1、铁碳相图,钢在冷却时的转变,在钢的热处理中，冷却是一道非常关键的工序。因为在加热、保温时得到的奥氏体，当以不同的冷却条件冷却下来时，会得到性能差异很大的各种组织。 只要选择恰当的冷却方式，便可以获得预期的组织和性能。因此，了解钢在冷却时组织转变规律很重要。,根据奥氏体冷却方式的不同将冷却过程分为等温转变（曲线中1）和连续冷却转变（曲线中2）。,铁碳相图,过冷奥氏体的等温转变曲线,共析钢加热到均匀奥氏体状态后，如果冷却到A1线以下在热力学上是不稳定的，在一定条件下要发生分解。 在A1以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体的等温转变，就是将奥氏体迅速冷却到低于A1的某一
2、温度，并保温足够时间。使奥氏体在该温度下完成其组织转变的过程。,铁碳相图,过冷奥氏体等温转变曲线是表示过冷奥氏体等温转变的温度、时间和转变量三者之间的关系曲线图。因曲线的形状与字母“C”相似，故称C曲线，也称S 曲线或TTT图。,铁碳相图,C曲线的建立,由于过冷奥氏体转变过程中，在组织转变的同时，伴随产生热效应、硬度、比容和磁性等一系列变化，所以测定C曲线有金相法、硬度法、磁性法、膨胀法等方法。,铁碳相图,（1）首先取一批试样将其进行奥氏体化； （2）将其放置在低于A1的不同温度的盐浴中，隔一定时间拿出将其淬入水中； （3）测出试样在各个等温温度（tx）奥氏体开始（ax）和转变结束(bx)的时
3、间；,铁碳相图,将各等温温度的奥氏体开始转变相转变终了的时间点，描绘在以温度为纵坐标、时间为横坐标(以对数表示)的坐标图上，并分别连线，即得到所要测定的C曲线。,铁碳相图,C曲线分析,（1）MS线和MF线是奥氏体向马氏体开始转变和转变终了温度。 A1的 MS之间转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右和MF点以下为转变产物区。开始转变和转变终了线之间为转变过渡区（过冷A与转变产物共存区）。,铁碳相图,（2）转变开始线与纵座标轴之间的距离称为孕育期。孕育期愈长，过冷奥氏体愈稳定，转变期也愈长。孕育期最短处，过冷舆氏体最不稳定，转变最快，这里称为C曲线的“鼻尖”。对于碳钢来说，“鼻尖”处
4、的温度一般为550C左右。 （3）过冷奥氏体在不同温度下的产物不同。,铁碳相图,影响C曲线的因素,（1）碳含量的影响： 一般情况下，亚共析钢C曲线随碳增加右移，过共析钢的C曲线随碳含量增加左移。共析钢中过冷A最稳定。,铁碳相图,与共析钢的C曲线相比，亚共析钢和过共析钢的C曲线上部，还各多一条先共析相的析出线。因为在过冷奥氏体转变为珠光体之前，在亚共析钢中要先析出铁素体，在过共析钢中要先析出渗碳体。,铁碳相图,（2）合金元素的影响： 除Co外，所有溶于奥氏体的合金元素都增加奥氏体的稳定性，即使C曲线右移。 但是当合金元素未溶于奥氏体中，以碳化物的形式存在时，它们将降低奥氏体的稳定性，即使C曲线左
5、移。,铁碳相图,（3）加热温度和保温时间的影响： 加热至Ac1，以上温度时，随着奥氏体化温度的提高和保温时间的延长奥氏体的成分更加趋于均匀；未溶碳化物减小；晶粒长大，晶界面积减小。结果降低了过冷奥氏体在冷却转变时分解的形核率，使奥氏体稳定性增加，C曲线右移。,铁碳相图,过冷奥氏体等温转变过程及转变产物,随过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种基本类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。以共析钢为例进行说明。,铁碳相图,珠光体转变,（1）珠光体转变过程 过冷奥氏体在A1“鼻尖”（约550C）温度范围内等温将转变为珠光体组织。因转变温度较高、铁、碳原子的扩散都能够比较充分地进行，使奥氏体能分
6、解为成分、结构都与之相差很大的渗碳体和铁素体。可见奥氏体向珠光体的转变属于扩散型相变。,铁碳相图,A转变为P的过程也是形核和长大的过程。当A过冷到A1以下时，首先在A晶界处形成Fe3C晶核。通过扩散， Fe3C依靠其周围的A不断供应碳原子而长大，因而引起Fe3C周围的A含碳量不断降低，从而为F形核创造了条件，使这部份A转变为F。由于F的溶碳能力低(0.022)，长大时必然要向侧面的A中排挤出多余的碳，使相邻的A碳含量增高，这又为产生新的Fe3C创造了条件。如此交替进行下去A就转变成F和Fe3C片层相问的P组织。,铁碳相图,根据珠光体型组织片层间距大小分为珠光体a、索氏体b（650600C）和托
7、氏体c （600550C） ，皆为F和Fe3C片层相间的机械混合物，无本质区别，只是片层厚度不同而已。转变温度越低，珠光体型组织的片层越薄，相界面越多，强度和硬度越高，塑性及韧性也略有改善。,（2）珠光体组织形态与性能,铁碳相图,贝氏体转变,（1）贝氏体的（中温）转变过程 贝氏体是过冷奥氏体在C曲线“鼻尖”(约550C)至M S之间温度范围的等温转变产物通常用符号B表示。过冷奥氏体在这一温度区间转变时，由于过冷度较大原子扩散能力下降，这时铁原子已不能扩散，碳原子的扩散也不充分，因此，贝氏体转变是半扩散型相变。,铁碳相图,当温度较高(550350C)时，条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向晶内以同
8、样方向平行生长。随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原子向条间的奥氏体中富集，当碳浓度足够高时，便在铁素体条间断续地析出渗碳体短棒，奥氏体消失，形成典型的羽毛状上贝氏体。,铁碳相图,温度降低(350CMS)时，碳原子扩散能力更低，铁素体在奥氏体的晶界或晶内某些晶面上长成针状，碳原子在铁素体内一定的晶面上以断续碳化物小片的形式析出，从而形成了下贝体。,铁碳相图,（2）贝氏体的组织形态及性能 上贝氏体中短杆状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内生长的铁素体条间，在光镜下呈羽毛状（左图）。下贝氏体中碳化物以小片状分布于铁素体针内。在光学显微镜下下贝氏体呈黑针状（右图）。,铁碳相图,贝氏体组织的性能,铁碳相图
9、,马氏体（低温）转变,当奥氏体快速冷却到MS点以下时（共析钢 230 C），将发生马氏体转变。（1）马氏体晶体结构特点： 转变在低温下进行的，铁、碳原子均不能扩散，转变时只发生-晶格改组，而无成分的变化，即固溶在奥氏体中的碳，全部保留在晶格中，使-Fe超过其平衡含碳量。因此，马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，用符号“M”表示。,铁碳相图,（2）马氏体组织形态特点（板条和针状）： 板条马氏体的立体形态呈细长的扁棒状，显微组织表现为一束束的细条状组织，每束内的条与条之间尺寸大致相同并平行排列，一个奥氏体晶粒内可以形成几个取向不同的马氏体束。马氏体板条的亚结构主要是高密度的位错，因而又称位错马氏体
10、。,铁碳相图,针状马氏体的立体形态呈双凸透镜的片状，在光学显微镜下呈针状形态。在透射电子显微镜下观察表明，其亚结构主要是孪晶，故又称孪晶马氏体。,铁碳相图,马氏体的形态主要取决于奥氏体的碳含量，当碳小于0.2时，组织中几乎完全是板条状马氏体，当碳大于1.0时，则几乎全部是针状马氏体，碳含量介于0.21.0之间时，为板条状和针状马氏体的混合组织。,铁碳相图,（3）马氏体的力学性能特点： 高硬度是马氏体性能的主要特点，其强化机制为： （1）过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化；（2）马氏体转变时造成的大量晶体缺陷(如位错、孪晶等)和组织细化；（3）过饱和碳以弥散碳化物析出强化。 马氏体板条的亚结构主
11、要是高密度的位错，因而又称位错马氏体。,铁碳相图,马氏体的硬度主要受碳含量的影响。随碳含量增加，马氏体的硬度随之增高。当碳的质量分数超过0.6以后，硬度的增加趋于平缓。合金元素对马氏体的硬度影响不大。,铁碳相图,马氏体的塑性和韧性主要取决于其内部亚结构的形式和碳的过饱和度。高碳马氏体的碳过饱和度大，晶格畸变严重，晶内存在大量孪晶，且形成时相互接触撞击而易于产生显微裂纹等原因，硬度虽高，但脆性大塑性、韧性均差。 低碳板条马氏体的亚结构是高密度位错，碳的质量分数低，形成温度较高，会产生“自回火”现象，碳化物析出弥散均匀，因此在具有高强度的同时还具有良好的塑性和韧性。,铁碳相图,奥氏体的连续转变曲线
12、,在实际生产中，过冷奥氏体的转变大多是在连续冷却过程中进行的，因此，连续冷却转变曲线对于选材及确定其热处理工艺具有实际意义。连续冷却转变曲线又称CCT曲线，它是通过测定不同冷却速度下过冷奥氏体的转变量而得到的。因此，它表示了冷却速度与过冷奥氏体转变产物及其转变量之间的关系。,铁碳相图,（1）CCT曲线分析,共析钢的CCT曲线中无贝氏体转变区，珠光体转变区下部多一条转变中止线K、PS、PZ分别为奥氏体转变为珠光体的开始线和终了线。当连续冷却曲线碰到K线时，过冷奥氏体中止向珠光体型组织转变，而继续冷却一直保持到MS点以下，使剩余的奥氏体转变为马氏体。,CCT与TTT曲线的比较,铁碳相图,（2）CCT（SHCCT）曲线的应用,如果要了解奥氏体在各种连续冷却速度下获得的组织与性能，就应该使用CCT曲线。 利用CCT曲线，可以获得真实的临界淬火冷却速度，制定正确的冷却规范和估计冷却后的组织性能。,铁碳相图,图中冷却速度曲线与CCT曲线各转变终了线相交的数字表示已转变组织组成物所占体积百分数，冷却速度曲线下端的数字为室温组织的平均硬度值。如右上角的冷却速度表示有45的奥氏体转变成了铁素体，有55转变成了珠光体，室温组织平均硬度为HV179。,举例：45钢CCT曲线的应用,铁碳相图,
