講座3-2鐵碳相圖的應用C曲線(課程思考題)

加熱與冷卻制度對相變的影響鐵碳相圖的應用（C曲線與CCT曲線）,一、局限性1反映的是平衡相，而不是組織2反映二元合金中相的平衡狀態(tài)3沒有反映時間的作用（為平衡條件下，沒考慮冷卻速度）要解決以上疑問必須了解時間因素，如等溫、實際非平衡連續(xù)冷卻過程相轉(zhuǎn)變的規(guī)律；必須了解合金元素的對相轉(zhuǎn)變影響。二、應用1選材2熱加工工藝制定的基礎,鐵碳相圖的局限性與應用,重點掌握,1.鋼加熱時組織轉(zhuǎn)變及影響因素；2.本質(zhì)晶粒度與實際晶粒度的含義，控制晶粒度大小的因素；3.共析鋼奧氏體等溫冷卻曲線中各條線的含義。C曲線中各溫度區(qū)域內(nèi)奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形貌、性能特點。4.非共析鋼C曲線與共析鋼C典線的差別；影響C曲線的因素；5.奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的特點，冷卻速度對鋼的組織變化和最終性能的影響等；6.影響C曲線的因素,1.鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變2.奧氏體化3.鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變4.等溫轉(zhuǎn)變曲線C-curve/TTT(TimeTemperatureTransformation)5.連續(xù)冷卻曲線CCT(ContinuousCoolingTransformation）6.影響C曲線的因素,本節(jié)提綱,鋼在再加熱時的組織轉(zhuǎn)變參考宋維錫金屬學p318,一、共析鋼的奧氏體化（再加熱奧氏體化目的？）晶格改組和Fe，C原子的擴散過程。遵循形核、長大規(guī)律:在晶界上形核，滲碳體溶解、鐵素體通過點陣重構轉(zhuǎn)變成奧氏體，如下圖所示。,共析鋼奧氏體化溫度Ac1及其轉(zhuǎn)變式：,共析鋼加熱時在Ac1溫度，奧氏體化轉(zhuǎn)變式：F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)A(fcc,0.77)實際轉(zhuǎn)變溫度：隨加熱（或冷卻）速度增加，偏離平衡轉(zhuǎn)變溫度A1（727）也愈大！,二共析鋼奧氏體化過程與機制,a.界面形核（優(yōu)先在鐵素體F與滲碳體Fe3C相界）；b.C擴散、鐵素體晶格重構，奧氏體長大；c.滲碳體完全溶解，碳成分不均勻的奧氏體；d.碳在奧氏體中的均勻化。,共析鋼奧氏體化過程與機制,三、影響奧氏體化的因素,1加熱溫度影響不同溫度下等溫時奧氏體化過程與時間的關系如圖所示；也稱奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學關系。TA化轉(zhuǎn)變進程加快(D）,2加熱速度與珠光體中滲碳體層片間距的影響,V（dT/dt)轉(zhuǎn)變開始溫度，轉(zhuǎn)變時間,3合金元素影響（合金鋼時要考慮的問題）a.Cr、Mo、W、V、Nb、Ti強碳化物形成元素（也是其封閉或縮小A相區(qū)的原因），降低奧氏體形成速度；b.Co、Ni非碳化物形成元素（開啟A相區(qū)原因），能加快C在A中的擴散速度，加快A形成速度;c.認為Al、Si、Mn影響不大。d.合金元素在A中的擴散系數(shù)遠小于C!（對合金鋼奧氏體化處理時間與溫度的影響？）,4奧氏體化前的原始組織影響片狀珠光體，片間距小相界面多碳彌散度大碳原子擴散距離短奧氏體形核長大比粒狀原始組織中要快。,四、奧氏體晶粒大小及控制,1晶粒度（grainsizeIndex）:表征晶體內(nèi)晶粒大小的量度，通常用單位長度，面積，體積內(nèi)的晶粒數(shù)或晶粒度級別表示。ASTMmethod（美國材料試驗協(xié)會的晶粒度標定法），通常用與晶粒大小標準圖比較來確定鋼的晶粒度級別。,其中1-4為粗晶粒；5級以上為細晶粒。常分8級。,晶粒度的測定方法：93010保溫38小時(100),2奧氏體起始晶粒度、實際晶粒度、本質(zhì)晶粒度起始晶粒度為（珠光體）加熱剛轉(zhuǎn)變成奧氏體時的晶粒度，一般比較細。實際晶粒度：加熱或加工條件下獲得的晶粒度。本質(zhì)晶粒度：加熱過程中，鋼奧氏體晶粒長大的傾向。奧氏體晶粒隨溫度的升高而穩(wěn)定快速長大本質(zhì)粗晶鋼；奧氏體晶粒隨溫度升高到某一溫度時，才迅速長大本質(zhì)細晶鋼。,本質(zhì)粗晶粒鋼和本質(zhì)細晶粒鋼奧氏體晶粒長大趨勢與特征,思考題：1）如何測定鋼的晶體粒度？2）如何測定鋼本質(zhì)晶粒度？,3奧氏體晶粒度的控制影響奧氏體晶粒度的因素,a.加熱工藝加熱溫度，保溫時間b.成分的影響A中C%（擴散速度增加）A晶粒長大碳化物（MxC%，釘扎晶界）A晶粒長大1)碳化物形成元素一般有細化晶粒作用；2）Al脫氧鋼或鋼中含有VTiNb等容易形成氮化物、碳化物元素，能抑制A長大這類鋼一般為本質(zhì)細晶粒鋼；3）認為Mn、P能促進A長大。,鋼再加熱奧氏體化的目的再控制其冷卻、獲得所需要的組織與性能鋼在冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變,熱處理中兩種常用的冷卻方式：1）等溫處理2）連續(xù)冷卻圖中臨界溫度在這指A化溫度。,其中馬氏體是連續(xù)冷卻過程形成，Ms,Mf不屬于等溫轉(zhuǎn)變特征點！,Time-temperaturetransformation(TTT)diagrams也稱過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變C曲線,measuretherateoftransformationataconstanttemperature.Inotherwordsasampleisaustenitisedandthencooledrapidlytoalowertemperatureandheldatthattemperaturewhilsttherateoftransformationismeasured,forexamplebydilatometry.ObviouslyalargenumberofexperimentsisrequiredtobuildupacompleteTTTdiagram.,一、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變與產(chǎn)物（理解C曲線）,1共析鋼過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線:如前所述，將奧氏體化后的鋼冷卻到一定溫度，保溫，測量A過冷轉(zhuǎn)變開始和終了時間；將不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變開始點與終了點分別連成線即得C曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)：對共析鋼A1以上：A穩(wěn)定A1以下：A不穩(wěn)定，過冷C曲線有一最小孕育期(約過冷到550等溫轉(zhuǎn)變時）：1)T，AP的驅(qū)動力F提高2)TD,認識共析鋼C曲線,2共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和特征（1）高溫轉(zhuǎn)變區(qū)：A1溫度至鼻子溫度（550）A過冷度不同，等溫轉(zhuǎn)變將會分別產(chǎn)生不同層間距的珠光體結(jié)構，為了便于區(qū)分：珠光體P(Pearlite,A1-650)，索氏體S(Sorbite,650-600)，屈氏體T(Troosite，600-550)。一般來說，轉(zhuǎn)變溫度低，D，長大慢層間距薄，硬度HB，強度。,珠光體型組織（珠光體、索氏體、屈氏體）有何相同和不同點？,1.珠光體鐵素體與滲碳體的片間距為0.60.7m，通常用符號P表示。2.索氏體索氏體也是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，但是片間距比珠光體小，約為0.25m。用金相顯微鏡放大600倍能分辨出鐵素體和滲碳體的片層結(jié)構。這種組織在鐵碳合金狀態(tài)圖上找不到它，因為它是一種不穩(wěn)定組織。碳鋼和低合金鋼采用正火或奧氏體等溫分解，就能獲得索氏體組織。索氏體具有良好的綜合機械性能。通常用符號S代表索氏體。b6861372（MPa）1020HBS2503203.屈氏體屈氏體也是一種珠光體型組織，鐵素體和滲碳體的片層間距為0.1m，可用金相顯微鏡放大1000倍以上就能分辨清鐵索體和滲碳體的片層，它比索氏體更細。其性能如下b13721666（MPa）510HBS400500屈氏體亦稱托氏體，通常用符號T表示。由此可見，索氏體、屈氏體都為珠光體型組織，區(qū)別點在于鐵索體與滲碳體的片層間距大小不一，片間距愈小，相界面愈多，強度、硬度愈高，但塑性下降。,珠光體/Pearlite,索氏體(S)細珠光體英國冶金學家HCSorby,屈氏體(T)極細珠光體法國金相學家LTroost,（2）中溫區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變550-230（MS）Bainite是碳化物分布在含過飽和碳的F基體上的兩相機械混合物。是介于擴散性P轉(zhuǎn)變和非擴散性M轉(zhuǎn)變之間的中間轉(zhuǎn)變，可細分：,1）550-350：上貝氏體，呈羽毛狀。碳化物在F間，強度不高、韌性差；2）350-MS：下貝氏體，黑色針狀。針狀鐵素體內(nèi)有片狀碳化物，強韌性高，綜合機械性能好。,貝氏體是介于擴散性珠光體與非擴散性馬氏體之間的一種中間轉(zhuǎn)變（半擴散型組織）。其轉(zhuǎn)變沒有鐵原子的擴散，但通過切變進行從奧氏體向鐵素體的點陣重構，并通過碳原子的擴散進行碳化物的沉淀析出。,（3）低溫區(qū)轉(zhuǎn)變230以下的馬氏體轉(zhuǎn)變,MSMf之間一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成的，屬于非擴散型轉(zhuǎn)變。A過冷M+A(殘余奧氏體)b.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體M，碳在-Fe中的過飽和固溶體。C%1.0%，針狀高碳馬氏體：片狀、硬而脆（高碳馬氏體）c.實質(zhì)：T低C無法擴散非擴散性晶格切變過飽和C的鐵素體。d.M轉(zhuǎn)變的特征，無擴散性瞬時性存在Ms,Mf不完全性，經(jīng)常有殘余奧氏體.發(fā)生體積膨脹。,板條狀低碳M，高的強韌性,針狀高碳馬氏體：片狀、硬而脆,碳含量與馬氏體轉(zhuǎn)變、殘余奧氏體（A殘或A/）形成,含碳量對馬氏體硬度的影響,3共析鋼等溫轉(zhuǎn)變組織與性能的關系總結(jié),（1）珠光體型組織轉(zhuǎn)變溫度降低，片間距小，細晶強化強度、硬度、塑性、韌性提高；（分別獲得珠光體、索氏體、屈氏體）（2）貝氏體B上：強度、韌性差B下：硬度高，韌性好，具有優(yōu)良的綜合機械性能（3）馬氏體硬度高，C%HRC片狀（針狀）馬氏體，硬而脆，塑、韌性差；高碳馬氏體。板條狀馬氏體，強度高，塑性，韌性好；低碳馬氏體。問題：各種組織的形成機制、類型與特性分析？,4亞（過）共析鋼的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（簡單說明）,Inthesimplecaseofaeutectoidplaincarbonsteel,thecurveisroughlyC-shapedwiththepearlitereactionoccurringdowntothenoseofthecurveandalittlebeyond.Atlowertemperaturesbainiteandmartensiteareformed.Thediagramsbecomemorecomplexforhypo-andhyper-eutectoidalloys(亞/過共析鋼)astheferriteorcementitereactionshavealsotoberepresentedbyadditionallines.此外,亞（過）共析鋼完全奧氏體化的溫度要分別高于Ac3和Accm.,過共析鋼C曲線特征（示意圖）二次滲碳體線（高溫區(qū)等溫轉(zhuǎn)變有先析出滲碳體）,亞共析鋼C曲線特征（示意圖）（高溫區(qū)等溫轉(zhuǎn)變有先析出鐵素體）,HypoeutectoidIsothermalTransformationCurve實際亞共析鋼C曲線其過冷A極不穩(wěn)定,二影響共析鋼等溫冷卻轉(zhuǎn)變/C曲線的因素,C曲線反映奧氏體的穩(wěn)定性及分解轉(zhuǎn)變特性，取決于奧氏體的化學成分和加熱時的狀態(tài)。C曲線的形狀（反映產(chǎn)物）、位置（反映穩(wěn)定性）不僅對過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變速度和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能具有重要意義，而且對鋼的熱處理工藝也有指導性作用。,（一）成分對C曲線的影響1含碳量的影響,共析鋼，C曲線最靠右邊，過冷A穩(wěn)定性最高。亞/過共析鋼，其過冷A都不穩(wěn)定，其中：1）對亞共析鋼，鋼中C%，A中C%，其C曲線右移，過冷A趨于穩(wěn)定;2）對過共析鋼，一般在ACcm以上A化，鋼中C%，未溶Fe3C有利于形核其C曲線左移，過冷A更不穩(wěn)定.,2合金元素,除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大過冷A穩(wěn)定性右移非碳化物形成元素或弱碳化物形成元素，Si,Ni,Cu,不改變C曲線形狀中、強碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V,Nb,Ti,改變C曲線形狀，右移動、兩鼻尖；除Co,Al外，均使Ms,Mf下降，殘余A,（二）奧氏體化條件的影響,1加熱溫度和時間A化溫度，時間（成分均勻，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）A穩(wěn)定性，C曲線右移。,三.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線CCT曲線,Continuouscoolingtransformation(CCT)diagrams過冷奧氏體連續(xù)冷卻CCT曲線的獲得,measuretheextentoftransformationasafunctionoftimeforacontinuouslydecreasingtemperature.Inotherwordsasampleisaustenitisedandthencooledatapredeterminedrateandthedegreeoftransformationismeasured,forexamplebydilatometry(如用Gleeble熱模擬機）.ObviouslyalargenumberofexperimentsisrequiredtobuildupacompleteCCTdiagram.,共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變圖：CCT曲線(ContinuousCoolingTransformation）,PS：AP開始線Pf：AP終止線K-k：珠光體型轉(zhuǎn)變終止線，余下的作M轉(zhuǎn)變。Vk：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界冷卻速度）M最小冷速Vk：下臨界冷速完全P最大冷速,CCT曲線與不同冷卻工藝示意,2共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線的比較（1）CCT位于TTT曲線右下方；AP轉(zhuǎn)變溫度低一些，t長一些。（2）CCT只有高溫區(qū)珠光體轉(zhuǎn)變、低溫區(qū)M轉(zhuǎn)變，無中溫區(qū)B轉(zhuǎn)變（但一些合金鋼多還是有的，如p328頁45Cr）。,SignificantinfluenceofcompositionontheTTTandCCTdiagrams.合金元素對TTT和CCT曲線影響,AnincreaseincarboncontentshiftstheCCTandTTTcurvestotheright(thiscorrespondstoanincreaseinhardenabilityasitincreasestheeaseofformingmartensite-i.e.thecoolingraterequiredtoattainmartensiteislesssevere).Anincreaseincarboncontentdecreasesthemartensitestarttemperature.AnincreaseinMocontentshiftstheCCTandTTTcurvestotherightandalsoseparatestheferrite+pearliteregionfromthebainiteregionmakingtheattainmentofabainiticstructuremorecontrollable.,3C曲線的應用初步介紹金屬熱處理,（1）根據(jù)工件要求，確定熱處理工藝。（2）確定工件淬火時的臨界冷速。（3）C曲線可以近似指導連續(xù)冷卻操作，如圖：V1:爐冷（退火）PV2:空冷，S，TV3：油冷，T，M，AV4：水冷，M+AVk：臨界冷卻速度（4）選擇鋼材的依據(jù)（5）C曲線對選擇淬火介質(zhì)與淬火方法有指導。,熱處理不同冷卻方式所獲得組織的示意分析(AnExampleProblemAssumeaEutectoidLowCarbonSteel),(a)Water-quenchtoroomTemperature.(b)Hot-quenchat690Cwater-quench,作業(yè)1,理解鋼加熱奧氏體化及奧氏體的形成過程。測定過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線的方法。為什么片狀珠光體在較低溫度下形成具有較細的片層結(jié)構？何謂過冷奧氏體的孕育期?過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的繪制方法。,作業(yè)2,馬氏體（片狀馬氏體、板條馬氏體）轉(zhuǎn)變的定義和特點貝氏體形態(tài)與差異：上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體?；鼗鸬亩x、目的和回火時的組織變化。退火的定義、目的、分類。正火定義、目的。且與退火相比有何不同？淬火的定義、目的。淬透性與淬硬性?；鼗鸬亩x、目的、種類。形變熱處理?；瘜W熱處理的定義、分類。,作業(yè)3,1.合金元素對奧氏體、貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變的影響2.金屬材料強化的種類（機理與方法）3.為什么片狀珠光體在較低溫度下形成具有較細的片層結(jié)構？4.具有什么性質(zhì)的元素有利于擴大鐵的相區(qū)？5.從化學成分、結(jié)構、性能來談珠光體中鐵素體、貝氏體、馬氏體的異同。6.合金元素對珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變的影響。7.何謂金屬的多形性轉(zhuǎn)變？單相合金？復相合金？一（二）次固溶體？8.何謂固溶體的脫溶？何為脫溶強化9.何謂馬氏體？舉例說明哪些金屬中有馬氏體轉(zhuǎn)變。11.比較熱處理“四火”（目的和工藝特點）。,作業(yè)4,碳鋼或合金鋼能夠進行熱處理的依據(jù)；末端淬火法及其用途；淬透性曲線與淬透性帶；影響淬透性的因素；影響淬硬性的主要因素；鋼材分類與典型鋼號的含義；鐵-碳相圖中特征轉(zhuǎn)變溫度點或溫度線及其含義；加熱與冷卻對其的影響。晶粒度級別與晶粒粗細；奧氏體晶粒度的不同概念；碳化物與固溶體脫溶是如何使鋼強化的；調(diào)質(zhì)鋼,作業(yè)5,金屬材料的主要力學特性有那些，試通過典型的單向拉伸應力應變曲線說明之；金屬材料的常見應力應變曲線有那些表現(xiàn)形式，試畫圖說明；如何實驗確定金屬材料的強度特性和塑性特性；何謂韌性，何為疲勞，何為蠕變；5.比強度與屈強比;6.何為硬度，硬度有那些表示方法？7.對于齒輪類零件，其主要失效形式為