第三章-奥氏体在冷却时的转变

第六节钢在冷却时的转变 一 共析钢的过冷奥氏体转变 由铁碳相图可知 共析钢从奥氏体状态冷却到临界点 A1点以下时将要发生珠光体转变 实际上 迅速冷却到 A1点以下温度时 转变并不是立即开始的 在 A1点以下未转变的奥氏 体称为过冷奥氏体 1 过冷奥氏体转变曲线 1 过冷奥氏体等温转变曲线 图 10 38 是通过实验测定的共析钢过冷奥氏体等温转变 动力学曲线 又称过冷奥氏体等温转变 等温图 又称 TTT 图或 C 曲线 图中 左边的曲线是转变开始线 右边的曲线 是转变完了线 它的上部向 A1线无限 趋近 它的下部与 Ms 线相交 Ms 点是 奥氏体开始向马氏体转变的温度 由图 可以看出 过冷奥氏体开始转变需要经 过一段孕育期 在 550 500 等温时孕 育期最短 转变最快 称为 C 曲线的 鼻子 在鼻温以上的高温阶段 随过冷 度的增加 转变的孕育期缩短 转变加 快 在鼻温以下的中温阶段 随过冷度的 增加 转变的孕育期变长 转变变慢 这 是因为共析转变是扩散型相变 转变速 率是由相变驱动力和扩散系数 D 两个 因素综合决定的 参看第三节 过冷奥氏体在不同的温度区间会发 生三种不同的转变 在 A1 500 C 区间 发生珠光体转变 转变的产物是珠光体 P 其硬度值较低 在 11 40HRC 之间 550 C Ms 点区间发生贝氏体转变 产物是贝氏体 B 硬度值较高在 40 55HRC 之间 在 Ms 点 以下将发生马氏体转变 得到马氏体 M 马氏体的硬度很高 可达到 60HRC 以上 碳素 钢的贝氏体转变温度区间与珠光体 马氏体转变的温度区间没有严格的界限 相互之间有 重 叠 一般认为过冷奥氏体有了 1 的转变即为转变的开始 转变已完成 99 即为转变完了 在转变开始线和转变完了线之间 还可以划出转变量为 10 50 90 等等几条大体平 行的曲线 图中以虚线表示 转变开始线 终止线与 A 线 Ms 线之间将等温转变图划分 成几个区域 各个区域表示组织状态及转变量与温度和时间之间的关系 从等温转变图右 侧的纵坐标 还可以看出各温度下转变产物的硬度值 例如 过冷奥氏体在 600 C 进行等 温转变 若等温时间只有 1s 钢仍然处在过冷奥氏体状态 如果等温了 3s 这时已有 50 的奥氏体转变成珠光体 组织状态是奥氏体加珠光体各占 50 若在 600 C 等温 7s 以上 过冷奥氏体早已全部转变成珠光体 珠光体的硬度值是 38HRC 如果在 600 C 等温 3s 后立即淬火 将得到 50 马氏体加珠光体的组织 2 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 在绝大多数情况下奥氏体转变是在连续冷却的条件 下进行的 如铸造 锻轧 焊接之后 一般都是采用在空气中冷却 或在坑中堆放冷却等 连 续冷却方式 从奥氏体状态经炉内冷却退火 或空气中冷却正火 或水中急冷淬火等热处 理 工艺也都是连续冷却过程 因此 研究过冷奥氏体连续冷却转变图 CCT 图 有更大的实 际 意义 实验测定的不同冷却条件下共析碳钢的 CCT 图如图 10 39 所示 由图可以看出 不 同冷却速度下 过冷奥氏体开始转变的时间和温度不同 冷却速度越快 开始转变所需的 时间越短 转变温度越低 图中还划出该钢的 c 曲线 与 c 曲线相比较 CCT 图中同样性 质的曲线 转变开始线 转变终了线 均位于 C 曲线的下方 在连续冷却条件下 共析碳钢 不发生 贝氏体转变 若冷却速度小于 33 4 C s 叫 图中的曲线 3 时 奥氏体将全部转变成珠光 一 总之 在奥氏体等温转变图上可以划分为珠光体相变 贝氏体相变和马氏体相变等三个 区域 上述共析钢曲线形状比较简单 但随着钢中碳量和合金元素的不同 会有各种类型的 C 曲线 在碳钢中 亚共析钢和过共析钢的 C 曲线形状与共析钢基本相似 但位置向左移 同时在过冷奥氏体分解的温度范围内 还有先共析铁素体或先共析渗碳体的析出 如过共析钢的奥氏体化温度在 A3 Acm之间 由于存在较多的未溶渗碳体 因而在 其 C 曲线上一般没有先共析渗碳体析出线 在合金钢中 合金元素对 C 曲线的影响主要有两个方面 一是改变前后位置 即促进 或延迟过冷奥氏体的分解 二是改变形状 使珠光体转变区与贝氏体转变区分开 各种合 金元素对珠光体转变和贝氏体转变的影响是不同的 强碳化物形成元素如钛 钒 钼 钨 铬在含量较多时 大都使珠光体与贝氏体转变区分开并对奥氏体到珠光体 转变有更为明显的推迟作用 根据 C 曲线的形状以及珠光体转变区 贝氏体转变区相互位置的不同 在 Ms 温度以上时的 C 曲线大致可归纳为以下几种类型 1 珠光体转变与贝氏体转变曲线重迭 图中在 A1 Ms 的温度范围内只有一个 鼻子 在 鼻子 上部区进行珠光 体转变 鼻子 下部区进行贝氏体转变 碳钢及非碳化物形成元素或非稳定碳 化物形成元素的低合金钢 如 Co 钢 Ni 钢 Mn 钢 锰含量较低时 等的奥氏体 等温转变曲线属于这种类型 2 珠光体转变曲线与贝氏体转变曲线分开 奥氏体最大转变速度在贝氏体转变区 图中出现了两组曲线 上面一组表示珠光体转变 下面一组为贝氏体转变 两个转变 区域之间出现一个奥氏体稳定区域 在 Cr W Mo V 等形成稳定碳化物元素的 钢中经常具有这种类型的曲线 应当指出 在合金元素含量较低时 两个 鼻子 间的奥氏体稳定区不很明显 含 量较高时 两组曲线往往截然分开 通常 在合金奥氏体中含碳量少时 奥 氏体最大转变速度在贝氏体转变区 如 38CrMoAl 3 只有贝氏体转变区 曲线图 Ms 点温度以上只有贝氏体转变区域 由于合金元素的作用 珠光体转变的 孕育期很长 以致一般不在图中出现 含较多 Ni 的低碳和中碳 CrNiMo 钢或 CrNiW 钢 具有这种类型的 C曲线 如 18Cr2Ni4WA 4 珠光体转变曲线与贝氏体转变曲线分开 奥氏体最大转变速度在珠光体内 在合金奥氏体中含碳量较多时 奥氏体最大转变速度在珠光体内 如 Cr12 5 只有珠光体转变 这种类型表示形成稳定碳化物元素含量与碳含量的比值较高的钢的 C 曲线 如 3Crl3 4Crl3 的 C 曲线 在合金元素影响下 贝氏体转变速度大大降低 它的转变曲线剧烈右移或同时 剧烈下移 甚至移到不能在一般的奥氏体等温转变曲线图上出现 因此在 A1 Ms 温度范围 内只发生珠光体转变 6 只析出碳化物 无任何相变 这种类型较特殊 即在较高的碳和合金元素含量影响下 珠光体转变和贝氏体转变都 没有被发现 同时 Ms 点降到室温以下 于是从 A1到室温的整个温度范围内 除了析出碳 化物外 不发生任何相变 这类钢的奥氏体通常极其稳定 属于奥氏体钢 四 各种因素对奥氏体等温转变曲线的影响 影响 a 曲线形状位置的因素很多 主要有 1 碳的影响 在正常加热条件下 亚共析钢的 C 曲线随着含碳量增加向右移动 过共析钢的 C 曲线随含碳量的增加向左移动 故在碳钢中以共析碳钢过冷奥氏体最稳定 2 合金元素的影响 除了 Co 以外 所有的合金元素溶入奥氏体后 都增大其稳定性 使一曲线右移 碳化物形 成元素含量较多耐 使 C 曲线的形状发生变化 出现两组曲线 3 加热温度和保温时间的影响 随着加热温度的提高和保温时间的延长 奥氏体的成分更加均匀 作为奥氏体分解的晶核 数量减少 同时奥氏体晶粒长大 晶界面积减少 这些都不利于过冷奥氏体的分解 提高 了奥氏体的稳定性 使 C 曲线右移 图 2 7 表示奥氏体化温度对 Garl5 钢 a 曲线的影响 C 线的应用很广 例如可以利用 C 线大致估计出这种钢制的工件在某种冷却介质中冷 却得到的组织 可以利用 C 线制订等温退火 等温淬火和分级淬火的工艺 可以用来估计 钢的接受淬火的能力 并据此选择适当的冷却介质等等 若冷却速度在 3 2 曲线之间 则奥氏体冷却到 500 C 时 已有相当一部分奥氏体转变为珠光体 而尚未转变 的奥氏体将停止转变 直到冷却到 Ms 点以下发生马氏 体转变 若冷却速度大于 140 C s 图中曲线 2 过冷 奥氏体将不会发生分解转变 将一直冷却到 Ms 点以下 发生马氏体转变 连续冷却过程中 奥氏体不发生分解 转变的最低速度 称为临界冷却速度 奥氏体的晶粒度与奥氏体化温度和时间对过冷奥 氏体的稳定性和转变速率以及临界冷却速度有很大的 影响 奥氏体晶粒细小 单位体积内晶界面积增大 促 进珠光体形成 加快奥氏体转变 使 C 曲线相对左移 即 临界冷却速度大 奥氏体化温度高或保温时间长 促进 渗碳体溶解和奥氏体均匀化 同时也会使奥氏体晶粒粗 大 因而推迟了珠光体的形成 使过冷奥氏体转变的速 率变慢 使 C 曲线相对右移 即临界冷却速度变慢 另 外 奥氏体成分的微量变化 对 C 曲线的位置也有影响 因此 在利用手册中钢的 C 曲线资料时 应注意钢的成 分 奥氏体化温度和晶粒度等条件 奥氏体实际转变温度与 A1的温差称为