讲座32铁碳相图的应用C曲线(课程思考题).ppt

加热与冷却制度对相变的影响 铁碳相图的应用（C曲线与CCT曲线）,一、局限性 1反映的是平衡相，而不是组织 2反映二元合金中相的平衡状态 3没有反映时间的作用（为平衡条件下，没考虑冷却速度） 要解决以上疑问必须了解时间因素，如等温、实际非平衡连续冷却过程相转变的规律；必须了解合金元素的对相转变影响。 二、应用 1选材 2热加工工艺制定的基础,铁碳相图的局限性与应用,重点掌握,1. 钢加热时组织转变及影响因素； 2. 本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素； 3. 共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中各温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌、性能特点。 4. 非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别；影响C曲线的因素； 5. 奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响等； 6.影响C曲线的因素,1.钢加热时的组织转变 2.奥氏体化 3.钢冷却时的组织转变 4.等温转变曲线 C-curve/ TTT(TimeTemperatureTransformation) 5.连续冷却曲线 CCT(Continuous Cooling Transformation） 6. 影响C曲线的因素,本节提纲,钢在再加热时的组织转变 参考宋维锡金属学 p318,一、共析钢的奥氏体化（再加热奥氏体化目的？）晶格改组和Fe，C原子的扩散过程。遵循形核、长大规律:在晶界上形核，渗碳体溶解、铁素体通过点阵重构转变成奥氏体，如下图所示。,共析钢奥氏体化温度Ac1及其转变式：,共析钢加热时在Ac1温度，奥氏体化转变式： F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (fcc, 0.77) 实际转变温度：随加热（或冷却）速度增加，偏离平衡转变温度A1（727）也愈大！,二共析钢奥氏体化过程与机制,a. 界面形核 （优先在铁素体F与渗碳体Fe3C相界）； b. C扩散、铁素体晶格重构，奥氏体长大； c. 渗碳体完全溶解，碳成分不均匀的奥氏体； d. 碳在奥氏体中的均匀化。,共析钢奥氏体化过程与机制,三、影响奥氏体化的因素,1加热温度影响 不同温度下等温时奥氏体化过程与时间的关系如图所示；也称奥氏体等温转变动力学关系。 TA化转变进程加快 (D）,2加热速度与珠光体中渗碳体层片间距的影响,V（dT/dt)转变开始温度，转变时间,3合金元素影响（合金钢时要考虑的问题） a. Cr、Mo、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素（也是其封闭或缩小A相区的原因），降低奥氏体形成速度； b. Co、Ni非碳化物形成元素（开启A相区原因），能加快C在A中的扩散速度，加快A形成速度; c.认为 Al、Si、Mn影响不大。 d.合金元素在A中的扩散系数远小于C! （对合金钢奥氏体化处理时间与温度的影响？）,4奥氏体化前的原始组织影响 片状珠光体，片间距小相界面多碳弥散度大碳原子扩散距离短奥氏体形核长大比粒状原始组织中要快。,四、奥氏体晶粒大小及控制,1晶粒度（grain size Index） : 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用单位长度，面积，体积内的晶粒数或晶粒度级别表示。 ASTM method （美国材料试验协会的晶粒度标定法），通常用与晶粒大小标准图比较来确定钢的晶粒度级别。,其中1-4为粗晶粒；5级以上为细晶粒。常分8级。,晶粒度的测定方法：93010保温38小时(100),2奥氏体起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度 起始晶粒度为（珠光体）加热刚转变成奥氏体时的晶粒度，一般比较细。 实际晶粒度：加热或加工条件下获得的晶粒度。 本质晶粒度：加热过程中，钢奥氏体晶粒长大的倾向。 奥氏体晶粒随温度的升高而稳定快速长大本质粗晶钢； 奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大本质细晶钢。,本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢 奥氏体晶粒长大趋势与特征,思考题： 1）如何测定钢的晶体粒度？ 2）如何测定钢本质晶粒度？,3奥氏体晶粒度的控制 影响奥氏体晶粒度的因素,a. 加热工艺 加热温度，保温时间 b. 成分的影响 A中C%（扩散速度增加）A晶粒长大 碳化物（MxC%，钉扎晶界） A晶粒长大 1)碳化物形成元素一般有细化晶粒作用； 2）Al脱氧钢或钢中含有VTiNb等容易形成氮化物、碳化物元素，能抑制A长大这类钢一般为本质细晶粒钢； 3）认为Mn 、P能促进A长大。,钢再加热奥氏体化的目的再控制其冷却、获得所需要的组织与性能 钢在冷却过程中的组织转变,热处理中两种常用 的冷却方式： 1）等温处理 2）连续冷却 图中临界温度在这 指A化温度。,其中马氏体是连续冷却过程形成，Ms,Mf不属于等温转变特征点！,Time-temperature transformation (TTT) diagrams也称 过冷奥氏体的等温转变C曲线,measure the rate of transformation at a constant temperature. In other words a sample is austenitised and then cooled rapidly to a lower temperature and held at that temperature whilst the rate of transformation is measured, for example by dilatometry. Obviously a large number of experiments is required to build up a complete TTT diagram.,一、过冷奥氏体的等温转变与产物 （理解C曲线）,1 共析钢过冷A等温转变曲线: 如前所述，将奥氏体化后的钢冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间；将不同温度下的等温转变开始点与终了点分别连成线即得C曲线。可以发现： 对共析钢A1以上：A稳定 A1以下：A不稳定，过冷 C曲线有一最小孕育期(约过冷到550等温转变时）： 1)T，AP的驱动力F提高 2)TD,认识共析钢C曲线,2共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征 （1）高温转变区：A1温度至鼻子温度（550） A过冷度不同，等温转变将会分别产生不同层间距的珠光体结构，为了便于区分： 珠光体P(Pearlite,A1-650)， 索氏体S(Sorbite,650-600)， 屈氏体T(Troosite，600-550)。 一般来说，转变温度低，D，长大慢层间距薄，硬度HB，强度 。,珠光体型组织（珠光体、索氏体、屈氏体）有何相同和不同点？,1.珠光体 铁素体与渗碳体的片间距为0.60.7m，通常用符号P表示。 2.索氏体 索氏体也是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，但是片间距比珠光体小，约为0.25m。用金相显微镜放大600倍能分辨出铁素体和渗碳体的片层结构。这种组织在铁碳合金状态图上找不到它，因为它是一种不稳定组织。碳钢和低合金钢采用正火或奥氏体等温分解，就能获得索氏体组织。索氏体具有良好的综合机械性能。通常用符号S代表索氏体。 b6861372（MPa） 1020 HBS250320 3.屈氏体 屈氏体也是一种珠光体型组织，铁素体和渗碳体的片层间距为0.1m，可用金相显微镜放大1000倍以上就能分辨清铁索体和渗碳体的片层，它比索氏体更细。其性能如下 b13721666（MPa） 510 HBS400500 屈氏体亦称托氏体，通常用符号T表示。 由此可见，索氏体、屈氏体都为珠光体型组织，区别点在于铁索体与渗碳体的片层间距大小不一，片间距愈小，相界面愈多，强度、硬度愈高，但塑性下降。,珠光体/Pearlite,索氏体(S)细珠光体 英国冶金学家HCSorby,屈氏体(T)极细珠光体 法国金相学家LTroost,（2）中温区贝氏体转变 550-230（MS） Bainite 是碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。是介于扩散性P转变和非扩散性M转变之间的中间转变， 可细分：,1）550-350：上贝氏体，呈羽毛状。碳化物在F间，强度不高、韧性差； 2）350-M S：下贝氏体，黑色针状。针状铁素体内有片状碳化物，强韧性高，综合机械性能好。,贝氏体是介于扩散性珠光体与非扩散性马氏体之间的一种中间转变（半扩散型组织）。 其转变没有铁原子的扩散，但通过切变进行从奥氏体向铁素体的点阵重构，并通过碳原子的扩散进行碳化物的沉淀析出。,（3）低温区转变230以下的马氏体转变,MSMf之间一个温度范围内连续冷却完成的，属于非扩散型转变。 A过冷M+A(残余奥氏体) b. 转变产物：马氏体M，碳在-Fe中的过饱和固溶体。 C%1.0%，针状高碳马氏体：片状、硬而脆（高碳马氏体） c. 实质：T低C无法扩散非扩散性晶格切变过饱和C的铁素体。 d. M转变的特征，无扩散性 瞬时性 存在Ms,Mf 不完全性，经常有残余奥氏体. 发生体积膨胀。,板条状低碳M，高的强韧性,针状高碳马氏体：片状、硬而脆,碳含量与马氏体转变、残余奥氏体（A残或A/）形成,含碳量对马氏体硬度的影响,3共析钢等温转变组织与性能的关系总结,（1）珠光体型组织 转变温度降低，片间距小，细晶强化强度、硬度、 塑性、韧性提高；（分别获得珠光体、索氏体、屈氏体） （2）贝氏体 B上：强度、韧性差 B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能 （3）马氏体 硬度高，C%HRC 片状（针状）马氏体，硬而脆，塑、韧性差；高碳马氏体。 板条状马氏体，强度高，塑性，韧性好；低碳马氏体。 问题：各种组织的形成机制、类型与特性分析？,4亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线（简单说明）,In the simple case of a eutectoid plain carbon steel, the curve is roughly C-shaped with the pearlite reaction occurring down to the nose of the curve and a little beyond. At lower temperatures bainite and martensite are formed. The diagrams become more complex for hypo- and hyper-eutectoid alloys(亚/过共析钢)as the ferrite or cementite reactions have also to be represented by additional lines. 此外,亚（过）共析钢完全奥氏体化的温度要分别高于Ac3和Accm.,过共析钢C曲线特征（示意图） 二次渗碳体线（高温区等温转变有先析出渗碳体）,亚共析钢C曲线特征（示意图） （高温区等温转变有先析出铁素体）,Hypoeutectoid Isothermal Transformation Curve 实际亚共析钢C曲线其过冷A极不稳定,二 影响共析钢等温冷却转变 /C曲线的因素,C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。 C曲线的形状（反映产物）、位置（反映稳定性）不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。,（一） 成分对C曲线的影响 1含碳量的影响,共析钢，C曲线最靠右边，过冷A稳定性最高。 亚/过共析钢，其过冷A都不稳定，其中： 1）对亚共析钢，钢中C%，A中C%，其C曲线右移，过冷A趋于稳定; 2）对过共析钢，一般在ACcm以上A化，钢中C%，未溶Fe3C有利于形核其C曲线左移，过冷A更不稳定.,2合金元素,除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性右移 非碳化物形成元素或弱碳化物形成元素，Si,Ni, Cu, 不改变C曲线形状 中、强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V, Nb, Ti, 改变C曲线形状，右移动、两鼻尖； 除Co,Al 外，均使Ms,Mf 下降，残余A,（二）奥氏体化条件的影响,1加热温度和时间 A化温度，时间（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）A稳定性，C曲线右移。,三 .过冷奥氏体连续冷却转变曲线 CCT曲线,Continuous cooling transformation (CCT) diagrams 过冷奥氏体连续冷却CCT曲线的获得,measure the extent of transformation as a function of time for a continuously decreasing temperature. In other words a sample is austenitised and then cooled at a predetermined rate and the degree of transformation is measured, for example by dilatometry(如用Gleeble热模拟机）. Obviously a large number of experiments is required to build up a complete CCT diagram.,共析钢连续冷却转变转变图：CCT曲线 (Continuous Cooling Transformation）,PS：AP开始线 Pf：AP终止线 K-k：珠光体型转变终止线，余下的作M转变。 Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）M最小冷速 Vk：下临界冷速完全P最大冷速,CCT曲线与不同冷却工艺示意,2共析钢连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较 （1）CCT位于TTT曲线右下方 ；AP转变温度低一些，t长一些。 （2）CCT只有高温区珠光体转变、低温区M转变，无中温区B转变（但一些合金钢多还是有的，如p328页45Cr）。,Significant influence of composition on the TTT and CCT diagrams. 合金元素对TTT和CCT曲线影响,An increase in carbon content shifts the CCT and TTT curves to the right (this corresponds to an increase in hardenability as it increases the ease of forming martensite - i.e. the cooling rate required to attain martensite is less severe). An increase in carbon content decreases the martensite start temperature. An increase in Mo content shifts the CCT and TTT curves to the right and also separates the ferrite + pearlite region from the bainite region making the attainment of a bainitic structure more controllable.,3C曲线的应用初步介绍 金属热处理,（1）根据工件要求，确定热处理工艺。 （2）确定工件淬火时的临界冷速。 （3）C曲线可以近似指导连续冷却操作，如图： V1:炉冷（退火） P V2: 空冷，S，T V3：油冷，T，M，A V4：水冷，M+A Vk ：临界冷却速度 （4）选择钢材的依据 （5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。,热处理不同冷却方式所获得组织的示意分析 (An Example ProblemAssume a Eutectoid Low Carbon Steel),(a) Water-quench to room Temperature. (b) Hot-quench at 690C water-quench,作业1,理解钢加热奥氏体化及奥氏体的形成过程。 测定过冷奥氏体等温转变图C曲线的方法。 为什么片状珠光体在较低温度下形成具有较细的片层结构？ 何谓过冷奥氏体的孕育期? 过冷奥氏体连续冷却转变曲线的绘制方法。,作业2,马氏体（片状马氏体、板条马氏体）转变的定义和特点 贝氏体形态与差异：上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体。 回火的定义、目的和回火时的组织变化。 退火的定义、目的、分类。 正火定义、目的。且与退火相比有何不同？ 淬火的定义、目的。 淬透性与淬硬性。 回火的定义、目的、种类。 形变热处理。 化学热处理的定义、分类。,作业3,1.合金元素对奥氏体、贝氏体、马氏体转变的影响 2.金属材料强化的种类（机理与方法） 3.为什么片状珠光体在较低温度下形成具有较细的片层结构？ 4.具有什么性质的元素有利于扩大铁的相区？ 5.从化学成分、结构、性能来谈珠光体中铁素体、贝氏体、马氏体的异同。 6.合金元素对珠光体和马氏体转变的影响。 7.何谓金属的多形性转变？单相合金？复相合金？一（二）次固溶体？ 8.何谓固溶体的脱溶？何为脱溶强化 9.何谓马氏体？举例说明哪些金属中有马氏体转变。 11.比较热处理“四火”（目的和工艺特点）。,作业4,碳钢或合金钢能够进行热处理的依据； 末端淬火法及其用途； 淬透性曲线与淬透性带； 影响淬透性的因素； 影响淬硬性的主要因素； 钢材分类与典型钢号的含义； 铁-碳相图中特征转变温度点或温度线及其含义；加热与冷却对其的影响。 晶粒度级别与晶粒粗细； 奥氏体晶粒度的不同概念； 碳化物与固溶体脱溶是如何使钢强化的； 调质钢,作业5,金属材料的主要力学特性有那些，试通过典型的单向拉伸应力应变曲线说明之； 金属材料的常见应力应变曲线有那些表现形式，试画图说明； 如何实验确定金属材料的强度特性和塑性特性； 何谓韧性，何为疲劳，何为蠕变； 5. 比强度与屈强比; 6. 何为硬度，硬度有那些表示方法