钢在加热及冷却时的组织转变

一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变 1．钢在加热和冷却时的相变温度 钢在固态下进行加热、保温和冷却时将发生组织转变，转变临界点根据 Fe-Fe 3C 相图确定。 平衡状态下当钢在缓慢加热或冷却时，其固态下的临界点分别用 Fe-Fe 3C 相图 中的平衡线 A 1PSK 线、A3GS 线、AcmES 线表示。 实际加热和冷却时发生组织转变的临界点都要偏离平衡临界点，并且加热和冷 却速度越快，其偏离的程度越大。 实际加热时临界点分别用 Ac 1、Ac3、Accm 表示 实际冷却时临界点分别用 Ar 1、Ar3、Arcm 表示 钢热处理加热的目的是获得部分或全部奥氏体， 组织向奥氏体转变的过程称奥氏 体化。 加热至 Ac 1 以上时首先由珠光体转变成奥氏体（P → A）； 加热至 Ac 3 以上时亚共析钢中的铁素体将转变为奥体（F → A）； 加热至 Ac cm 以上时过共析钢中的二次渗碳体将转变成奥氏体（Fe 3CI → A） 2．奥氏体的形成 钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。 共析钢奥氏体化共析钢奥氏体化热处理加热至 Ac1 以上时，将全部奥氏体化 亚共析钢奥氏体化亚共析钢奥氏体化原始组织为FP，加热至Ac1 以上时，P 先奥氏体化，组织 部分奥氏体化；加热至 Ac3 以上时，F 奥氏体化，组织全部奥氏体化 过共析钢奥氏体化过共析钢奥氏体化原始组织为 PFe3C，加热至 Ac1 以上时，P 先奥氏体化， 组织部分奥氏体化；加热至 Acm 以上时，Fe3C 奥氏体化，组织全部奥氏体化 2 2、奥氏体的晶粒大小、奥氏体的晶粒大小 奥氏体晶粒对性能影响奥氏体晶粒对性能影响 奥氏体的晶粒越细小、 均匀， 冷却后的室温组织越细密， 其强度、塑性和韧性比较高。 [ [奥氏体的晶粒度奥氏体的晶粒度] ]晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均 直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。GB/T8493-1987 将奥氏体晶粒分为 8 个等级，其中 14 级为粗晶粒；58 级为细晶粒。 [ [本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢] ]热处理时随加热温度的升高，奥氏体晶粒迅速长大的钢。 [ [本质细晶粒钢本质细晶粒钢] ]热处理时随加热温度的升高，奥氏体晶粒不易长大的钢。一般 完全脱氧的镇静钢、含碳化物元素和氮化物元素的合金钢为本质细晶粒钢。 3 3、影响奥氏体晶粒大小的主要因素、影响奥氏体晶粒大小的主要因素 热处理工艺参数热处理工艺参数加热速度、加热温度、保温时间，其中加热温度对奥氏体 晶粒大小的影响最为显著。 钢的化学成分钢的化学成分大多数合金元素（锰和磷除外）均能不同程度地阻止奥氏体晶粒 的长大，特别是与碳结合能力较强的碳化物形成元素（如铬、钼、钨、钒等）及氮化 物元素（如铌、钒、钛等），会形成难熔的碳化物和氮化物颗粒，弥散分布于奥氏体 晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。因此，大多数合金钢、本质细晶粒钢加热时奥氏体 的晶粒一般较细。 原始组织原始组织钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体的晶粒越细。 二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变 冷却方式是决定热处理组织和性能的主要因素。 热处理冷却方式分为等温冷却和 连续冷却。 奥氏体冷却降至 A 1 以下时（A 1 以下温度存在的不稳定奥氏体称过冷奥氏体）将 发生组织转变。热处理中采用不同的冷却方式，过冷奥氏体将转变为不同组织，性能 具有很大的差异，如下表为 45 钢奥氏体化后经不同方式的冷却，其性能的差异。 45 钢经 840℃加热在不同条件冷却后的力学性能 抗拉强度 冷却方法 随炉冷却 空气中冷 却 油中冷却 水中冷却 /MPa 530 670～ 720 900 1100 屈服点 /MPa 280 340 620 720 断后伸长 率/％ 32.5 15～18 18～20 7～8 断面收缩 率/％ 49.3 45～50 48 12～14 硬度/HRC 15～18 18～24 40～50 52～60 1 1．奥氏体的等温转变．奥氏体的等温转变 奥氏体在 A1 线以上是稳定相，当冷却到 A1 线以下而又尚未转变的奥氏体称为 过冷奥氏体过冷奥氏体。这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以 等温转变为稳定的新相。这种转变就称为奥氏体的等温转变奥氏体的等温转变。 [ [等温冷却转变等温冷却转变] ]钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点Ar 1 或 Ar 3线以下，等温保 持时过冷奥氏体发生的转变。 [ [等温转变曲线等温转变曲线] ]可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温温度、保持时间 与转变产物所占的百分数（转变开始及转变终止）的关系曲线，称“TTT 图”， Ttime，Ttemperature，Ttransation”，又称为“C 曲线”。 等温转变产物及性能等温转变产物及性能用等温转变图可分析钢在 A 1 线以下不同温度进行等温转变 所获的产物。根据等温温度不同，其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。 [ [ 高温转变高温转变] ]转变温度范围为 A 1～550℃ ，获片状珠光体型（FP）组织。 依转变温度由高到低，转变产物分别为珠光体、索氏体、托氏体，片层间距由粗 到细。其力学性能与片层间距大小有关，片层间距越小，则塑性变形抗力越大，强度 和硬度越高，塑性也有所改善。 [ [中温转变中温转变] ]转变温度范围为 550℃～M S，此温度下转变获贝氏体型组织，贝氏 体型组织是由过饱和的铁素体和碳化物组成的，分上贝氏体和下贝氏体。 550～350℃范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，金相组织呈羽毛状； 350～M S 范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，金相组织呈黑色针状或片状，下贝 氏体组织通常具有优良的综合力学性能，即强度和韧性都较高。 等温转变温度组织性能变化规律等温转变温度组织性能变化规律等温转变温度越低，其转变组织越 细小，强度、硬度也越高，见下表。 转变转变温 类型度 ／℃ 转变产物 符号 P S 显微组织特征 粗片状铁素体与渗碳体混合物 600 倍光学金相显微镜下才能分 硬度 HRC 25 25～35 Ac 1～650 珠光体 650～ 高温 转变 600 600～ 550 550～ 中温 转变 350～Ms 350 托氏体 索氏体 辨的细片状珠光体 在光学金相显微镜下已无法分辨 T 的极 细片状珠光体 羽毛状组织 35～40 上贝氏 体 下贝氏 体 B 上 40～45 B 下 黑色针状或称竹叶状组织45～55 [ [低温转变低温转变] ]碳在 α-Fe 中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号“M”表示。在 M S 线以下过冷奥氏体发生的转变称马氏体转变，马氏体转变通常在连续冷却时进行， 是一种低温转变。 马氏体组织形貌马氏体组织形貌低碳马氏体组织通常呈板条状 M；高碳马氏体组织通常呈针 叶状 M。 马氏体性能马氏体性能马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的含碳量。随着马氏体含 碳量的提高，其强度与硬度也随之提高。低碳马氏体具有良好的强度及一定