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1、第3章 钢的过冷奥氏体转变 及热处理概述,在A1温度以下未转变的奥氏体称为过冷奥氏体，奥氏体冷却时发生的转变均发生在这种过冷奥氏体中，称为过冷奥氏体转变。,1. 过冷奥氏体的转变类型,a. 珠光体转变,b. 贝氏体转变,c. 马氏体转变,高温区(A1550C)冷却速度比较缓慢扩散型相变退火、正火,中温区(550CMs) 半扩散型相变等温淬火,低温区(Ms以下) 非扩散型相变淬火,2. 过冷奥氏体等温转变,过冷奥氏体转变在A1温度以下的某一个恒定温度下发生，称为过冷奥氏体的等温转变(Iso-thermal Transformation, IT)。,转变的规律可以绘制成为由转变温度-转变时间-转变
2、量构成的平面图形，称为过冷奥氏体等温转变图(Temperature-Time- Transformation, TTT)。,等温转变图通常呈字母“C”的形状，又称为C曲线。,过冷奥氏体等温转变曲线的建立,金属在组织转变的同时必然伴随某些物理性质的变化，如体积、磁性、电阻率等的变化，同时还会放出或吸收相变潜热，可采用金相、膨胀、磁性、电阻和热分析等方法测定等温转变图。,以金相法测定等温转变图为例,过冷奥氏体等温转变曲线的分析,孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。共析钢为550C。,过冷奥氏体等温转变动力学图的基本形式,影响过冷奥氏体等温转变的因素,2、合金元素的影响,除Co、Al（2.5%）外，所有
3、溶入奥氏体元素都增加过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线右移，并使Ms点下降。,a. 非碳化物形成元素只改变C曲线位置，但不改变其形状。如Ni, Cu, Si,b. 弱碳化物形成元素如Mn,c. 强碳化物形成元素改变C曲线位置和形态如Cr, Mo,W, V,不同合金系列等温转变图形状和位置讨论如下：,(1) 造成珠光体转变区和贝氏体转变区分离,(2) 仅有贝氏体转变的等温转变图,在含碳量较低(wc 1.0 % W, 0.3% Mo,(3) 仅有珠光体转变的等温转变图,(4)在马氏体点(Ms)以上整个温度区间内都不出现除了碳化物析出之外的奥氏体分解。,硼的影响,钴和铝的影响,Co不影响C
4、曲线的形状，但是降低过冷奥氏体的稳定性，使等温转变图的开始线和终了线均左移。并且Co提高Ms点。Al使贝氏体转变区左移，即降低了过冷奥氏体的稳定性。同时会使珠光体转变C曲线上移。,3、奥氏体晶粒尺寸的影响,奥氏体晶粒细小晶界总面积有利于新相的形核和原子的扩散有利于先共析转变和珠光体转变使珠光体转变曲线左移；奥氏体晶粒度对贝氏体转变影响不大；奥氏体晶粒粗大加快马氏体转变Ms点 。,奥氏体的均匀度对过冷奥氏体等温转变曲线的位置也有影响。奥氏体成分越均匀奥氏体的稳定性新相的形核和长大过程所需要的时间过冷奥氏体等温转变曲线右移。,4、原始组织的影响,奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越
5、粗大，奥氏体的成分也就越均匀，从而增加奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线右移。反之，奥氏体化温度越低，保温时间越短，则形成的奥氏体晶粒越细小，未溶第二相颗粒越多，从而降低奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线左移。,形变会细化奥氏体晶粒，或增加奥氏体的亚结构，因此，奥氏体在高温和低温进行变形也会显著影响珠光体转变速度，一般说来，形变量越大，奥氏体向珠光体转变速度越快，使珠光体转变曲线左移。,5、形变的影响,注意：在应用TTT图时，必须注意其标明的试验条件，如奥氏体化温度、钢的化学成分、晶粒度等是否与实际应用条件相符，否则可能造成错误。,3. 过冷奥氏体连续冷却转变,过冷奥氏体连续转变曲
6、线（Continuous Cooling Transformation CCT）反映过冷奥氏体在连续冷却条件下的转变规律，是分析转变产物的组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。,HB 550 390 240 210 180,F,22,72,35,65,过冷奥氏体连续冷却转变动力学图的建立,测定CCT图一般较测定TTT图困难：维持恒定的冷却速度十分困难，而恒定冷却速度是保证CCT图规范化的基本条件在连续冷却中，一般转变产物不是单一的，因此各种组织的精确定量也比较困难在快速冷却中，保证测量时间和温度的精确度也是不容易的,测定CCT图通常是综合应用膨胀法、金相法、端淬法、热分析法来测定
7、的。,金相法,端淬法,膨胀法,试样： 3mm 10mm,将试样在真空下感应加热至奥氏体化并保温，在程序控制冷却条件下连续冷却，从不同冷却速度下试样的膨胀变化曲线确定相变的开始点（转变量1%）、终了点（转变量99%）所对应的温度和时间，将测得的数据标在温度-时间坐标中，连接有意义的点，便得到过冷奥氏体连续转变曲线。为了提高测量精度，常配合使用金相法和热分析法。,共析钢的过冷奥氏体连续转变曲线最简单，它只有珠光体转变区和马氏体转变区，没有贝氏体转变区，说明共析钢在连续冷却过程中不会发生贝氏体相变。,过冷奥氏体连续冷却转变曲线分析,共析、过共析钢的CCT图上无贝氏体转变区,原因：由于碳含量较高，使贝
8、氏体相变需要扩散更多的碳原子，转变速度太慢，从而在连续冷却条件下，转变难以实现。母相奥氏体的碳含量较高时，奥氏体的屈服强度也较高，导致切变阻力增大，难以按切变机制实现点阵改组。,左边为过冷奥氏体转变开始线； 右边为过冷奥氏体转变终了线； 下面连线为过冷奥氏体转变中止线。,Ms和冷速线vc以下为马氏体转变区。珠光体转变区由三条曲线构成：,过冷奥氏体以v1速度冷却：冷却曲线与珠光体转变开始线相交时，奥氏体开始向珠光体转变；与珠光体转变终了线相交时，得到100%珠光体。,过冷奥氏体冷却速度增大到vc ：转变过程与v1时相同，也得到100%珠光体，但转变开始与终了温度降低，转变区间增大，转变时间缩短。
9、,过冷奥氏体以v3速度冷却：冷却曲线与珠光体转变开始线相交时，发生珠光体转变；但冷至转变中止线时，则珠光体转变停止；继续冷至Ms点以下，未转变奥氏体发生马氏体转变。室温组织？,过冷奥氏体冷却速度大于vc ：奥氏体过冷到Ms点以下发生马氏体转变，冷至Mf点转变终止，最终得到组织：马氏体+奥氏体残余。,以上分析表明， vc、vc是两个临界冷却速度。,vc过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部冷却到Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称上临界冷却速度或临界淬火速度。 vc过冷奥氏体全部得到珠光体的最大冷却速度，称为下临界冷却速度。,以上分析表明， vc、vc是两个临界冷却速度。,vc过冷奥氏
10、体在连续冷却过程中不发生分解，全部冷却到Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称上临界冷却速度或临界淬火速度。 vc过冷奥氏体全部得到珠光体的最大冷却速度，称为下临界冷却速度。,淬火临界速度主要取决于CCT曲线的位置。使CCT曲线左移的各种因素，都将使临界淬火速度增大。而使CCT曲线右移的各种因素，都将降低临界淬火速度。,亚共析钢的CCT曲线：与共析钢的CCT曲线相比有较大差异：出现了先共析铁素体区和贝氏体转变区，Ms线右端降低（先共析铁素体析出和贝氏体转变使周围奥氏体富碳所致）。,当冷却速度小于下临界速度vc时，奥氏体只析出铁素体和发生珠光体转变，不发生贝氏体转变和马氏体转变。 当冷却速度
11、上临界速度vc时，过冷奥氏体只发生马氏体转变。 当冷却速度介于上临界速度vc与vc之间时，冷却曲线先后穿过四个区域，最后得到铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体的混合组织。,过共析钢的CCT曲线：与共析钢的CCT曲线很相似，也无贝氏体转变区，不同之处：有先共析渗碳体区，Ms线右端升高（先共析渗碳体析出使周围奥氏体贫碳所致）。,合金钢的连续冷却转变曲线与合金元素的种类与数量有关，具体情况可查有关手册。总体上看，合金元素对CCT图的影响规律与TTT图基本相似。,CCT图与TTT图的比较,CCT曲线位于TTT曲线右下方，表明在连续冷却转变过程中过冷奥氏体转变温度低于等温转变，且孕育期较长。其它钢种也有类似
12、规律。,TTT图的临界冷却速度为CCT图的1.5倍：,TTT图的临界冷却速度为CCT图的1.5倍：等温转变的产物为单一组织，而连续冷却转变的产物可能是混合组织，可以把连续转变看作无数个微小等温转变的总和。,共析钢与过共析钢的CCT图无贝氏体转变而TTT图有。这是由于奥氏体的碳浓度高，使贝氏体转变的孕育期延长，在连续冷却时贝氏体转变来不及进行便已冷却至室温。,CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。 可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将CCT曲线绘在TTT曲线上，依其与TTT 曲线交点的位置来说明最终转变产物。,过冷奥氏体转变图的应用,TTT图的应用,分级淬火 将奥氏体化后的
13、工件在稍高于或低于Ms点的热态淬火介质中保持适当时间，待钢件的内外层温度基本一致时取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。,TTT图的应用,等温淬火 将奥氏体化后的工件以高于临界淬火速度的冷却速度快冷至下贝氏体转变区某一温度等温保持一定时间，使奥氏体转变为下贝氏体的热处理工艺。,TTT图的应用,退火和等温退火 有些含Cr、Mo元素钢的TTT曲线，其珠光体转变和贝氏体转变曲线分离，退火加热保温后连续冷却时有贝氏体形成。如果在珠光体转变的较高温度进行等温，则只需要很短时间转变即可完成，然后出炉空冷，这就是所谓的等温退火。,TTT图的应用,退火和等温退火 有些含Cr、Mo元素钢的TTT曲线，其珠光体转
14、变和贝氏体转变曲线分离，退火加热保温后连续冷却时有贝氏体形成。如果在珠光体转变的较高温度进行等温，则只需要很短时间转变即可完成，然后出炉空冷，这就是所谓的等温退火。,TTT图的应用,形变热处理 是综合利用形变强化和相变强化最有效的金属材料强化技术之一，是将成形工艺和最终性能统一起来的工艺方法。,CCT图的应用,确定临界淬火速度临界淬火速度代表钢接受淬火的能力，是决定钢件淬透层深度的主要因素，也是合理选择钢材和正确制定热处理工艺的重要依据之一。,预测转变产物及性能选择冷却规范合理选用钢材,4. 常规热处理方法,退火,将钢加热到临界点以上(某些退火可可在临界点以下)，保温一定时间，然后缓慢冷却(一
15、般为随炉冷却)，以获得接近平衡状态的热处理工艺。,退火的目的,消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化消除铸锻件中的魏氏组织或带状组织，细化晶粒，均匀组织 降低硬度，改善组织，以便于切削加工 改善高碳钢中碳化物的形态和分布，为淬火做好组织准备,正火,将钢加热到Ac3或Accm以上3050C，保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。,正火的目的,对于大型铸锻件和钢材，正火可以细化晶粒、消除魏氏组织或带状组织，为下一步热处理做好组织准备，相当于退火的效果 低碳钢退火后硬度太低，在切削加工中易“粘刀”，切削性能差，正火处理可减少先共析铁素体，获得细片状珠光体，硬度提高到140190 HBW，改善钢的
16、切削加工性 对于过共析钢，正火可消除网状碳化物，便于球化退火 正火也可以作为某些中碳钢或中碳合金结构钢工件的最终热处理，代替调质处理，是工件具有一定的综合力学性能,回火,将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法。,回火目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的塑性和韧性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，稳定工件尺寸，以满足各种用途工件的性能要求。,淬火,将淬火后的钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却的工艺过程。,淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度 淬火后，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性的配合，需要配以不同温度的回火。,
