1、热处理原理、工艺及设备 Principles, Technology and Equipments for Heat Treatment,第一部分 热处理原理（2） Principles for Heat Treatment,2 钢的冷却转变,同一种钢加热到奥氏体状态后，由于尔后的冷却速度不一样，奥氏体转变成的组织不一样，因而所得的性能也不一样。研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲线，即TTT曲线（过冷奥氏体在一定温度下随时间变化组织转变情况）及连续冷却转变曲线，即CCT曲线（过冷奥氏体依冷却速度变化组织转变情况）。TTT曲线是选择热处理冷却制度的参考，CCT曲线更能反映热处理冷却状况，作为选
2、择热处理冷却制度的依据。,2 钢的冷却转变,热处理工艺曲线示意图,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的，不发生分解。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实质上是过冷A的转变，而过冷A的转变也是一个点阵重构和C的扩散过程。,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,一、过冷奥氏体的等温转变曲线 定义：过冷A向其他组织转变的转变量与等温保温时间的关系曲线（TTT曲线Time Temperature Transformation或C曲线或IT曲线Isothermal Transformati
3、on）。 测定方法： 金相硬度法 膨胀法 磁性法 热分析法等,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,金相硬度法: 将钢试样A化后冷却 到不同温度保温不同 时间后淬火，通过显 微镜观测判断过冷A 转变起始点，通过测 定硬度测试判断转变 终了点。 注：把过冷A有13% 发生转变的点定为转 变开始点。,过冷A等温转变动力学 曲线作法示意图,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,二、共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线,727,孕育期：过冷A从过冷到转变开始这段时间，其长短反应了过冷A的稳定性大小。C曲线中，鼻尖处（550）的孕育期最短，过冷A稳定性最小。,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,为何不同温度下过冷A稳定性不同
4、？ 过冷度较小时，由于过冷A和P之间的自由能差较小（相变驱动力较小），过冷A比较稳定，故孕育期很长，转变所需总时间也很长; 温度下降，过冷度增大，新旧相之间的自由能差不断加大，过冷A的稳定性最低，孕育期最短，转变速度最快； 继续降低温度，新旧相的自由能差不再起主导作用，原子扩散能力起主导作用，温度降低使扩散过程越来越困难，过冷A的孕育期和转变时间逐渐增长。,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,过冷A的转变速度与温度（过冷度）的关系,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,三、亚共析钢过冷A的等温转变曲线,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,亚共析钢的过冷A等温转变曲线与共析钢C曲线不同的是，在其上方多了一条过
5、冷A转变为铁素体（F）的转变开始线。亚共析钢随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf线住上移。 亚共析钢的过冷A等温转变过程与共析钢类似。只是在高温转变区过冷A将先有一部分转变为F，剩余的过冷A再转变为P型组织。,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,四、过共析钢过冷A的等温转变曲线,2.1 过冷奥氏体等温转变曲线,过共析钢过冷A的C曲线的上部为过冷A中析出二次渗碳体(Fe3CII)开始线。当加热温度为Ac1以上3050时，过共析钢随着含碳量的增加，C曲线位置向左移，同时Ms、Mf线往下移。 过共析钢的过冷A在高温转变区，将先析出Fe3CII，其余的过冷A再转变为珠光体型组织。,2.2 过
6、冷奥氏体的转变及其产物,奥氏体冷却到A1温度以下，由于过冷A的自由能较其他组织的自由能高，所以将向其他组织转变。 高温转变区(A1550的珠光体转变区) 中温转变区( 550MS的贝氏体转变区) 低温转变区( MS以下的马氏体转变区),2.2 过冷奥氏体的转变及其产物,一、高温转变（P转变） 转变温度： A1550（扩散型转变） 转变产物：珠光体型组织 ，是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上；转变温度越低，层间距越小。按层间距大小，珠光体组织分为： 珠光体（P） 索氏体（S） 屈氏体（T）,2.2 过冷奥氏体的转变及其产物,珠光体 3800倍,索氏体 8000倍,屈氏
7、体 8000倍,2.2 过冷奥氏体的转变及其产物,实际上，这三种组织都是珠光体，并无本质差别，且无严格的温度界限，其差别只是珠光体组织的“片间距”大小；形成温度越低，片间距越小，组织的硬度越高，屈氏体的硬度高于索氏体和粗珠光体,2.2 过冷奥氏体的转变及其产物,二、中温转变（B转变）(半扩散型转变） 转变温度： 550MS(240) 转变产物：贝氏体渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物 。 550 350 ：上贝氏体（上B)，呈羽毛状，微观上为小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。 350 Ms：下贝氏体（下B），在光学显微镜下为黑色针状，在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向
8、分布着细小的碳化物（Fe2.4C）颗粒。,2.2 过冷奥氏体的转变及其产物,上贝氏体光学显微照片 500,上贝氏体电子显微照片 5000,下贝氏体光学显微照片 500,下贝氏体电子显微照片 12000,2.2 过冷奥氏体的转变及其产物,转变产物性能 上贝氏体：铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。 下贝氏体：铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。,2.2 过冷奥氏体的转变及其产物,三、低温转变（M转变）(非扩散型转变） 马氏体：C在-Fe中的过饱和间
9、隙固溶体，具有很大的晶格畸变，强度很高。,2.2 过冷奥氏体的转变及其产物,马氏体转变：钢从A状态快速冷却，在较低温度（ MsMf ）下发生的无扩散型相变。（广义上讲，凡是相变基本特征属于M型的转变产物都称为M，该过程称为M转变。）马氏体转变是强化金属的主要途径之一，大多数工件、零件都需要淬火和回火获得最终的使用性能。钢、许多有色金属和合金以及陶瓷材料等均有马氏体转变。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,一、过冷奥氏体的连续冷却转变 实际生产中较多情况下是连续冷却，比如说正火、退火、淬火等热处理等都是从高温到低温连续冷却，因此研究连续连续冷却更有意义。连续冷却：在一定冷却速度下，过冷奥氏体在
10、一个温度范围内发生转变，得到的产物往往是不均匀的混合组织。连续冷却时采用过冷A连续冷却转变曲线（CCT曲线Continuous Cooling Transformation）来研究。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,测定方法：膨胀法或金相硬度法利用快速膨胀仪将30mm试样真空感应加热到A状态，程序控制冷却速度，并能方便地从不同速度地膨胀曲线上确定转变开始点（转变量为1%）、转变终了点（转变量为99%）所对应的温度和时间，将测得的数据标在温度时间半对数坐标系中，连接具有相同意义的点，得到过冷A连续冷却转变曲线。为了提高测量精度，常配合使用金相法和热分析法。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线
11、,二、共析钢过冷A的连续冷却转变 1、连续冷却转变曲线,水冷,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,Ps过冷A转变为P型组织开始线 Pf过冷A转变为P型组织终了线 KK过冷A转变中止线 Vk上临界冷却速度，共析钢以大于该速度冷却时，由于遇不到P转变线，得到马氏体（M）组织。 Vk下临界冷却速度，共析钢以小于该速度冷却时，得到全部P型组织。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,CCT曲线与TTT曲线比较,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,CCT曲线与TTT曲线之间有何差异？ 共析钢过冷A连续冷却转变曲线中没有奥氏体转变为贝氏体的部分，在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。 与共析钢的TTT曲线相比，
12、共析钢的CCT曲线稍靠右靠下一点，表明连续冷却时，奥氏体完成珠光体转变的温度较低，时间更长。 CCT曲线较难测定，一般用过冷A的TTT曲线来分析连续冷却转变的过程和产物，但要注意二者之间的差异。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,2、转变过程及转变产物,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,缓慢冷却（V1炉冷）：过冷AP，转变温度较高，P呈粗片状，硬度170HB220HB 稍快冷却（V2空冷）：过冷AS，P呈细片状，硬度25HRC35HRC V3（油冷）：TMAR，硬度4555HRC 过冷AT（KK线以上） 过冷AM（ MsMf：马氏体转变） 过冷AAR（残余奥氏体AR 连续冷却转变后少量没有
13、转变而保留到室温的过冷奥氏体） V4冷却（水冷）：M AR,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,图中： 1、P转变开始线 2、P转变终了线 3、P转变中止线 4、M转变开始线 5、M转变终了线,冷却速度对共析钢转变温度 及转变产物的影响,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,三、亚共析钢过冷A的连续冷却转变,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,与共析钢连续冷却转变的差异 亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F，而共析钢没有F的转变。 亚共析钢过冷A在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生，共析钢没有。如油冷的产物为F+T+上B+M，但F和上B量很少，有时可忽略。另外，如果W(C) 0.6%，则油
14、冷和水冷后的产物中会有少量AR 。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,四、过共析钢过冷A的连续冷却转变,（Fe3C）,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,与共析钢连续冷却转变的差异 过共析钢过冷A在高温区，将首先析出二次渗碳体（Fe3C），而后转变为其它组织。 由于过共析钢奥氏体中碳含量高，所以油冷、水冷后的组织中应包括残余奥氏体(AR ）。 过共析钢与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体（B）转变。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,五、TTT曲线和CCT曲线的意义钢的TTT曲线和CCT曲线对生产与科学研究都有重要意义。 是制定合理的热处理工艺规程和发展新的热处理工艺（如形变热处理）等方面的
15、重要依据； 对于分析研究各种钢在不同热处理后的金相组织与性能，进而合理地选用钢材等方面也有很大的参考价值。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,六、钢的冷却转变小结钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温转变产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体等几种。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。,2.3 过冷奥氏体连续冷却转变曲线,共析钢不同转变温度转变产物 的硬度和冲击韧性,2.4 影响C曲线的因素,一、含C量的影响 亚共析和过共析钢的C曲线中有先共析相析出线; 共析钢（C%=0.77%）的过冷A最稳定，C
16、曲线最靠右； 亚共析钢的过冷A稳定性随含C量降低而降低，C曲线向左边移动； 过共析钢的过冷A稳定性随含C量增加而降低，C曲线向左边移动； A中的含C量越高，Ms点越低，RA越多。,2.4 影响C曲线的因素,二、合金元素的影响 除Co和Al外，所有合金元素都增大过冷A的稳定性，使C曲线右移，使Ms下移； 非碳化物形成元素Ni、Si、Cu等和弱碳化物形成元素Mn，只改变C曲线的位置，不改变C曲线的形状； 碳化物形成元素Cr、Al、W、V、Ti等不但使C曲线右移，而且改变C曲线形状，使其分为两个部分，相当于P转变和B转变。,2.4 影响C曲线的因素,只改变C曲线的位置,同时改变C曲线的形状和位置,2.4 影响C曲线的因素,Si、Ti、V、Mo、W等元素使P区鼻温上升，而Ni、Mn、Cu等则使之下降； 所有碳化物形成元素均使B区鼻温下降； Cr、Mn对P的推迟作用小于对B的影响，其他元素刚好相反。,2.4 影响C曲线的因素,三、加热条件的影响 A化温度越高，保温时间越长，则形成的A晶粒越粗大，成分越均匀；同时有利于先共析相和其他难溶相颗粒的溶解。这些因素都能降低A分解时的形核率，增加A的稳定性，使C曲线右移。 加热温度偏低，保温时间不足，将获得成分不均匀得细晶粒A，甚至有大量未溶的第二相，这些促进A冷却时的分解过程，使C曲线左移。,
