热处理原理之冷却转变

第四章

钢的冷却转变获得均匀的奥氏体，实现热处理目的前提条件是获得所需性能的关键4.1冷却条件对钢的机械性能的影响可以看出，同样的奥氏体经过不同冷却之后，性能显著不同，强度相差几倍。这是由于在不同冷速下，奥氏体的过冷度不同，转变产物的组织便不同，因而其性能也不同。40Cr钢经850℃加热不同均却后的机械性能冷却方式σb（N/mm2）σs（N/mm2）炉冷57.4×10728.9×107空冷67.8×10738.7×107油冷185.5×107159×107控制不当会出现缺陷其转变规律是制定热加工后的冷却工艺的理论根据在不同过冷度下等温测定奥氏体的转变过程，绘出“奥氏体等温转变曲线”；在不同冷速的连续冷却过程中测定奥氏体的转变过程，绘出“奥氏体连续冷却转变曲线”。冷却转变热处理加热后的冷却铸造之后的冷却锻轧之后的冷却焊接之后的冷却冷却转变规律的研究方法4.2过冷奥氏体等温转变曲线处于高温状态的A冷却到A1点以下就处于热力学不稳定状态，必然要发生相变，但未必立即发生，而是经过一个孕育期后才开始。这种在孕育期内暂时存在的处于不稳定状态的A称为过冷A。将奥氏体迅速冷却到临界温度以下的某一温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为过冷奥氏体等温转变。过冷奥氏体过冷奥氏体等温转变综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温的转变过程：转变开始和终了时间、转变产物和转变量与温度和时间的关系曲线，就称为过冷奥氏体等温转变曲线。过冷奥氏体等温转变曲线的形状象字母“C”，故又称为“C-曲线”。又根据过冷奥氏体等温转变曲线的英文名称(Temperature-Time-Transformation)的字头，称为“TTT曲线”。(IT曲线)过冷奥氏体等温转变曲线㈠共析碳钢C-曲线的建立C-曲线是利用过冷奥氏体转变产物的组织形态或物理性质的变化来测定的。常用的方法有金相法、硬度法、磁性法、电阻法、膨胀法、热分析法等。其中金相法最直观，也比较准确，但比较麻烦。所以常用金相法与其它方法配合使用来绘制C-曲线。①把用具有相同组织的、同样尺寸(φ10×1.5mm)的试样分成若干组，每组有多个试样；共析碳钢C-曲线的建立步骤②将各组试样都在同样条件下奥氏体化，以获得比较均匀的奥氏体；③迅速将奥氏体化后的各组试样过冷到Ar1点以下不同温度(如650℃、600℃、500℃、350℃、230℃等)的等温盐浴炉中进行等温转变；④每隔一定时间取出其中一个试样淬于水中，将不同时刻的等温状态固定到室温；⑤将试样放于显微镜下观察它们的组织变化，测定奥氏体在各个温度下组织转变开始与终了时间、最终的组织和性能；奥氏体在某一温度下转变开始时间和终了时间：通常以该温度下转变1％的时间作为转变开始点；通常以该温度下转变99％的时间作为转变终了点。组织变化：等温时未转变的奥氏体，水冷后就变成马氏体和残余奥氏体，在组织中呈白亮色；而等温转变的产物则原样保留下来，在组织中呈暗黑色。⑥

MS点的测定预先估计一个MS，把A化后的试样迅速投入温度为MS的热浴中保持2～3分钟，然后转移到温度比第一个热浴高20～30℃的热浴中保持2～3分钟，后取出淬入盐水中；若第一个热浴温度高于MS，A不发生转变，在盐水中A向M转变，显微镜下为白亮的马氏体组织；若第一个热浴温度低于MS，A体向马氏体转变，而在第二个热浴中已转变的M被回火，而剩余的A在盐水中转变为M，两种马氏体在显微镜下是可以区分的；继续调整第一个热浴的温度，直至测出MS。⑦将测定结果绘在温度－时间坐标图中，把各试样转变开始点联结起来形成转变开始线；把各试样转变终了点联结起来形成转变终了线。这样就得到过冷奥氏体等温转变曲线。共析钢过冷奥氏体等温转变曲线㈡

C-曲线分析①过冷奥氏体在各个温度下的等温转变都需要一段孕育期，孕育期随着过冷度的变化出现“长－短－长”的变化规律。

越靠近A1点即过冷度越小，孕育期越长；随着过冷度增大，孕育期缩短，在570℃左右达到极小值;

此后，孕育期又随过冷度的增大而变长。孕育期的长短反映出过冷奥氏体稳定性的大小②转变终了时间随过冷度的变化规律和孕育期类似，呈现出“慢一快一慢”的变化趋势；为什么过冷奥氏体在不同温度下等温转变时会出现“C-曲线”这样的现象呢?随温度变化，新旧相的自由能差ΔF与原子的扩散系数D具有不同变化趋势，它们共同作用的结果。Ms点～Mf(-50℃)

马氏体型转变Ar1

～550℃(鼻温)

珠光体型转变550～230℃(Ms点)

贝氏体型转变③共析钢的过冷奥氏体在A1温度以下将会发生三种不同的转变：⑴碳钢的基本类型只有一个鼻点，即珠光体转变与贝氏体转变重叠，亚(过)共析钢比共析钢多出一个F析出线和K析出线.㈢奥氏体等温转变图的常见类型①具有单一的C字形曲线，即P与B转变重叠.⑵合金钢C曲线的常见类型归纳起来大体上可以分为六种类型除碳钢以外，含有Si、Ni、Cu、Co等非碳化物形成元素的钢均属此类。②具有双C字形曲线，两个鼻子在时间轴上相近，在温度轴上不同，P与B部分重叠，如37CrSi具有这样的C曲线。③具有双C字形曲线，两个鼻子在时间和温度轴上都不相同，P与B部分重叠。P转变曲线右移比较显著20Cr、40Cr、35CrMn2、40CrMn等。B转变曲线右移较为显著GCr15、9Cr2、CrMn、CrWMn等④P与B转变曲线完全分开B转变曲线右移Cr12、Cr12、VW18Cr4V等P转变曲线右移5CrNiMo、3Cr2W8、35CrNi3Mo等⑤只有P转变区而无B转变区（4Cr13)或只有B转变区而无P转变区(18CrNiV)。⑥只有一条碳化物析出线，无P和B转变区（奥氏体钢都具有这类曲线）。㈣

过冷奥氏体等温转变的影响因素各种因素对过冷奥氏体等温转变的影响，实质上都是对过冷奥氏体稳定性的影响。凡是增加奥氏体稳定性的因素，都使孕育期延长，转变速度减小，从而使C-曲线右移；凡是降低奥氏体稳定性的因素，都使孕育期缩短，转变速度增大，从而使C-曲线左移。因此，各种因素对过冷奥氏体等温转变的影响都可以在C－曲线上反映出来。两个凡是⑴碳含量的影响45钢T10钢共析钢三种钢的过冷奥氏体等温转变曲线①亚共析钢的C-曲线上多出一条γ→α转变的开始线，过共析钢的C-曲线上多出一条γ→Fe3C转变的开始线；②共析碳浓度的奥氏体最稳定，碳浓度离共析成分越远，则奥氏体向珠光体的转变越快；③奥氏体碳浓度越小，贝氏体转变越快；④随着碳浓度的增高，Ms点逐渐降低。45钢T10钢共析钢三种钢的过冷奥氏体等温转变曲线⑵合金元素的影响合金元素在钢中存在形式化合态末溶入奥氏体时，会降低奥氏体的稳定性，加速转变对过冷奥氏体转变产生重要影响对奥氏体转变的影响不大，或略有加速作用固溶态游离态除Co外，所有溶入A的合金元素均增大过冷A的稳定性(合金元素的扩散比碳原子困难很多)⑶奥氏体状态的影响①

A晶粒度的影响A晶粒越细小则晶界面积越大，越有利于新相形核，加速过冷A的转变，从而使C曲线左移。②奥氏体均匀性的影响奥氏体的成分越不均匀，越有利先共析相的析出和珠光体的形核与长大。不均匀奥氏体中的高碳浓度区使贝氏体转变变慢.⑷钢的原始组织、加热温度和保温时间的影响在同样的加热条件下，轧材形成的奥氏体比铸锭均匀。它们都通过影响奥氏体的晶粒度和均匀性来影响奥氏体的等温转变。原始组织：在相同的加热条件下，原始组织越细，越容易得到均匀的奥氏体，使C-曲线右移.当原始组织相同时，提高奥氏体化温度或延长保温时间，将促使碳化物溶解、成分均匀和奥氏体晶粒长大，使C-曲线右移。加热温度和保温时间⑸外加应力和塑性变形的影响拉应力会加速奥氏体转变；压应力会阻碍奥氏体转变。外加应力:奥氏体的塑性变形，造成晶粒破碎，亚结构细化，晶体缺陷密度增高，还可能伴有碳化物的析出，这些都使奥氏体稳定性降低、转变加快。塑性变形:4.3过冷奥氏体在连续冷却中的转变奥氏体等温转变规律可以用C-曲线表示出来。同样地，连续冷却转变的规律也可以用另一种C-曲线表示出来，这就是“连续冷却C-曲线”，根据其英文名称(ContinuousCoolingTransformation)字头又称为“CCT曲线”。㈠连续冷却C-曲线的建立方法与奥氏体等温转变C-曲线的建立方法类似①把用钢制成的同样尺寸(φ10×1.5mm的圆片)的试样分成若干组，每组有多个试样；②将各组试样都在同样条件下奥氏体化，以获得比较均匀的奥氏体;③将奥氏体化后的各组试样以不同的、恒定的冷却速度连续冷却；④每隔一定时间取出其中一个试样淬于水中，将高温转变的状态固定到室温；⑤将试样放于显微镜下观察它们的组织变化，测定奥氏体在各个冷却速度下的组织转变开始与终了时间、最终的组织和性能;⑥将测定结果绘在温度－时间坐标图中，把各试样转变开始点联结起来，形成转变开始线；把各试样转变终了点联结起来，形成转变终了线。这样就得到过冷奥氏体的连续冷却转变曲线。㈡连续冷却C-曲线的分析⑴共析钢共析钢的连续冷却C-曲线最简单，只有珠光体转变区和马氏体转变区，而没有贝氏体转变区。下临界冷速上临界冷速淬火临界冷速两点不同：一是有两次渗碳体的析出线；二是图中Ms线右端上翘。Ms线右端上翘的原因：这是由于二次渗碳体的析出，使周围奥氏体贫碳，奥氏体贫碳越多，Ms点升高越厉害。⑵过共析钢其连续冷却C-曲线与共析钢差异很大：主要是出现了F析出区、B转变区、以及Ms线右端下斜。Ms线右端下斜的原因：由于铁素体析出和贝氏体转变都使周围奥氏体富碳，因而使Ms点降低。铁素体和贝氏体的形成量越多，则奥氏体富碳越多，因而Ms点降低越多。⑶亚共折钢㈢连续冷却转变与等温转变的关系①

连续冷却转变过程实质上是由无数个微小等温转变过程组成的；②在连续冷却过程中，只能出现已有的等温转变，而不会出现任何新的转变，而且每种转变只能出现在自己的温度区域内；连续冷却时，在共析和过共析钢中不出现B转变，在某些合金钢中不出现P转变。其原因就是奥氏体的碳浓度高，转变的孕育期大大延长而达不到孕育期的要求，所以在连续冷却过程中被抑制。③奥氏体的连续冷却转变又不同于等温转变：连续冷却过程中可能会先后发生几种转变，而且，冷速不同，可能发生的转变也不同，各种转变的相对量也不同，因而形成的组织往往是不均匀的混合组织且比较复杂；④最明显的差别是：连续冷却C-曲线总是位于等温转变C-曲线的右下方。这表明，连续冷却转变比等温转变的过冷度要大些，孕育期要长些。㈣

影响奥氏体连续冷却转变的因素仍然是奥氏体的化学成分和组织状态等，其影响规律也和对奥氏体等温转变的影响相类似。奥氏体化条件对于连续冷却转变有很大影响，在选用连续冷却C-曲线时应注意这一点。手册中的连续冷