钢过冷奥氏体转变及热处理概述

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u 高温区高温区(A1550C)u 冷却速度比较冷却速度比较 缓慢缓慢u 扩散型相变扩散型相变u 退火、正火退火、正火u 中温区中温区(550CMs)u半扩散型相变半扩散型相变u 等温淬火等温淬火u 低温区低温区 (Ms以下以下)u非扩散型相变非扩散型相变u 淬火淬火 2. 过冷奥氏体等温转变 过冷奥氏体转变在过冷奥氏体转变在A1温度以下的某一个恒温度以下的某一个

2、恒定温度下发生，称为过冷奥氏体的等温转变定温度下发生，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的规律可以绘制成为由转变温度-转变转变时间时间-转变量构成的平面图形，称为过冷奥氏体转变量构成的平面图形，称为过冷奥氏体等温转变图等温转变图(Temperature-Time- Transformation, TTT)。 等温转变图通常呈字母等温转变图通常呈字母“C”的形状，又称的形状，又称为为C曲线曲线。 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金属在组织转变的同时必然伴随某些物理

3、性质的变化，如体积、磁性、电阻率等的变化，同时还会放变化，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，可采用出或吸收相变潜热，可采用金相金相、膨胀膨胀、磁性磁性、电阻电阻和和热分析热分析等方法测定等温转变图。等方法测定等温转变图。以金相以金相法测定等温转变图为例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过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析钢析钢时间温度A12、合金元素的影响、合金元素的影响 除除Co、Al（2.5%）外，所有溶入奥氏体元外，所有溶入奥

4、氏体元素都增加过冷奥氏体的素都增加过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线等温转变曲线右移右移，并，并使使Ms点下降点下降。向右移向右移向下移向下移MsA1 a. 非碳化物形成元素非碳化物形成元素 只只改变改变C曲线位置曲线位置，但，但不改变其形状不改变其形状。 如如Ni, Cu, Si b. 弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素 如如Mn c. 强碳化物形成元素强碳化物形成元素 改变改变C曲线位置和形态曲线位置和形态 如如Cr, Mo,W, V 不同合金系列等温转变图形状和位置讨论如下：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

5、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仅有贝氏体转变的等温转变图在含碳量较低在含碳量较低(wc 1.0 % W, 0.3% Mo (3) 仅有珠光体转变的等温转变图仅有珠光体转变的等温转变图 (4)在马氏体点在马氏体点(Ms)以上整个温度区间内都不出现除了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。碳化物析出之外的奥氏体分解。硼的影响硼的影响钴和铝的影响钴和铝的影响 Co不影响不影响C曲线的形状，但是降低过冷奥曲线的形状，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氏体的稳定性，使等温转变图的开始线和终了线均线均左移左移。并且。并且Co提

6、高提高Ms点点。 Al使贝氏体转变区左移，即降低了过冷奥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氏体的稳定性。同时会使珠光体转变C曲线上曲线上移移。3、奥氏体晶粒尺寸的影响、奥氏体晶粒尺寸的影响 奥氏体晶粒细小奥氏体晶粒细小晶界总面积晶界总面积有利于有利于新相的形核和原子的扩散新相的形核和原子的扩散有利于先共析转有利于先共析转变和珠光体转变变和珠光体转变使珠光体转变曲线使珠光体转变曲线左移左移； 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度对贝氏体转变影响不大对贝氏体转变影响不大； 奥氏体晶粒粗大奥氏体晶粒粗大加快马氏体转变加快马氏体转变Ms点点 。 奥氏体的均匀度奥氏体的均匀度对过冷奥

7、氏体等温转变曲对过冷奥氏体等温转变曲线的位置也有影响。线的位置也有影响。 奥氏体成分越均匀奥氏体成分越均匀奥氏体的稳定性奥氏体的稳定性新相的形核和长大过程所需要的时间新相的形核和长大过程所需要的时间过冷过冷奥氏体等温转变曲线奥氏体等温转变曲线右移右移。4、原始组织的影响、原始组织的影响 奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大，奥氏体的成分也就越成的奥氏体晶粒越粗大，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体等温转变曲线右移右移。 反之，奥氏体化温度越低，保温时间越短，反

8、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，未溶第二相颗粒则形成的奥氏体晶粒越细小，未溶第二相颗粒越多，越多，从而降低奥氏体的稳定性，使过冷奥氏从而降低奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线体等温转变曲线左移左移。 形变形变会细化奥氏体晶粒，或增加奥氏体的会细化奥氏体晶粒，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，也会显著影响珠光体转变速度，一般说来，形形变量越大，奥氏体向珠光体转变速度越快，变量越大，奥氏体向珠光体转变速度越快，使使珠光体转变曲线珠光体转变曲线左左移移。5、形变的影响

9、、形变的影响注意：注意： 在应用在应用TTTTTT图时，必须注意其标明的试验图时，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，否则可能粒度等是否与实际应用条件相符，否则可能造成错误。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线（过冷奥氏体连续转变曲线（Continuous Cooling Transformation CCT）反映过冷奥氏反映过冷奥氏体在体在连续冷却条件连续冷却条件下的转变规律，是分析转变下的转变规律，是分析转变产物的组织与性能的依据，也是制订热处理工产物的组织与性能的依据，也

10、是制订热处理工艺的重要参考资料。艺的重要参考资料。70060050040030020010000.1 1 10 102 103 104 105时间时间 /s温度温度 / A1MsAPPAHB 550 390 240 210 180F22723565过冷奥氏体连续冷却转变动力学图的建立 测定测定CCT图一般较测定图一般较测定TTT图困难：图困难： 维持恒定的冷却速度十分困难，而恒定冷却维持恒定的冷却速度十分困难，而恒定冷却速度是保证速度是保证CCT图规范化的基本条件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，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因此

11、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度也是不容易的 测定测定CCT图通常是综合应用膨胀法、金相法、端淬图通常是综合应用膨胀法、金相法、端淬法、热分析法来测定的。法、热分析法来测定的。金相法金相法端淬法端淬法膨胀法膨胀法试样：试样： 3mm 10mm 将试样在真空下感应加热至奥氏体化并保温，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（转度下试样的膨胀变化曲线确定相变的开始点（转变量变量1%1%）

12、、终了点（转变量）、终了点（转变量99%99%）所对应的温度和）所对应的温度和时间，将测得的数据标在温度时间，将测得的数据标在温度- -时间坐标中，连接时间坐标中，连接有意义的点，便得到过冷奥氏体连续转变曲线。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为了提高测量精度，常配合使用金相法和热分析法。分析法。 共析钢的过冷奥共析钢的过冷奥氏体连续转变曲线最氏体连续转变曲线最简单，它只有简单，它只有珠光体珠光体转变区转变区和和马氏体转变马氏体转变区区，没有贝氏体转变，没有贝氏体转变区，说明区，说明共析钢在共析钢在连连续冷却过程中不会发续冷却过程中不会发生贝氏体

13、相变生贝氏体相变。过冷奥氏体连续冷却转变曲线分析70060050040030020010000.1 1 10 102 103 104 105时间时间 /s温度温度 / 共析钢的共析钢的CCT图图A1MsAPPA共析、过共析钢的共析、过共析钢的CCT图上无贝氏体转变区图上无贝氏体转变区原因：原因：n 由于碳含量较高，使贝氏体相变需要扩散更由于碳含量较高，使贝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。条件下，转变难以实现。n 母相奥氏体的碳含量较高时，奥氏体的屈服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

14、阻力增大，难以按切变强度也较高，导致切变阻力增大，难以按切变机制实现点阵改组。机制实现点阵改组。70060050040030020010000.1 1 10 102 103 104 105时间时间 /s温度温度 / 共析钢的共析钢的CCT图图A1MsAPPAv1v2v3vcvcn左边为过冷奥氏左边为过冷奥氏体转变体转变开始线开始线；n右边为过冷奥氏右边为过冷奥氏体转变体转变终了线终了线；n下面连线为过冷下面连线为过冷奥氏体转变奥氏体转变中止中止线线。 Ms和冷速线和冷速线vc以以下为下为马氏体转变区马氏体转变区。珠光体转变区珠光体转变区由三条由三条曲线构成：曲线构成：7006005004003

15、0020010000.1 1 10 102 103 104 105时间时间 /s温度温度 / 共析钢的共析钢的CCT图图A1MsAPPAv1v2v3vcvcp过冷奥氏体以过冷奥氏体以v1速速度冷却度冷却：冷却曲线：冷却曲线与珠光体转变与珠光体转变开始开始线线相交时，奥氏体相交时，奥氏体开始向珠光体转变；开始向珠光体转变；与珠光体转变与珠光体转变终了终了线线 相 交 时 ， 得 到相 交 时 ， 得 到100%珠光体。珠光体。70060050040030020010000.1 1 10 102 103 104 105时间时间 /s温度温度 / 共析钢的共析钢的CCT图图A1MsAPPAv1v2v

16、3vcvcp过冷奥氏体冷却速过冷奥氏体冷却速度增大到度增大到vc ：转变：转变过程与过程与v1时相同，也时相同，也得到得到100%珠光体，珠光体，但转变开始与终了但转变开始与终了温度降低，转变区温度降低，转变区间增大，转变时间间增大，转变时间缩短。缩短。70060050040030020010000.1 1 10 102 103 104 105时间时间 /s温度温度 / 共析钢的共析钢的CCT图图A1MsAPPAv1v2v3vcvcp过冷奥氏体以过冷奥氏体以v3速速度冷却度冷却：冷却曲线：冷却曲线与珠光体转变与珠光体转变开始开始线线相交时，发生珠相交时，发生珠光体转变；但冷至光体转变；但冷至转

17、变转变中止线中止线时，则时，则珠光体转变停止；珠光体转变停止；继续冷至继续冷至Ms点以下，点以下，未转变奥氏体发生未转变奥氏体发生马氏体转变。马氏体转变。 室温组织？室温组织？70060050040030020010000.1 1 10 102 103 104 105时间时间 /s温度温度 / 共析钢的共析钢的CCT图图A1MsAPPAv1v2v3vcvcp过冷奥氏体冷却速过冷奥氏体冷却速度大于度大于vc ：奥氏体：奥氏体过冷到过冷到Ms点以下发点以下发生马氏体转变生马氏体转变，冷，冷至至Mf点转变终止，点转变终止，最终得到组织：最终得到组织：马马氏体氏体+奥氏体奥氏体残余残余。 以上分析表明

18、，以上分析表明， vc、vc是两个临界冷却速度。是两个临界冷却速度。nvc过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部冷却到分解，全部冷却到Ms点以下发生马氏体转点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称变的最小冷却速度，称上临界冷却速度上临界冷却速度或或临界淬火速度临界淬火速度。nvc过冷奥氏体全部得到珠光体的最大过冷奥氏体全部得到珠光体的最大冷却速度，称为冷却速度，称为下临界冷却速度下临界冷却速度。 以上分析表明，以上分析表明， vc、vc是两个临界冷却速度。是两个临界冷却速度。nvc过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部冷却到

19、分解，全部冷却到Ms点以下发生马氏体转点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称变的最小冷却速度，称上临界冷却速度上临界冷却速度或或临界淬火速度临界淬火速度。nvc过冷奥氏体全部得到珠光体的最大过冷奥氏体全部得到珠光体的最大冷却速度，称为冷却速度，称为下临界冷却速度下临界冷却速度。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。p亚共析钢的亚共析钢的CCT曲线曲线：与共析钢的与共析钢的CCT曲线曲线相比有较大差异：相比有较大差异：出现了出现了先共析铁素体先共析铁素体区区和和贝氏体转变区贝氏体转变区，Ms

20、线右端降低线右端降低（先（先共析铁素体析出和贝共析铁素体析出和贝氏体转变使周围奥氏氏体转变使周围奥氏体富碳所致）。体富碳所致）。亚共析钢亚共析钢CCT曲线曲线亚共析钢亚共析钢CCT曲线曲线vcvcn当冷却速度小于下临界速度当冷却速度小于下临界速度vc时，奥氏体只时，奥氏体只析出铁素体和发生珠光体转变，不发生贝氏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。体转变和马氏体转变。n当冷却速度上临界速度当冷却速度上临界速度vc时，过冷奥氏体时，过冷奥氏体只发生马氏体转变。只发生马氏体转变。n当冷却速度介于上临界速度当冷却速度介于上临界速度vc与与vc之间时，之间时，冷却曲线先后穿过四个区

21、域，最后得到铁素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。体、珠光体、贝氏体及马氏体的混合组织。p过共析钢的过共析钢的CCT曲线曲线：与共析钢的与共析钢的CCT曲线很曲线很相似，也无贝氏体转变相似，也无贝氏体转变区，不同之处：区，不同之处：有有先先共析渗碳体区共析渗碳体区，Ms线线右端升高右端升高（先共析渗碳（先共析渗碳体析出使周围奥氏体贫体析出使周围奥氏体贫碳所致）。碳所致）。过共析钢过共析钢CCT曲线曲线 合金钢的连续冷却转变曲线与合金元素的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。种类与数量有关，具体情况可查有关手册。 总

22、体上看，合金元素对总体上看，合金元素对CCT图的影响规图的影响规律与律与TTT图基本相似。图基本相似。CCT图与TTT图的比较pCCT曲线位于曲线位于TTT曲线曲线右下方右下方，表明在连续冷，表明在连续冷却转变过程中过冷奥氏却转变过程中过冷奥氏体转变温度低于等温转体转变温度低于等温转变，且变，且孕育期较长孕育期较长。其。其它钢种也有类似规律。它钢种也有类似规律。pTTT图的临界冷却速图的临界冷却速度为度为CCT图的图的1.5倍：倍：v连连 v等等 / 1.5 pTTT图的临界冷却速图的临界冷却速度为度为CCT图的图的1.5倍：倍：p等温转变的产物为单等温转变的产物为单一组织，而连续冷却一组织，

23、而连续冷却转变的产物可能是混转变的产物可能是混合组织，可以把连续合组织，可以把连续转变看作无数个微小转变看作无数个微小等温转变的总和。等温转变的总和。v连连 v等等 / 1.5 p共析钢与过共析钢的共析钢与过共析钢的CCT图无贝氏体转变而图无贝氏体转变而TTT图有。这是由于奥图有。这是由于奥氏体的碳浓度高，使贝氏体的碳浓度高，使贝氏体转变的氏体转变的孕育期延长孕育期延长，在连续冷却时贝氏体转在连续冷却时贝氏体转变来不及进行便已冷却变来不及进行便已冷却至室温。至室温。pCCT曲线获得困难，曲线获得困难，TTT曲线容易测得。曲线容易测得。p可用可用TTT曲线曲线定性说明定性说明连续冷却时的组织转变

24、连续冷却时的组织转变情况。方法是将情况。方法是将CCT曲曲线绘在线绘在TTT曲线上，依曲线上，依其与其与TTT 曲线交点的位曲线交点的位置来说明最终转变产物。置来说明最终转变产物。 用用TTT曲线定性说明共析钢曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变连续冷却时的组织转变炉炉冷冷空空冷冷油油冷冷水水冷冷PST+M+AM+A过冷奥氏体转变图的应用 TTT TTT图的应用图的应用 分级淬火分级淬火 将奥氏体化后的工件在将奥氏体化后的工件在稍高于或低于稍高于或低于Ms点的热点的热态淬火介质中保持适当态淬火介质中保持适当时间，待钢件的内外层时间，待钢件的内外层温度基本一致时取出空温度基本一致时取出空冷，以

25、获得马氏体组织冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。的淬火工艺。 TTT TTT图的应用图的应用 等温淬火等温淬火 将奥氏体化后的工件以将奥氏体化后的工件以高于临界淬火速度的冷高于临界淬火速度的冷却速度快冷至下贝氏体却速度快冷至下贝氏体转变区某一温度等温保转变区某一温度等温保持一定时间，使奥氏体持一定时间，使奥氏体转变为下贝氏体的热处转变为下贝氏体的热处理工艺。理工艺。 TTT TTT图的应用图的应用 退火和等温退火退火和等温退火 有些含有些含Cr、Mo元素钢的元素钢的TTT曲线，其珠光体转曲线，其珠光体转变和贝氏体转变曲线分变和贝氏体转变曲线分离，退火加热保温后连离，退火加热保温后连续冷却时有贝氏

26、体形成。续冷却时有贝氏体形成。如果在珠光体转变的较如果在珠光体转变的较高温度进行等温，则只高温度进行等温，则只需要很短时间转变即可需要很短时间转变即可完成，然后出炉空冷，完成，然后出炉空冷，这就是所谓的等温退火。这就是所谓的等温退火。 TTT TTT图的应用图的应用 退火和等温退火退火和等温退火 有些含有些含Cr、Mo元素钢的元素钢的TTT曲线，其珠光体转曲线，其珠光体转变和贝氏体转变曲线分变和贝氏体转变曲线分离，退火加热保温后连离，退火加热保温后连续冷却时有贝氏体形成。续冷却时有贝氏体形成。如果在珠光体转变的较如果在珠光体转变的较高温度进行等温，则只高温度进行等温，则只需要很短时间转变即可需

27、要很短时间转变即可完成，然后出炉空冷，完成，然后出炉空冷，这就是所谓的等温退火。这就是所谓的等温退火。 TTT TTT图的应用图的应用 形变热处理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。起来的工艺方法。CCTCCT图的应用图的应用 确定临界淬火速度确定临界淬火速度 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

28、工艺的重要依据之一。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预测转变产物及性能 选择冷却规范选择冷却规范 合理选用钢材合理选用钢材 4. 常规热处理方法退火 将钢加热到临界点以上将钢加热到临界点以上(某些退火可可在临界点某些退火可可在临界点以下以下)，保温一定时间，然后缓慢冷却，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般为随炉冷一般为随炉冷却却)，以获得接近平衡状态的热处理工艺。，以获得接近平衡状态的热处理工艺。退火的目的退火的目的消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化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 将钢加热到将钢加热到