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 1(PSK 线)、A3(GS 线)、Acm(ES 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F+P，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 P+Fe3C，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 1~4 级为粗晶粒；5~8 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”， T——time，T——temperature，T——transation”，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（F+P）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