钢的冷却转变剖析.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第二部分 钢在冷却时的转变,过冷奥氏体等温转变曲线,过冷奥氏体连续冷却转变曲线,1,、什么是过冷奥氏体？,如果将奥氏体状态的钢冷却到,A,1,温度以下，由于在此温度下奥氏体的自由能比铁素体与渗碳体两相混合物的自由能高，在热力学上处于不稳定状态。因此奥氏体将发生分解，向珠光体或其它组织转变，,在临界温度,A,1,以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。,一、引言,2,、奥氏体的冷却条件分两大类：,1,）平衡冷却条件,特征：,不考虑时间因素的极其缓慢的冷却。,Fe,Fe,3,C,相图就是这样获得的。,2,）非平衡冷却条件,特征：,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,A,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接。,3,、热处理生产中，奥氏体的冷却方式,等温冷却,连续冷却,奥氏体不同的冷却方式示意图,加热,保温,冷却,0,时间,/min,温度,/,等温冷却,连续冷却,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？,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。,由于,Fe-Fe,3,C,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，而热处理过程中的,过冷奥氏体等温转变曲线,和,过冷奥氏体连续冷却转变曲线,是对这个问题的补充，下面将进行分别讨论。,4,、过冷奥氏体转变曲线,为什么要研究过冷奥氏体转变图？,钢加热到,A,状态，用不同的介质，,A,在不同的过冷度下转变的产物（,P,、,B,、,M,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。,钢的过冷,A,转变动力学图是研究某一成分的钢在过冷,A,转变产物与温度、时间的关系及其变化规律。,TTT,曲线,T,emperature-,T,ime-,T,ransformation,IT,曲线,I,sothermal,T,ransformation,CCT,曲线,C,ontinuous-,C,ooling-,T,ransformation,二、过冷奥氏体等温转变曲线,1,、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立,共析碳钢,IT,图,2,、过冷,A,等温转变图的基本形式,结构,:,1,）,A,1,是临界点；,2,）转变开始线左方是过冷,A,区；,3,）转变结束线右方是转变结束区（,P,或,B,）；,4,）两线之间是转变过渡区：,AP,转变的,A,P,区；,AB,转变的,A,B,区。,5,）水平线,Ms,为马氏体转变开始温度，其下方为马氏体转变区。这是一幅比较简单的过冷,A,等温转变图。,特点：,1,）过冷,A,在不同温度,(T),的等温分解时都有一个孕育期,t,孕育期随等温温度,T,的改变而改变。,在鼻尖上部：孕育期随,T,而延长；,在鼻尖下部：孕育期随,T,而延长；,在鼻尖处：孕育期最短，此时,A,最不稳定，是转变速度的,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，而铁、,C,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：,鼻尖以上：自由能,G,起主要作用，相变受,G,大小的制约,鼻尖以下：矛盾的主要方面是,Fe,、,C,原子扩散，即相变受,Fe,、,C,原子扩散速度的制约。,2,）过冷,A,在不同温度范围内的转变产物各不相同,P,相变区、,B,相变区和,M,相变区,。以,T8,钢为例，同温度的转变产物如图所示：,P,转变区域（高温转变）,从,A1,550,范围内，,A,等温分解为片状,F,片状,Fe3C,的机械混合物，成为片状组织。但随着,T,，片状越细，按片层的粗细分别珠光体型组织划分为三类：,珠光体（,P,）、索氏体（,S,）、屈氏体（,T,）,对,T8,而言，对应温度的相变组织和性能：,A1,650,：,AP,硬度,HRC32,11,650,600,：,AS,硬度,HRC32,38,（属,Fe,、,C,原子的扩散型转变）,600,550,：,AT,硬度,HRC32,40,贝氏体转变区域（中温转变）,温度范围：,C,曲线鼻尖温度,Ms,。,B,是过饱和,C,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,P,不同。,对,T8,而言：,B,上形成温度,T,：,550,350,硬度,HRC60,45,B,下形成温度,T,：,350,240,硬度,HRC45,55,马氏体转变区域（低温转变）,温度范围：,Ms,Mf,对,T8,而言：,M,转变区域约在,240,50,。,随着,T,M%,量，但即使再低，也不是所有,A,全部转变,M,，总有一部分保留在钢中，称残余奥氏体,A,。,3,、影响过冷,A,等温转变图形状的因素,临界点位置不同；,P,、,B,转变的,C,曲线位置不同；,Ms,不同。这些的主要影响因素有合金元素的影响、,A,晶粒尺寸的影响。,(,一,),合金元素的影响,1.,碳的影响,亚共析碳钢：,C%,，,C,曲线向右移；,过共析,C,钢：,C%,，,C,曲线向左移；,共析钢：使过冷,A,最稳定，即其,C,曲线处于最右的位置。,2.,除,Co,以外，所有,溶入,A,后,的合金元素都增大,A,稳定性，使,C,曲线右移。,如果未溶入奥氏体,，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转变，使,C,线左移。,根据合金元素对,IT,图的影响，可将合金元素分为两大类：,（,1,）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和贝氏体转变的速度，即使,C,曲线右移，但对,C,曲线的形状影响不大，仍呈现与碳钢相似的单一“鼻子”。,（,2,）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,曲线移向高温和贝氏体转变,C,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,C,曲线彼此分离，使,IT,图出现双,C,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现了一个过冷奥氏体的高度稳定区。,钴：,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,C,曲线的形状。,镍：,不改变,C,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。锰：,锰为弱碳化物形成元素，其作用与镍相似，使,C,曲线右移但不改变其形状，锰使,C,曲线右移的作用大于镍。,铬：,铬能显著提高过冷奥氏体的稳定性，并且使,C,曲线形状改变。使转变孕育期延长，使珠光体转变,C,曲线向高温方向移动，而贝氏体转变,C,曲线向低温方向移动；当铬含量较高时,(,如超过,3,),，可使两曲线完全分离；铬对贝氏体转变的推迟作用大于对珠光体转变的推迟作用。,(,二,)A,晶粒尺寸的影响（加热温度作保温时间的影响）,晶粒越细：,C,曲线左移（,A,分解的晶核数增多，,P,易于形核）,晶粒越粗：,C,曲线右移；,成分越均匀：,A,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,C,曲线右移。,过冷奥氏体等温转变图类型,根据,C,曲线的形状以及,P,、,B,、,M,转变区相互位置的不同，在,Ms,点温度以上时的,C,曲线大致可归纳为以下几种类型,a,）是一种最简单的,IT,图。它是,P,转变与,B,转变曲线重迭的图。,b,）转变开始曲线与,a),相同，但转变终了曲线向右侧凹陷，出,现两个鼻子。,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,线是两条,C,曲线。,d,）,是两线组独立的,C,曲线，分别是高温转变（,AP,）和中温转,变（,AB,）,4,、,IT,图的应用,1.,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到的组织；,制定等温淬火和分散淬火的工艺；,估计钢接受淬火的能力。,2,实际热处理中采用连续冷却，其转变规律与等温冷却有相当大的差异。,因此，,IT,图只能对连续冷却的热处理工艺提供,定性数据,，它的直接应用受到很大的限制。,三、过冷奥氏体连续冷却转变曲线,IT,图的主要反映了过冷,A,等温转变的规律，主要用于研究相变机理、,组织形态等。在一般热处理生产中，多为连续冷却，所以难以直接应用，,CCT,图（连续转变图，,Continuous-Cooling-Transformation,）能比较接近实际热处理冷却条件，应用更方便有效。,（一）共析碳钢的连续冷却转变图,PS,：,P,开始转变线,；,Pf,：,P,转变结束线；,K:,是,P,转变终止线；,V,K,:,上临界冷却速度，它是得到全部,M,组织的最小冷却速度。,V,K,越,小，钢件在淬火时越易得到,M,组织，淬硬性越好。,V,K,:,下临界冷却速度，它是得到全部,P,组织的最大冷却速度。,V,K,越,小，退火所需的时间就越长。,（二）用途：,如果我们知道了某钢中的,CT,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、转变产物及其性能。,1,）预测热处理后零件的组织及性能,2,）确定临界冷却速度,V,K,用于选材、选淬火介质的重要参数之一。,3,）选择淬火介质,当,CCT,鼻子处孕育期为,2S,时25,零件水淬可淬硬；,当,CCT,鼻子处孕育期为,5,10S,时，,25,零件油淬可淬硬；,当,CCT,鼻子处孕育期为,100S,时，,25,零件空气中即可淬硬；,（三）,IT,曲线与,CT,曲线的比较,1.,用途,IT,：仅能粗略地、定性地估计在连续冷却时的转变情况。,CT,：能较准确地用来作为制定、分析热处理工艺的依据。,2.,位置,：,CT,在,IT,的右下方，即,CT,的过冷度、孕育期较,IT,大,13mm,钢板：油冷。按照等温转变图，应在,690,开始转变，,640,结束，但实际上是,660,开始转变，,590,结束；,11mm,：水冷,按照等温图可得部分,P,型组织，但实际上能得全部,M.,可见应用,CT,曲线更符合实际情况。,含,0.84%,碳钢,CT,图与,IT,图,3,）转变产物,IT,转变是在一个温度进行的，其转变产物类型是一种。,CT,转变是在一个温度范围内进行的，其转变产物类型可能不止 一种，有时是几种类型组织的混合。即使是同一种类型的组织，也由于先期转变的与后期转变的因温度不同，所得的组织粗细不同，如,PST,；,B,上,B,下,。,4,）,CT,与,IT,图本质上还是一致的,，只不过用,IT,转变来估计或说明连续冷却转变的情况时，所得结果不能精确，只能是定性地说明问题。,5,）确定淬火临界冷却速度,Vc,利用,IT,图确定的淬火临界冷却速度,/s,利用,CT,图确定的淬火临界冷却速度,/s,实线,奥氏体等温分解开始线,虚线,奥氏体连续冷却分解开始线,45,钢,CCT,图（奥氏体化温度,880,）,Cr12,钢,CCT,图（奥氏体化温度,1050,）,过共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线,亚共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线,