过冷奥氏体等温转变过程及转变产物资料

第七讲过冷奥氏体等温转变过程及转变产物工程材料与焊接基础第一页，共三十五页。薛小怀副教授

过冷奥氏体等温转变过程及转变产物

随过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种基本类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。以共析钢为例进行说明。2第二页，共三十五页。薛小怀副教授

珠光体转变（1）珠光体转变过程过冷奥氏体在A1~“鼻尖”（约550C）温度范围内等温将转变为珠光体组织。因转变温度较高、铁、碳原子的扩散都能够比较充分地进行，使奥氏体能分解为成分、结构都与之相差很大的渗碳体和铁素体。可见奥氏体向珠光体的转变属于扩散型相变。3第三页，共三十五页。薛小怀副教授

A转变为P的过程也是形核和长大的过程。当A过冷到A1以下时，首先在A晶界处形成Fe3C晶核。通过扩散，Fe3C依靠其周围的A不断供应碳原子而长大，因而引起Fe3C周围的A含碳量不断降低，从而为F形核创造了条件，使这部份A转变为F。由于F的溶碳能力低(0.022％)，长大时必然要向侧面的A中排挤出多余的碳，使相邻的A碳含量增高，这又为产生新的Fe3C创造了条件。如此交替进行下去．A就转变成F和Fe3C片层相问的P组织。4第四页，共三十五页。薛小怀副教授

（2）珠光体组织形态与性能

根据珠光体型组织片层间距大小分为珠光体、索氏体和托氏体，皆为F和Fe3C片层相间的机械混合物，无本质区别，只是片层厚度不同而已。转变温度越低，珠光体型组织的片层越薄，相界面越多，强度和硬度越高，塑性及韧性也略有改善。5第五页，共三十五页。薛小怀副教授

贝氏体转变（1）贝氏体的转变过程

贝氏体是过冷奥氏体在C曲线“鼻尖”(约550C)至MS之间温度范围的等温转变产物，通常用符号B表示。过冷奥氏体在这一温度区间转变时，由于过冷度较大。原子扩散能力下降，这时铁原子已不能扩散，碳原子的扩散也不充分，因此，贝氏体转变是半扩散型相变。6第六页，共三十五页。薛小怀副教授

当温度较高(550~350C)时，条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行生长。随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原子向条间的奥氏体中富集，当碳浓度足够高时，便在铁素体条间断续地析出渗碳体短棒，奥氏体消失，形成典型的羽毛状上贝氏体。7第七页，共三十五页。薛小怀副教授

上贝氏体形成过程8第八页，共三十五页。薛小怀副教授

温度降低(350C~MS)时，碳原子扩散能力更低，铁素体在奥氏体的晶界或晶内某些晶面上长成针状，碳原子在铁素体内一定的晶面上以断续碳化物小片的形式析出，从而形成了下贝体。9第九页，共三十五页。薛小怀副教授

下贝氏体形成过程10第十页，共三十五页。薛小怀副教授

（2）贝氏体的组织形态及性能

上贝氏体中短杆状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内生长的铁素体条间，在光镜下呈羽毛状。下贝氏体氏体中碳化物以小片状分布于铁素体针内。在光学显微镜下．下贝氏体呈黑针状。11第十一页，共三十五页。薛小怀副教授

上贝氏体（左）和下贝氏体（右）12第十二页，共三十五页。薛小怀副教授

上贝氏体和下贝氏体组织性能比较13第十三页，共三十五页。薛小怀副教授

马氏体转变

当奥氏体快速冷却到MS点以下时（共析钢230C），将发生马氏体转变。

（1）马氏体晶体结构特点转变在低温下进行的，铁、碳原子均不能扩散，转变时只发生-晶格改组，而无成分的变化，即固溶在奥氏体中的碳，全部保留在晶格中，使-Fe超过其平衡含碳量。因此，马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，用符号“M”表示。14第十四页，共三十五页。薛小怀副教授

（2）马氏体组织形态特点（板条和针状）板条马氏体的立体形态呈细长的扁棒状，显微组织表现为一束束的细条状组织，每束内的条与条之间尺寸大致相同并平行排列，一个奥氏体晶粒内可以形成几个取向不同的马氏体束。马氏体板条的亚结构主要是高密度的位错，因而又称位错马氏体。15第十五页，共三十五页。薛小怀副教授

针状马氏体的立体形态呈双凸透镜的片状，在光学显微镜下呈针状形态。在透射电子显微镜下观察表明，其亚结构主要是孪晶，故又称孪晶马氏体。16第十六页，共三十五页。薛小怀副教授

板条马氏体（左）和针状马氏体（右）17第十七页，共三十五页。薛小怀副教授

马氏体的形态主要取决于奥氏体的碳含量，当碳小于0.2％时，组织中几乎完全是板条状马氏体，当碳大于1.0％时，则几乎全部是针状马氏体，碳含量介于0.2~1.0％之间时，为板条状和针状马氏体的混合组织。18第十八页，共三十五页。薛小怀副教授

（3）马氏体的力学性能特点高硬度是马氏体性能的主要特点，其强化机制为:

（a）过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化；（b）马氏体转变时造成的大量晶体缺陷(如位错、孪晶等)和组织细化；（c）过饱和碳以弥散碳化物析出强化。19第十九页，共三十五页。薛小怀副教授

马氏体的硬度主要受碳含量的影响。随碳含量增加，马氏体的硬度随之增高。当碳的质量分数超过0.6％以后，硬度的增加趋于平缓。合金元素对马氏体的硬度影响不大。20第二十页，共三十五页。薛小怀副教授

马氏体的塑性和韧性主要取决于其内部亚结构的形式和碳的过饱和度。高碳马氏体的碳过饱和度大，晶格畸变严重，晶内存在大量孪晶，且形成时相互接触撞击而易于产生显微裂纹等原因，硬度虽高，但脆性大、塑性、韧性均差。21第二十一页，共三十五页。薛小怀副教授

低碳板条马氏体的亚结构是高密度位错，碳的质量分数低，形成温度较高，会产生“自回火”现象，碳化物析出弥散均匀，因此在具有高强度的同时还具有良好的塑性和韧性。22第二十二页，共三十五页。薛小怀副教授

（4）马氏体的转变特点（a）无扩散性：马氏体转变的过冷度极大。转变温度低、铁、碳原子的扩散都极其困难。因此是非扩散型相变，转变过程中没有成分变化，马氏体的碳含量与母相奥氏体的含碳量相同。23第二十三页，共三十五页。薛小怀副教授

（b）变温形成：马氏体转变有其开始转变温度(MS点)和转变终了温度(MF点)。当过冷奥氏体冷到MS点，即发生马氏体转变。转变量随温度的下降而不断增加，一旦冷却中断，转变便很快停止。随后继续冷却，马氏体可继续形成。24第二十四页，共三十五页。薛小怀副教授

（c）高速长大：马氏体转变没有孕育期，形成速度极快。瞬间形核，瞬间长大。马氏体转变量的增加，不是靠原马氏体片的继续长大，而是靠马氏体片的不断形成。25第二十五页，共三十五页。薛小怀副教授

（d）马氏体转变的不完全性：一般来说，奥氏体向马氏体的转变是不完全的，即使冷却到MF点，也不可能获得100％的马氏体，总有部份奥氏体未能转变而残留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体，用符号“A`”表示。26第二十六页，共三十五页。薛小怀副教授

残余奥氏体量主要与MS(或MF)点有关，MS点越低，残余奥氏体量越多。而MS、MF点的温度主要取决于奥氏体的碳碳含量及合金元素含量。因此，淬火后残余奥氏体量随碳含量的增加而增加。27第二十七页，共三十五页。薛小怀副教授

奥氏体碳含量对马氏体转变点和残余奥氏体量的影响28第二十八页，共三十五页。薛小怀副教授

一般的淬火操作都是冷却到室温为止。由于碳含量0.5％的碳钢，MF点已在0C以下，淬火后必然有较多的残余奥氏体。高碳高合金钢的MF点更低。残余奥氏体的存在，一方面影响淬火钢的硬度，另一方面它是一种亚稳定组织，在时间延长或条件适合时，会继续转变为马氏体，由于转变时伴有比容的变化，产生体积效应，因此会影响工件尺寸的长期稳定性。所以，对于某些精密零件(如量具、滚珠轴承等)常进行冷处理-80C，尽量消除残余奥氏体。29第二十九页，共三十五页。薛小怀副教授

奥氏体的连续转变曲线

在实际生产中，过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的，因此，连续冷却转变曲线对于选材及确定其热处理工艺具有实际意义。连续冷却转变曲线又称CCT曲线，它是通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量而得到的。因此，它表示了冷却速度与过冷奥氏体转变产物及其转变量之间的关系。30第三十页，共三十五页。薛小怀副教授

CCT曲线分析

共析钢的CCT曲线中无贝氏体转变区，珠光体转变区下部多一条转变中止线K、PS、PZ分别为奥氏体转变为珠光体的开始线和终了线。当连续冷却曲线碰到K线时，过冷奥氏体中止向珠光体型组织转变，而继续冷却一直保持到MS点以下，使剩余的奥氏体转变为马氏体。CCT与TTT曲线的比较31第三十一页，共三十五页。薛小怀副教授

CCT曲线的应用

如果要了解奥氏体在各种连续冷却速度下获得的组织与性能，就应该使用CCT曲线。利用CCT曲线，可以获得真实的临界淬火冷却速度，制定正确的冷却规范和估计冷却后的组织性能。32第三十二页，共三十五页。薛小怀副教授

举例：45钢CCT曲线的应用

图中冷却速度曲线与CCT曲线各转变终了线相交的数字表示已转变组织组成物所占体积百分数，冷却速度曲线下端的数字为室温组织的平均硬度值。如右上角的冷却速度表示有45％的奥氏体转变成了铁素体，有55％转变成了珠光体，室温组织平均硬度为HV179。33第三十三页，共三十五页。Theend!Thanksforattention