第五章过冷奥氏体转变..ppt

1、第五章 过冷奥氏体转变动力学,聊城大学材料学院,5.1四种冷却类型,冷却条件,平衡冷却,非平衡冷却,等温冷却,恒速冷却,变速冷却,钢在冷却时，主要的冷却方式有两种: 一种是等温冷却，另一种是连续冷却，如图所示。,不同冷却方式示意图,5.2过冷奥氏体等温转变动力学图,一、过冷奥氏体等温转变图 用来描述转变开始和转变终了时间、转变产物和转变量与温度、时间之间的关系曲线，称为过冷奥氏体等温转变曲图。（C曲线、TTT图） （一）过冷奥氏体等温转变图的建立 将奥氏体的试样迅速冷至临界温度以下的一定温度，进行等温，在等温过程中所发生的相变称为等温转变。测量转变的方法很多，如金相法、硬度法、膨胀法、磁性法、

2、电阻法、热分析法等。通常用金相硬度法和膨胀法配合使用，利用过冷奥氏体转变产物的形态或物理性能的变化进行测定。,共析碳钢 TTT 曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产 物转变开始线,A向产物 转变终止线,A + 产 物 区,产物区,A1550;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。,550230;中温转变 区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;,230 - 50; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。,线、区的意义 线：纵坐标为温度，横坐标为时间，以对数分度。 图上部一条虚线表示临界点A1线，下部一条实线表示马氏体转变开始点MS，MS线下面为Mf线

3、。 两横线之间有三条C形曲线：左边一条为转变开始线，右为转变终了线，中间一条为转变量为50%的线。 纵坐标和转变开始线之间的区域为孕育区。这个区域横坐标的长度称为孕育期。孕育期最短的部位，即转变开始线的突出部分，称为鼻子。 区：稳定A区、过冷A区（过冷A等温转变的孕育期）、过冷A等温转变区、等温转变产物区、M形成区、M转变产物区。,三个温度区（过冷度增加，过冷A发生的三种转变）： (1)、珠光体型转变：高温区（在临界点A1以下）、过冷度小，珠光体型组织转变区，AP；扩散型相变 (2)、马氏体型转变：低温区（在MS以下）、过冷度大，发生马氏体转变的区域，AM；非扩散型相变 (3)、贝氏体型转变：

4、中温区（在A1以下、MS以上），发生贝氏体转变的区域，AB。半扩散型相变,在转变终了线右边，对AP而言，A全部转变为P； 在转变终了线右边，对AB而言，A不能全部转变为B，会保留有未转变的AR； 在转变开始线和终了线之间为二相组织。 由于形状的缘故，上述C形曲线也称为C曲线，或TTT曲线。,（二）奥氏体等温转变图的特点 开始线以左部分为过冷奥氏体区，转变终了线以右区域为P或B区，两条线之间为转变过渡区（A+P或A+B），水平线MS为马氏体转变开始温度，MS以下为马氏体区。 1、过冷奥氏体在不同温度等温分解都有一个孕育期。 孕育期的长短随等温温度而变，鼻子点处的孕育最短，即，在此温度奥氏体最不稳

5、定、最易分解。鼻子点的出现是因为转变的形核及长大均受C原子及Fe原子扩散的控制。,2、在不同温度下等温具有不同的转变产物 （1）珠光体转变区 （2）贝氏体转变区 （3）马氏体转变区 （4）珠光体与贝氏体、贝氏体与马氏体可能重叠,珠光体转变 过冷奥氏体在A1到550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又可细分为： 珠光体: 形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。如图所示。,索氏体 : 形成温度为650-600，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。如图所示。,托氏体 : 形成温度为600-550，片层极

6、薄，电镜下可辨，用符号T表示。如图所示。,贝氏体转变 过冷奥氏体在550 - Ms（对于共析钢，Ms 为230）间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织形态不同，又分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下） 上贝氏体: 形成温度为550-350，在光镜下呈羽毛状，在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间，如图所示。,下贝氏体 :形成温度为350- Ms（230），在光镜下呈竹叶状，在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针上，并与铁素体针长轴方向呈55-60角，如图所示。,马氏体转变 当奥氏体过冷到Ms以下时将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重

7、要途径之一。 碳在- Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。马氏体具有体心正方晶格（a=bc），轴比c/a称马氏体的正方度，如图所示。马氏体含碳量越高，其正方度越大，正方畸变也越严重。当含碳量小于0.25%时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。,马氏体的形态 钢中马氏体的组织形态可分为板条状和针状两大类。 板条马氏体：呈板条状；具有较高的强度和良好的韧性，即良好的综合力学性能。Ms温度较高、含碳量较低的钢淬火时易得到板条马氏体。 板条马氏体是低、中碳钢和低、中碳合金钢淬火组织中的一种典型组织形态。 针状马氏体：呈针片状或竹叶状；具有高的

8、强度和硬度，但塑性韧性差，即硬而脆。Mf较低、含碳量较高的钢淬火时易得到。 针状马氏体主要出现在中高碳钢、中高碳合金钢和高镍的铁镍合金的淬火组织中。必须经过回火处理后才能使用。,马氏体的形态主要取决于其含碳量。当含碳量小于0.2%时，转变后的组织几乎全部是板条马氏体，而当含碳量大于1.0%时，则几乎全部是针状马氏体。含碳量在0.21.0%之间为板条状与针状的混合组织。,马氏体的性能 高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，含碳量增加，其硬度也随之提高，当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓，如图所示。合金元素对马氏体的硬度影响不大。 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的

9、形式。针状马氏体脆性大，而板条马氏体具有较好的塑性和韧性。,（三）奥氏体等温转变图的常见类型 1、碳钢的基本类型,只有一个鼻子点，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Cem析出线。,2、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。 （1）具有单一的C字形曲线，即P与B转变重叠（与碳素钢相似）。除碳钢以外，含有Si、Ni、Cu、Co等合金元素（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

10、与B部分重叠。 1）P转变曲线右移比较显著，20 Cr、40Cr、35CrMn2、40CrMn等。 2）B转变曲线右移较为显著，GCr15、9Cr2、CrMn、CrWMn等。,（4）P与B转变曲线完全分开 1）B转变曲线右移，Cr12、Cr12、VW18Cr4V等。 2）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）。,TTT图的基本形式,（四）影响奥氏体等温转变图的因素 1、化学成分 （1）碳含量的影响 亚共析

11、钢，随碳含量的增加C曲线右移。 过共析钢，随碳含量的增加C曲线左移。,（2）合金元素的影响 一般规律：除Co以外，常用的合金元素均增加过冷奥氏体的稳定性，推迟转变和降低转变速度，使等温转变曲线右移，延长过冷奥氏体转变开始和终了时间，对P和B转变有分离作用。Al的作用，对B转变与Co相同。,注意：合金元素只有溶入奥氏体中才有上述作用。 根据合金元素对过冷奥氏体影响的性质不同，可以把合金元素分两类： 第一类：非（弱）碳化物形成元素Mn、Ni、Cu、Si对过冷奥氏体的影响在性质上与C的作用相似，即减慢P和B的形成，降低Ms点。 第二类：碳化物形成元素，其中大多数减慢F、P形成的作用大于减慢B形成的作

12、用，同时也降低Ms点。,A、Cr的影响 增加转变的孕育期，使P转变部分和B转变部分分离，即P部分移向高温区，而B部分移向低温区，另外，对B转变的推迟作用大于对P转变的推迟作用。 B、Ni和Mn的影响 Ni对C曲线的形状无影响，使整个曲线略向右下方移动，降低Ms点。 Mn对高碳钢的C曲线的影响基本上与Ni相似，但推迟转变的作用大于Ni。Mn对转变终了线的推迟作用更显著，即降低了奥氏体向珠光体的转变速度。,C、Mo和W的影响 Mo对P转变有显著的推迟作用，对B转变的影响较小，随Mo%的增加，P部分与B部分会分离，Mo降低Ms点。 W的作用与Mo基本上是相似的，只是推迟B转变的作用比Mo要小，若要达

13、到与Mo相同的程度，W的含量应高于Mo的一倍。 D、B（硼）的影响 B对C曲线有特殊的影响，含微量的B(0.0020.005%)就足以使F的析出和P转变显著推迟。 B原子吸附在A晶界上，降低了晶界的界面能，从而降低了先共析F和P的成核率。如果B原子向A晶内扩散，使晶界上吸附的数量减少，将使B的作用明显下降。 E、Co的影响 对C曲线的形状无影响，随Co%增加C曲线左移，Ms升高。,2、奥氏体晶粒尺寸的影响 A晶粒愈细小，等温转变的孕育期愈短，加速过冷A向P的转变，对B转变有相同的作用，但不如对P的作用大，相反A晶粒粗大将C曲线右移。 3、原始组织、加热温度和保温时间的影响 在相同的加热条件下，

14、原始组织越细，越容易得到均匀的A，奥氏体成分越均匀，新相形核和长大过程所需的扩散时间就越长，使等温转变曲线右移，Ms降低。 当原始组织相同时，提高A化温度，延长保温时间，将促进碳化物溶解，也会使C曲线右移。 4，塑性变形的影响 无论高温和低温塑性变形，均加速过冷A的转变。 原因：未经变形的A向P转变时仅在晶界形核，而变形后，过冷A在等温转变时，可出现晶内形核。,TTT图反映的是过冷A等温转变的规律，可以用来指导热处理工艺的制定。但是在实际热处理中，很多热处理工艺都是在连续冷却条件下进行的，如淬火、正火、退火等。虽然可以利用TTT图来分析连续冷却时过冷A的转变过程，但这种分析只能是粗略的估计，有

15、时甚至可以得出错误的结果。实际上在连续冷却时，过冷A是在一个温度范围内发生转变的，所以人们很早就开始对过冷A在连续冷却条件下的转变形为，并试图用图形的方式来描述这一过程。 连续冷却转变图通常称为CCT图（Continuous Cooling Transformation),5.3过冷奥氏体连续冷却转变图,CCT图的建立 测定CCT图一般说来是比较复杂的，最常用的方法是综合热分析、金相、硬度和膨胀法等多种方法一同测定某种钢的连续冷却转变图。,过冷奥氏体连续转变动力学图的基本形式 过冷奥氏体连续转变动力学图的基本形式见图，该图的纵坐标为温度， 横坐标为时间，采用对数坐标。,65,图内有各种产物存在

16、的区域和各种速度的冷却曲线。冷却曲线终端的小圆圈内数字为转变产物的硬度值，可为洛氏硬度或维氏硬度。冷却曲线与转变终了线交点处的数字为该产物所占的百分数。 马氏体转变开始线与等温转变动力学图不同，MS不再为水平线，而是向右下侧倾斜，这是由于P与B的转化，使A得到富化而使MS降低的缘故。 根据各冷却曲线通过的区域及其与转变终了线交点处的数字，就可断定在该冷速下冷却可得到的转变产物及其所占的百分数。 连续转变动力学图与奥氏体化条件(温度、时间)有关，与奥氏体晶粒度有关，原因同等温转变相似。 不同的冷却速度可得到不同产物，此图也叫CCT图 (即Continuous Cooling Transforma

17、tion)。,二、连续冷却转变图的特点及其与等温转变图的关系 1、共析碳钢和过共析碳钢的连续冷却转变图，只有高温区的P转变和低温区的M转变，而无中温区的B转变，亚共析碳钢可以有B转变。亚共析钢和过共析钢有先共析相F和Cem析出线，由于先共析相的析出，可以改变A的C含量，从而使随后在低温区发生M转变的Ms发生相应的变化。 2、合金钢的CCT图，可以有P转变无B转变或只有B转变无P转变等多种不同的情况，具体的情况由加入的合金元素种类和数量而定。 3、在等温条件下合金元素推迟过冷A的等温转变，在连续冷却条件下，合金元素也降低过冷A的转变速度，使CCT曲线右移。,4、A晶粒度对CCT图的影响规律是，A

18、晶粒粗大CCT图移向右下方。 5、连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下方。这说明连续冷却转变的温度低，孕育期长。 6、不论P转变，还是B转变的连续冷却转变曲线，都只有相当于C曲线的上半部分。 7、连续冷却时，在一定的冷却条件下，A在高温区的转变不能完成，余下的A则在中温区及低温的M转变区继续转变，最终得到混合组织。由于在高温和中温区的转变，会改变余下A的C含量，从而使Ms发生相应的变化。,共析碳钢的等温和连续冷却转变图的比较,测定方法有： 金相硬度法； 膨胀法； 端淬法及磁性法等。,过冷奥氏体连续转变动力学图的应用 (1) 已知直径和冷却介质，可算出表面和心部冷速. 根据这些冷速， 再利用CCT图中的冷速与转变产物的关系，可得出冷却后的组织。 (2) 利用CCT图可直接测出临界冷速。 (3) 根据设计要求(组织、硬度等)，由CCT图选出冷却速度的上下限。再由不同直径棒料在水、油、空气中的冷却曲线图，依照所需的试样直径，选出奥氏体化温度和冷却介质，使冷速在所要求的范围内，为制定工艺条件提供依据。,5.4相变动力学形式理论,相变过程从动力学机制方面可分为形核、核长大、晶粒长大三个阶段。,长大规律,图 液-固界面上的原子迁移,一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。 系统总自由能随晶体体积