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1、金属学与热处理钢的金属学与热处理钢的热处理原理热处理原理第一页，本课件共有55页教学提示：本章主要阐明钢在加热或冷却过程中的相变规律。热处理的实质是把金属材教学提示：本章主要阐明钢在加热或冷却过程中的相变规律。热处理的实质是把金属材料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，然后以预定的方式冷却下来，通过这样一料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，然后以预定的方式冷却下来，通过这样一个工艺过程，改变金属材料内部的组织结构，从而使工件的性能发生预期的变化。热处理的个工艺过程，改变金属材料内部的组织结构，从而使工件的性能发生预期的变化。热处理的目的在于改变工件的性能，即改善金属材料的工艺性能
2、，提高金属材料的使用性能。金属材目的在于改变工件的性能，即改善金属材料的工艺性能，提高金属材料的使用性能。金属材料在热处理过程中，会发生一系列的组织变化，这些转变具有严格的规律性。金属材料中组料在热处理过程中，会发生一系列的组织变化，这些转变具有严格的规律性。金属材料中组织转变的规律，就是热处理的原理。织转变的规律，就是热处理的原理。教学要求：了解钢加热时奥氏体化的基本过程；理解过冷奥氏体等温冷却和连续冷教学要求：了解钢加热时奥氏体化的基本过程；理解过冷奥氏体等温冷却和连续冷却曲线的物理意义；熟悉影响却曲线的物理意义；熟悉影响C曲线形状和位置的因素，以及曲线形状和位置的因素，以及C曲线在热处理
3、生产中曲线在热处理生产中的实际应用；掌握过冷奥氏体转变产物的实际应用；掌握过冷奥氏体转变产物(珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体、贝氏体珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体、贝氏体)的的组织特点和性能特点。组织特点和性能特点。第二页，本课件共有55页热处理热处理(heattreatment)是一种重要的金属加工工艺，它主要是把金属材料在固态下加热、是一种重要的金属加工工艺，它主要是把金属材料在固态下加热、保温、冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。保温、冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。热处理的主要目的是为了改善金属材料的性能，即改善钢的工艺性能和提热处理的主要目的是
4、为了改善金属材料的性能，即改善钢的工艺性能和提高钢的机械性能和使用性能。高钢的机械性能和使用性能。通过热处理可以改善金属材料的性能，所以绝大多数机械零件都要经过热通过热处理可以改善金属材料的性能，所以绝大多数机械零件都要经过热处理以提高产品的质量、延长使用寿命。据统计，拖拉机、汽车零件的处理以提高产品的质量、延长使用寿命。据统计，拖拉机、汽车零件的70%80%需要进行热处理；各种刀具、量具和模具需要进行热处理；各种刀具、量具和模具100%要进行热处理。如果将原材要进行热处理。如果将原材料在加工过程中采用的预备热处理包括进去，可以说所有的机械零件都要机械料在加工过程中采用的预备热处理包括进去，可
5、以说所有的机械零件都要机械热处理。由此可见，热处理在机械工业中占有重要地位。热处理。由此可见，热处理在机械工业中占有重要地位。要了解各种热处理对钢组织与性能的影响，必须研究钢在加热和冷却过程中的相变规律。要了解各种热处理对钢组织与性能的影响，必须研究钢在加热和冷却过程中的相变规律。下面分别介绍钢在加热及冷却过程中组织转变规律。下面分别介绍钢在加热及冷却过程中组织转变规律。第三页，本课件共有55页本章内容本章内容5.1钢在加热时的转变钢在加热时的转变5.2钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变小小结结本本章章习习题题第四页，本课件共有55页5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变5.1.1转变温度转变
6、温度钢的热处理，一般都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当钢的热处理，一般都必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当方式方式(或速度或速度)冷却，以获得所需要的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为冷却，以获得所需要的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。奥氏体化过程。在在Fe-Fe3C相图中，共析钢在加热和冷却过程中经过相图中，共析钢在加热和冷却过程中经过PSK线线(A1)时，发生珠光体与时，发生珠光体与奥氏体之间的相互转变，亚共析钢经过奥氏体之间的相互转变，亚共析钢经过GS线线(A3)时，发生铁素体与奥氏体之间的相时
7、，发生铁素体与奥氏体之间的相互转变，过共析钢经过互转变，过共析钢经过ES线线(Acm)时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。时，发生渗碳体与奥氏体之间的相互转变。A1、A3、Acm为钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理生产过程中，加热和冷为钢在平衡条件下的临界点。在实际热处理生产过程中，加热和冷却不可能极其缓慢，因此上述转变往往会产生不同程度的滞后现象。实际转变却不可能极其缓慢，因此上述转变往往会产生不同程度的滞后现象。实际转变温度与平衡临界温度之差称为过热度温度与平衡临界温度之差称为过热度(加热时加热时)或过冷度或过冷度(冷却时冷却时)。过热度或过。过热度或过冷度随加热或冷却速度的增大而增大
8、。通常把加热时的临界温度加注下标冷度随加热或冷却速度的增大而增大。通常把加热时的临界温度加注下标“c”，如，如Ac1、Ac3、Accm，而把冷却时的临界温度加注下标，而把冷却时的临界温度加注下标“r”，如，如Ar1、Ar3、Arcm，如图，如图5.1所示。所示。第五页，本课件共有55页图图5.1加热和冷却速度加热和冷却速度(0.125/min)对临界转变温度的影响对临界转变温度的影响5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第六页，本课件共有55页5.1.2奥氏体的形成奥氏体的形成以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。共析钢在室温时，其平衡组织为单一珠以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。共析钢在室温时
9、，其平衡组织为单一珠光体，是由含碳极微的具有体心立方晶格的铁素体和含碳量很高的具有复杂斜方晶光体，是由含碳极微的具有体心立方晶格的铁素体和含碳量很高的具有复杂斜方晶格的渗碳体所组成的两相混合物，其中铁素体是基体相，渗碳体为分散相。珠光体格的渗碳体所组成的两相混合物，其中铁素体是基体相，渗碳体为分散相。珠光体的平均含碳量为的平均含碳量为0.77%。当加热至。当加热至Ac1以上温度保温，珠光体将全部转变为奥氏体。以上温度保温，珠光体将全部转变为奥氏体。而由于铁素体、渗碳体和奥氏体三者的含碳量和晶体结构都相差很大。因此，奥氏体的而由于铁素体、渗碳体和奥氏体三者的含碳量和晶体结构都相差很大。因此，奥氏
10、体的形成过程包括碳的扩散重新分布和铁素体向奥氏体的晶格重组，也是一个形核、长大和形成过程包括碳的扩散重新分布和铁素体向奥氏体的晶格重组，也是一个形核、长大和均匀化的过程，如图均匀化的过程，如图5.2所示。所示。(a)奥氏体形核奥氏体形核(b)奥氏体长大奥氏体长大(c)剩余渗碳体溶解剩余渗碳体溶解(d)奥氏体均匀化奥氏体均匀化图图5.2珠光体向奥氏体转变过程示意图珠光体向奥氏体转变过程示意图5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第七页，本课件共有55页1.奥氏体的形核奥氏体的形核奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是因为在相界面上碳奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形
11、成。这是因为在相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，晶格畸变大，处于能量较高的状浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，晶格畸变大，处于能量较高的状态，能为产生奥氏体晶核提供浓度和结构两方面的有利条件。而奥氏体形核和液态结态，能为产生奥氏体晶核提供浓度和结构两方面的有利条件。而奥氏体形核和液态结晶形核一样，需要一定的结构起伏、能量起伏和浓度起伏。在铁素体和渗碳体的相界晶形核一样，需要一定的结构起伏、能量起伏和浓度起伏。在铁素体和渗碳体的相界处原子排列不规则，处于高能不稳状态，具备形核所需要的结构起伏和能量起伏条件。处原子排列不规则，处于高能不稳状态，具备形核所需要的结构
12、起伏和能量起伏条件。同时相界面处碳浓度处于铁素体和渗碳体的过渡之间，容易出现奥氏体形核所需要的同时相界面处碳浓度处于铁素体和渗碳体的过渡之间，容易出现奥氏体形核所需要的浓度起伏。所以，奥氏体形核优先在相界面上形成。浓度起伏。所以，奥氏体形核优先在相界面上形成。2.奥氏体晶核的长大奥氏体晶核的长大奥氏体形核后便开始长大。在奥氏体形核后便开始长大。在AC1以上的某一温度以上的某一温度t1形成奥氏体晶核。奥氏体晶核形形成奥氏体晶核。奥氏体晶核形成之后，它一面与渗碳体相邻，另一面与铁素体相邻。假定它与铁素体和渗碳体相邻的界成之后，它一面与渗碳体相邻，另一面与铁素体相邻。假定它与铁素体和渗碳体相邻的界面
13、都是平直的，根据面都是平直的，根据Fe-Fe3C相图可知，奥氏体与铁素体相邻的边界处的碳浓度为相图可知，奥氏体与铁素体相邻的边界处的碳浓度为C-，奥氏体与渗碳体相邻的边界处的碳浓度为，奥氏体与渗碳体相邻的边界处的碳浓度为C-C。此时，两个边界处于界面平衡状态，。此时，两个边界处于界面平衡状态，这是系统自由能最低的状态。由于这是系统自由能最低的状态。由于C-CC-，因此，在奥氏体中出现碳的浓度梯度，因此，在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度的扩散。并引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度的扩散。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第八页，本课件共有55页由于扩
14、散的结果，奥氏体与铁素体相邻的边界处碳浓度升高，而与渗碳体相邻的边界处由于扩散的结果，奥氏体与铁素体相邻的边界处碳浓度升高，而与渗碳体相邻的边界处碳浓度降低。从而破坏了相界面的平衡，使系统自由能升高。为了恢复平衡，渗碳体势碳浓度降低。从而破坏了相界面的平衡，使系统自由能升高。为了恢复平衡，渗碳体势必溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到必溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到C-C，与此同时，另一个界面上，与此同时，另一个界面上，发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使铁素体转变为奥氏体，使它们之间的界面发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使铁素体转变为奥氏体，使它们之间的界面恢复到恢复到C-，
15、从而恢复界面的平衡，降低系统的自由能。这样，奥氏体的两，从而恢复界面的平衡，降低系统的自由能。这样，奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。由于奥氏体中碳的个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。由于奥氏体中碳的扩散，不断打破相界面平衡，又通过渗碳体和铁素体向奥氏体转变而恢复平衡扩散，不断打破相界面平衡，又通过渗碳体和铁素体向奥氏体转变而恢复平衡的过程循环往复地进行，奥氏体便不断地向铁素体和渗碳体中扩展，逐渐长大。的过程循环往复地进行，奥氏体便不断地向铁素体和渗碳体中扩展，逐渐长大。另一方面，由于在铁素体内，铁素体与渗碳体和铁素体与奥氏体接触的两个界另一方面，
16、由于在铁素体内，铁素体与渗碳体和铁素体与奥氏体接触的两个界面之间也存在着碳浓度差面之间也存在着碳浓度差，因此，碳在奥氏体中扩散的同时，在铁，因此，碳在奥氏体中扩散的同时，在铁素体中也进行着扩散。由于扩散的结果，促使铁素体向奥氏体转变，从而促进素体中也进行着扩散。由于扩散的结果，促使铁素体向奥氏体转变，从而促进奥氏体长大。奥氏体长大。3.残留渗碳体的溶解残留渗碳体的溶解铁素体、渗碳体、奥氏体三相比较而言，铁素体的碳浓度和晶体结构与奥铁素体、渗碳体、奥氏体三相比较而言，铁素体的碳浓度和晶体结构与奥氏体相近，所以铁素体先于渗碳体消失。因此，奥氏体形成后，仍有未溶解的氏体相近，所以铁素体先于渗碳体消失
17、。因此，奥氏体形成后，仍有未溶解的渗碳体存在，随着保温时间的延长，未溶渗碳体将继续溶解，直至全部消失。渗碳体存在，随着保温时间的延长，未溶渗碳体将继续溶解，直至全部消失。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第九页，本课件共有55页4.奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化当残留渗碳体全部溶解完时，原渗碳体存在的地方含碳量比原铁当残留渗碳体全部溶解完时，原渗碳体存在的地方含碳量比原铁素体存在的地方含碳量要高，所以需要继续延长保温时间，让碳原子素体存在的地方含碳量要高，所以需要继续延长保温时间，让碳原子充分扩散，才能使奥氏体的含碳量处处均匀。充分扩散，才能使奥氏体的含碳量处处均匀。5.1 钢在加热时
18、的转变钢在加热时的转变第十页，本课件共有55页5.1.3影响奥氏体转变速度的因素影响奥氏体转变速度的因素奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散控制。奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散控制。因此，一切影响扩散、影响形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要因此，一切影响扩散、影响形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要因素如加热温度、原始组织和化学成分等。因素如加热温度、原始组织和化学成分等。1.加热温度的影响加热温度的影响加热温度越高则奥氏体形成的速度就越快。这是因为加热温度高加热温度越高则奥氏体形成的速度就越快。这是因为加热温度高(即过热度大
19、即过热度大)，则奥氏体形核率及长大速率都迅速增大，原子扩散能力也在增强，促进了渗碳体，则奥氏体形核率及长大速率都迅速增大，原子扩散能力也在增强，促进了渗碳体的溶解和铁素体的转变。的溶解和铁素体的转变。加热温度必须高于加热温度必须高于AC1点，珠光体才能向奥氏体转变。转变需要一段孕育期以后点，珠光体才能向奥氏体转变。转变需要一段孕育期以后才能开始，而且温度越高，孕育期越短。才能开始，而且温度越高，孕育期越短。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十一页，本课件共有55页转变温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需要的时间越短。这是由两方面原因造转变温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需要的
20、时间越短。这是由两方面原因造成的。一方面，温度越高则奥氏体与珠光体的自由能差越大，转变的推动力越大，另一方面，温成的。一方面，温度越高则奥氏体与珠光体的自由能差越大，转变的推动力越大，另一方面，温度越高则原子扩散越快，因而碳的重新分布与铁的晶格改变越快，所以，使奥氏体的形核、长大、度越高则原子扩散越快，因而碳的重新分布与铁的晶格改变越快，所以，使奥氏体的形核、长大、残余渗碳体的溶解及奥氏体的均匀化都进行得越快。可见，同样一个奥氏体化状态，既可通过较残余渗碳体的溶解及奥氏体的均匀化都进行得越快。可见，同样一个奥氏体化状态，既可通过较低温度较长时间的加热得到，也可由较高温度较短时间的加热得到。因此
21、，在制定加热工艺时，低温度较长时间的加热得到，也可由较高温度较短时间的加热得到。因此，在制定加热工艺时，应全面考虑温度和时间的影响。应全面考虑温度和时间的影响。2.加热速度的影响加热速度的影响在连续升温加热时，加热速度对奥氏体化过程有重要影响，加热速度越快，则珠光体在连续升温加热时，加热速度对奥氏体化过程有重要影响，加热速度越快，则珠光体的过热度越大，转变的开始温度的过热度越大，转变的开始温度AC1越高，终了温度也越高但转变的孕育期越短，转变所需越高，终了温度也越高但转变的孕育期越短，转变所需的时间也就越短。的时间也就越短。3.化学成分的影响化学成分的影响一方面，钢中含碳量越高，奥氏体的形成速
22、度越快。这是因为随含碳量增加，渗碳体一方面，钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。这是因为随含碳量增加，渗碳体的数量相应地增加，铁素体和渗碳体相界面的面积增加，因此增加了奥氏体形核的部位，的数量相应地增加，铁素体和渗碳体相界面的面积增加，因此增加了奥氏体形核的部位，增大奥氏体的形核率。同时，碳化物数量增加，又使碳的扩散距离减小，以及随奥氏体中增大奥氏体的形核率。同时，碳化物数量增加，又使碳的扩散距离减小，以及随奥氏体中含碳量增加，碳和铁原子的扩散系数将增大，从而增大奥氏体的长大速度。含碳量增加，碳和铁原子的扩散系数将增大，从而增大奥氏体的长大速度。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十二
23、页，本课件共有55页另一方面，钢中加入合金元素，并不改变珠光体向奥氏体转变的基本过程。但是，另一方面，钢中加入合金元素，并不改变珠光体向奥氏体转变的基本过程。但是，合金元素对于奥氏体化过程的进行速度有重要影响，一般都使之减慢。合金元素对于奥氏体化过程的进行速度有重要影响，一般都使之减慢。合金元素影响的原因如下：合金元素影响的原因如下：(1)合金元素会改变钢的平衡临界点：如镍、锰、铜等都使临界点降低，而铬、合金元素会改变钢的平衡临界点：如镍、锰、铜等都使临界点降低，而铬、钨、钒、硅等则使之升高。因此，在同一温度奥氏体化时，与碳素钢相比合金元素改钨、钒、硅等则使之升高。因此，在同一温度奥氏体化时，
24、与碳素钢相比合金元素改变了过热度，因而也就改变了奥氏体与珠光体的自由能差，这对于奥氏体的形核与长变了过热度，因而也就改变了奥氏体与珠光体的自由能差，这对于奥氏体的形核与长大都有重要影响。大都有重要影响。(2)合金元素在珠光体中的分布是不均匀的：如铬、钼、钨、钒、钛等能形成碳化物的元素，合金元素在珠光体中的分布是不均匀的：如铬、钼、钨、钒、钛等能形成碳化物的元素，主要存在于共析碳化物中，镍、硅、铝等不形成碳化物的元素，主要存在于共析铁素体中。因主要存在于共析碳化物中，镍、硅、铝等不形成碳化物的元素，主要存在于共析铁素体中。因此，合金钢奥氏体化时，除了必须进行碳的扩散重新分布外，还必须进行合金元素
25、的扩散重新此，合金钢奥氏体化时，除了必须进行碳的扩散重新分布外，还必须进行合金元素的扩散重新分布。可是，合金元素的扩散速度比碳原子要慢得多，所以合金奥氏体的均匀化要缓慢得多。分布。可是，合金元素的扩散速度比碳原子要慢得多，所以合金奥氏体的均匀化要缓慢得多。(3)某些合金元素会影响碳和铁的扩散速度：如铬、钼、钨、钒、钛等都显某些合金元素会影响碳和铁的扩散速度：如铬、钼、钨、钒、钛等都显著减慢碳的扩散，钴、镍等则加速碳的扩散，硅、铝、锰等影响不大。著减慢碳的扩散，钴、镍等则加速碳的扩散，硅、铝、锰等影响不大。(4)极易形成碳化物的元素：如钛、钒、锆、铌、钼、钨等，会形成特殊碳化物，极易形成碳化物的
26、元素：如钛、钒、锆、铌、钼、钨等，会形成特殊碳化物，其稳定性比渗碳体高，很难溶入奥氏体，必须进行较高温度较长时间加热才能完全溶其稳定性比渗碳体高，很难溶入奥氏体，必须进行较高温度较长时间加热才能完全溶解。总之，合金钢的奥氏体化速度一般都比碳素钢慢，特别是高合金钢更要慢得多。解。总之，合金钢的奥氏体化速度一般都比碳素钢慢，特别是高合金钢更要慢得多。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十三页，本课件共有55页4.原始组织的影响原始组织的影响在化学成分相同的情况下，随原始组织中碳化物分散度的增大，不仅在化学成分相同的情况下，随原始组织中碳化物分散度的增大，不仅铁素体和渗碳体相界面增多，加大了奥
27、氏体的形核率；而且由于珠光体片铁素体和渗碳体相界面增多，加大了奥氏体的形核率；而且由于珠光体片层间距减小，使奥氏体中的碳浓度梯度增大，这些都使奥氏体的长大速度层间距减小，使奥氏体中的碳浓度梯度增大，这些都使奥氏体的长大速度增加。因此，钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。增加。因此，钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十四页，本课件共有55页5.1.4奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影响，同时也影响
28、工艺性能。例如，细小的奥氏体晶粒淬火所得到的马氏体组织响，同时也影响工艺性能。例如，细小的奥氏体晶粒淬火所得到的马氏体组织也细小，这不仅可以提高钢的强度与韧性，还可降低淬火变形、开裂倾向。目也细小，这不仅可以提高钢的强度与韧性，还可降低淬火变形、开裂倾向。目前，细化晶粒已经成为强化金属材料的重要方法。根据奥氏体的形成过程及长前，细化晶粒已经成为强化金属材料的重要方法。根据奥氏体的形成过程及长大倾向，奥氏体的晶粒度可以用起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度等描述。大倾向，奥氏体的晶粒度可以用起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度等描述。1.起始晶粒度起始晶粒度钢加热时，当珠光体刚刚转变为奥氏体时，奥氏
29、体晶粒大小叫起始晶粒度，此时的晶粒钢加热时，当珠光体刚刚转变为奥氏体时，奥氏体晶粒大小叫起始晶粒度，此时的晶粒一般均较细小，若温度提高或时间延长，晶粒会长大。一般均较细小，若温度提高或时间延长，晶粒会长大。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十五页，本课件共有55页2.实际晶粒度实际晶粒度奥氏体的起始晶粒形成后，如果继续在临界点以上升温或保温，晶粒就会奥氏体的起始晶粒形成后，如果继续在临界点以上升温或保温，晶粒就会自动长大起来。这是因为，晶粒越细小则晶界面积越大，总的界面能也越大，自动长大起来。这是因为，晶粒越细小则晶界面积越大，总的界面能也越大，所以，细晶粒状态的自由能高于粗晶粒状态的
30、自由能。晶粒长大能使自由能降所以，细晶粒状态的自由能高于粗晶粒状态的自由能。晶粒长大能使自由能降低，所以晶粒总要自发长大。显然，晶粒长大的推动力是界面能的降低，而晶低，所以晶粒总要自发长大。显然，晶粒长大的推动力是界面能的降低，而晶粒长大的阻力来自第二相的阻碍等作用。晶粒长大是依靠原子扩散与晶界推移，粒长大的阻力来自第二相的阻碍等作用。晶粒长大是依靠原子扩散与晶界推移，由大晶粒吞并小晶粒而进行的。温度越高，时间越长，晶粒就长得越大。在每由大晶粒吞并小晶粒而进行的。温度越高，时间越长，晶粒就长得越大。在每一个具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体的一个具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大
31、小，称为奥氏体的“实际晶粒度实际晶粒度”。即实际晶粒度为在具体的加热条件下加热时，所得到奥氏体的实际晶粒大小。即实际晶粒度为在具体的加热条件下加热时，所得到奥氏体的实际晶粒大小。它直接影响钢在冷却以后的性能。它直接影响钢在冷却以后的性能。3.本质晶粒度本质晶粒度生产中发现，有的钢材加热时奥氏体晶粒很容易长大，而有的钢材就不容易长大，生产中发现，有的钢材加热时奥氏体晶粒很容易长大，而有的钢材就不容易长大，这说明不同的钢材的晶粒长大倾向是不同的。本质晶粒度就是反映钢材加热时奥氏体晶这说明不同的钢材的晶粒长大倾向是不同的。本质晶粒度就是反映钢材加热时奥氏体晶粒长大倾向的一个指标。凡是奥氏体晶粒容易长
32、大的钢就称为粒长大倾向的一个指标。凡是奥氏体晶粒容易长大的钢就称为“本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢”，反之，反之，奥氏体晶粒不容易长大的钢则称为奥氏体晶粒不容易长大的钢则称为“本质细晶粒钢本质细晶粒钢”。随着加热温度升高，本质粗晶粒。随着加热温度升高，本质粗晶粒钢的奥氏体晶粒一直长大，逐渐粗化。钢的奥氏体晶粒一直长大，逐渐粗化。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十六页，本课件共有55页本质细晶粒钢则不然，在一定温度以下加热时，奥氏体晶粒长大很缓慢，一直本质细晶粒钢则不然，在一定温度以下加热时，奥氏体晶粒长大很缓慢，一直保持细小晶粒。可是，超过一定温度以后，晶粒急剧长大，突然粗化。这个晶保持细
33、小晶粒。可是，超过一定温度以后，晶粒急剧长大，突然粗化。这个晶粒开始强烈长大的温度称为粒开始强烈长大的温度称为“晶粒粗化温度晶粒粗化温度”。本质细晶粒钢只有在晶粒粗化。本质细晶粒钢只有在晶粒粗化温度以下加热时，晶粒才不容易长大，超过这一温度以后，便与本质粗晶粒钢温度以下加热时，晶粒才不容易长大，超过这一温度以后，便与本质粗晶粒钢没有什么区别了。没有什么区别了。本质晶粒度是根据冶金部的部颁标准本质晶粒度是根据冶金部的部颁标准YB2777钢的晶粒度测定法的规定来测钢的晶粒度测定法的规定来测定的，即将钢在定的，即将钢在(93010)保温保温3h8h冷却后测定奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。通冷却后测定
34、奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。通常是在放大常是在放大100倍的情况下，与标准晶粒度等级图倍的情况下，与标准晶粒度等级图(见图见图5.3)进行比较评级。晶粒度是进行比较评级。晶粒度是1级级4级的定为本质粗晶粒钢，级的定为本质粗晶粒钢，5级级8级的定为本质细晶粒钢。级的定为本质细晶粒钢。钢的本质晶粒度决定于钢的成分和冶炼条件。一般来说，能用铝脱氧的钢都是本质细晶钢的本质晶粒度决定于钢的成分和冶炼条件。一般来说，能用铝脱氧的钢都是本质细晶粒钢，不用铝而用硅、锰脱氧的钢则为本质粗晶粒钢。含有钛、锆、钒、铌、钼、钨等合金粒钢，不用铝而用硅、锰脱氧的钢则为本质粗晶粒钢。含有钛、锆、钒、铌、钼、钨等合金元素
35、的钢也是本质细晶粒钢。这是因为铝、钛、锆等元素在钢中会形成分布在晶界上的超细元素的钢也是本质细晶粒钢。这是因为铝、钛、锆等元素在钢中会形成分布在晶界上的超细的化合物颗粒，如的化合物颗粒，如AlN、Al2O3、TiC、ZrC等，它们稳定性很高，不容易聚集；也不容易溶等，它们稳定性很高，不容易聚集；也不容易溶解，能阻碍晶粒长大。但是，当温度超过晶粒粗化温度以后，由于这些化合物的聚集长大，解，能阻碍晶粒长大。但是，当温度超过晶粒粗化温度以后，由于这些化合物的聚集长大，或者溶解消失，失去阻碍晶界迁移的作用，奥氏体晶粒便突然长大起来。或者溶解消失，失去阻碍晶界迁移的作用，奥氏体晶粒便突然长大起来。5.1
36、 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十七页，本课件共有55页在本质粗晶粒钢中不存在这些化合物微粒，晶粒长大不受阻碍，从而随温度升高而逐渐在本质粗晶粒钢中不存在这些化合物微粒，晶粒长大不受阻碍，从而随温度升高而逐渐粗化。钢的本质晶粒度在热处理生产中具有很重要的意义。因为，有些热处理工艺，如粗化。钢的本质晶粒度在热处理生产中具有很重要的意义。因为，有些热处理工艺，如渗碳、渗金属等工艺，必须在高温进行长时间加热才能实现，这时若采用本质细晶粒钢，渗碳、渗金属等工艺，必须在高温进行长时间加热才能实现，这时若采用本质细晶粒钢，就能防止工件心部和表层过热，渗后就能直接进行淬火。若用本质粗晶粒钢就会严重过就能
37、防止工件心部和表层过热，渗后就能直接进行淬火。若用本质粗晶粒钢就会严重过热。此外，本质细晶粒钢焊接时，焊缝热影响区的过热程度也比本质粗晶粒钢轻微得多。热。此外，本质细晶粒钢焊接时，焊缝热影响区的过热程度也比本质粗晶粒钢轻微得多。图图5.3标准晶粒度等级示意图标准晶粒度等级示意图5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十八页，本课件共有55页奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒长界附近的扩散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏
38、体晶粒长大。首先，奥氏体形成后随着加热温度升高和保温时间延长，晶粒急剧长大；大。首先，奥氏体形成后随着加热温度升高和保温时间延长，晶粒急剧长大；其次，加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的实际形成温度越其次，加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，则奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细；第三，钢中含碳量在一定范围之高，则奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细；第三，钢中含碳量在一定范围之内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大，但是含碳量超过某一限度内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大，但是含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒反而变得细小。这是因为随着含碳量的
39、增加，碳在钢中的扩散时，奥氏体晶粒反而变得细小。这是因为随着含碳量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故加速了奥氏体晶粒长大的倾向性。但是，速度以及铁的自扩散速度均增加，故加速了奥氏体晶粒长大的倾向性。但是，当含碳量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的增加，二次当含碳量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增多，渗碳体可以阻碍奥氏体晶界的移动，故奥氏体晶粒反而细小；渗碳体数量增多，渗碳体可以阻碍奥氏体晶界的移动，故奥氏体晶粒反而细小；第四，钢中加入适量的形成难熔化合物的合金元素，如第四，钢中加入适量的形成难熔化合物的合金元素，如Ti
40、、Zr、V、Al、Nb、Ta等，强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度升高，因为这些元等，强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度升高，因为这些元素是强碳、氮化合物形成元素，在钢中能形成熔点高、稳定性强、弥散的碳化素是强碳、氮化合物形成元素，在钢中能形成熔点高、稳定性强、弥散的碳化物或氮化物，阻碍晶粒长大。物或氮化物，阻碍晶粒长大。5.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变第十九页，本课件共有55页5.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变奥氏体化后的钢只有通过适当的冷却，才能得到所需要的组织和性奥氏体化后的钢只有通过适当的冷却，才能得到所需要的组织和性能。所以，冷却是热处理的关键工
41、序，它决定着钢在热处理后的组织和能。所以，冷却是热处理的关键工序，它决定着钢在热处理后的组织和性能。性能。奥氏体经过不同的冷却后，性能明显不同，强度相差几倍。其原因是不同冷奥氏体经过不同的冷却后，性能明显不同，强度相差几倍。其原因是不同冷却速度下，奥氏体的过冷度不同，转变产物的组织不同，所以工件性能各异。却速度下，奥氏体的过冷度不同，转变产物的组织不同，所以工件性能各异。第二十页，本课件共有55页5.2.1过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变生产中冷却的方式是多种多样的。经常采用的有两种：一种是等温冷却，如等温淬火、生产中冷却的方式是多种多样的。经常采用的有两种：一种是等温冷却，如等温淬火
42、、等温退火等。它是将奥氏体化后的钢由高温快速冷却到临界温度以下某一温度，保温一段时等温退火等。它是将奥氏体化后的钢由高温快速冷却到临界温度以下某一温度，保温一段时间以进行等温转变，然后再冷却到室温，如图间以进行等温转变，然后再冷却到室温，如图5.4中的曲线中的曲线1所示；另外一种是连续冷却，如所示；另外一种是连续冷却，如炉冷、空冷、油冷、水冷等。它是将奥氏体化后的钢连续从高温冷却到室温，使奥氏体在一炉冷、空冷、油冷、水冷等。它是将奥氏体化后的钢连续从高温冷却到室温，使奥氏体在一个温度范围内发生连续转变。如图个温度范围内发生连续转变。如图5.4中曲线中曲线2所示。奥氏体冷至临界温度以下，处于热力
43、学所示。奥氏体冷至临界温度以下，处于热力学不稳定状态，经过一定孕育期后，才可转变。这种在临界点以下尚未转变的处于不稳定状态不稳定状态，经过一定孕育期后，才可转变。这种在临界点以下尚未转变的处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体的奥氏体称为过冷奥氏体(supercoolingaustenite)。5.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变第二十一页，本课件共有55页5.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变图图5.4奥氏体不同冷却方式示意图奥氏体不同冷却方式示意图1等温冷却等温冷却2连续冷却连续冷却1.过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线(isothermaltrans-formationcu
44、rve)过冷奥氏体等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变过冷奥氏体等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。因其形开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。因其形状通常像英文字母状通常像英文字母“C”，故俗称其为，故俗称其为C曲线，亦称为曲线，亦称为TTT图。图。1)过冷奥氏体等温转变曲线的建立过冷奥氏体等温转变曲线的建立第二十二页，本课件共有55页5.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变由于过冷奥氏体在转变过程中不仅有组织转变和性能变化，而且有
45、体积膨胀和磁性转由于过冷奥氏体在转变过程中不仅有组织转变和性能变化，而且有体积膨胀和磁性转变，因此可以采用膨胀法、磁性法、金相变，因此可以采用膨胀法、磁性法、金相硬度法等来测定过冷奥氏体等温转变曲线。现硬度法等来测定过冷奥氏体等温转变曲线。现以金相以金相硬度法为例介绍共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立过程。硬度法为例介绍共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立过程。将共析钢加工成圆片状试样将共析钢加工成圆片状试样(101.5mm)，并分成若干组，每组试样，并分成若干组，每组试样5个个10个。首个。首先选一组试样加热至奥氏体化后，迅速转入先选一组试样加热至奥氏体化后，迅速转入A1以下一定温度的熔盐浴中
46、等温，各试以下一定温度的熔盐浴中等温，各试样停留不同时间之后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷，使尚未分解的过冷样停留不同时间之后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷，使尚未分解的过冷奥氏体变为马氏体，这样在金相显微镜下就可观察到过冷奥氏体的等温分解过程，奥氏体变为马氏体，这样在金相显微镜下就可观察到过冷奥氏体的等温分解过程，记下过冷奥氏体向其他组织转变开始的时间和转变终了的时间；显然，等温时间记下过冷奥氏体向其他组织转变开始的时间和转变终了的时间；显然，等温时间不同，转变产物量就不同。一般将奥氏体转变量为不同，转变产物量就不同。一般将奥氏体转变量为1%3%所需的时间定为转变所需的时间定为转变开
47、始时间，而把转变量为开始时间，而把转变量为98%所需的时间定为转变终了的时间。由一组试样可以所需的时间定为转变终了的时间。由一组试样可以测出一个等温温度下转变开始和转变终了的间，根据需要也可以测出转变量为测出一个等温温度下转变开始和转变终了的间，根据需要也可以测出转变量为20%、50%、70%等的时间。多组试样在不同等温温度下进行试验，将各温度下等的时间。多组试样在不同等温温度下进行试验，将各温度下的转变开始点和终了点都绘在温度的转变开始点和终了点都绘在温度时间坐标系中，并将不同温度下的转变开始时间坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点分别连接成曲线，就可以得到共析钢的过冷奥氏体等温
48、转变曲线，点和转变终了点分别连接成曲线，就可以得到共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线，如图如图5.5所示。所示。C曲线中转变开始线与纵轴的距离为孕育期，标志着不同过冷度下曲线中转变开始线与纵轴的距离为孕育期，标志着不同过冷度下过冷奥氏体的稳定性，其中以过冷奥氏体的稳定性，其中以550左右共析钢的孕育期最短，过冷奥氏体稳定左右共析钢的孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最低，称为性最低，称为C曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。第二十三页，本课件共有55页5.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变2)过冷奥氏体等温转变曲线的分析过冷奥氏体等温转变曲线的分析图图5.5中最上面一条水平虚线表示钢的临界点中最上面一条水平虚线
49、表示钢的临界点A1(723)，即奥氏体与珠光体的平，即奥氏体与珠光体的平衡温度。图中下方的一条水平线衡温度。图中下方的一条水平线Ms(230)为马氏转变开始温度，为马氏转变开始温度，Ms以下还有一条以下还有一条水平线水平线Mf(-50)为马氏体转变终了温度。为马氏体转变终了温度。A1与与Ms线之间有两条线之间有两条C曲线，左侧一条为曲线，左侧一条为过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变终了线。过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变终了线。A1线以上是奥氏体稳定线以上是奥氏体稳定区。区。Ms线至线至Mf线之间的区域为马氏体转变区，过冷奥氏体冷却至线之间的区域为马氏体转变区，过冷奥
50、氏体冷却至Ms线以下将发生马线以下将发生马氏体转变。过冷奥氏体转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，氏体转变。过冷奥氏体转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，在该区域过冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变。在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏在该区域过冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变。在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。体转变产物区。A1线以下，线以下，Ms线以上以及纵坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域线以上以及纵坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域为过冷奥氏体区，过冷奥氏体在该区域内不发生转变，处于亚稳定状态。在为过冷奥氏体区，过冷奥氏体在该区域内不发生转变，处于亚稳