鋼在加熱及冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

1、一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變1.鋼在加熱和冷卻時的相變溫度鋼在固態(tài)下進行加熱、保溫和冷卻時將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變臨界點根據(jù)Fe-Fe3c相圖確定.平衡狀態(tài)下：當鋼在緩慢加熱或冷卻時,其固態(tài)下的臨界點分別用Fe-Fe3c相圖中的平衡線AiPSK線、AGS線、A?ES線表示.實際加熱和冷卻時：發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的臨界點都要偏離平衡臨界點,并且加熱和冷卻速度越快,其偏離的程度越大.實際加熱時臨界點分別用Aci、Ac、Am表示實際冷卻時臨界點分別用Ari、Ac、Arcm表示鋼熱處理加熱的目的是獲得局部或全部奧氏體,組織向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程稱奧氏體化.加熱至Aci以上時：首先由珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體P-A;加熱至AC3以

2、上時：亞共析鋼中的鐵素體將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W體FA;加熱至Accm以上時：過共析鋼中的二次滲碳體將轉(zhuǎn)變成奧氏體FeC-Acem奧氏體？珠光體C(%)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變主要包括奧氏體的形成和晶粒長大兩個過程未溶FcK未落EcjC剩余滲碳體溶解均勻化'奧氏體滲碳體2.奧氏體的形成鐵素體I珠光體誅光體I+滲碳體共析鋼奧氏體化：熱處理加熱至Ac1以上時,將全部奧氏體化亞共析鋼奧氏體化：原始組織為F+P,加熱至Ac1以上時,P先奧氏體化,組織局部奧氏體化；加熱至Ac3以上時,F奧氏體化,組織全部奧氏體化過共析鋼奧氏體化：原始組織為P+Fe3C,加熱至Ac1以上時,P先奧氏體化,組織局部奧氏體化；加熱至A

3、cm以上時,Fe3c奧氏體化,組織全部奧氏體化2、奧氏體的晶粒大小奧氏體晶粒對性能影響：奧氏體的晶粒越細小、均勻,冷卻后的室溫組織越細密,其強度、塑性和韌性比擬高.奧氏體的晶粒度:晶粒度是指多晶體內(nèi)晶粒的大小,可以用晶粒號、晶粒平均直徑、單位面積或單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目來表示.GB/T8493-1987將奧氏體晶粒分為8個等級,其中14級為粗晶粒；58級為細晶粒.本質(zhì)粗晶粒鋼:熱處理時隨加熱溫度的升高,奧氏體晶粒迅速長大的鋼.本質(zhì)細晶粒鋼:熱處理時隨加熱溫度的升高,奧氏體晶粒不易長大的鋼.一般完全脫氧的鎮(zhèn)靜鋼、含碳化物元素和氮化物元素的合金鋼為本質(zhì)細晶粒鋼.3、影響奧氏體晶粒大小的主要因素熱處理

4、工藝參數(shù)：加熱速度、加熱溫度、保溫時間,其中加熱溫度對奧氏體晶粒大小的影響最為顯著.鋼的化學成分：大多數(shù)合金元素鈕和磷除外均能不同程度地阻止奧氏體晶粒的長大,特別是與碳結(jié)合水平較強的碳化物形成元素如銘、鑰、鴇、鈾等及氮化物元素如花、鈾、鈦等,會形成難熔的碳化物和氮化物顆粒,彌散分布于奧氏體晶界上,阻礙奧氏體晶粒的長大.因此,大多數(shù)合金鋼、本質(zhì)細晶粒鋼加熱時奧氏體的晶粒一般較細.原始組織：鋼的原始晶粒越細,熱處理加熱后的奧氏體的晶粒越細.二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變冷卻方式是決定熱處理組織和性能的主要因素.熱處理冷卻方式分為等溫冷卻和連續(xù)冷卻.奧氏體冷卻降至Ai以下時A以下溫度存在的不穩(wěn)定奧氏體稱過

5、冷奧氏體將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變.熱處理中采用不同的冷卻方式,過冷奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌M織,性能具有很大的差異,如下表為45鋼奧氏體化后經(jīng)不同方式的冷卻,其性能的差異.45鋼經(jīng)840c加熱在不同條件冷卻后的力學性能冷卻方法抗拉強度/MPa屈服點/MPa斷后伸長率/%斷面收縮率/%硬度/HRC隨爐冷卻53028032.549.31518空氣中冷卻670720340151845501824油中冷卻9006201820484050水中冷卻110072078121452601.奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變奧氏體在A1線以上是穩(wěn)定相,當冷卻到A1線以下而又尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過冷奧氏體.這是一種不穩(wěn)定的過冷組織,只要經(jīng)過一段時

6、間的等溫保持,它就可以等溫轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新相.這種轉(zhuǎn)變就稱為奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變.等溫冷卻轉(zhuǎn)變:鋼經(jīng)奧氏體化后,迅速冷至臨界點Ari或Ar3線以下,等溫保持時過冷奧氏體發(fā)生的轉(zhuǎn)變.等溫轉(zhuǎn)變曲線:可綜合反映過冷奧氏體在不同過冷度下等溫溫度、保持時間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物所占的百分數(shù)轉(zhuǎn)變開始及轉(zhuǎn)變終止的關系曲線,稱“TTT圖,Ttime,T1emperature,T1ransformation,又稱為“C曲線.800-AA穩(wěn)定區(qū)700600500P400300珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)Wooooo21殘M+A馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)iioioio3io3io5t/s共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能：用等溫轉(zhuǎn)變圖可分析

7、鋼在Ai線以下不同溫度進行等溫轉(zhuǎn)變所獲的產(chǎn)物.根據(jù)等溫溫度不同,其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有珠光體型和貝氏體型兩種.高溫轉(zhuǎn)變:轉(zhuǎn)變溫度范圍為Ai550c,獲片狀珠光體型F+P組織.依轉(zhuǎn)變溫度由高到低,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分別為珠光體、索氏體、托氏體,片層間距由粗到細.其力學性能與片層間距大小有關,片層間距越小,那么塑性變形抗力越大,強度和硬度越高,塑性也有所改善.中溫轉(zhuǎn)變:轉(zhuǎn)變溫度范圍為550CM,此溫度下轉(zhuǎn)變獲貝氏體型組織,貝氏體型組織是由過飽和的鐵素體和碳化物組成的,分上貝氏體和下貝氏體.550350c范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體,金相組織呈羽毛狀；350M范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為下貝氏體,金相組織呈黑色針狀或片狀,

8、下貝氏體組織通常具有優(yōu)良的綜合力學性能,即強度和韌性都較高.等溫轉(zhuǎn)變溫度一一組織一一性能變化規(guī)律：等溫轉(zhuǎn)變溫度越低,其轉(zhuǎn)變組織越細小,強度、硬度也越高,見下表.轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫符號顯微組織特征硬度HRC類型度/C轉(zhuǎn)義產(chǎn)物Aci650珠光體P粗片狀鐵素體與滲碳體混合物<25同溫轉(zhuǎn)變650600索氏體S600倍光學金相顯微鏡下才能分辨的細片狀珠光體2535600550托氏體T在光學金相顯微鏡下已無法分辨的極細片狀珠光體3540中溫550350上貝氏體B上羽毛狀組織4045轉(zhuǎn)變350Ms下貝氏體B下黑色針狀或稱竹葉狀組織4555低溫轉(zhuǎn)變:碳在a-Fe中的過飽和固溶體稱為馬氏體,用符號“M表示.在M線

9、以下過冷奧氏體發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱馬氏體轉(zhuǎn)變,馬氏體轉(zhuǎn)變通常在連續(xù)冷卻時進行,是一種低溫轉(zhuǎn)變.馬氏體組織形貌：低碳馬氏體組織通常呈板條狀M高碳馬氏體組織通常呈針葉狀M馬氏體性能：馬氏體的強度和硬度主要取決于馬氏體的含碳量.隨著馬氏體含碳量的提升,其強度與硬度也隨之提升.低碳馬氏體具有良好的強度及一定的韌性；高碳馬氏體硬度高、脆性大.馬氏體轉(zhuǎn)變特點：(1)馬氏體轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)(MM)連續(xù)冷卻完成的,馬氏體點M和M主要與奧氏體的含碳量有關.(2)馬氏體轉(zhuǎn)變具有不完全性.如果把奧氏體過冷到室溫不能得到全部馬氏體,而保存一定量的奧氏體,這種在冷卻過程中發(fā)生相變后仍在環(huán)境溫度下存在的奧氏體稱剩余奧氏體.

10、剩余奧氏體不僅降低鋼件的硬度和耐磨性,而且影響鋼件的尺寸穩(wěn)定性,要使剩余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變,就要將淬火鋼繼續(xù)冷卻至室溫以下(如冰柜冷可卻至0c以下；干冰+灑精可冷卻至-78C；液氮可冷卻至-183C),這種處理方法叫做冷處理.對于如精密刀具、精密量具、精密軸承、精密絲桿等一些尺寸要求高的工件均應在淬火后進行冷處理.(3)馬氏體轉(zhuǎn)變的速度極快,屬非擴散型相變,一般不需要孕育期.(4)馬氏體轉(zhuǎn)變會引起鋼的體積膨脹.由于馬氏體的比容比奧氏體大,通常又是在較大的冷卻速度下發(fā)生轉(zhuǎn)變,鋼件內(nèi)外溫差大,所以會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力,這是導致淬火鋼出現(xiàn)變形和開裂的主要原因,應引起足夠的重視.2.奧氏體的連續(xù)冷卻

11、轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變:過冷奧氏體在一個溫度范圍內(nèi),隨溫度下降發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,同樣可用“連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線“CC仙線,Ccontinuous;Ccooling；Ttransformation分析組織轉(zhuǎn)變過程和產(chǎn)物.共析鋼的“CCTft線測量過程示意圖如下列圖.圖中M爐冷、V2空冷、V3油冷、V4水冷代表熱處理中四種常用的連續(xù)冷卻方式.爐冷Vi：比擬緩慢,相當于隨爐冷卻退火的冷卻方式,它分別與C曲線的轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了線相交于1、2點,這兩點位于C曲線上部珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域,估計它的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體,硬度170220HBs空冷V2：相當于在空氣中冷卻正火的冷卻方式,它分別與C曲線的轉(zhuǎn)變開始線和轉(zhuǎn)變終了線相交于3、4點,位于C曲線珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域中下局部,故可判斷其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為索氏體,硬度2535HRC油冷M:相當于在油中的冷卻在油中淬火的冷卻方式,與C曲線的轉(zhuǎn)變開始線交于5、6點,沒有與轉(zhuǎn)變終了線相交,所以僅有一局部過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w,其余局部在冷卻至M線以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織.因此,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物應是托氏體和馬氏體的混合組織,硬度4555HRC水冷W相當于在水中冷卻在水中淬火的冷卻方式,它不與C曲線相交,過冷奧氏體將直接冷卻至M以下進行馬氏體轉(zhuǎn)變.最后得到馬氏體和剩余奧氏體組織,硬度5565HRC馬氏體臨界冷卻速:圖中冷卻速度Vk