第一节钢在加热和冷却时的转变

1、第一节第一节 钢在加热和冷却时的转变钢在加热和冷却时的转变主要内容：1、钢在加热时组织的转变；2、钢在冷却时组织的转变。重点：1、奥氏体化过程以及每个阶段的特征2、奥氏体等温冷却转变（TTT）产物3、影响TTT曲线的因素难点：1、连续冷却转变（CCT曲线）2、TTT与CCT的异同12一、钢在加热时的组织转变转变温度（一）钢的临界温度 在实际生产中，由于加热和冷却不是很缓慢，因此实际发生组织转变的温度与相图的A1、A3、Acm 有一定的偏离。通常加热用 Ac1、Ac3、Accm 表示，冷却用Ar1、Ar3、Arcm表示。图1 钢在加热、冷却时的临界温度 3奥氏体的形成奥氏体的形成(二) 奥氏体化

2、过程Fe3CA残余Fe3CAAAA 形核A 长大残余Fe3C溶解A 均匀化未溶Fe3C图2 奥氏体化过程示意图4（四）奥氏体晶粒度的概念p起始晶粒度：珠光体向奥氏体的转变刚刚完成时奥氏体晶粒的大小。一般比较细小而均匀p实际晶粒度：热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。一般比起始晶粒度大p本质晶粒度：某种钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向，不是晶粒大小的实际度量。56二、奥氏体在冷却时的转变奥氏体的冷却转变直接影响到热处理后钢的组织和力学性能，冷却是热处理中最关键的环节。p过冷奥氏体暂时保留在A1以下的奥氏体。p连续冷却转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变p等温冷却转变使加热到奥氏体

3、化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发组织转变。7（一）奥氏体的等温冷却转变（1） 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 - TTT曲线 ( C 曲线 )T - timeT - temperatureT - transformation以共析钢为例，将若干试验片加热到AC1线以上温度并保温，使其转变成均匀的奥氏体，然后分别投入不同温度（700 、600 、 500）盐浴中，观测其组织和测定硬度，便可测出过冷奥氏体在不同等温槽中开始转变好终了的时间。8稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线 A +产 物 区产物区A1550;高温转变区;扩散型转变; P

4、转变区。550230;中温转变区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf230 - 50; 低温转变区; 非扩散型转变;马氏体 ( M ) 转变区。图3 共析钢C曲线分析（一）奥氏体的等温冷却转变9（1 1）普通珠光体）普通珠光体 形成温度为A1650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.光镜下形貌电镜下形貌1.高温转变（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图4 普通珠光体形貌1011（2 2）细珠光体形貌像）细珠光体形貌像电镜形貌形

5、成温度为650-600,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨。1.高温转变（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图5 细珠光体形貌12（3）极细珠光体形貌形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨。1.高温转变（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图5 极细珠光体形貌132.中温转变p由于转变温度降低，原子的扩散能力减弱，转变具有扩散型转变和非扩散型转变的两重性。转变过程中，碳原子只能做短距离的扩散，铁原子几乎不扩散，仅从面心立方晶格改组为体心立方晶格。铁素体中碳含量有过饱和现象。这种过饱和的铁素体和细小颗粒状渗碳体的机械混合物成为贝氏

6、体。用B表示。p在中温转变区域，由于转变温度的不同，碳原子的扩散能力有差别，因而形成的贝氏体形态、性能也有所不同。在550 -350 范围内奥氏体转变成的组织称为上贝氏体。在350-Ms范围内形成的组织称为下贝氏体。（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能14（1）上贝氏体形貌p在光镜下呈羽毛状。p在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。光镜下电镜下（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图6 上贝氏体形貌15（2）350230: B下; 4555HRC;良好综合力学性能，生产中常等温淬火获得。B下 =过饱和碳

7、 -Fe针叶状 + Fe3C细片状过饱和碳 -Fe针叶状Fe3C细片状针叶状（1）上贝氏体形貌（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图7 上贝氏体形貌结构示意图16光镜下电镜下p光镜下呈竹叶状。p在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。（2）下贝氏体形貌（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图8 下贝氏体形貌结构17p上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。p下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。 上贝氏体图9 贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体（

8、二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能18p当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。p马氏体转变是强化钢的重要途径之一。p (1) 马氏体的晶体结构p碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。p 马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体组织3.马氏体转变（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图10 马氏体组织金相图19马氏体的形态分板条和针状两类。 板条马氏体p立体形态为细长的扁棒状p在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。光镜下电镜下(2)马氏体的形态3.马氏体转变（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织

9、和性能图11 板条马氏体结构图20 针状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。电镜下光镜下3.马氏体转变（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图12 针状马氏体结构图21图13 马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度 ( HRC ) 2000抗拉强度b ( MPa ) 1800 1400 1000 600 200(3) 马氏体的性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能22针状马氏体板条马氏体马氏体的透射

10、电镜形貌（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能p马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。p马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.图12 马氏体透射电镜图23(4) 马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是： 无扩散性铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能3.马氏体转变图13 马氏体组织图24MfMsM(50%)（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产

11、物的组织和性能降温形成p 马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示。p 马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示。只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。p 在Ms以下，随温度下降,转变量增加，冷却中断,转变停止。3.马氏体转变图14 马氏体转变曲线25残余奥氏体，用A 或表示。高速长大马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。转变不完全即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，3.马氏体转变（二）奥氏体转变产物的组织和性能（二）奥氏体转变产物的组织和性能图15 残余奥氏体组织图26（三）

12、奥氏体连续冷却转变p实际生产中，如一般淬火、正火、退火等，过冷奥氏体的转变均是在连续冷却时转变的，所以研究奥氏体在连续冷却过程中的转变具有十分重要的意义。p在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样会转变成珠光体或贝氏体等。组织转变的温度区域与奥氏体等温转变大致相同。但连续冷却却是按照一定的速度从较高的温度冷却，奥氏体的组织转变发生在各个不同的转变温度区域。因此就会得到不同的产物。27Vk共析碳钢共析碳钢 CCT CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间温度A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk炉冷空冷（四）奥氏体连续冷却转变（四）奥氏体连续冷却转变图16 共析钢CCT曲线图28（1）图中冷却

13、速度冷却速度v v1 1相当于随炉冷却的速度，根据v1与C曲线相交的位置，过冷奥氏体将转变为珠光体珠光体( (P)P)；（2）冷却速度冷却速度v v2 2相当于空气中冷却的速度，根据v2与C曲线相交的位置，过冷奥氏体将转变为索氏体索氏体( (S)S)；（3）冷却速度冷却速度v v3 3相当于淬火时的冷却速度，有一部分过冷奥氏体转变为托氏体(T)，剩余的过冷奥氏体冷却到Ms开始转变成马氏体(M)，最终获得屈氏体氏体马氏体残余奥氏体马氏体残余奥氏体的混合组织；（4）冷却速度冷却速度v v4 4相当于在水中冷却时的冷却速度，它不与C曲线相交，一直过冷到Ms点以下开始转变为马氏体(M)，得到马氏体和残

14、余奥氏体马氏体和残余奥氏体的混合组织。冷却速度vk与C曲线鼻尖相切，为该钢的临界冷却速度。29过冷奥氏体在连续冷却时的转变情况亚共析钢的亚共析钢的TTTTTT曲线曲线 FAP + FS + FTBM + A残残A3时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf（三）碳量对奥氏体等温转变曲线的影响（三）碳量对奥氏体等温转变曲线的影响30过共析钢的过共析钢的TTTTTT曲线曲线P + Fe3CS + Fe3CTBM + A残残 Fe3CAACM时间时间(s)3001021031041010800-1001002005006

15、00700温度温度()0400A1MsMfAcm时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf31影响影响 TTT TTT 曲线形状与位置的因素曲线形状与位置的因素（1 1）奥氏体中含碳量的影响）奥氏体中含碳量的影响: : 亚共析钢的亚共析钢的C C曲线随含碳量的增加右移；曲线随含碳量的增加右移； 过共析钢的过共析钢的C C曲线随含碳量的增加左移。曲线随含碳量的增加左移。过共过共析钢析钢共析共析 钢钢亚共亚共析钢析钢时间时间温度温度A132（2 2）奥氏体中含合金元素的影响）奥氏体中含合金元素的影响: : 除除CoCo

16、外外, , 能溶入奥氏体使过冷奥氏体稳定性增大的合能溶入奥氏体使过冷奥氏体稳定性增大的合金元素会使金元素会使C C曲线右移动；溶入较多碳化物形成元素，使曲线右移动；溶入较多碳化物形成元素，使C C曲线曲线出现两个鼻尖。出现两个鼻尖。向右移向右移向下移向下移MsA1A1Ms含含Cr合金钢合金钢（3 3）加热温度和保温时间的影响）加热温度和保温时间的影响: : 加热温度越高加热温度越高, , 保温时间越长保温时间越长, ,碳化物溶解充分碳化物溶解充分, , 奥氏体成分奥氏体成分均匀均匀, ,提高了过冷奥氏体的稳定性提高了过冷奥氏体的稳定性, , 从而使从而使 TTTTTT曲线向右移。曲线向右移。3

17、31 1、同一成分的钢的、同一成分的钢的CCTCCT曲曲线位于线位于C C曲线右下方。要曲线右下方。要获得同样的组织，连续获得同样的组织，连续冷却转变比等温转变的冷却转变比等温转变的温度要低些，孕育期要温度要低些，孕育期要长些。长些。2 2、连续冷却时，转变时在、连续冷却时，转变时在一个温度范围内进行的一个温度范围内进行的，转变产物的类型可能，转变产物的类型可能不只一种，有时是几种不只一种，有时是几种类型组织的混合。类型组织的混合。3 3、连续冷却转变时，共析、连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变。钢不发生贝氏体转变。三、三、 共析碳钢共析碳钢 TTT TTT 曲线与曲线与CCTCCT曲线的

18、比较曲线的比较3445号钢号钢CCT图图35总结总结 过冷奥氏体转变产物（共析钢）过冷奥氏体转变产物（共析钢） 转变转变类型类型转变产转变产物物形成温度，形成温度， 转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRCHRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体P PA A1 1 650650扩扩散散型型粗片状，粗片状，F F、FeFe3 3C C相间分布相间分布5-205-20退火退火S S650650 600 600细片状，细片状，F F、FeFe3 3C C相间分布相间分布20-3020-30正火正火T T600600 550 550极细片状，极细片状，F F、FeFe3 3C C相间分布相间分布30-4030-40等温等温处理处理贝贝氏氏体体B B上上550550 350 350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状FeFe3 3C C分布于过分布于过饱和饱和F F条之间条之间40-5040-50等温等温处理