钢的冷却转变

1、过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线过冷奥氏体连续冷却转变曲线 一、引言一、引言2、奥氏体的冷却条件分两大类：、奥氏体的冷却条件分两大类：1） 平衡冷却条件平衡冷却条件 特征：特征：不考虑时间因素的极其缓慢的冷却。不考虑时间因素的极其缓慢的冷却。FeFe3C相相图就是这样获得的。图就是这样获得的。2）非平衡冷却条件）非平衡冷却条件 特征：特征：受时间因素的影响在人们的生产实践中，更多遇受时间因素的影响在人们的生产实践中，更多遇到的是非平衡冷却条件的相变，掌握过冷到的是非平衡冷却条件的相变，掌握过冷A的非平衡的非平衡冷却条件下的转变规律，对热处理生产指导意义更直

2、冷却条件下的转变规律，对热处理生产指导意义更直接。接。奥氏体不同的冷却方式示意图奥氏体不同的冷却方式示意图加热加热保温保温冷却冷却0时间时间/min/min温度温度/等温等温冷却冷却连续连续冷却冷却临界温度临界温度 同一种钢，加热条件相同，但由于采用不同的冷却条同一种钢，加热条件相同，但由于采用不同的冷却条件，钢所表现出来的机械性能明显不同，为什么会出现性件，钢所表现出来的机械性能明显不同，为什么会出现性能上明显的差别？能上明显的差别？ 这是由于钢的内部组织随冷却速度的不同而发这是由于钢的内部组织随冷却速度的不同而发生不同的变化，导致性能上的差别。生不同的变化，导致性能上的差别。 由于由于Fe

3、-FeFe-Fe3 3C C相图是在极其缓慢加热或者冷却条相图是在极其缓慢加热或者冷却条件下建立的，没有考虑冷却条件对相变的影响，件下建立的，没有考虑冷却条件对相变的影响，而热处理过程中的而热处理过程中的过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变曲线和和过过冷奥氏体连续冷却转变曲线冷奥氏体连续冷却转变曲线是对这个问题的补充，是对这个问题的补充，下面将进行分别讨论。下面将进行分别讨论。 为什么要研究过冷奥氏体转变图？为什么要研究过冷奥氏体转变图？钢加热到钢加热到A A状态，用不同的介质，状态，用不同的介质，A A在不同的过冷度下在不同的过冷度下转变的产物（转变的产物（P P、B B、M M或它们的

4、混合组织）的组织与性或它们的混合组织）的组织与性能有很大差别，导致钢材最终性能的多种多样。能有很大差别，导致钢材最终性能的多种多样。钢的过冷钢的过冷A A转变动力学图是研究某一成分的钢在过冷转变动力学图是研究某一成分的钢在过冷A A转变产物与温度、时间的关系及其变化规律。转变产物与温度、时间的关系及其变化规律。过冷奥氏体转变曲线等温转变曲线又称又称TTT曲线曲线或或IT曲线曲线或或C曲线曲线连续冷却转变曲线连续冷却转变曲线又称又称CCT曲线曲线TTTTTT曲线曲线T Temperature-emperature-T Time-ime-T TransformationransformationI

5、TIT曲线曲线I Isothermal sothermal T TransformationransformationCCTCCT曲线曲线C Continuous-ontinuous-C Cooling-ooling-T Transformationransformation二、过冷奥氏体等温转变曲线二、过冷奥氏体等温转变曲线1 1、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立共析碳钢共析碳钢ITIT图图2 2、过冷、过冷A A等温转变图的基本形式等温转变图的基本形式结构结构: : 1 1）A A1 1是临界点；是临界点； 2 2）转变开始线左方是过冷）转变开始线左方

6、是过冷A A区；区；3 3）转变结束线右方是转变结束区（）转变结束线右方是转变结束区（P P或或B B）；）；4 4）两线之间是转变过渡区：）两线之间是转变过渡区： APAP转变的转变的A AP P区；区； ABAB转变的转变的A AB B区。区。5 5）水平线）水平线MsMs为马氏体转变开始温度，为马氏体转变开始温度，其下方为马氏体转变区。这是一幅比其下方为马氏体转变区。这是一幅比较简单的过冷较简单的过冷A A等温转变图。等温转变图。特点：特点：1 1）过冷）过冷A A在不同温度在不同温度(T)(T)的等温分解时都有一个的等温分解时都有一个孕育期孕育期t,t,孕育期随等温温度孕育期随等温温度

7、T T的改变而改变。的改变而改变。 在鼻尖上部：孕育期随在鼻尖上部：孕育期随TT而延长；而延长；在鼻尖下部：孕育期随在鼻尖下部：孕育期随TT而延长；而延长；在鼻尖处：孕育期最短，此时在鼻尖处：孕育期最短，此时A A最不稳定，是转变速度的最不稳定，是转变速度的 极大值。极大值。 这是由于随着过冷度的增大，相变化学自由能差增大，而这是由于随着过冷度的增大，相变化学自由能差增大，而铁、铁、C C原子的扩散却依过冷度的增大而减小，这一对矛盾因原子的扩散却依过冷度的增大而减小，这一对矛盾因素综合影响的结果：素综合影响的结果：鼻尖以上：自由能鼻尖以上：自由能G G起主要作用，相变受起主要作用，相变受G G

8、大小的制约大小的制约鼻尖以下：矛盾的主要方面是鼻尖以下：矛盾的主要方面是FeFe、C C原子扩散，即相变受原子扩散，即相变受 FeFe、C C原子扩散速度的制约。原子扩散速度的制约。 2）过冷）过冷A在不同温度范围内的转变产物各不相同在不同温度范围内的转变产物各不相同P P相变区、相变区、B B相变区和相变区和M M相变区相变区。以。以T8T8钢为例，同温度的钢为例，同温度的转变产物如图所示：转变产物如图所示：P转变区域（高温转变）转变区域（高温转变） 从从A1550范围内，范围内，A等温分解为片状等温分解为片状F片状片状Fe3C的机械混合物，成为片状组织。但随着的机械混合物，成为片状组织。但

9、随着T，片状，片状越细，按片层的粗细分别珠光体型组织划分为三类：越细，按片层的粗细分别珠光体型组织划分为三类：珠光体（珠光体（P）、索氏体（）、索氏体（S）、）、 屈氏体（屈氏体（T）对对T8而言，对应温度的相变组织和性能：而言，对应温度的相变组织和性能： A1650： AP 硬度硬度 HRC3211 650600：AS 硬度硬度HRC3238（属（属Fe、C原子原子的扩散型转变）的扩散型转变） 600550：AT 硬度硬度HRC3240 贝氏体转变区域（中温转变）贝氏体转变区域（中温转变） 温度范围：温度范围：C曲线鼻尖温度曲线鼻尖温度Ms。 B是过饱和是过饱和C的铁素体和渗碳体非片层状的混

10、的铁素体和渗碳体非片层状的混合物。其形态、性能及形成过程都和合物。其形态、性能及形成过程都和P不同。不同。 对对T8而言：而言： B上形成温度上形成温度T：550350 硬度硬度HRC6045 B下形成温度下形成温度T：350240 硬度硬度HRC4555 马氏体转变区域（低温转变）马氏体转变区域（低温转变） 温度范围：温度范围：MsMf对对T8而言：而言： M转变区域约在转变区域约在24050。 随着随着T,M%量量，但即使再低，也不是所，但即使再低，也不是所有有A全部转变全部转变 M，总有一部分保留在钢中，总有一部分保留在钢中，称残余奥氏体称残余奥氏体A。3 3、影响过冷、影响过冷A A等

11、温转变图形状的因素等温转变图形状的因素临界点位置不同；临界点位置不同； P P、B B转变的转变的C C曲线位置不同；曲线位置不同； MsMs不同。这些的主要影响因素有合金元素的影响、不同。这些的主要影响因素有合金元素的影响、A A晶粒尺寸晶粒尺寸的影响。的影响。( (一一) )合金元素的影响合金元素的影响1. 1. 碳的影响碳的影响 亚共析碳钢：亚共析碳钢：C%C%，C C曲线向右移；曲线向右移； 过共析过共析C C钢：钢：C%C%，C C曲线向左移；曲线向左移； 共析钢：使过冷共析钢：使过冷A A最稳定，即其最稳定，即其C C曲线处于最右的位置。曲线处于最右的位置。2. 除除Co以外，所有

12、以外，所有的合金元素都增大的合金元素都增大A稳定稳定性，使性，使C曲线右移。曲线右移。如果未溶入奥氏体如果未溶入奥氏体，则存在未熔的碳化物或夹杂物，则存在未熔的碳化物或夹杂物，往往会起非自发晶核作用，从而促进过冷奥氏体的往往会起非自发晶核作用，从而促进过冷奥氏体的转变，使转变，使C线左移。线左移。 根据合金元素对根据合金元素对IT图的影响，可将合金元素分为两大图的影响，可将合金元素分为两大类：类： （1）非（或弱）碳化物形成元素，主要有钴、镍、锰、）非（或弱）碳化物形成元素，主要有钴、镍、锰、硅、铜和硼。际钴外，都不同程度地同时降低珠光休转变硅、铜和硼。际钴外，都不同程度地同时降低珠光休转变和

13、贝氏体转变的速度，即使和贝氏体转变的速度，即使C曲线右移，但对曲线右移，但对C曲线的形曲线的形状影响不大，仍呈现与碳钢相似的单一状影响不大，仍呈现与碳钢相似的单一“鼻子鼻子”。（2）碳化物形成元素，主要有铬、钼、钨、钒、钛等。这）碳化物形成元素，主要有铬、钼、钨、钒、钛等。这类元素如溶入奥氏体中也将不同程度地降低珠光体转变和贝类元素如溶入奥氏体中也将不同程度地降低珠光体转变和贝氏体转变的速度；同时还使珠光体转变氏体转变的速度；同时还使珠光体转变C曲线移向高温和贝曲线移向高温和贝氏体转变氏体转变C曲线移向低温。当钢中这类元素含量较高时，将曲线移向低温。当钢中这类元素含量较高时，将使上述两种转变的

14、使上述两种转变的C曲线彼此分离，使曲线彼此分离，使IT图出现双图出现双C曲线的曲线的特征。这样，在珠光体转变与贝氏体转变温度范围之间就出特征。这样，在珠光体转变与贝氏体转变温度范围之间就出现了一个过冷奥氏体的高度稳定区。现了一个过冷奥氏体的高度稳定区。钴：钴：使等温转变的开始线和终了线都左移，即缩短孕育期，使等温转变的开始线和终了线都左移，即缩短孕育期，但不改变但不改变C C曲线的形状。曲线的形状。镍：镍：不改变不改变C C曲线的形状，但能显若提高过冷奥氏体的稳曲线的形状，但能显若提高过冷奥氏体的稳定性，延长孕育期，并使鼻子略向下移。定性，延长孕育期，并使鼻子略向下移。锰：锰：锰为弱碳化物形成

15、元素，其作用与镍相似，使锰为弱碳化物形成元素，其作用与镍相似，使C C曲线曲线右移但不改变其形状，锰使右移但不改变其形状，锰使C C曲线右移的作用大于镍。曲线右移的作用大于镍。铬：铬：铬能显著提高过冷奥氏体的稳定性，并且使铬能显著提高过冷奥氏体的稳定性，并且使C C曲线形状曲线形状改变。使转变孕育期延长，使珠光体转变改变。使转变孕育期延长，使珠光体转变C C曲线向高温方向移曲线向高温方向移动，而贝氏体转变动，而贝氏体转变C C曲线向低温方向移动；当铬含量较高时曲线向低温方向移动；当铬含量较高时( (如超过如超过3 3) )，可使两曲线完全分离；铬对贝氏体转变的推迟，可使两曲线完全分离；铬对贝氏

16、体转变的推迟作用大于对珠光体转变的推迟作用。作用大于对珠光体转变的推迟作用。( (二二) A) A晶粒尺寸的影响（加热温度作保温时间的影响）晶粒尺寸的影响（加热温度作保温时间的影响）晶粒越细：晶粒越细：C C曲线左移（曲线左移（A A分解的晶核数增多，分解的晶核数增多，P P易于形核）易于形核）晶粒越粗：晶粒越粗：C C曲线右移；曲线右移；成分越均匀：成分越均匀：A A分解的晶核数量减少，新相形核及长大过程分解的晶核数量减少，新相形核及长大过程中所需扩散时间就越长，故中所需扩散时间就越长，故C C曲线右移。曲线右移。过冷奥氏体等温转变图类型过冷奥氏体等温转变图类型 根据根据C C曲线的形状以及

17、曲线的形状以及P P、B B、M M转变区相互位置的不转变区相互位置的不同，在同，在MsMs点温度以上时的点温度以上时的C C曲线大致可归纳为以下几种曲线大致可归纳为以下几种类型类型a a）是一种最简单的）是一种最简单的ITIT图。它是图。它是P P转变与转变与B B转变曲线重迭的图。转变曲线重迭的图。b b）转变开始曲线与）转变开始曲线与a)a)相同，但转变终了曲线向右侧凹陷，出相同，但转变终了曲线向右侧凹陷，出 现两个鼻子。现两个鼻子。c c）转变开始曲线与转变终了曲线都出现了两个鼻子，但终了转变开始曲线与转变终了曲线都出现了两个鼻子，但终了 线是两条线是两条C C曲线。曲线。d d）是两

18、线组独立的是两线组独立的C C曲线，分别是高温转变（曲线，分别是高温转变（APAP）和中温转）和中温转 变（变（ABAB）4 4、ITIT图的应用图的应用1.是制定钢材热处理工艺规范的基本依据之一：是制定钢材热处理工艺规范的基本依据之一： 大致估计出工件在某种冷却介质中冷却得大致估计出工件在某种冷却介质中冷却得到的组织；到的组织； 制定等温淬火和分散淬火的工艺；制定等温淬火和分散淬火的工艺； 估计钢接受淬火的能力。估计钢接受淬火的能力。2 实际热处理中采用连续冷却，其转变规律实际热处理中采用连续冷却，其转变规律与等温冷却有相当大的差异。与等温冷却有相当大的差异。 因此，因此，IT图只能对连续冷

19、却的热处理工艺图只能对连续冷却的热处理工艺提供提供，它的直接应用受到很大的限，它的直接应用受到很大的限制。制。三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线 IT图的主要反映了过冷图的主要反映了过冷A等温转变的规等温转变的规律，主要用于研究相变机理、律，主要用于研究相变机理、 组织形态等。在一般热处理生产中，多组织形态等。在一般热处理生产中，多为连续冷却，所以难以直接应用，为连续冷却，所以难以直接应用，CCT图图（连续转变图，（连续转变图，Continuous-Cooling-Transformation）能比较接近实际热处）能比较接近实际热处理冷却条件，应用更方便有效。理冷却条

20、件，应用更方便有效。（一）共析碳钢的连续冷却转变图（一）共析碳钢的连续冷却转变图 PS：P开始转变线开始转变线； Pf：P转变结束线；转变结束线； K:K: 是是P P转变终止线；转变终止线；V VK K: : 上临界冷却速度，它是得到全部上临界冷却速度，它是得到全部M M组织的最小冷却速度。组织的最小冷却速度。V VK K越越 小，钢件在淬火时越易得到小，钢件在淬火时越易得到M M组织，淬硬性越好。组织，淬硬性越好。V VKK: :下临界冷却速度，它是得到全部下临界冷却速度，它是得到全部P P组织的最大冷却速度。组织的最大冷却速度。V VKK 越越 小，退火所需的时间就越长。小，退火所需的时

21、间就越长。 （二）用途：（二）用途： 如果我们知道了某钢中的如果我们知道了某钢中的CTCT曲线，我们就能利用它估曲线，我们就能利用它估计某连续冷却转变的温度范围、转变所需时间、转变产物计某连续冷却转变的温度范围、转变所需时间、转变产物及其性能。及其性能。1 1）预测热处理后零件的组织及性能）预测热处理后零件的组织及性能2 2）确定临界冷却速度）确定临界冷却速度V VK K 用于选材、选淬火介质的重要参数之一。用于选材、选淬火介质的重要参数之一。3 3）选择淬火介质）选择淬火介质 当当CCTCCT鼻子处孕育期为鼻子处孕育期为2S2S时，时，2525零件水淬可淬硬；零件水淬可淬硬； 当当CCTCC

22、T鼻子处孕育期为鼻子处孕育期为5 510S10S时，时，2525零件油淬可淬硬；零件油淬可淬硬； 当当CCTCCT鼻子处孕育期为鼻子处孕育期为100S100S时，时，2525零件空气中即可淬硬；零件空气中即可淬硬； （三）（三） IT IT 曲线与曲线与CTCT曲线的比较曲线的比较1.1.用途用途 ITIT：仅能粗略地、定性地估计在连续冷却时的转变情况。：仅能粗略地、定性地估计在连续冷却时的转变情况。 CTCT：能较准确地用来作为制定、分析热处理工艺的依据。：能较准确地用来作为制定、分析热处理工艺的依据。 2.2.位置位置：CTCT在在ITIT的右下方，即的右下方，即CTCT的过冷度、孕育期较