鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變.ppt

鋼的熱處理原理與工藝,第六章 鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖,過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖（IT） IT圖也稱TTT曲線（Time-Temperature-Transformation），因形狀如字母“C”，故稱C曲線。 主要反映了過冷A等溫轉(zhuǎn)變的規(guī)律，主要用于研究相變機(jī)理、組織形態(tài)等。在一般熱處理生產(chǎn)中，多為連續(xù)冷卻，所以難以直接應(yīng)用，,過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變圖（CT） CT圖也稱 CCT圖（連續(xù)轉(zhuǎn)變圖，Continuous-Cooling-Fransformation）能比較接近實(shí)際熱處理冷卻條件，應(yīng)用更方便有效。,1.鋼加熱到A狀態(tài)，用不同的介質(zhì)，A在不同的過冷度下轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（P、B、M或它們的混合組織）的組織與性能有很大差別，導(dǎo)致鋼材最終性能的多種多樣。 2. 鋼的過冷A轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖是研究某一成分的鋼在過冷A轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與溫度、時間的關(guān)系及其變化規(guī)律。,為什么要研究過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖,3. 奧氏體的冷卻條件分兩大類： 1） 平衡冷卻條件 特征：不考慮時間因素的極其緩慢的冷卻。FeFe3C相圖就是這樣獲得的。 2）非平衡冷卻條件 特征：受時間因素的影響在人們的生產(chǎn)實(shí)踐中，更多遇到的是非平衡冷卻條件的相變，掌握過冷A的非平衡冷卻條件下的轉(zhuǎn)變規(guī)律，對熱處理生產(chǎn)指導(dǎo)意義更直接。,本章主要介紹過冷A等溫轉(zhuǎn)變圖和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖及其內(nèi)在聯(lián)系。這兩種動力學(xué)圖是制定熱處理工藝、選擇鋼材和預(yù)測熱處理后零件性能的重要理論依據(jù)之一。,一.IT圖的建立 常用的方法有: 金相硬度法 膨脹法 磁性法 電阻法,金相硬度法： 是最基本直觀和精確的方法，也是常用方法之一。 它是將一組試樣（1015mm，厚度1.5mm左右，數(shù)量510個）加熱奧氏體化迅速冷卻到各個不同的等溫溫度（置于導(dǎo)熱性好的熔融金屬或鹽溶爐）在每個溫度保溫（停留）不同時間后淬火（淬入鹽水中）在500倍金相顯微鏡下觀察其分解產(chǎn)物和轉(zhuǎn)變量，當(dāng)分解產(chǎn)物出現(xiàn)12時，所對應(yīng)的保溫就認(rèn)為在該保溫溫度的轉(zhuǎn)變開始時間。當(dāng)分解產(chǎn)物達(dá)98時間為轉(zhuǎn)變終了時間。,圖1 共析碳鋼IT曲線測試示意圖,圖1 共析碳鋼IT圖,二、過冷A等溫轉(zhuǎn)變圖的基本形式 1. 結(jié)構(gòu): 1）A1是臨界點(diǎn)； 2）轉(zhuǎn)變開始線左方是過冷A區(qū)； 3）轉(zhuǎn)變結(jié)束線右方是轉(zhuǎn)變結(jié)束區(qū)（P或B）； 4）兩線之間是轉(zhuǎn)變過渡區(qū)： AP轉(zhuǎn)變的AP區(qū)； AB轉(zhuǎn)變的AB區(qū)。,5）水平線Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，其下方為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。這是一幅比較簡單的過冷A等溫轉(zhuǎn)變圖。,2.特點(diǎn)： 1）過冷A在不同溫度(T)的等溫分解時都有一個孕育期t,孕育期隨等溫溫度T的改變而改變。 在鼻尖上部：孕育期隨T而延長； 在鼻尖下部：孕育期隨T而延長；,在鼻尖處：孕育期最短，此時A最不穩(wěn)定，是轉(zhuǎn)變速度的 極大值。 這是由于隨著過冷度的增大，相變化學(xué)自由能差增大，而鐵、C原子的擴(kuò)散卻依過冷度的增大而減小，這一對矛盾因素綜合影響的結(jié)果： 鼻尖以上：自由能G起主要作用，相變受G大小的制約 鼻尖以下：矛盾的主要方面是Fe、C原子擴(kuò)散，即相變受 Fe、C原子擴(kuò)散速度的制約。,2）過冷A在不同溫度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物各不相同 從圖6-1可見有三個相變區(qū)域: P相變區(qū)、B相變區(qū)和M相變區(qū)。以T8鋼為例，同溫度的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物如圖2所示：,圖2 T8鋼 過冷 奧氏 體等 溫轉(zhuǎn) 變圖,P轉(zhuǎn)變區(qū)域（高溫轉(zhuǎn)變） 從A1550范圍內(nèi)，A等溫分解為片狀F片狀Fe3C的機(jī)械混合物，成為片狀組織。但隨著T，片狀越細(xì)，按片層的粗細(xì)分別珠光體型組織劃分為三類： 珠光體（P）、索氏體（S）、 屈氏體（T）,對T8而言，對應(yīng)溫度的相變組織和性能： A1650： AP 硬度 HRC3211 650600：AS 硬度HRC3238（屬Fe、C原子的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變） 600550：AT 硬度HRC3240 貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域（中溫轉(zhuǎn)變） 溫度范圍：C曲線鼻尖溫度Ms。 B是過飽和C的鐵素體和滲碳體非片層狀的混合物。其形態(tài)、性能及形成過程都和P不同。,對T8而言： B上形成溫度T：550350 硬度HRC6045 B下形成溫度T：350240 硬度HRC4555 馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域（低溫轉(zhuǎn)變）。 溫度范圍：MsMf 對T8而言： M轉(zhuǎn)變區(qū)域約在24050。 隨著T,M%量，但即使T=Mz，也不是所有A全部轉(zhuǎn)變 M，總有一部分保留在鋼中，稱殘余奧氏體A。,三.影響過冷A等溫轉(zhuǎn)變圖形狀的因素 臨界點(diǎn)位置不同； P、B轉(zhuǎn)變的C曲線位置不同； Ms不同。這些的主要影響因素有合金元素的影響、A晶粒尺寸的影響。 (一)合金元素的影響 1. 碳的影響 亞共析碳鋼：C%，C曲線向右移； 過共析C鋼：C%，C曲線向左移； 共析鋼：使過冷A最穩(wěn)定，即其C曲線處于最右的位置。,2. 除Co以外，所有溶入A后的合金元素都增大A穩(wěn)定性，使C曲線右移。 如未溶入奧氏體，則出于存在未熔的碳化物或夾雜物，往往會起非自發(fā)晶核作用，從而促進(jìn)過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，使C線左移。,根據(jù)合金元素對IT圖的影響，可將合金元素分為兩大類： （1）非（或弱）碳化物形成元素，主要有鈷、鎳、錳、硅、銅和硼。際鈷外，都不同程度地同時降低珠光休轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變的速度，即使C曲線右移，但對C曲線的形狀影響不大，仍呈現(xiàn)與碳鋼相似的單一“鼻子”。,（2）碳化物形成元素，主要有鉻、鉬、鎢、釩、鈦等。這類元素如熔入奧氏體中也將不同程度地降低珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變的速度；同時還使珠光體轉(zhuǎn)變C曲線移向高溫和貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線移向低溫。當(dāng)鋼中這類元素含量較高時，將使上述兩種轉(zhuǎn)變的C曲線彼此分離，使IT圖出現(xiàn)雙C曲線的特征。這樣，在珠光體轉(zhuǎn)變與貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間就出現(xiàn)了一個過冷奧氏體的高度穩(wěn)定區(qū)，參見圖6-2（b）。,（1）鈷：使等溫轉(zhuǎn)變的開始線和終了線都左移，即縮短孕育期，但不改變C曲線的形狀。 （2）鎳：不改變C曲線的形狀，但能顯若提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，延長孕育期，并使鼻子略向下移。 （3）錳：錳為弱碳化物形成元素，其作用與鎳相似，使C曲線右移但不改變其形狀，錳使C曲線右移的作用大于鎳。,（4）鉻：鉻能顯著提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，并且使C曲線形狀改變。使轉(zhuǎn)變孕育期延長，使珠光體轉(zhuǎn)變C曲線向高溫方向移動，而貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線向低溫方向移動；當(dāng)鉻含量較高時(如超過3)，可使兩曲線完全分離；鉻對貝氏體轉(zhuǎn)變的推遲作用大于對珠光體轉(zhuǎn)變的推遲作用。 （5）鉬和鎢的影響：鉬對IT圖的影響見圖6-7，可以看出，鋁對珠光體轉(zhuǎn)變有強(qiáng)烈的抑制作用，但對貝氏體轉(zhuǎn)變則影響不顯著。,(二) A晶粒尺寸的影響（加熱溫度作保溫時間的影響） 晶粒越細(xì)：C曲線左移（A分解的晶核數(shù)增多，P易于形核） 晶粒越粗：C曲線右移； 成分越均勻：A分解的晶核數(shù)量減少，新相形核及長大過程中所需擴(kuò)散時間就越長，故C曲線右移。,3. 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖類型（P156） 根據(jù)C曲線的形狀以及P、B、M轉(zhuǎn)變區(qū)相互位置的不同，在Ms點(diǎn)溫度以上時的C曲線大致可歸納為以下幾種類型（圖3）,圖3 四種類型IT圖,a）是一種最簡單的IT圖。它是P轉(zhuǎn)變與B轉(zhuǎn)變曲線重迭的圖。 b）轉(zhuǎn)變開始曲線與a)相同，但轉(zhuǎn)變終了曲線向右側(cè)凹陷，出 現(xiàn)兩個鼻子。 c）轉(zhuǎn)變開始曲線與轉(zhuǎn)變終了曲線都出現(xiàn)了兩個鼻子，但終了 線是兩條C曲線。 d）是兩線組獨(dú)立的C曲線，分別是高溫轉(zhuǎn)變（AP）和中溫轉(zhuǎn) 變（AB）,亞共析鋼和過共析鋼的C曲線（圖4）,圖4 亞共析鋼、共析鋼及過共析鋼的C曲線比較,四. IT圖的應(yīng)用 1.是制定鋼材熱處理工藝規(guī)范的基本依據(jù)之一： 大致估計(jì)出工件在某種冷卻介質(zhì)中冷卻得到的組織； 制定等溫淬火和分散淬火的工藝； 估計(jì)鋼接受淬火的能力。 2 實(shí)際熱處理中采用連續(xù)冷卻，其轉(zhuǎn)變規(guī)律與等溫冷卻有相當(dāng)大的差異。 因此，IT圖只能對連續(xù)冷卻的熱處理工藝提供定性數(shù)據(jù)，它的直接應(yīng)用受到很大的限制。,五.過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變圖 IT圖的主要反映了過冷A等溫轉(zhuǎn)變的規(guī)律，主要用于研究相變機(jī)理、 組織形態(tài)等。在一般熱處理生產(chǎn)中，多為連續(xù)冷卻，所以難以直接應(yīng)用，CCT圖（連續(xù)轉(zhuǎn)變圖，Continuous、Cooling、Fransformation）能比較接近實(shí)際熱處理冷卻條件，應(yīng)用更方便有效。 （一）共析碳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖(圖6) PS：P開始轉(zhuǎn)變線； PZ：P轉(zhuǎn)變結(jié)束線；,圖6共析碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖,K: 是P轉(zhuǎn)變終止線； VK: 上臨界冷卻速度，它是得到全部M組織的最小冷卻速度。VK越 小，鋼件在 淬火時越易得到M組織，淬硬性越好。 VK:下臨界冷卻速度，它是得到全部P組織的最大冷卻速度。VK 越 小，退火 所需的時間就越長。,（二）用途： 如果我們知道了某鋼中的CT曲線，我們就能利用它估計(jì)某連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的溫度范圍、轉(zhuǎn)變所需時間、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能。 1.預(yù)測熱處理后零件的組織及性能 2.確定臨界冷卻速度VK 用于選材、選淬火介質(zhì)的重要參數(shù)之一。,3.選擇淬火介質(zhì) 當(dāng)CCT鼻子處孕育期為2S時，25零件水淬可淬硬； 當(dāng)CCT鼻子處孕育期為510S時，25零件油淬可淬硬； 當(dāng)CCT鼻子處孕育期為100S時，25零件空氣中即可淬硬；,（三） IT 曲線與CT曲線的比較 1.用途 IT：僅能粗略地、定性地估計(jì)在連續(xù)冷卻時的轉(zhuǎn)變情況。 CT：能較準(zhǔn)確地用來作為制定、分析熱處理工藝的依據(jù)。 2.位置：CT在IT的右下方，即CT的過冷度、孕育期較IT大,圖7含0.84%碳鋼CT圖與IT圖 圖8 40Cr鋼IT圖(虛線)與CT圖 13mm鋼板：油冷。按照等溫轉(zhuǎn)變圖，應(yīng)在690開始轉(zhuǎn)變，640結(jié) 束，但實(shí)際上是660開始轉(zhuǎn)變，590結(jié)束； 11mm：水冷,按照等溫圖可得部分P型組織，但實(shí)際上能得全部M.,可 見應(yīng)用CT曲線更符合實(shí)際情況。圖8為45Cr等溫轉(zhuǎn)變圖 （IT）和CT圖的比較.,3.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 IT轉(zhuǎn)變是在一個溫度進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型是一種。 CT轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型可能不止 一種，有時是幾種類型組織的混合。即使是同一種類型的組織，也由于先期轉(zhuǎn)變的與后期轉(zhuǎn)變的因溫度不同，所得的組織粗細(xì)不同，如PST；B上B下。,4.CT與IT圖本質(zhì)上還是一致的，只不過用IT轉(zhuǎn)變來估計(jì)或說明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的情況時，所得結(jié)果不能精確，只能是定性地說明問題。 5.確定