第十九章过冷奥氏体转变图(精品） .ppt

凝固理论与固态相变solidificationtheoryandphasetransformationsinsolids 南京航空航天大学材料科学与技术学院缪强 第十九章过冷奥氏体冷却转变图 前言 冷却方式有两种 等温冷却 将钢迅速过冷到临界点 ar1 以下某一温度 并保持在该温度下进行组织转变 连续冷却 将钢以某一固定速度不停顿地冷却到室温 使奥氏体在连续降温的过程种转变 1 等温冷却2 连续冷却 本章学习的意义 前言 钢件热处理后的性能很大程度取决于冷却时奥氏体转变产物类型和形态 转变温度 冷却速度不同 奥氏体将按不同机制转变为不同组织 珠光体 贝氏体 马氏体等 研究不同冷却条件下钢的奥氏体组织转变规律对于正确制订热处理工艺 合理选材 判别各种非平衡组织乃至研制新材料都具有十分重要的意义 前言 本章学习重点 过冷奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义 各温度区域内奥氏体转变产物 过冷奥低体连续冷却转变曲线的特点 影响过冷奥氏体转变曲线的因素 本章学习难点 影响过冷奥氏体转变曲线的因素 冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 过冷奥氏体等温转变曲线是表示奥氏体急速冷却到临界点a1以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线 共析钢c曲线 ttt time temperature transformationit isothermaltransformation 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 因其形状呈 c 形 过冷奥氏体等温转变曲线又称c曲线 ttt曲线或it曲线 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 一 过冷奥氏体等温转变曲线的建立 测定方法 金相法 膨胀法 磁性法 电阻法 热分析法 测定原理 利用过冷奥氏体转变产物的组织形态和物理性能变化测定 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 1 金相法 试样制备 将钢材加工成尺寸为 10 1 5mm的圆片试样 分成若干组 每组5 10个 取若干组试样加热并充分奥氏体化 将试样分组淬入低于a1点的不同温度的盐浴中 保温一定时间 将试样逐个淬入水中 使未转变奥氏体转变为马氏体 故马氏体量即为未转变奥氏体量 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 用金相法测定每个试样的转变量 确定各温度下转变量与转变时间的关系 将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度 时间坐标中 并分别连线 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 一般将奥氏体转变量为1 3 所用的时间定为转变开始时间 而把转变量为98 所需的时间定为转变终了时间 ms点与mf点常通过磁性法或膨胀法来测定 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 金相法的优点是可以直接分析显微组织的变化 但是需要大量的试样 通常约200个 金相分析操作者必须具备丰富的鉴别显微组织的经验 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 2 膨胀法 是利用过冷奥氏体转变时发生的比容变化来测定转变曲线的 优点 每测一个温度的等温转变只需一个试样 适合于确定不同转变量所需的时间 缺点 所用小试样 通常为 3 5 30 50mm的圆柱 测定的转变百分数准确性不高 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 3 电阻法 利用过冷奥氏体转变时出现的电阻变化来表征珠光体或贝氏体等温转变 典型的等温转变电阻 时间曲线 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 然而 电阻变化值并是转变体积的简单函数 其它因素对电阻值也有影响 因此电阻法的测量精度有限 以至于目前电阻法用得不多 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 4 磁性法 奥氏体是顺磁性的 而其它转变产物在居里温度点以下均是铁磁性的 磁性法就是利用转变时所伴有的磁性变化来测定转变曲线的 二 过冷奥氏体等温转变曲线的分析 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 过冷奥氏体 如果将奥氏体状态的钢冷却至a1温度以下 此时奥氏体的自由能比铁素体与渗碳体两相混合物的总自由能还高 处于热力学不稳定状态 有发生分解 向珠光体或其它组织转变的趋势 因此 将低于临界温度a1下处于不稳定状态的奥氏体称过冷奥氏体 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 温度 水平线a1表示钢的临界温度 a1以上是奥氏体的稳定区 转变开始点的连线称转变开始线 转变终了点的连线称转变终了线 a1 ms间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区 奥氏体稳定区 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 转变开始线与纵坐标之间的距离称转变孕育期 它表征了过冷奥氏体稳定性的高低 转变终了线以右及mf以下为转变产物区 两线之间及ms与mf之间为转变区 奥氏体稳定区 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 孕育期最小处称c曲线的 鼻尖 共析钢为550 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 过冷奥氏体等温转变的孕育期 转变速度与转变温度之间具有极值的原因 是因过冷奥氏体的稳定性同时受两个因素所控制 新 旧相自由能差 g 原子扩散能力d 在鼻尖以上 过冷度小 相变驱动力 g小 在鼻尖以下 温度较低 扩散困难 从而使奥氏体稳定性增加 高温下 g起主导作用 低温下d起主导作用 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 c曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 过冷奥氏体等温转变曲线的形状有多种多样 亚共析钢和过共析钢c曲线的上部有先共析相析出线 三 过冷奥氏体等温转变曲线的基本类型 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 过冷奥氏体等温转变曲线的形状特征主要取决于珠光体 贝氏体和马氏体的转变曲线是重叠还是明显分离的 以及这些曲线与纵坐标轴的相对位置 morral等人按上述考虑将等温转变图分成五种基本的类型 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 1 a型ttt图 珠光体和贝氏体等转变实际上是重叠的 具有单一的 c 型曲线 各种亚共析碳钢及非碳化物形成元素 si ni cu 1 5 mn 的低合金钢具有a型ttt图 共析碳钢的ttt图 37crsi 0 36 c 1 65 cr 1 10si 0 40mo 的ttt图 奥氏体晶粒度8 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 2 b型ttt图 珠光体和贝氏体等转变部分重叠 两种曲线的 鼻尖 的时间坐标也相近 但温度坐标不同 gcr15 1 07 c 1 5 cr 的ttt图 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 珠光体和贝氏体等转变部分重叠 但 鼻尖 的时间 温度坐标均不同 p转变曲线 鼻尖 距纵轴较近 含少量碳化物形成元素的过共析钢 如gcr15 9cr2 crwmn等具有该曲线 3 c型ttt图 铬镍钼钢 0 50 c 1 04 cr 0 11 mo 0 17ni 0 80mn 的ttt图 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 b转变曲线 鼻尖 距纵轴较近 含少量碳化物形成元素的亚共析钢 如20cr 40crmn 40cr 35crmo等具有该类曲线 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 1150 奥氏体化 3cr2w8 0 34 c 2 86 cr 8 12 w 0 38 mn 0 31 si 0 17 v 的ttt图 4 d型ttt图 珠光体和贝氏体转变曲线完全分离 有一个较宽的间隔 亚稳定奥氏体区 且珠光体转变曲线右移 碳化物形成元素含量较高或成分复杂的中碳钢如40cr2ni4 3cr2w8 5crnimo 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 有的合金过冷奥氏体的珠光体转变受到抑制 在等温时间不长的情况下 其d型等温转变图中无珠光体转变曲线而只有贝氏体转变曲线 如18crniw 35cr4nimo 18crniw 0 18 c 1 5 cr 4 38 ni 0 8 w 0 31 mn 0 19si 的ttt图 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 5 e型ttt图 与d型ttt图不同的在于是贝氏体转变曲线右移 碳化物形成元素含量较多的高碳合金钢如w18cr4v cr5mov cr12 cr12mov cr12 2 08 c 11 48 cr 0 31ni 0 35 mn 0 28 si 的ttt图 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 有的合金过冷奥氏体的贝氏体转变受到极大抑制 其e型等温转变图中无贝氏体转变曲线而只有珠光体转变曲线 如4cr13 13mn 4cr13 0 44 c 13 2 cr 0 3si 0 35 mn 的ttt图 四 影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 过冷奥氏体等温转变曲线的形状有多种多样 影响其形状和位置的因素很多 主要有钢的化学成分 奥氏体的状态等 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 1 含碳量的影响共析钢的过冷奥氏体最稳定 c曲线最靠右 ms与mf点随含碳量增加而下降 亚共析钢 过冷奥氏体等温转变曲线中的铁素体 珠光体转变部分随奥氏体中含碳量增加逐渐向右移 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 过共析钢 过冷奥氏体等温转变曲线中的渗碳体 珠光体转变部分随奥氏体中含碳量增加逐渐向左移 贝氏体转变部分 都随奥氏体中含碳量增加逐渐向右移 ms mf点均随奥氏体中含碳量增加而降低 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 2 合金元素的影响 除co al 2 5 外 所有溶入奥氏体元素都增加过冷奥氏体的稳定性 使过冷奥氏体等温转变曲线右移 并使ms点下降 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 其中mo的影响最强 w mn的作用也较明显 si al的影响较小 co降低过冷奥氏体的稳定性 使过冷奥氏体等温转变曲线左移 ms点降低 a 碳化物形成元素主要有cr mo w v ti等 溶入奥氏体中除了不同程度降低珠光体和贝氏体转变元素都增加过冷奥氏体的稳定性 使过冷奥氏体等温转变曲线右移 并使ms点下降 其中有些合金元素升高珠光体转变温度范围 降低贝氏体转变的温度范围 使珠光体 贝氏体两种转变的温度范围相互分离 形成两个 鼻子 中间出现一个奥氏体稳定区 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 2 2 cr 4 2 cr 8 2 cr 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 cr对0 5 c钢过冷奥氏体等温转变曲线的影响 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 b 非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素主要有ni mn si cu b等 只是不同程度降低珠光体和贝氏体转变的速度 使过冷奥氏体等温转变曲线右移 但不改变其形状 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 合金元素只有溶入奥氏体才能对过冷奥氏体等温转变产生重要影响 如碳化物形成元素未能溶入奥氏体 不但不会增加过冷奥氏体的稳定性 反而由于存在未溶碳化物而起到非均匀晶核的作用 使过冷奥氏体等温转变曲线左移 如果钢中同时含有几种合金元素 其综合作用要比单一合金元素的作用复杂 应当强调 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 碳及合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响概括示意图如右 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 3 奥氏体状态的影响 奥氏体晶粒大小 奥氏体晶粒细小 晶界总面积 有利于新相的形核和原子的扩散 有利于先共析转变和珠光体转变 使珠光体转变曲线左移 奥氏体晶粒度对贝氏体转变影响不大 奥氏体晶粒粗大 加快马氏体转变 ms点 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 奥氏体的均匀度对过冷奥氏体等温转变曲线的位置也有影响 奥氏体成分越均匀 奥氏体的稳定性 新相的形核和长大过程所需要的时间 过冷奥氏体等温转变曲线右移 4 原始组织的影响 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 奥氏体化温度越高 保温时间越长 则形成的奥氏体晶粒越粗大 奥氏体的成分也就越均匀 从而增加奥氏体的稳定性 使过冷奥氏体等温转变曲线右移 反之 奥氏体化温度越低 保温时间越短 则形成的奥氏体晶粒越细小 未溶第二相颗粒越多 从而降低奥氏体的稳定性 使过冷奥氏体等温转变曲线左移 形变会细化奥氏体晶粒 或增加奥氏体的亚结构 因此 奥氏体在高温和低温进行变形也会显著影响珠光体转变速度 一般说来 形变量越大 奥氏体向珠光体转变速度越快 使珠光体转变曲线左移 第一节过冷奥氏体等温转变曲线 ttt图 5 形变的影响 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 过冷奥氏体等温转变曲线反映过冷奥氏体在等温条件下的转变规律 可以用来指导等温淬火 等温退火等热处理工艺的制订 但是实际的热处理常常是在连续冷却条件下进行的 其转变规律往往与等温转变相差很大 它是在一个温度范围内发生的转变 往往是几种转变相重叠 转变产物往往是不均匀的混合组织 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 反映过冷奥氏体在连续冷却条件下的转变规律 是分析转变产物的组织与性能的依据 也是制订热处理工艺的重要参考资料 cct图 continuouscoolingtransformationdiagram 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 一 过冷奥氏体连续转变曲线的建立 实验方法 通常采用膨胀法 用快速膨胀仪测量相变时比容的变化 金相法和热分析法来测定过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 利用快速膨胀仪测试的试样尺寸为 3 10mm 上面点焊有0 1mm的pt ptrh温差电偶且与温度 时间记录仪相连接 以记录热分析数据 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 将试样在真空下感应加热至奥氏体化并保温 在程序控制冷却条件下连续冷却 从不同冷却速度下试样的膨胀变化曲线确定相变的开始点 转变量1 终了点 转变量99 所对应的温度和时间 将测得的数据标在温度 时间坐标中 连接有意义的点 便得到过冷奥氏体连续转变曲线 为了提高测量精度 常配合使用金相法和热分析法 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 二 过冷奥氏体连续转变曲线分析 共析钢的过冷奥氏体连续转变曲线最简单 它只有珠光体转变区和马氏体转变区 没有贝氏体转变区 说明共析钢在连续冷却过程中不会发生贝氏体相变 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 开始 终了 中止 左边为过冷奥氏体转变开始线 右边为过冷奥氏体转变终了线 下面连线为过冷奥氏体转变中止线 ms和冷速线vc 以下为马氏体转变区 珠光体转变区由三条曲线构成 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 过冷奥氏体以v1速度冷却 冷却曲线与珠光体转变开始线相交时 奥氏体开始向珠光体转变 与珠光体转变终了线相交时 得到100 珠光体 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 过冷奥氏体冷却速度增大到vc 转变过程与v1时相同 也得到100 珠光体 但转变开始与终了温度降低 转变区间增大 转变时间缩短 得到的珠光体弥散度加大 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 过冷奥氏体以v3速度冷却 冷却曲线与珠光体转变开始线相交时 发生珠光体转变 但冷至转变中止线时 则珠光体转变停止 继续冷至ms点以下 未转变奥氏体发生马氏体转变 室温组织 过冷奥氏体冷却速度大于vc 奥氏体过冷到ms点以下发生马氏体转变 冷至mf点转变终止 最终得到组织 马氏体 奥氏体残余 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 以上分析表明 vc vc 是两个临界冷却速度 vc 过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解 全部冷却到ms点以下发生马氏体转变的最小小冷却速度 称上临界冷却速度或临界淬火速度 vc 过冷奥氏体全部得到珠光体的最大冷却速度 称为下临界冷却速度 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 亚共析钢的cct曲线 与共析钢的cct曲线相比有较大差异 出现了先共析铁素体区和贝氏体转变区 ms线右端降低 先共析铁素体析出和贝氏体转变使周围奥氏体富碳所致 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 从图中可看出 随冷却速度的加快 铁素体析出量 珠光体转变量及贝氏体转变量先增后减 直至为零 马氏体的转变量则越来越多 钢的硬度也越来越高 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 当冷却速度小于下临界速度vc 时 奥氏体只析出铁素体和发生珠光体转变 不发生贝氏体转变和马氏体转变 当冷却速度 上临界速度vc时 过冷奥氏体只发生马氏体转变 当冷却速度介于上临界速度vc与vc 之间时 冷却曲线先后穿过四个区域 最后得到铁素体 珠光体 贝氏体及马氏体的混合组织 第二节过冷奥氏体连续转变曲线 cct图 过