连续冷却形成马氏体。（将在以后讨论）

第33页：等温转变组织与性能

等温转变组织与性能

• 3．等温转变组织、性能的关系
• （1）珠光体型
• 转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性提高
• （2）贝氏体
• B上：强度、韧性差
• B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能

第34页：亚共析钢的等温转变

亚共析钢的等温转变

• 4．亚共析钢、过共析钢等温转变
• （1）亚共析钢
• 与共析钢C曲线不同的是，在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线。（教材P100图2-68）
• 亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线左移，MS、Mf线上移。
• A1~550℃等温转变组织：P+F

第35页：过共析钢的等温转变

过共析钢的等温转变

• 4．亚共析钢、过共析钢等温转变
• （2）过共析钢
• 与共析钢C曲线不同的是，在其上方多了一条过冷奥氏体中析出Fe3CⅡ转变开始线。（教材P100图2-69）
• 过共析钢随着含碳量的增加，C曲线左移，MS、Mf线下移。
• A1~550℃等温转变组织：P+Fe3CⅡ

第36页：亚共析与过共析钢C曲线

亚共析与过共析钢C曲线：本页为图示内容，标出上方多出的析出线与Ms线的位移。

第37页：影响C曲线的因素

影响C曲线的因素

• 5.影响C曲线的因素
• C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，奥氏体的稳定性及分解转变特性取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。
• C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。

第38页：含碳量对C曲线的影响

含碳量对C曲线的影响

• 5.影响C曲线的因素
• （一）A成分
• 1．含碳量
• 对亚共析钢，钢中C%↑，A中C%↑→C曲线右移
• 对过共析钢，一般在AC1以上A化，钢中C%↑，未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移
• 共析钢，C曲线最靠右边，稳定性最高。

第39页：合金元素对C曲线的影响

合金元素对C曲线的影响

• 5.影响C曲线的因素
• 2．合金元素，（C0%↑→左移）
• 除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性——右移
• 非碳化物形成元素，Si,Ni, Cu,不改变C曲线形状
• 强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V, Nb, Ti,改变C曲线形状
• 除Co,Al外，均使Ms,Mf下降，残余A↑

第40页：合金元素对C曲线影响图

合金元素对C曲线影响图：本页为图示内容，对比碳化物与非碳化物形成元素的差别。

第41页：奥氏体化条件的影响

奥氏体化条件的影响

• 5.影响C曲线的因素
• （二）A化条件的影响
• 加热温度和时间
• A化温度↑，时间↑（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A稳定性↑，C曲线右移

第42页：过冷奥氏体连续冷却转变

过冷奥氏体连续冷却转变

• （二）、过冷奥氏体的连续冷却转变
• 1．过冷奥氏体的连续冷却转变图（CCT曲线）
• PS：A→P开始线
• Pf：A→P终止线
• K：珠光体型转变终止线
• Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）→M最小冷速
• Vk’：下临界冷速→完全P最大冷速

第43页：CCT与TTT曲线的比较

CCT与TTT曲线的比较

• （二）、过冷奥氏体的连续冷却转变
• 2．连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较
• （1）CCT位于TTT曲线右下方A→P转变温度低一些，时间长一些
• （2）CCT无A→B转变
• CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析

第44页：CCT与TTT曲线比较图

CCT与TTT曲线比较图：本页为图示内容，显示连续冷却转变温度更低、时间更长。

第45页：马氏体转变

马氏体转变

• 马氏体转变
• 过冷奥氏体，在MS→Mf之间连续冷却、形成马氏体，属于非扩散型转变。
• 马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

第46页：马氏体转变的特点

马氏体转变的特点

• 1马氏体转变特点：
• ①无扩散性Fe、C原子不扩散，以切变方式完成转变（体心正方）过冷奥氏体成分与马氏体成分相同。
• ②瞬时性转变速度快，无孕育期。由于马氏体形成速度快（接近于声速），新形成了马氏体要撞击原来的马氏体，造成微裂纹，使马氏体变脆，高碳时尤为严重。

第47页：Ms与Mf及转变不完全性

Ms与Mf及转变不完全性

• 马氏体转变特点：
• ③存在Ms,Mf马氏体在Ms,Mf线之间变温形成。Ms,Mf的位置取决于奥氏体的含碳量，碳量越高，Ms,Mf位置越低。
• ④不完全性转变不完全，总要留有残余奥氏体；即A过冷→M+A‘残余,(即使是冷却到Mf线以下，也不可能得到100%的马氏体)。
• ⑤转变时体积膨胀造成很大的内应力，严重时工件变形开裂。

第48页：马氏体的形态

马氏体的形态

• 2马氏体的形态与特点
• 马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
• 马氏体形态（取决于奥氏体含碳量）
• 板条状M、针状M（片状）奥氏体C%<0.25%，板条状M奥氏体C%>1.0%，针状，马氏体奥氏体C%在0.25%~1.0%，混合马氏体

第49页：针状与板条状马氏体

针状与板条状马氏体

• 2马氏体的形态与特点
• 针状马氏体，高碳，内部大量的孪晶，也称为孪晶马氏体，硬而脆、塑、韧性差。晶粒细化得到的隐晶马氏体有一定塑性。
• 板条状马氏体，低碳，内部大量的位错，也称为位错马氏体，强度高，塑性，韧性好。

第50页：板条马氏体形态

板条马氏体形态：本页为图示内容，显示平行排列的板条束与内部高密度位错亚结构。

第51页：片状马氏体形态

片状马氏体形态：本页为图示内容，显示针状交叉分布并伴有内部孪晶的形貌。

第52页：马氏体的性能特点

马氏体的性能特点

• 3马氏体性能特点
• 硬度与强度马氏体硬度高，含碳量C%↑→HRC↑。由于马氏体脆，内部有裂纹，高强度没有体现出来。
• 塑性和韧性针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差板条状，强度高，有一定的塑性、韧性。

第53页：第五章小结

第五章小结

• 小结
• 热处理的概念
• 等温转变曲线、连续冷却转变曲线的意义和应用
• 珠光体、贝氏体、马氏体形态和特点