钢的冷却转变

第二部分钢在冷却时的转变过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线1、什么是过冷奥氏体？如果将奥氏体状态的钢冷却到A1温度以下，由于在此温度下奥氏体的自由能比铁素体与渗碳体两相混合物的自由能高，在热力学上处于不稳定状态。因此奥氏体将发生分解，向珠光体或其它组织转变，在临界温度A1以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。一、引言2、奥氏体的冷却条件分两大类：1）平衡冷却条件特征：不考虑时间因素的极其缓慢的冷却。Fe－Fe3C相图就是这样获得的。2）非平衡冷却条件特征：受时间因素的影响在人们的生产实践中，更多遇到的是非平衡冷却条件的相变，掌握过冷A的非平衡冷却条件下的转变规律，对热处理生产指导意义更直接。3、热处理生产中，奥氏体的冷却方式等温冷却连续冷却奥氏体不同的冷却方式示意图加热保温冷却②①0时间/min温度/℃等温冷却连续冷却临界温度同一种钢，加热条件相同，但由于采用不同的冷却条件，钢所表现出来的机械性能明显不同，为什么会出现性能上明显的差别？这是由于钢的内部组织随冷却速度的不同而发生不同的变化，导致性能上的差别。由于Fe-Fe3C相图是在极其缓慢加热或者冷却条件下建立的，没有考虑冷却条件对相变的影响，而热处理过程中的过冷奥氏体等温转变曲线和过冷奥氏体连续冷却转变曲线是对这个问题的补充，下面将进行分别讨论。4、过冷奥氏体转变曲线为什么要研究过冷奥氏体转变图？①钢加热到A状态，用不同的介质，A在不同的过冷度下转变的产物（P、B、M或它们的混合组织）的组织与性能有很大差别，导致钢材最终性能的多种多样。②钢的过冷A转变动力学图是研究某一成分的钢在过冷A转变产物与温度、时间的关系及其变化规律。过冷奥氏体转变曲线等温转变曲线又称TTT曲线或IT曲线或C曲线连续冷却转变曲线又称CCT曲线TTT曲线Temperature-Time-TransformationIT曲线IsothermalTransformationCCT曲线Continuous-Cooling-Transformation二、过冷奥氏体等温转变曲线1、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立共析碳钢IT图2、过冷A等温转变图的基本形式结构:1）A1是临界点；2）转变开始线左方是过冷A区；3）转变结束线右方是转变结束区（P或B）；4）两线之间是转变过渡区：A→P转变的A＋P区；A→B转变的A＋B区。5）水平线Ms为马氏体转变开始温度，其下方为马氏体转变区。这是一幅比较简单的过冷A等温转变图。特点：1）过冷A在不同温度(T)的等温分解时都有一个孕育期t,孕育期随等温温度T的改变而改变。●在鼻尖上部：孕育期随T↑而延长；●在鼻尖下部：孕育期随T↓而延长；●在鼻尖处：孕育期最短，此时A最不稳定，是转变速度的极大值。这是由于随着过冷度的增大，相变化学自由能差增大，而铁、C原子的扩散却依过冷度的增大而减小，这一对矛盾因素综合影响的结果：●鼻尖以上：自由能△G起主要作用，相变受△G大小的制约●鼻尖以下：矛盾的主要方面是Fe、C原子扩散，即相变受Fe、C原子扩散速度的制约。2）过冷A在不同温度范围内的转变产物各不相同P相变区、B相变区和M相变区。以T8钢为例，同温度的转变产物如图所示：①P转变区域（高温转变）从A1～550℃范围内，A等温分解为片状F＋片状Fe3C的机械混合物，成为片状组织。但随着T↓，片状越细，按片层的粗细分别珠光体型组织划分为三类：珠光体（P）、索氏体（S）、屈氏体（T）对T8而言，对应温度的相变组织和性能：A1～650℃：A→P硬度HRC32～11650～600℃：A→S硬度HRC32～38（属Fe、C原子的扩散型转变）600～550℃：A→T硬度HRC32～40②贝氏体转变区域（中温转变）温度范围：C曲线鼻尖温度～Ms。B是过饱和C的铁素体和渗碳体非片层状的混合物。其形态、性能及形成过程都和P不同。对T8而言：B上形成温度T：550～350℃硬度HRC60～45B下形成温度T：350～240℃硬度HRC45～55③马氏体转变区域（低温转变）温度范围：Ms～Mf对T8而言：M转变区域约在240～－50℃。随着T↓,M%量↑，但即使再低，也不是所有A全部转变M，总有一部分保留在钢中，称残余奥氏体A′。3、影响过冷A等温转变图形状的因素①临界点位置不同；②P、B转变的C曲线位置不同；③Ms不同。这些的主要影响因素有合金元素的影响、A晶粒尺寸的影响。(一)合金元素的影响1.碳的影响●亚共析碳钢：C%↑，C曲线向右移；●过共析C钢：C%↑，C曲线向左移；●共析钢：使过冷A最稳定，即其C曲线处于最右的位置。2.除Co以外，所有溶入A后的合金元素都增大A稳定性，使C曲线右移。如果未溶入奥氏体，则存在未熔的碳化物或夹杂物，往往会起非自发晶核作用，从而促进过冷奥氏体的转变，使C线左移。●根据合金元素对IT图的影响，可将合金元素分为两大类：（1）非（或弱）碳化物形成元素，主要有钴、镍、锰、硅、铜和硼。际钴外，都不同程度地同时降低珠光休转变和贝氏体转变的速度，即使C曲线右移，但对C曲线的形状影响不大，仍呈现与碳钢相似的单一“鼻子”。（2）碳化物形成元素，主要有铬、钼、钨、钒、钛等。这类元素如溶入奥氏体中也将不同程度地降低珠光体转变和贝氏体转变的速度；同时还使珠光体转变C曲线移向高温和贝氏体转变C曲线移向低温。当钢中这类元素含量较高时，将使上述两种转变的C曲线彼此分离，使IT图出现双C曲线的特征。这样，在珠光体转变与贝氏体转变温度范围之间就出现了一个过冷奥氏体的高度稳定区。★钴：使等温转变的开始线和终了线都左移，即缩短孕育期，但不改变C曲线的形状。★镍：不改变C曲线的形状，但能显若提高过冷奥氏体的稳定性，延长孕育期，并使鼻子略向下移。★锰：锰为弱碳化物形成元素，其作用与镍相似，使C曲线右移但不改变其形状，锰使C曲线右移的作用大于镍。★铬：铬能显著提高过冷奥氏体的稳定性，并且使C曲线形状改变。使转变孕育期延长，使珠光体转变C曲线向高温方向移动，而贝氏体转变C曲线向低温方向移动；当铬含量较高时(如超过3％)，可使两曲线完全分离；铬对贝氏体转变的推迟作用大于对珠光体转变的推迟作用。(二)A晶粒尺寸的影响（加热温度作保温时间的影响）●晶粒越细：C曲线左移（A分解的晶核数增多，P易于形核）●晶粒越粗：C曲线右移；●成分越均匀：A分解的晶核数量减少，新相形核及长大过程中所需扩散时间就越长，故C曲线右移。过冷奥氏体等温转变图类型根据C曲线的形状以及P、B、M转变区相互位置的不同，在Ms点温度以上时的C曲线大致可归纳为以下几种类型a）是一种最简单的IT图。它是P转变与B转变曲线重迭的图。b）转变开始曲线与a)相同，但转变终了曲线向右侧凹陷，出现两个鼻子。c）转变开始曲线与转变终了曲线都出现了两个鼻子，但终了线是两条C曲线。d）是两线组独立的C曲线，分别是高温转变（A→P）和中温转变（A→B）4、IT图的应用1.是制定钢材热处理工艺规范的基本依据之一：①大致估计出工件在某种冷却介质中冷却得到的组织；②制定等温淬火和分散淬火的工艺；③估计钢接受淬火的能力。2实际热处理中采用连续冷却，其转变规律与等温冷却有相当大的差异。因此，IT图只能对连续冷却的热处理工艺提供定性数据，它的直接应用受到很大的限制。三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线IT图的主要反映了过冷A等温转变的规律，主要用于研究相变机理、组织形态等。在一般热处理生产中，多为连续冷却，所以难以直接应用，CCT图（连续转变图，Continuous-Cooling-Transformation）能比较接近实际热处理冷却条件，应用更方便有效。（一）共析碳钢的连续冷却转变图PS：P开始转变线；Pf：P转变结束线；K:是P转变终止线；VK:上临界冷却速度，它是得到全部M组织的最小冷却速度。VK越小，钢件在淬火时越易得到M组织，淬硬性越好。VK′:下临界冷却速度，它是得到全部P组织的最大冷却速度。VK′越小，退火所需的时间就越长。（二）用途：如果我们知道了某钢中的CT曲线，我们就能利用它估计某连续冷却转变的温度范围、转变所需时间、转变产物及其性能。1）预测热处理后零件的组织及性能2）确定临界冷却速度VK用于选材、选淬火介质的重要参数之一。3）选择淬火介质当CCT鼻子处孕育期为2S时，φ25零件水淬可淬硬；当CCT鼻子处孕育期为5～10S时，φ25零件油淬可淬硬；当CCT鼻子处孕育期为＞100S时，φ25零件空气中即可淬硬；（三）IT曲线与CT曲线的比较1.用途IT：仅能粗略地、定性地估计在连续冷却时的转变情况。CT：能较准确地用来作为制定、分析热处理工艺的依据。2.位置：CT在IT的右下方，即CT的过冷度、孕育期较IT大①13mm钢板：油冷。按照等温转变图，应在690℃开始转变，640℃结束，但实际上是660℃开始转变，590℃结束；②11mm：水冷,按照等温图可得部分P型组织，但实际上能得全部M.,可见应用CT曲线更符合实际情况。含0.84%碳钢CT图与IT图3）转变产物IT转变是在一个温度进行的，其转变产物类型是一种。CT转变是在一个温度范围内进行的，其转变产物类型可能不止一种，有时是几种类型组织的混合。即使是同一种类型的组织，也由于先期转变的与后期转变的因温度不同，所得的组织粗细不同，如P→S→T；B上→B下。4）CT与IT图本质上还是一致的，只不过用IT转变来估计或说明连续冷却转变的情况时，所得结果不能精确，只能是定性地说明问题。5）确定淬火临界冷却速度Vc●利用IT图确定的淬火临界冷却速度mmctAV1'℃/s●利用CT图确定的淬火临界冷却速度mmctAV5.11℃/s实线——奥氏体等温分解开始线虚线——奥氏体连续冷却分解开始线45钢CCT图（奥氏体化温度880℃）Cr12钢CCT图（奥氏体化温度1050℃）过共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线亚共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线