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1、1,2019/10/17,第四章 钢的过冷奥氏体转变 及热处理,2,2019/10/17,本章主要内容,过冷奥氏体转变类型 过冷奥氏体等温转变 过冷奥氏体连续冷却转变 常规热处理方法 热处理常用设备*,3,2019/10/17,本章基本要求,1.过冷A冷却方式、过冷奥氏体转变动力学图类型。 2. 过冷A等温转变动力学图、 1)共析钢的过冷奥氏体等温转变曲图分析，过冷A发生种转变； 2)非共析钢的过冷A等温转变动力学图与共析钢的过冷A等温转变动力学图的异同，合金钢的过冷A等温转变图类型；3)影响过冷A等温转变动力学图形状的因素；4)过冷A等温转变动力学图的测定（金相法硬度法）。 3. 过冷A连续
2、冷却转变图 1)共析钢CCT图分析：线、区，不同的冷却速度下A发生的转变，临界冷却速度；2)非共析钢CCT图与非共析钢CCT图的异同；3)金相硬度法测定过冷A连续转变动力学图原理和方法；4）过冷奥氏体连续转变动力学图的应用。,4,2019/10/17,概述,热处理是使固态金属通过加热、保温、冷却工序改变其内部组织结构，以获得预期性能的工艺过程。热处理通常包括加热、保温和冷却三个步骤，其中冷却往往是最关键的步骤。 正确地进行热处理，可以成倍、以至数十倍地提高零件的使用寿命。 热处理能改变工件性能的根本原因是在热处理过程中金属的内部组织结构发生了变化。钢件加热到临界点(A1或A3)以上形成奥氏体。
3、奥氏体冷却到临界点以下的奥氏体，是非稳定组织，称为过冷奥氏体。 过冷奥氏体在不同的冷却条件下，可以通过不同的转变机制进行转变，最终可能转变为珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织，从而导致钢件具有不同的性能。,5,2019/10/17,冷却条件分为两大类：一是平衡冷却条件或接近于平衡冷却条件，特征是不考虑时间因素，或者说时间无限长，Fe-Fe3C相图就是在这种条件下获得的。二是非平衡冷却条件，它受时间因素影响。 相变动力学是研究新相形成量与时间、温度关系的学科。 钢的过冷奥氏体转变动力学图就是研究某一成分的钢的过冷奥氏体转变产物与温度、时间的关系及其变化规律。掌握过冷奥氏体的非平衡冷却条件下的
4、转变规律，对热处理生产具有直接的指导意义。,6,2019/10/17,4.1 过冷奥氏体转变类型,奥氏体在临界点以下是不稳定组织。当奥氏体被过冷到临界点以下时，将转变为较稳定的组织。 如果冷却速度极慢，则转变可以按Fe-Fe3C状态图进行，即首先沿GS及ES线析出先共析铁素体或先共析渗碳体。最后具有共析成分的奥氏体将分解为铁素体与渗碳体。,7,2019/10/17,但在实际热处理中采用的冷速均较大。由于冷速大，先共析相来不及沿GSE线析出，共析成分的奥氏体也来不及在略低于A1的温度分解完毕，故奥氏体有可能被过冷到较低的温度，在较大的过冷度下发生转变。 随着过冷度的增大，转变温度的降低，转变驱动
5、力增大，铁原子与碳原子的活动能力下降，过冷奥氏体的转变机制不同。 过冷奥氏体的转变分为三大类：铁原子与碳原子均能充分扩散的高温转变，即珠光体转变；铁原子已难以扩散而碳原子尚能扩散的中温转变，即贝氏体转变；以及铁原子与碳原子均已不能扩散的低温转变，即马氏体转变。,8,2019/10/17,4.1.1 珠光体转变,珠光体类(P)转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变，又称高温转变。产物为珠光体，是由铁素体和渗碳体两相的机械混合物，其组成相通常呈片层状 。铁素体和渗碳体两相的含碳量、晶体结构相差悬殊且与奥氏体截然不同，转变时必然发生C的扩散和晶格的改组，因此珠光体转变是典型的
6、扩散型相变。,9,2019/10/17,珠光体是含碳量0.77的铁碳合金发生共析转变的产物，是有铁素体和渗碳体组成的机械混合物(+Fe3C)，根据渗碳体形态不同，常见的珠光体分为片状P和粒状P ，前者渗碳体呈片状，后者渗碳体呈粒状。粒状P是片状P球化 形成的，如球化退火、淬火高温回火。,10,2019/10/17,片状珠光体的力学性能主要取决片间距和珠光体团的直径，珠光体中铁素体片的亚晶粒尺寸。随片间距和珠光体团的直径减小，塑变能力、硬度、强度和塑性提高。 粒状珠光体的力学性能主要取决于Fe3C颗粒大小、形态、数量、分布。 Fe3C颗粒越小，分散越均匀，硬度和强度提高。碳化物越接近等轴状，分布
7、越均匀，塑韧性越好 在成分相同的情况下粒状珠光体的硬度、强度比片状珠光体的低，但塑性和韧性好；粒状珠光体具有良好的综合力学性能。,11,2019/10/17,4.1.2 贝氏体转变,过冷奥氏体到珠光体和马氏体转变之间的中温转变，称为贝氏体转变。转变产物称为贝氏体，记为B，是铁素体和碳化物组成的机械混合物。 贝氏体转变兼有珠光体和马氏体转变的特征，又有其独特之处。即贝氏体中的相形成是无扩散的，而碳化物的析出则是通过扩散进行的，因此贝氏体转变又称为半扩散型转变。 贝氏体的力学性能取决于贝氏体的组织形态。贝氏体的强度和韧性与形成温度有关，上贝氏体的强度和韧性低于下贝氏体。,12,2019/10/17
8、,贝氏体的组织形态是多种多样的，典型的贝氏体有：上贝氏体和下贝氏体。 上贝氏体由F和Fe3C组成的非层片状混合物，在550350温度区间形成，在光学显微镜下的特征呈羽毛状，F呈大致平行的条状，自A晶界的一侧或两侧向A晶内伸展，Fe3C呈不连续的、短杆状分布于F条之间。 下贝氏体由F和碳化物组成的非层片状混合物，在350Ms温度区间形成，在A晶粒内部沿某些晶面单独的或成堆的长成竹叶状（黑色片状或针状），立体形态呈双凸透镜状，碳化物呈细片状或颗粒状分布在F针内。,13,2019/10/17,4.1.3 马氏体转变,马氏体转变的含义：指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相变，转变产物称
9、为马氏体。 马氏体的定义： （1）马氏体是碳溶于-Fe中的过饱和间隙式固溶体； （2）马氏体是在冷却过程中所发生的基本特征属于马氏体型转变的转变产物 获得马氏体是强化钢的重要途径之一,是使钢强韧化的先决条件。,14,2019/10/17,钢中马氏体的形态很多，其中板条马氏体和片状马氏体最为常见。 板条马氏体: 低碳钢中的马氏体组织是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成，亚结构为高密度的位错。 片状(针状)马氏体: 在高碳钢中形成的马氏体完全是片状马氏体。在显微镜下观察时呈针状或竹叶状。亚结构主要是孪晶。,马氏体组织,15,2019/10/17,马氏体力学性能： 钢中马氏体力学性能的显著特点是
10、具有高硬度和高强度。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。 其硬度和屈服强度随含碳量的增加而升高。 马氏体的塑性和韧性 主要取决于马氏体的亚结构。 在相同屈服强度下，板条马氏体比片状马氏体具有较高的韧性。,16,2019/10/17,共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能,17,2019/10/17,本节小结,过冷奥氏体的转变类型 常见珠光体的两种形态及他们的性能差异，渗碳体的形态。 常见贝氏体的两种形态及他们的性能差异，碳化物的形态和分布。 常见马氏体的两种形态及他们的性能差异。,18,2019/10/17,4.2 过冷奥氏体等温转变,19,2019/10/17,热处理过程：加热、保
11、温、冷却 冷却方式有二种：连续冷却方式和等温冷却方式 dT/d时是平衡条件，否则就是非平衡条件。 过冷奥氏体在非平衡条件下冷却，可有三种形式。 其中：(a) dT/d= 0，为等温冷却； (b) dT/d= C，为连续冷却； (c) dT/d= f()，为实际冷却。,概述,20,2019/10/17,过冷奥氏体的转变方式有等温转变和变温转变（连续冷却转变）两种。 等温转变是将钢加热到奥氏体状态后，迅速冷却到临界点A1以下的某一恒定温度下，随时间的增长，新相形成量(一般以体积分数表示)增加的相变，并完成其组织转变的过程。 变温转变是新相形成量是温度和时间的函数的相变。,21,2019/10/17
12、,过冷奥氏体等温转变动力学图是表示过冷奥氏体等温转变温度、时间和转变产物三者之间的关系图，称为C曲线。 TTTTemperature Tim Transformation diagram ITIsothermal Transformation diagram,过冷奥氏体等温转变图综合反映了过冷奥氏体在冷却时的等温转变温度、等温时间和转变量之间的关系（即反映了过冷奥氏体在不同的过冷度下等温转变的转变开始时间、转变终了时间、转变产物类型、转变量与等温温度、等温时间的关系）。,22,2019/10/17,1.TTT图及其特点 (1)共析钢的C曲线分析 - 线、区的意义 线：纵坐标为温度，横坐标为时间
13、，临界点A1线，MS线，Mf线，转变开始线，转变终了线。,4.2.1 过冷奥氏体等温转变动力学图(TTT图),区：A1以上为稳定A区，过冷A区，过冷A等温转变区(AP、AB)转变产物区(P、B)，M形成区(AM)、M转变产物区(M或M+Ar). 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期最短的部位，即转变开始线的突出部分，称为鼻子。碳钢鼻尖处的温度为550。,23,2019/10/17,(2)转变产物依等温温度不同，大体可分为三个温度区(转变类型)： C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。 P型转变：高温区(A1550)、过冷度小，AP；扩散型相变 M型转变：低温区(在MS以
14、下)、过冷度大，AM；非扩散型相变 型转变：中温区(550MS)，AB。半扩散型相变 在中部区域可能得到P和B的混合组织；在下部区域可能得到M和B的混合组织；,24,2019/10/17,共析钢过冷奥氏体转变产物,25,2019/10/17,转变产物组织特征,26,2019/10/17,(3) 共析钢的过冷奥氏体等温转变动力学图为何呈“C”字形？ 过冷奥氏体等温转变速度受两个主要因素：驱动力Gv和原子的扩散系数D。等温温度愈低，过冷度大，驱动力Gv大，等温转变速度越大；但等温温度愈低，扩散系数D减小，原子扩散能力下降，转变速度减小；这两个因素的作用是矛盾的。 (1) 高温时，过冷度小，驱动力G
15、v小，扩散系数D大，原子扩散能力大，以驱动力Gv影响为主。 (2) 低温时，过冷度大，驱动力Gv大，扩散系数D小，原子扩散能力小，以扩散系数D影响为主。,上述两个因素综合作用的结果，在550是驱动力和原子的扩散的作用都充分发挥，孕育期最短，使TTT图呈C字形。TTT图为珠光体等温转变、马氏体连续转变、贝氏体等温转变的综合。,27,2019/10/17,（4）非共析钢的过冷A等温转变曲图 对亚共析钢在发生P转变之前有先共析F析出，因此亚共析钢的过冷A等温转变曲线在左上角有一条先共析F析出线，且该线随含碳量增加向右下方移动，直至消失。,28,2019/10/17,对过共析钢在发生P转变之前有先共析
16、渗碳体析出，因此过共析钢的过冷A等温转变曲线在左上角有一条先共析渗碳体析出线，且随含碳量增加向左上方移动，直至消失。,29,2019/10/17,非共析钢的过冷A等温转变曲图与共析钢的A等温转变图不同,三者比较,30,2019/10/17,（5）合金钢的过冷A 等温转变曲线 合金钢的过冷A 等温转变曲线由于受碳和合金元素的影响，图形比较复杂。 常见的C曲线有四种形状： (a) 表示AP和AB转变线重叠； (b) 表示转变终了线出现的二个鼻子； (c) 表示转变终了线分开，珠光体转变的鼻尖离纵轴远； (d) 表示形成了二组独立的C曲线。 综上所述，C曲图为珠光体等温转变、马氏体连续转变、贝氏体等温转变的综合。需指出的是珠光体转变和贝氏体转变可能重叠得到珠光体加贝氏体混合组织。贝氏体转变与M转变也会叠。,31,2019/10/17,2. TTT图的建立,TTT图的建立是在等温冷却条件下，利用过冷奥氏体等温转变产物的组织形态和物理性质的变化，通过实验的方法绘制的。 常见测定方法有： 金相法；珠光体、
