鋼的過冷奧氏體轉變圖

鋼的過冷奧氏體轉變圖第一節(jié)四種冷卻類型

1、平衡冷卻平衡冷卻條件或近于平衡冷卻條件的特征是冷卻速率非常緩慢，擴散能夠充分進行，不需要考慮時間因素對相變的影響。相圖就是在這種條件下獲得的，它反映了合金在平衡條件下，成分、溫度和顯微組織之間的關系及變化規(guī)律。

2、等溫冷卻等溫冷卻是將奧氏體化后的工件放到等溫浴爐中進行保溫，在保溫過程中發(fā)生組織轉變。這種冷卻方式在生產中也有應用，如分級淬火、等溫淬火。其特點是溫度不隨時間變化，如圖4.10(b)，因而被廣泛用于轉變動力學研究。第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)四種冷卻類型3、恒速冷卻在冷卻過程中冷卻速率保持恒定，這種冷卻用于研究冷卻轉變動力學，生產中沒有這種冷卻。即使在實驗室，在快速冷卻時也不易實現恒速冷卻，一般以在一定溫度范圍內的平均冷速代替速率常數v。

4、變速冷卻這是一般熱處理中常見的冷卻條件，冷卻速率隨溫度的變化而變化，并且在一個工件上的不同部位，冷卻速率也不相同。第3頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

過冷奧氏體等溫轉變圖TTT圖或C曲線是獲得等溫轉變組織的主要依據，是等溫淬火獲得馬氏體組織或貝氏體組織的主要依據。一、過冷奧氏體等溫轉變圖的建立

膨脹法、磁性法、電阻法、熱分析法、金相法。為了提高測試精度，一般應根據條件采用兩種方法。

第4頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天一、過冷奧氏體等溫轉變圖的建立

A1550℃溫度時間(s)8006004002000104103102100230℃727℃-50℃第6頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

圖中A1線以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)，A1線以下轉變線開始線以左的區(qū)域奧氏體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經過一段時間孕育期，它將發(fā)生轉變。這種在孕育期暫時存在的、處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體，稱為過冷奧氏體。

A1以下，轉變終止線以右的區(qū)域是轉變產物區(qū)，在轉變開始線和終止線之間為過冷奧氏體和轉變產物共存區(qū)。圖中水平線Ms為馬氏體轉變開始溫度，Mf為馬氏體轉變終止溫度。過冷奧氏體的轉變可以分為三種：珠光體轉變、貝氏體轉變、馬氏體轉變。二、過冷奧氏體等溫轉變動力學圖基本形式第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產物轉變開始線A向產物轉變終止線A

+產物區(qū)產物區(qū)A1～550℃;高溫轉變區(qū);擴散型轉變;P轉變區(qū)。550～230℃;中溫轉變區(qū);半擴散型轉變;

貝氏體(B)轉變區(qū);230～-50℃;低溫轉變區(qū);非擴散型轉變;馬氏體(M)轉變區(qū)。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMfM+AR共析碳鋼C曲線分析第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖（一）珠光體轉變

珠光體型組織中的Fe3C和F的層片間距（層片粗細），隨轉變溫度的降低（過冷度增大）而減小，使組織變得更細。按層片距離大小，組織粗細不同，珠光體型組織可進一步分為三種：①快冷到A1～650℃范圍內等溫轉變，形成片間距較大(150~450nm)的珠光體型組織，在400～500倍的顯微鏡可分辨其層片狀，稱為珠光體，用符號P表示。②快冷到650～600℃范圍內等溫轉變，形成片間距較小(80~150nm)細珠光體型組織，在800～1000倍顯微鏡下可見其層片狀，稱為索氏體，用符號S表示，③快冷到600～550℃范圍等溫，轉變形成片間距更小(30~80nm)的極細珠光體型組織，在光學顯微鏡下無法分辨其層片狀形態(tài)，呈黑色團狀，稱為屈氏體（或托氏體），用符號T表示。

第9頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

珠光體型組織（P、S、T）中，片間距愈小，相界面愈多，塑性變形的抗力愈大，因此強度、硬度愈高。同時由于Fe3C片變薄，塑性和韌性也有所改善。第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖（二）貝氏體轉變

共析鋼奧氏體以很快的冷速冷卻到550℃～Ms（230℃）溫度范圍內等溫轉變，將轉變成貝氏體型組織。由于轉變溫度低，轉變時只發(fā)生碳原子擴散，鐵原子已不能擴散，屬半擴散型相變。形成的貝氏體是含碳過飽和的鐵素體和碳化物的混合物。按等溫轉變溫度及組織形態(tài)不同，貝氏體分上貝氏體（用B上表示）和下貝氏體（用B下表示）。第11頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖（二）貝氏體轉變⑴上貝氏體B上是奧氏體被快冷到550～350℃范圍等溫轉變形成的。其組織為成束平行的過飽和鐵素體片和片間斷續(xù)分布的細條狀的滲碳體組成，呈羽毛狀。其形成過程是先在奧氏體處含碳較低的部位生成鐵素體晶核，沿一定方向向奧氏體晶粒內成排長大，部分碳原子擴散到鐵素體片間形成小片狀或小條狀的滲碳體。第12頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖（二）貝氏體轉變⑵下貝氏體B下是奧氏體被快冷到350℃～Ms(230℃）等溫轉變形成的，其組織由含碳過飽和的針片狀鐵素體及片內彌散分布的碳化物（ε-Fe2.4C)小片組成，在光學顯微鏡下呈黑色針狀。第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

貝氏體的力學性能完全取決于組織形態(tài)。上貝氏體中的鐵素體片較寬，塑性變形抗力低，滲碳體細條分布在鐵素體片間，容易引起脆斷。因此上貝氏體的強度和韌性均較差，在生產中基本不用。下貝氏體組織中的鐵素體片細小，且無方向性，碳的過飽和度較大，而且其中的ε-碳化物細小、彌散，分布均勻。因此，具有較高的強度、硬度（45～55HRC）和較好的塑性及韌性，即具有優(yōu)良的綜合力學性能，是生產上常用的組織，常用等溫淬火來獲得。第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖（三）馬氏體轉變

當奧氏體自A1線以上溫度以很快的速度冷卻到Ms線以下，冷卻曲線不與C曲線相交，過冷奧氏將在Ms線溫度以下發(fā)生馬氏體轉變，轉變的產物是馬氏體，用符號M表示。馬氏體轉變溫度低，鐵、碳原子已都不能擴散，所以馬氏體轉變屬于非擴散型相變。只是面心立方的γ-Fe轉變成體心立方的α-Fe，原奧氏體中的碳完全保留在已轉變成的α-Fe中，使α-Fe含碳量嚴重過飽和。這種含碳過飽和的α固溶體稱為馬氏體。第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天板條狀馬氏體，C%<0.2%針狀馬氏體，C%>1.0%第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖（三）馬氏體轉變

高碳片狀馬氏體的力學性能特點是硬度高，脆性大；低碳板條狀馬氏體的力學性能特點是有高的強韌性，脆性小。馬氏體轉變是在一個溫度范圍內不斷降溫條件下進行的，由Ms溫度開始，至Mf溫度終止。若降溫停止，轉變也停止。當奧氏體的含碳量較高時，馬氏體轉變不能全部完成，常有一部分奧氏體不能轉變，而被保留下來。這部分不能轉變的奧氏體稱為殘余奧氏體，以A殘表示。兩個原因：一是含C＞0.5%的奧氏體的Mf溫度降至室溫以下；二是馬氏體的形成引起體積膨脹，對尚未轉變的奧氏體造成很大的壓力，阻礙其轉變。因此即使深冷至Mf溫度也不能全轉變?yōu)轳R氏體。第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

在碳鋼中加入合金元素后，對C曲線的影響較大，加入的合金元素越多，影響越大。第19頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

亞共析鋼和過共析鋼在珠光體轉變之前有先共析相析出，即先析出鐵素體和碳化物。這類鋼的TTT圖在珠光體轉變開始線左側有一條先共析相析出線。第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

綜上所述，根據C曲線的形狀，可以將TTT圖分為四種類型。過冷奧氏體在冷卻過程中可能轉變?yōu)橹楣怏w、貝氏體和馬氏體三類組織。珠光體轉變屬于完全擴散型轉變，馬氏體轉變屬于無擴散型轉變，而貝氏體轉變屬于半擴散型轉變，所以，珠光體與貝氏體轉變可能在一定溫度范圍內重疊，貝氏體和馬氏體轉變也可能在一定溫度范圍內重疊。

所以，這四種類型的TTT圖并沒有本質上的區(qū)別，僅僅是量上的差別而已?；蛘哒f，過冷奧氏體在適當條件下都會發(fā)生珠光體、貝氏體和馬氏體轉變。第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

三、影響過冷奧氏體等溫轉變動力學圖的因素

1、C元素影響

奧氏體中含碳量不同，C曲線的位置不同，共析鋼的C曲線最靠右，說明其過冷奧氏體最穩(wěn)定。在正常加熱條件下，C含量高于或者低于0.8%～1.0%，曲線均向左移動。第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖三、影響過冷奧氏體等溫轉變動力學圖的因素

2、合金元素影響合金元素只有溶入到奧氏體中，才能對過冷奧氏體轉變產生重要影響?？傮w上講，除Co、Al外，所有合金元素都增大過冷奧氏體穩(wěn)定性，使“C”曲線右移。非碳化物形成元素如Ni、Si、Cu等和弱碳化物形成元素如Mn只改變“C”曲線位置；碳化物形成元素如Cr、Mo、V、W、Ti等既使“C”曲線右移，又使其形狀分成上下兩部分。第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖三、影響過冷奧氏體等溫轉變動力學圖的因素

3、奧氏體晶粒尺寸：奧氏體晶粒與奧氏體化條件有關，加熱溫度高保溫時間長，奧氏體晶粒粗大，成分均勻性提高，奧氏體穩(wěn)定性增加，“C”曲線右移。反之“C”曲線左移。

4、原始組織：鋼的原始組織越細小，單位體積內晶界越多，過冷奧氏體轉變的形核率越高，同時原始組織越細小有利于C原子擴散，奧氏體形成時達到均勻化時間短，相對長大時間長，相同條件下易使奧氏體長大并且均勻性提高，“C”曲線右移。第25頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖三、影響過冷奧氏體等溫轉變動力學圖的因素

5、變形的影響：奧氏體比容最小，馬氏體比容最大，奧氏體轉變時體積膨脹，施加拉應力加速其轉變，使“C”曲線左移，施加壓應力不利其轉變，使“C”曲線右移。對奧氏體施以適當的塑性變形，使缺陷密度增加(加速原子擴散)或析出碳化物(奧氏體中C%降低)，降低過冷奧氏體穩(wěn)定性，使“C”曲線左移。第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖

四、過冷奧氏體等溫轉變動力學圖的應用

TTT圖反映了鋼在等溫冷卻條件下過冷奧氏體轉變規(guī)律，所以被認為是制定鋼材熱處理工藝規(guī)范的基本依據之一。

TTT圖應用中最有效的是制定等溫熱處理工藝，例如等溫淬火、等溫退火等。等溫淬火是將工件奧氏體化以后，淬人保持一定溫度的鹽浴中，使其獲得下貝氏體組織的工藝方法。根據等溫后的組織和性能要求，依據TTT圖可以很方便地確定等溫溫度和等溫時間。第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)過冷奧氏體等溫轉變動力學圖四、過冷奧氏體等溫轉變動力學圖的應用

TTT圖反映了冷卻轉變的基本規(guī)律和特征。雖然在實際熱處理中多采用連續(xù)冷卻，其轉變規(guī)律與等溫冷卻有相當大的差異，因此，過去人們往往認為TTT圖只能對連續(xù)冷卻的熱處理工藝提供定性數據。但事實并非如此。等溫轉變和連續(xù)轉變沒有本質上的差別。所謂無本質上的差別是指其形核、長大規(guī)律是統(tǒng)一的。通過對動力學的深入研究，由TTT圖可以計算出在任意冷卻條件下的轉變規(guī)律，從而使TTT圖的應用更加廣泛。第28頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)過冷奧氏體連續(xù)轉變動力學圖Bain于1933年研究了過冷奧氏體連續(xù)轉變動力學圖，一般簡記為CCT圖。由于它反映了過冷奧氏體在連續(xù)冷卻條件下的轉變規(guī)律，因此比較接近實際熱處理冷卻條件，應用也較之TTT圖方便，而且有效。一、常見過冷奧氏體連續(xù)轉變動力學圖的基本形式圖5.11是一幅比較典型的CCT圖，過冷奧氏體在連續(xù)冷卻條件下的轉變產物和等溫轉變相似，包括珠光體(P)、貝氏體(B)、馬氏體(M)以及先共析鐵素體(F)或先共析碳化物(K)等。從圖可知，CCT圖與TIT圖有如下不同之處。①圖中有一組在終端注有用小圓圈套住的數字的曲線。這是一組冷卻曲線。第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天一、常見過冷奧氏體連續(xù)轉變動力學圖的基本形式第30頁,共36頁，2024年2月25日，星期天一、常見過冷奧氏體連續(xù)轉變動力學圖的基本形式②冷卻曲線和轉變終了線交點所注的數字為這種轉變產物所占的百分量。例如圖，硬度值為HRC30的冷卻曲線上分別注有15、12和65三個數字，它們表示鐵素體占15％、珠光體占12％、貝氏體占歷％，余者為馬氏體和少量的殘余奧氏體。③馬氏體轉變開始點Ms的水平線右側為斜線，這是由于珠光體、貝氏體轉變提高了奧氏體中的碳質量分數，導致Ms點下降的結果。鋼的CCT圖除了圖5.11的形式外，還有一些其他形式，詳細內容可閱讀其他參考書。第31頁,共36頁，2024年2月25日，星期天一、常見過冷奧氏體連續(xù)轉變動力學圖的基本形式Vk時間(lgτ)溫度℃A1PfPsA→PKMsMf水冷油冷Vk1爐冷空冷轉變中止線

共析剛連續(xù)冷卻轉變動力學圖第32頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)過冷奧氏體連續(xù)轉變動力學圖二、過冷奧氏體連續(xù)轉變動力學圖的測定①維持恒定冷卻速度十分困難，而恒定冷卻速度是保證CCT圖規(guī)范化的基本條件。②在連續(xù)冷卻中，一般轉變產物不是單一的，因此各種組織的精確定量也比較困難。③在快速冷卻中，保證測量時間和溫度的精確度也是不容易的。第33頁,共36頁，2024年2月