钢在加热和冷却时的转变

10第七章钢在加热和冷却时的转变§7.1 钢的热处理概述一、 钢的热处理热处理的定义钢的热处理是指在固态下，将钢加热到肯定的温度、保温肯定的时间，然后依据肯定的方式冷却到室温的一种热加工工艺理工艺曲线表示〔图7.1从该曲线可以看出三阶段组成，影响热处理的因素是温度和时间。热处理的原理钢能进展热处理，是由于钢在固态下具有相变。通过固态相变，可以转变钢，它是制珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。热处理的作用其使用性能，从而充分发挥钢材的潜力。性能更加均匀。热处理的分类四把火。外表空热处理。。前者是指为满足和回火。热处理的重要性能，必需进展热处理。例如，热轧后的合金钢钢材要进展热处理，汽车中70%的零件也要进展热处理。假设把预备热处理也包括进去，几乎全部的工往是最关键的工序，因而引起人们的广泛重视。二、钢的临界温度平衡临界温度Fe~Fe3C缓慢加热A1线或共析线〕以上，可获得单相奥氏体组织，而将共析钢缓慢冷冷却条件下得到的，所以A1称为奥氏体和珠光体相互转变的平衡临界温度。一样道理，A

线(GS)是亚共析钢在缓慢加热或缓慢冷却3奥氏体相互转变的临界温度，所以A3

称为奥氏体和先共析铁素体相互转变的平衡临界温度Acm

线〔ES线〕是过共析钢在缓慢加热或缓慢冷却时，二Acm

称为奥氏体和二次渗碳体相AAA1 3 cm

是确定的温度点，是格外缓慢加热和格外缓慢冷却条件下的临界温度点，统称为称为平衡临界温度。实际临界温度实际生产中，钢在热处理时的加热和冷却不是缓慢进展的，而是具有肯定的。加热时，实际相变的临界温度高于平衡临界温度；冷却时，实际实际相变的临界温度偏离了平衡临界A ,AC1

,ACcm

表示冷却时的实际临界温度加注脚字“用A ,Ar1 r3

,Am

表示。钢加热和冷却时实际临界温度的意义如下：——加热时珠光体向奥氏体转变的开头温度——冷却时奥氏体向珠光体转变的开头温度——加热时先共析铁素体溶入奥氏体的完毕温度——冷却时奥氏体析出先共析铁素体的开头温度——加热时二次渗碳体溶入奥氏体的完毕温度——冷却时奥氏体析出二次渗碳体的开头温度§7.2 钢在加热时的转变一、钢的奥氏体化前面介绍过：钢能进展热处理，是由于钢会发生固态相变，因此，钢的热处是将钢加热到临界温度以上获得奥氏体组织然后再以不同的方式冷却，使钢获得不同的组织而具有不同的性能通常将钢加热获得奥氏体的转变过程称是使钢获得单相奥氏体，这称为碳体〔或者奥氏体和铁素体〕的两相组织，这称为不完全奥氏体化。下面以共析钢为例，介绍钢的奥氏体化过程。二、 共析钢的奥氏体化过程奥氏体化过程是集中型相变。它是由片状的铁素体和渗碳体交替组成的两相混合物。当以肯定的加热速度加热至Ac1温度以上时，将发生珠光体向奥氏体的转变。转变的反响式为：体心立方正交晶系 面心立方0.0218% 6.69% 0.77%铁素体的晶体构造是体心立方构造，含碳量是0.0218%，而渗碳体的晶体构造属6.69%0.77%必定涉及碳的重分布和铁的晶格改组珠光体向奥氏体的转变〔即奥氏体化〕是一个集中型相变，是借助于原子集中，通过形核和长大方式进展的。奥氏体化的四个阶段7.4所示。奥氏体的形核将共析钢加热到A 温度以上，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体相界面上c1〔侧是含碳量高的渗碳体，简洁消灭碳浓度起伏，因此相界面上了具备形核所需的构造起伏〔原子排列不规章、能量起伏〔处于高能量状态〕和浓度起伏，所以，奥氏体晶核优先在相界面上形核。奥氏体的长大碳在奥氏体中的集中一方面促使铁素体向大了。因此铁素体总比渗碳体消逝得早。铁素体的消逝标志着奥氏体长大完毕。剩余渗碳体的溶解入奥氏体中，直至渗碳体消逝为止。奥氏体的均匀化集中，得到均匀的、共析成分的奥氏体。的溶解和奥氏体均匀华四个阶段。三、 奥氏体的等温形成速度〔不讲〕速度，然后在此根底上，了解合金钢奥氏体化的一些状况。奥氏体等温形成曲线图的构造碳钢的奥氏体等温形成速度可从奥氏体等温形成图上反映出来等温形成图，横坐标是时间，纵坐标是温度，图中有四条曲线。从左往右，依次是奥氏体形均匀的奥氏体区。奥氏体等温形成曲线图的分析从图中可以看出以下三点：奥氏体化存在孕育期。在肯定温度下，奥氏体化不是马上进展，而需要肯定的时间，这段时间称为孕育期。这是由于奥氏体化是借助原子集中进展的，而原子集中是需要时间的。随温度的上升，原子集中加快，孕育期缩短。奥氏体均匀化需要的时间最长。在奥氏体化的四个阶段中，奥氏体均匀化需要需要很长的时间来完成奥氏体均匀化。温度上升，奥氏体化过程加速。随加热温度的提高，奥氏体化的四个阶段所需要的时间都缩短，奥氏体化过程加速进展。因此在热处理加热和保温过程中，温度上升，保温时间应相应缩短。四、奥氏体晶粒大小及其影响因素要。奥氏体晶粒大小的表示方法奥氏体的晶粒大小用晶粒度来表示不过每次测定钢的晶粒度是一件很麻烦的事。为便利起见，目前国际上将奥氏体晶粒度分为8个级别，并制定了每个级别的标准金相图片〔7.10大小。奥氏体晶粒大小与晶粒度级别的关系为：式中n——在显微镜下放大100倍时，每平方英寸面积上的奥氏体晶粒个数；N——奥氏体的晶粒度级别。此式说明，晶粒度级别N越小，每平方英寸面积上的奥氏体晶粒个数越少，奥氏体晶粒越粗大。一般规定；N＜1——超粗晶粒N=1～4——粗晶粒N=5～8——细晶粒N＞8——超细晶粒奥氏体晶粒度的分类起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度影响奥氏体晶粒大小的因素通过原粒长大。加热温度和保温时间——对实际晶粒度的影响体晶粒长大，看图7.12。从图中可见，在肯定温度保温，最初奥氏体晶粒长大尤为显著。所以，在合理选择保温时间的同时，更应当严格掌握加热温度。加热速度——对起始晶粒度的影响转变刚完毕时的奥氏体晶粒越细小。但是，假设在高温下长时间保温，则晶粒很简洁长大。实际生产中的外表淬火就是利用快速加热、短时保温的方法，来获得细小的奥氏体晶粒。化学成分的影响——对本质晶粒度的影响合金元素是指为了提高钢的性能而在冶炼钢时添加的元素。碳的影响随奥氏体中含碳量的增加，碳原子和铁原子集中速度加快，晶界迁移速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向性增加。但是，假设碳以碳化物的形式存在于钢中，则会降低晶界迁移的速度，阻碍奥氏体晶粒长大。一旦碳化合金元素的影响钢冶炼时，用适量的铝能脱氧固氮，或参加适量的钛、锆、铌、钒等强碳化物形成元素，可以得到本质细晶粒钢。缘由是，这些合金元素能在钢中形成碳化物或氮化物。这些碳化物或氮化物的熔点很高，加热时不简洁溶入奥氏体中，具有阻碍晶界迁移、抑制奥氏体晶粒长大的作用。在〔如硅、镍、铜〕也有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，但作用不明显。而锰、磷、氮则加速奥氏体晶粒长大。§7.3 钢在冷却时的转变性能却产生打算性的影响，因此把握钢冷却时的转变规律，就显得尤为重要。一、两个根本概念过冷奥氏体处于平衡临界温度A1过冷奥氏体自由能高，处〔即过冷度贝氏体转变和马氏体转变。钢的冷却方式——等温冷却和连续冷却7.151A1连续冷却在热处理生产中更为常用。虽然过冷奥氏体连续冷却在生产上更为常用，但其转变是在肯定温度范围内体的等温转变规律，在此根底上，再介绍连续转变规律。二、过冷奥氏体的等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线反映了：过冷奥氏体在不同温度下等温转变的规时间之间的关系等等。由于过冷奥氏体等温转变曲线和英文字母“C”相像，故C~曲线。C~曲线。共析钢过冷奥氏体等温转变曲线建立〔自学〕〔7.16〕图中各条线代表的意义A1水平线A1线，它是奥氏体和珠光体发生相互转变的平衡临界温度。C曲线图中有两条曲线，酷似英文字母“CC曲线。C曲线是过冷奥氏体转变开头线孕育期。孕育期越长，过冷奥氏体越稳定；孕育期越短，过冷奥氏体越不稳定。从图中可见：在550℃左右，孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最差，称为C曲线的。右边一条C曲线是过冷奥氏体转变完毕线完毕所需要的时间。MsMf水平线开头温度和完毕温度。图中各区域代表的意义奥氏体区A1水平线以上的区域称奥氏体区。在此区域，共析钢的稳定组织是奥氏体。过冷奥氏体区A1水平线、温度纵轴、MsC曲线〔即过冷奥氏体转变开头线〕围成的区域，称过冷奥氏体区。在此区域，过冷奥氏体稳定存在。珠光体转变区及其转变产物区550℃“鼻子”水平线，两条C曲线围成的区域，称珠光体转变区。其右侧的区域称珠光体转变产物区。转变产物是片状珠光体一片铁素体和一片渗碳体厚度之和，称片间距。等温转变温度越低〔即过冷度越大，过冷度等于1减等温转变温度珠光体分为三类：A1~60℃形成片间距较大的珠光体，简称珠光体〔P。650℃～600℃形成片间距较小的珠光体，简称索氏体〔S600℃～550℃形成片间距微小的珠光体，简称屈氏体〔T。和片状渗碳体交替组成的混合物，差异只是片间距不同。贝氏体转变区及其转变产物区C曲线围成的区域称贝氏体转变区。其右侧的区域称贝氏体转变产物区。氏体〔B。550℃至350℃形成上贝氏体〔B上，350℃至Ms温度形成下贝氏体〔B。马氏体转变区马氏体温冷却中形成。影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素假设热处理的条件不同〔加热温度和保温时间不同，也会引起曲线位置和外形的不同。影响过冷奥氏体等温转变曲线的主要因素有下面几个方面。含碳量 看教科书。合金元素的影响〔Al﹥2.5%〕C曲线右移，延长孕育期，增加过冷奥氏体的稳定性，并使Ms和Mf点降低。依据对C曲线的影响，这些合金元素又可分为两类：仅使C～曲线右移，转变位置弱碳化物和非碳化物形成元素〔在钢中形成弱碳化物和不形成碳化物的元Mn、Si、Ni、CCC其位置。既使C～曲线右移，转变位置,又使C～曲线分别，转变外形。、WMoCrC曲线的外形，而且使珠光体转变区和贝氏体C7.19C曲线代表珠光体转变，C曲线代表贝氏体转变，中间消灭过冷奥氏体稳定区。留意：1.合金元素只有溶入奥氏体中，才能使C曲线右移。假设合金元素以碳化物的存在会起到非均匀形核的作用，促进过冷奥氏体的转变，降低其稳定性。2.多种合金元素的综合作用，使C曲线右移的程度大于单一合金元素的作用之和。奥氏体化温度和保温时间由此可见：同一种钢，由于加热温度和保温时间不同，得到的C曲线也是不同的。4〕形变量三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线CCTCCT图。CCT图的建立〔自学〕CCT图的分析7.21是共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线。这是由于共析钢贝氏体转变时孕育期较长，在连续冷却过程中贝氏体转变来不及进展，温度就降到了室温。Ps线是珠光体转变开头线，Pf线是珠光体转变完毕线，K线是珠光体转变终止线。当共析钢连续冷却曲线遇到K线时，未转变的过冷奥氏体不再发Ms温度以下，发生马氏体转变。冷却速度V 称上临界冷却速度或临界淬火速度。它表示过冷奥氏体不发生珠C光体转变，只发生马氏体转变的最小冷却速度。冷却速度V/称下临界冷却速度。它表示过冷奥氏体不发生马氏体转变，只发C100%珠光体组织的最大冷却速度。共析钢以不同速度连续冷却至室温得到的组织假设共析钢的冷却速度VV/，则冷却曲线将和P,P

线相交，不和K线C s f留意渐渐增大，珠光体的片间距渐渐减小，因此珠光体组织不均匀。假设共析钢的冷却速度V/VV，则冷却曲线将和P

K线相交，不和C C sP 线相交。这说明局部过冷奥氏体转变为珠光体，而另一局部过冷奥氏体被保fMs温度以下，转变为马氏体。因此，转变后共析钢的室温组织为：M+P。假设共析钢的冷却速度VVC

，则冷却曲线将不和Ps

,K，Pf

线相交。这说明全部过冷奥氏体冷至Ms温度以下，发生马氏体转变。由于马氏体转变的不完全性，会有局部过冷奥氏体在室温被保存下来，它们被称为剩余奥氏体A。MA/。TTTCCT7.23中虚线是等温冷却转变曲线；而实线是连续冷却转变曲线。从图中可以看出：两曲线位置不同。连续转变曲线位于等温转变曲线的右下方。说明过冷奥氏体在连续转变时，转变的温度要低一些，孕育期要长一些。两曲线外形不同。共析钢过冷奥氏体连续冷却转变时，无贝氏体转变。过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变时，也无贝氏体转变〔缘由是随含碳量增加，过共析钢的等温转变曲线的贝氏体转变右移，孕育期增大，在连续冷却过程，看图7.22〔。亚共析钢过冷奥氏体连续冷却转变时，有贝氏体转变〔缘由是随含碳量减小，亚共析钢的等温转变曲线的〕看7.22〔b〕.两种转变的产物不同。过冷奥氏体等温转变时，转变温度恒定，得到的组织物是粗细不同的组织或类型不同的混合组织。两种转变的临界淬火速度不同。依据连续冷却转变曲线确定的临界淬火速度v小于依据等温冷却转变曲线确定的临界淬火速度vc c应当指出：每种钢的等温转变曲线〔即C~曲线〕都已测定，在相关的热处理手变曲线来分析连续冷却转变过程是可行的，在生产上也是这样做的。§7.4 珠光体转变从共析钢过冷奥氏体等温转变曲线〔即C~曲线〕可知：过冷奥氏体在平衡A1~鼻子水平线550℃范围内等温时，发生珠光体转变。因转变温度较两相混合物。反响式为：面心立方体心立方正交晶系0.77%0.0218%6.69%是典型的集中型相变。一、珠光体的组织形态和机械性能可以分为两种：片状珠光体和粒状珠光体。片状珠光体组织形态和分类光体团。一个奥氏体晶粒内，可以形成多个珠光体团。三类(看图)。珠光体(PA1～650℃。片间距较大。在低倍显微镜下可区分出片层。650～600℃。片间距较小，在高倍显微镜下可分别出片层。。片间距微小，在电子显微镜下才能区分出片层。它们统称为珠光体。力学性能珠光体越细，则钢的强度、硬度越高，塑性、韧性越好〔7.27。缘由是，使塑性变形更均匀，不易产生裂纹和断裂，所以钢的塑性和韧性好。粒状珠光体组织形态7.28。力学性能体颗粒的大小、形态和分布。铁素体晶粒越细小，渗碳体颗粒越细小、外形越接缘由颗粒状沉淀强化了钢具有较好的塑性和韧性。两种珠光体机械性能的比较图7.29是共析钢片状珠光体和粒状珠光体的应力～应变曲线。从中可以看以粒状珠光体比片状珠光体具有较低的强度和硬度，较好的塑性和韧性。二、珠光体的形成种珠光体的形成过程。片状珠光体的形成过程片状珠光体是由成分均匀的奥氏体转变而来的领先相，首先在奥氏体晶界上形核。由于渗碳体含碳量〔6.69%〕较高，其形核分上制造了条件〔由于铁素体含碳量低。因此铁素体就会在渗碳体两侧的奥氏渗碳体和铁素体就交替形核，并向奥氏体晶粒内长大，最终形成片状珠光体。粒状珠光体的形成过程21。为了由过冷奥氏体直接获得粒状珠光体，首要条件是奥氏体化加热温度较A1温度以下，核和长大，最终形成片状珠光体。§7.5 马氏体转变Ms温度以下，将发淬火进展的，故也称为低温转变。切变浮凸现马氏体转变是典型的非集中性相变α—Fe中的过饱和固溶体，具有很高的强度和硬度。一、 马氏体的组织形态为两种：板条马氏体和片状马氏体。板条马氏体〔低碳马氏体或位错马氏体〕板条马氏体典型的组织形态见图7.32。由图可见：马氏体是由很多成群的、般在一个奥氏体晶粒内可形成几个不同取向的板条束。0.2%的低碳钢中形成的马氏体全部是板条状，故板条马氏体又称低碳马氏体。板条马氏体中存在很多位错，亚构造是高密度的位错，故板条马氏体也称位错马氏体。由图7.34可见：这些位错分布不均匀，相互缠结，形成胞状亚构造，称位错胞。片状马氏体〔高碳马氏体或孪晶马氏体〕片状马氏体的组织形态如图7.36所示。由图可见：马氏体片大小不一，互不尺寸越小。1.0%的高碳钢中形成的马氏体全部是片状，故片状马氏体又称高碳马氏体。亚构造是孪晶，孪晶存在于马氏体的中部〔见图7.3，故片状马氏体又称孪晶马氏体。两种马氏体的形成条件MsMf的凹凸。Ms和Mf高，倾向于形成板条马氏体；而MsMf一般认为：200℃以上形成的是板条马氏体，200℃以下形成的是片状马氏体。影响MsMf凹凸的元素主要是化学成分。含碳量7.40随奥氏体中含碳量的增加，马氏体转变开头温度和完毕温度降低。含碳量小于0.2%的碳钢，马氏体转变完毕温度Mf高于200℃，淬火到室温后得到的全部是板条马氏体。含碳量大于1.0%的碳钢，马氏体转变开头温度Ms低于200℃，淬火后得到的全部是片状马氏体。含碳量介于0.2%——1.0%增加，板条马氏体量削减，片状马氏体量增多。合金元素除钴和铝以外，全部溶入奥氏体中的合金元素都使MsMf，抑制了板条马氏体的形成，促进了片状马氏体的形成。碳和合金元素降低MsMf而切变需要能量，能量由过冷度供给。过冷度是平衡临界温度A1和Ms的差值。〔切变是一种塑性变形〕需要的能量越大，过冷度也越大，相应的Ms和Mf温度越低。所以，MsMf二、马氏体的晶体构造和正方度奥氏体向马氏体的转变是非集中性相变，只有铁的晶格改组，而无成分的变化，因此马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体。α—Fe的晶体构造是体心立方构造，当马氏体的含碳量小于0.25%时，晶体构造为体心立方构造；当马氏体的含碳量大于0.25%C轴的八面体间C轴伸长、ac增加、a减小，这样体心立方构造c和晶格常数a〔c/a〕称马氏体的正方度碳含量。总之，含碳量小于0.25%的马氏体的晶体构造是体心立方构造；而含碳量大于0.25%含碳量。三、马氏体的性能物理性能在马氏体转变过程中，钢会发生体积膨胀，产生淬火组织应力。这是由于马奥氏体中的含碳量越高，淬火组织应力的越大，工件越简洁变形和开裂。机械性能强度和硬度高强度和高硬度是钢中马氏体的显著特点。马氏体的硬度主要取决于含碳〔这是由于间隙原子的固溶强化作用远大于置换原子。7.433所示：随马氏体中含碳量的增加，硬度明显上升，当含碳量0.6%4个方面：固溶强化相变强化时效强化晶界强化上述四种强化方式中，固溶强化是主要的。塑性和韧性马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚构造片相互成肯定的角度分布，形成时相互碰撞产生大量微裂纹〔7.39，也增加加。结论：板条马氏体不仅具有较高的强度和硬度，而且塑性和韧性较好；片状了低碳马氏体钢。四、 钢中马氏体转变的特点马氏体转变的无集中性和共格切变性，共格切变产生浮凸。的阵点位置上。马氏体转变后，由于共格切变而产生浮凸现象。马氏体转变需要快速冷却和深度过冷。过冷。马氏体转变是在连续冷却的条件下形成的，且转变速度极快。Ms点以下，马氏体开头形成。随温度的不断降低，马时形核，瞬时长大。马氏体转变不能100%完成，总有或多或少的剩余奥氏体〔A/〕存在，这称为马氏体转变的不完全性。2〔1Mf点低于室温，当淬火冷却至室温时，仍保存局部未转变的过冷奥氏体，通常称为剩余奥氏体，用A/〔2〕即使连续过冷至Mf点以下，也不能得到100%的马氏体组织，总有少量剩余奥氏体存在。这是由于马氏氏体向马氏体的转变。剩余奥氏体量随含碳量和合金元素〔除钴和铝外〕含量的增大而增加。MsMf点，使马