机械工程材料
Mechanical Engineering Materials Science
主讲：田富洋
山东农业大学专业基础课程
第四章 钢的热处理
第四章 钢的热处理 ( Heat Treatment of Steel )
概述 钢在加热时的转变 钢在冷却时的转变 钢在回火时的转变
第四章 钢的热处理
B下
350~MS
散型 竹叶状，细片状Fe3C分布于 过饱和F针上
50-60
等温 淬火
马
氏
M针 MS~Mf 无扩 针状
体 M*板条 MS~Mf 散型 板条状
60-65 淬火 50 淬火
第四章 钢的热处理
四.过冷奥氏体的连续冷却转变
一) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线 ---- CCT 曲线 C --- continuous C --- cooling T --- transformation
103
104 时间(s)
三) 转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : ➢A1～650℃ : P ; 15～27HRC;
片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
➢650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 27～38HRC。
热处理概述
1.热处理的定义:
温
保温
度
临界温度
热
加
冷
却
时间
第四章 钢的热处理
2.热处理的主要目的:改变钢的性能。
3.热处理的应用范围:整个制造业。 4.热处理的分类
普 通 退火;正火; 热处理 淬火;回火;
感应加 热淬火
热处理
表面淬火
表面 热处理
化学 热处理
火焰加 热淬火
渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;
第四章 钢的热处理
第四章 钢的热处理
温度 3.马氏体型 ( M ) 转变 ( 230～ -50℃ ) :
(℃)
800 1)定义稳:马定氏的奥体氏是体一区 种碳在α – FAe1中的
700 600 500
过冷奥氏2)马氏产+ 体过形饱A成A转和向:变固产终物溶止线体产物区。
A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。
硬度 ( HRC )
抗拉强度σb ( Mpa )
60
1800
50 1400
40 1000
30
20
600
10
200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
马氏体的碳浓度 Wc 100
第四章 钢的热处理
三、 影响 TTT 曲线形状 与位置的因素
1.奥氏体中含碳量的影响:
（1）加热温度和保温时间: 加热温度高、保
温时间长, 晶粒粗大.
（2）加热速度: 加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细.
（3）合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素: Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、 Al等碳化物和氮化物形成元素。
第四章 钢的热处理
第二节 钢在冷却时的组织转变
共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图
温度
(℃)
800
A1
700
600
500
400 300 200 100
0
-100 0
1
10
102
103
104 时间(s)
二) 共析碳钢 TTT 曲线的分析
温度
(℃)
800
稳定的奥氏体区
A1
700 过 600 冷
奥 500 氏
+ 产
A
A向产物 转变终止线
产 物 区
第四章 钢的热处理
3.加热温度和保温时间的影响: 加热温度越高, 保温时间越长,
碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀, 提高了过冷奥氏体的稳定性, 从而 使 TTT曲线向右移。
第四章 钢的热处理
过冷奥氏体转变产物（共析钢）
转变 转变 形成温 转变 类型 产物 度， ℃ 机制
显微组织特征
获得 HRC 工艺
F
Fe3C
未溶Fe3C
AA
A 形核 A 残余Fe3C
残余Fe3C溶解
A 长大 A A 均匀化
第四章 钢的热处理
➢ 影响奥氏体形成的因素
1、加热温度：温度越高，奥氏体形成速度越快。 2、加热速度：速度越大，奥氏体形成时间越短。 3、钢中碳的质量分数：质量分数越多，相界面
增多，则有利于奥氏体的形成。 4、合金元素：合金元素可以改变钢的临界温度，
第四章 钢的热处理
低碳板条状马氏体组织金相图
第四章 钢的热处理
4)马氏体的组织形态: ➢针、片状 --- 高碳马氏体(＞1%C);
66HRC左右 ; δ ≈ 1%。
第四章 钢的热处理
高碳针片状马氏体组织金相图
第四章 钢的热处理
5）马氏体转变的基本特征
马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及 发生扩散分解而产生的无扩散型的相变马氏体转变 是，通过切变和原子的微小调整来实现γ相向α相转 变的。
第一节 钢在加热时的组织转变
转变温度 奥氏体的形成 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响
第四章 钢的热处理
一.转变温度( transformation temperature )
第四章 钢的热处理
二、奥氏体的形成过程
奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现 以共析钢为例说明：
第一步 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形 核。
550～230℃;中温转变
400 300
Ms体区➢➢在转A物向转一变产变个速开温度始物线度 极范 快围,即区内瞬连间续形区冷核;贝半却与氏扩完体长散(成型大B转;);转变变; 区;
200 100
➢无扩散转变( Fe、C原子2变3均0区～不; 非- 扩5扩0℃散散;型低)转,温变转;
0 Mf M与原A的成分相同,造马成氏晶体格( M畸) 变转变。区。
由于马氏体转变的无扩散性，因而马氏体的化学成 分与母相奥氏体完全相同。显然，马氏体是碳在αFe中的过饱和间隙固溶体。造成晶格的严重畸变， 成为具有一定正方度（c/a）的体心正方晶格 。
过冷奥氏体向马氏体的转变，必须在不断降温条件 下转变才能继续进行，冷却过程中断，转变立即停 止。
第四章 钢的热处理 即使冷却到Mf 点，也不可能获得100%的马氏
-100 0
➢转1 变不1完0 全性102
103
104 时间(s)
第四章 钢的热处理
第四章 钢的热处理
3)马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作 用,使α – Fe晶格由面心立方变成体心 正方晶格。
第四章 钢的热处理
4)马氏体的组织形态: ➢板条状 --- 低碳马氏体(＜0.2%C );
30～50HRC ; δ = 9～17%。
影响碳的扩散速度，从而限制奥氏体的形成 速度。
第四章 钢的热处理
三. 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响
一) 奥氏体晶粒度: 1.起始晶粒度: 珠光体刚刚转变成奥氏
体的晶粒大小。 2.实际晶粒度: 热处理后所获得的奥氏
体晶粒的大小。 3.本质晶粒度: 度量钢本身晶粒在930℃
以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。
第四章 钢的热处理
奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响
残 90
余 80
奥 氏
70
体 60
量 (%
)50
40
30
20
10
0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Wc 100
6)马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的碳浓度。
70
2000
➢600～550℃:极细片状P---托氏体(T); 片间距为＜0.2μm ( 电镜 ); 38～43HRC。
珠光体形貌像
光镜下形貌
电镜下形貌
索氏体形貌像
光镜形貌
电镜形貌
托氏体形貌像
光镜形貌 电镜形貌
第四章 钢的热处理
温度 2.贝氏体型 ( B ) 转变 ( 550～230℃ ) :
(℃)
800
第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩 散向 和Fe3C方向长大。
第三步 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接 近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时 间延长继续溶解直至消失。
第部位四碳步含奥量氏仍体很成高分，均通匀过化长：时Fe间3C保溶温解使后奥，氏其体所成在 分趋于均匀。
共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms 与Mf 点随含碳量增加而下降。
与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部 各多一条先共析相的析出线。
第四章 钢的热处理
温度 (℃)
800
700
600
500
F A
400
300 Ms 200
100 0 Mf
-100
0
1
M + A残
10
102
103
亚共析钢的TTT曲线
第四章 钢的热处理
亚共析钢随着含碳量的增加C曲线向右移动 过共析钢随着含碳量的增加C曲线向左移动
温 度
A1
亚共 析钢
过共 析钢
共析 钢
时间
第四章 钢的热处理
2.奥氏体中含合金元素的影响: 除Co、Al (＞2.5% ) 外,所有合金元
素溶入奥氏体中,会引起:
A1
向右移
Ms 向 下 移
A1
Ms 含Cr合金钢
钢在热处理时的冷却方式 过冷奥氏体的等温冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变