钢在冷却时的转变

peigong

　　冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。

　　碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C曲线来确定。

　　一、 共析钢等温转变C曲线

　　先介绍几个概念。

　　等温冷却和连续冷却；

　　过冷奥氏体：处于A1以下热力学不稳定的奥氏体，而奥氏体在A1以上是稳定的，不会发生转变。所以等温转变C曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。

　　（一）、等温C曲线的测定（略）

　　（二）、等温C曲线的结构

　　坐标轴、线、区的含义；

　　孕育期的问题，引出C曲线的“NOSE”，共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550℃，也就是说其“NOSE”出现在550℃。C曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大，应注意。

　　（三）、转变产物

　　按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。

　　1、 珠光体类型转变

　　在A1--550℃之间等温时，过冷奥氏体转变成珠光体类型组织（即都是由F和Fe3C组成 ），而且等温温度越低，组织中F和Fe3C的层片间距越小，组织越细，力学性能越高。这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，用符号P、S、T表示。其中S只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态；而T则只有在更高倍的电子显微镜下才能分辨出其层片状形态。

　　这个转变是一个扩散型相变，需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。

　　2、 贝氏体转变

　　在550℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体发生贝氏体转变。贝氏体是过饱和F和碳化物组成的机械混合物，用符号B表示。在550℃--350℃之间 等温时，过冷奥氏体转变成上贝氏体（B上），呈黑色羽毛状，其中断续的碳化物分布在F片之间 ，这种上贝氏体力学性能较差，一般不用。在350℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物分布在F片之上，这种下贝氏体具有较好的力学性能，应用广泛。

　　3、 马氏体转变

　　1）定义

　　当等温温度低于Ms线时，过冷奥氏体将转变成马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。

　　2）形态

　　马氏体按形态不同分为板条状马氏体和片状马氏体两种。板条状马氏体又称为低碳马氏体，在显微镜下呈一束束的板条状；片状马氏体又称为高碳马氏体，在显微镜下呈黑色针状，其立体形状为双凸透镜状。介于二者之间的为混合马氏体，如45钢淬火后的马氏体组织。

　　3）晶体结构

　　由于马氏体中固溶了过饱合的碳，所以其晶体结构由体心立方晶格变体心正方晶格，即高度C比宽度a大，C/a称为正方度，马氏体中的含碳量越多，正方度越大，组织转变应力越大，变形或开裂的危险也就越大。

　　另一个要注意的问题是，在钢的相和组织中马氏体的比容最大，而奥氏体的比容最小，所以当奥氏体转变成马氏体时，钢的体积增大。这也是造成应力的主要原因。

　　4） 性能

　　马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时，马氏体的硬度不再继续升高，大约为60-64HRC，如图.

　　马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的，另外还有位错和孪晶的影响，奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。

　　原来认为马氏体是一个脆性相，但近年的研究发现，低碳板条马氏体有较好的塑性和韧性，因此常用低碳钢直接淬火得到以马氏体代替渗碳淬火。

　　高碳马氏体仍然是脆性较大的相。

　　5） 转变特点

　　这里主要注意两个问题。

　　首先，马氏体是在一个温度范围（Ms---Mf）内进行的，需要连续冷却，也就是说它不是一个等温转变。

　　其次，马氏体转变具有不完全性，最后总有一部分奥氏体残留下来。原因是部分钢的Mf低于室温，所以残余奥氏体的数量与Ms、Mf有关，而Ms、Mf又与钢的成分有关，含碳量和合金元素量越多，Ms、Mf越低，残余奥氏体量越多，如图。

　　复习等温C曲线，然后做一个练习。

　　转变温度 组织名称 符号 组织特征 力学性能

　　727-650℃ 珠光体 P 较粗 低

　　650-600℃ 索氏体 S 较细 较高

　　600-550℃ 屈氏体 T 极细 很高

　　550-350℃ 上贝氏体 B上 黑色羽毛状 劣

　　350-230℃ 下贝氏体 B下 黑色针状 强韧性好

　　230℃以下 马氏体 M 板条状或片状 硬度高

　　将T8钢加热到800℃，充分奥氏体化。问如何冷却才能得到下列组织：P、S、T、B、M；

　　二、亚共析钢和过共析钢的等温C曲线

　　首先，这两种的等温C曲线与共析钢相比，多一条先共析转变线。亚共析钢是铁素体转变线，过共析钢是渗碳体转变线。

　　其次，这两种钢的等温C曲线的位置比共析钢靠左，也就是说过冷奥氏体的稳定性较差。

　　最后，先共析产物的数量与等温温度有关系，等温温度越低，先共析产物越少，有可能出现伪共析组织。

　　1、 连续冷却转变C曲线

　　热处理生产多为连续冷却，所以研究连续冷却C曲线的实际意义更大。

　　（一）、共析钢连续冷却C曲线

　　这个曲线最明显的特点是只有半个C，也就是没有贝氏体转变，过共析钢也是如此。这是由于贝氏体相变被大大推迟了。

　　图中Ps是珠光体转变开始线，Pf是珠光体转变结束线，K线是转变中止线，当冷却到这条线时过冷奥氏体要“休息一会儿”，直到冷却到Ms线时再继续转变。

　　钢在连续冷却转变时并不会出现新的转变，所有转变都以等温C曲线为基础。它相当于是许多时间很短的等温转变，其转变温度是在不断下降的，转变产物也在不断变化，所以连续冷却转变的产物多是混合组织。

　　上图冷却后，V1是珠光体；V2是S+T+M；V3是M。

　　VK是一个临界冷却速度，它是保证过冷奥氏体全部冷却到MS线以下转变成马氏体的最小冷却速度，称上临界冷却速度，也称淬火临界冷却速度，因为淬火时冷却速度必须大于它。

　　一般地，钢连续冷却转变C曲线的位置在等温C曲线的右下方，即钢在连续冷却时比在等温冷却时稳定。

　　2、C曲线的应用

　　确定等温热处理的工艺参数；

　　确定淬火工艺参数和淬火后组织性能；

　　在等温C曲线估计连续冷却时的产物。