§4-2钢在加热及冷却时的组织转变

§4－2钢在加热及冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1．钢在加热和冷却时的相变温度在加热时钢的转变温度要高于平衡状态下的临界点；在冷却时要低于平衡状态下的临界点。加热时的各临界点：Ac1、Ac3和Accm冷却时的各临界点：Ar1、Ar3和Arcm加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。Fe，C原子扩散和晶格改变的过程1).奥氏体晶核的形成2).奥氏体晶核的长大3).残余渗碳体的溶解4).奥氏体成分的均匀化2、奥氏体的形成一、钢在加热时的组织转变（一）共析碳钢A形成过程示意图A形核A长大1)奥氏体的形核优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。2)奥氏体晶核的长大在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度的扩散。为了维持原界面碳浓度平衡，奥氏体晶粒不断向铁素体和渗碳体两边长大，直至，铁素体全部转变为奥氏体。一、钢在加热时的组织转变（一）共析碳钢A形成过程示意图残余Fe3C溶解A均匀化3)残留渗碳体的溶解铁素体先于渗碳体消失。因此，奥氏体形成后，仍有未溶解的渗碳体存在，随着保温时间的延长，未溶渗碳体将继续溶解，直至全部消失。4)奥氏体成分均匀化延长保温时间，让碳原子充分扩散，才能使奥氏体的含碳量处处均匀。一、钢在加热时的组织转变共析钢奥氏体化过程一、钢在加热时的组织转变（二）亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个P→A的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，P→A，在AC1～AC3的升温过程中，先共析的F逐渐溶入A，对于过共析钢，平衡组织是Fe3CⅡ+P，当加热到AC1以上时，P→A，在AC1～ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。一、钢在加热时的组织转变（三）影响奥氏体转变的因素•1.加热温度和加热速度的影响2.化学成分的影响3.原始组织的影响提高加热T，将加速A的形成。随着加热速度的增加,奥氏体形成温度升高（Ac1越高），形成所需的时间缩短。随着钢中含碳量增加，铁素体和渗碳体相界面总量增多，有利于奥氏体的形成。由于奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上形成,所以原始组织越细，相界面越多，形成奥氏体晶核的“基地”越多，奥氏体转变就越快。第一节钢在加热和冷却时的组织转变3、奥氏体晶粒长大及其控制措施钢加热时珠光体向奥氏体转变刚刚结束时，奥氏体晶粒是比较细小的。如果继续加热或保温，奥氏体晶粒会变粗大，影响热处理后钢的强度、塑性、韧性较低。因此，加热时获得细小晶粒的奥氏体对提高热处理效果和钢的性能有重要的意义。控制奥氏体晶粒长大措施：1）合理选择加热温度和保温时间2）采用快速加热和短时间保温3）加入一定量合金元素（除锰、磷外）二、钢在冷却时的组织转变钢经加热奥氏体化后，可以采用不同方式冷却，获得所需要的组织和性能。成分相同的钢，奥氏体化后，采用不同方式冷却，将获得不同的力学性能，见下表。实际生产中，必须过冷到A1温度以下才开始转变。在相变温度A1以下还没有发生转变而处于不稳定状态的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体有等温转变和连续冷却转变两种冷却转变方式（见右图）。1．奥氏体的等温转变奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。这种转变就称为奥氏体的等温转变。表示过冷奥氏体的等温转变温度、转变时间与转变产物之间的关系曲线称为等温转变曲线图。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，介绍等温转变曲线及转变产物。共析碳钢C曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1等温转变曲线图的解说A1线以上是奥氏体稳定区；A1线以下，转变开始线的左边为过冷奥氏体区，转变终了线的右边是转变产物区，转变开始线和终了线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。转变开始线与纵坐标轴之间的时间为孕育期。在C曲线拐弯的“鼻尖处”（约550℃），孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定。水平线MS为马氏体转变开始线（约230℃），水平线Mf为马氏体转变终了线（约－50℃）。A′：残余奥氏体，即淬火冷却到室温后残留的奥氏体。共析碳钢C曲线的分析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A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf1）、珠光体型转变—高温转变（A1～550℃）共析碳钢三种珠光体型组织组织名称符号转变温度/℃相组成转变类型特征HRCσb/MPa珠光体型珠光体PA1～650F+Fe3C扩散型（铁原子和碳原子都扩散）片层间距＝0.6～0.8μm，500×分清＜251000索氏体S650～600片层间距＝0.25～0.4μm，1000×分清，细珠光体25～351200托氏体T600～550片层间距＝0.1～0.2μm，2000×分清，极细珠光体35～401400⑴珠光体形貌形成温度为A1～650℃，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三维珠光体如同放在水中的包心菜第一节钢在加热和冷却时的组织转变（2）索氏体形貌像形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。电镜形貌光镜形貌（3）托氏体形貌像形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。电镜形貌光镜形貌2）贝氏体型转变-中温等温转变(550～230℃):（1）550～350℃:B上;40～45HRC;脆性大，几乎无价值。B上=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状羽毛状在光镜下呈羽毛状.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。光镜下电镜下上贝氏体形貌2）贝氏体型转变-中温等温转变(550～230℃):（2）350～230℃:B下;45～55HRC;良好综合力学性能，生产中常等温淬火获得。B下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状下贝氏体形貌在光镜下呈竹叶状。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55-60º角。光镜下电镜下上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。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。上贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌下贝氏体共析碳钢两种贝氏体型组织组织名称符号转变温度/℃相组成转变类型特征HRC贝氏体型上贝氏体B上550～350F过饱和+Fe3C半扩散型（铁原子不扩散，碳原子扩散）羽毛状：平行密排的过饱和F板条间，不均匀分布短杆状，使条间容易脆性断裂，工业上不应用40～45下贝氏体B下350～230F过饱和+ε-Fe2.4C针状：在过饱和F针内均匀分布（与针轴成55º～65º）排列小薄片ε碳化物。具有较高的强度、硬度、塑性和韧性45～55第一节钢在加热和冷却时的组织转变3）马氏体型转变-低温连续转变(230～-50℃):（1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和固溶体（2)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。（3)马氏体转变特点：在一定温度范围内（Ms~Mf）连续冷却完成;转变速度极快，产生很大的内应;转变时体积发生膨胀转变不彻底，有残余的奥氏体；组织不稳定有临界冷却速度V临。（4）马氏体的特点：马氏体的形态有针状和板条状两种，针状马氏体含碳量高，硬度高脆性大；板条状马氏体含碳量低，具有良好的强度和较好的韧性。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。马氏体的含碳量越高，其硬度也越高。3）马氏体型转变区——低温连续转变当钢从奥氏体区急冷到MS以下时，奥氏体便开始转变为马氏体。由于转变温度低，原子扩散能力小，在马氏体转变过程中，只有γ－Fe向α－Fe的晶格改变，而不发生碳原子的扩散。因此，溶解在奥氏体中的碳，转变后原封不动地保留在铁的晶格中，形成碳在α－Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表示。低碳马氏体低碳马氏体其形状为一束一束相互平行的细条状，故也称板条状马氏体高碳马氏体高碳马氏体其断面呈针叶状，故也称针状马氏体总结过冷奥氏体转变产物（共析钢）转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1～650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布＜25退火S650～600细片状，F、Fe3C相间分布25-35正火T600～550极细片状，F、Fe3C相间分布35-40等温处理贝氏体B上550～350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-45等温处理B下350～MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上45-55等温淬火马氏体M针MS～Mf无扩散型针状60-65淬火M板条MS～Mf板条状50淬火2．奥氏体的连续冷却转变1、在等温转变图上估计连续冷却转变产物2、确定马氏体临界冷却速度提示：v1、v2、v3、v4这四种冷却速度，相当于热处理中常用的随炉冷却（退火）、空冷（正火）、油冷（油冷淬火）和水冷（水冷淬火）四种冷却方法。Vk共析碳钢CCT曲线建立过程示意图时间温度A1PfPsA+PKMsMf水冷油冷Vk′炉冷空冷图就是应用共析碳钢等温转变曲线分析过冷奥氏体在连续冷却时的转变情况。（1）图中冷却速度v1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(P)；（2）冷却速度v2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(S)；（3）冷却速度v3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)，最终获得托氏体＋马氏体＋残余奥氏体的混合组织；（4）冷却速度v4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。1、同一成分的钢的CCT曲线位于C曲线右下方。要获得同样的组织，连续冷却转变比等温转变的温度要低些，孕育期要长些。2、连续冷却时，转变时在一个温度范围内进行的，转变产物的类型可能不只一种，有时是几种类型组织的混合。3、连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变。共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较连续冷却转变的产物和性能冷却速度V1V2V3V4冷却方式随炉冷却空气中冷却油中冷却水中冷却转变产物PSM+TM+残余A硬度（HRC）＜2525~3545~5555~65