第五章 钢的过冷奥氏体转变图

第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
三、影响过冷奥氏体等温转 变动力学图的因素 1、C元素影响
奥氏体中含碳量不同，C曲 线的位置不同，共析钢的 C曲线 最靠右，说明其过冷奥氏体最稳 定。在正常加热条件下，C含量 高于或者低于0.8%～1.0%，曲 线均向左移动。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
三、影响过冷奥氏体等温转变动力学图的因素
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
四、过冷奥氏体等温转变动力学图的应用
TTT图反映了冷却转变的基本规律和特征。虽然在实 际热处理中多采用连续冷却，其转变规律与等温冷却有相 当大的差异，因此，过去人们往往认为TTT图只能对连续 冷却的热处理工艺提供定性数据。 但事实并非如此。等温转变和连续转变没有本质上的 差别。所谓无本质上的差别是指其形核、长大规律是统一 的。通过对动力学的深入研究，由TTT图可以计算出在任 意冷却条件下的转变规律，从而使TTT图的应用更加广泛。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
过冷奥氏体等温转变图TTT图或C曲线是获得等温转 变组织的主要依据，是等温淬火获得马氏体组织或贝氏体 组织的主要依据。
一、过冷奥氏体等温转变图的建立
膨胀法、磁性法、电阻法、热分析法、金相法。 为了提高测试精度，一般应根据条件采用两种方法。
一、过冷奥氏体等温转变图的建立
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
珠光体型组织（P、S 、T ）中，片间距愈小，相界面 愈多，塑性变形的抗力愈大，因此强度、硬度愈高。同时 由于Fe3C片变薄，塑性和韧性也有所改善。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
（二） 贝氏体转变 共析钢奥氏体以很快的冷速冷却到550℃～Ms （230 ℃）温度范围内等温转变，将转变成贝氏体型组织。 由于转变温度低，转变时只发生碳原子扩散，铁原子已不 能扩散，属半扩散型相变。形成的贝氏体是含碳过饱和的 铁素体和碳化物的混合物。 按等温转变温度及组织形态不同，贝氏体分上贝氏 体（用B上表示）和下贝氏体（用B下表示）。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
（二） 贝氏体转变
⑴ 上贝氏体B上是奥氏体被快冷到550～350 ℃范围等温转变形成的。 其组织为成束平行的过饱和铁素体片和片间断续分布的细条状的渗碳 体组成，呈羽毛状。其形成过程是先在奥氏体处含碳较低的部位生成 铁素体晶核，沿一定方向向奥氏体晶粒内成排长大，部分碳原子扩散 到铁素体片间形成小片状或小条状的渗碳体。
①图中有一组在终端注有用小圆圈套住的数字的曲线。这是 一组冷却曲线。
一、常见过冷奥氏体连续转变动力学图的基 本形式
一、常见过冷奥氏体连续转变动力学图的基本形式
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
三、影响过冷奥氏体等温转变动力学图的因素
5、变形的影响：
奥氏体比容最小，马氏体比容最大，奥氏体转变时体 积膨胀，施加拉应力加速其转变，使“C”曲线左移，施 加压应力不利其转变，使“C”曲线右移。 对奥氏体施以适当的塑性变形，使缺陷密度增加(加速 原子扩散)或析出碳化物(奥氏体中C%降低)，降低过冷奥 氏体稳定性，使“C”曲线左移。
温度 800 600 550 ℃ 400
A1 727℃
200 0
230 ℃ -50 ℃
0
10
102
103
Leabharlann Baidu
104
时间(s)
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
二、过冷奥氏体等温转变动力学图基本形式
图中A1线以上是奥氏体稳 定区，A1线以下转变线开始线 以左的区域奥氏体处于不稳定 状态，经过一段时间孕育期， 它将发生转变。这种在孕育期 暂时存在的、处于不稳定状态 的奥氏体，称为过冷奥氏体。 A1以下，转变终止线以 右的区域是转变产物区，在转 变开始线和终止线之间为过冷 奥氏体和转变产物共存区。 图中水平线Ms为马氏体 转变开始温度，Mf为马氏体转 变终止温度。 过冷奥氏体的转变可以 分为三种：珠光体转变、贝氏 体转变、马氏体转变。
第一节 四种冷却类型
1、平衡冷却
平衡冷却条件或近于平衡冷却条件的特征是冷却速率非 常缓慢，扩散能够充分进行，不需要考虑时间因素对相变的 影响。相图就是在这种条件下获得的，它反映了合金在平衡 条件下，成分、温度和显微组织之间的关系及变化规律。 2、等温冷却 等温冷却是将奥氏体化后的工件放到等温浴炉中进行保 温，在保温过程中发生组织转变。这种冷却方式在生产中也 有应用，如分级淬火、等温淬火。其特点是温度不随时间变 化，如图4.10(b)，因而被广泛用于转变动力学研究。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
综上所述，根据C曲线的形状，可以将TTT图分为四种类型。 过冷奥氏体在冷却过程中可能转变为珠光体、贝氏体和马氏体三类组 织。珠光体转变属于完全扩散型转变，马氏体转变属于无扩散型转变，而 贝氏体转变属于半扩散型转变，所以，珠光体与贝氏体转变可能在一定温 度范围内重叠，贝氏体和马氏体转变也可能在一定温度范围内重叠。 所以，这四种类型的TTT图并没有本质上的区别，仅仅是量上的差别 而已。或者说，过冷奥氏体在适当条件下都会发生珠光体、贝氏体和马氏 体转变。
板条状马氏体，C%<0.2%
针状马氏体，C%>1.0%
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
（三） 马氏体转变 高碳片状马氏体的力学性能特点是硬度高，脆性大； 低碳板条状马氏体的力学性能特点是有高的强韧性，脆性 小。 马氏体转变是在一个温度范围内不断降温条件下进 行的，由Ms温度开始，至Mf 温度终止。若降温停止，转 变也停止。 当奥氏体的含碳量较高时，马氏体转变不能全部完成， 常有一部分奥氏体不能转变，而被保留下来。这部分不能 转变的奥氏体称为残余奥氏体，以A残表示。 两个原因：一是含C＞0.5%的奥氏体的Mf 温度降至室 温以下；二是马氏体的形成引起体积膨胀，对尚未转变的 奥氏体造成很大的压力，阻碍其转变。因此即使深冷至Mf 温度也不能全转变为马氏体。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
在碳钢中加入合金元素后，对C曲线的影响较大，加入 的合金元素越多，影响越大。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
亚共析钢和过共析钢在珠光体转变之前有先共析相析出，即先析 出铁素体和碳化物。这类钢的TTT图在珠光体转变开始线左侧有一条先 共析相析出线。
温度 (℃) 800 700 600 500
共析碳钢C曲线分析
稳定的奥氏体区 A1
A1～550℃;高温转变区; 过 A 冷 产 扩散型转变;P 转变区。 A向产物 + 奥 转变终止线 物 550～230℃;中温转变 氏 产 区 体 物 区;半扩散型转变; 400 区 A向产 区 贝氏体( B ) 转变区; 300 Ms 物转变开始线 200 230～ - 50℃;低温转 100 变区;非扩散型转变; M+AR 马氏体 ( M ) 转变区。 0 Mf
2、合金元素影响 合金元素只有溶入到奥氏体中，才能对过冷奥氏体转 变产生重要影响。总体上讲，除Co、Al外，所有合金元 素都增大过冷奥氏体稳定性，使“C”曲线右移。 非碳化物形成元素如Ni、Si、Cu等和弱碳化物形成 元素如Mn只改变“C”曲线位置；碳化物形成元素如Cr、 Mo、V、W、Ti等既使“C”曲线右移，又使其形状分成上 下两部分。
第一节 四种冷却类型
3、恒速冷却 在冷却过程中冷却速率保持恒定，这种冷却用于研究冷 却转变动力学，生产中没有这种冷却。即使在实验室，在快 速冷却时也不易实现恒速冷却，一般以在一定温度范围内的 平均冷速代替速率常数v。 4、变速冷却 这是一般热处理中常见的冷却条件，冷却速率随温度的 变化而变化，并且在一个工件上的不同部位，冷却速率也不 相同。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
（二） 贝氏体转变
⑵ 下贝氏体B下是奥氏体被快冷到350 ℃～Ms(230 ℃） 等温转变形成的，其组织由含碳过饱和的针片状铁素体及 片内弥散分布的碳化物（ε-Fe2.4C)小片组成，在光学显微 镜下呈黑色针状。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
贝氏体的力学性能完全取决于组织形态。上贝氏体中 的铁素体片较宽，塑性变形抗力低，渗碳体细条分布在铁 素体片间，容易引起脆断。因此上贝氏体的强度和韧性均 较差，在生产中基本不用。下贝氏体组织中的铁素体片细 小，且无方向性，碳的过饱和度较大，而且其中的ε-碳化 物细小、弥散，分布均匀。因此，具有较高的强度、硬度 （45～55HRC）和较好的塑性及韧性，即具有优良的综 合力学性能，是生产上常用的组织，常用等温淬火来获得。
1 10 102 103 104 时间(s)
-100 0
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
（一）珠光体转变 珠光体型组织中的Fe3C和F的层片间距（层片粗细），随转变温度 的降低（过冷度增大）而减小，使组织变得更细。按层片距离大小，组 织粗细不同，珠光体型组织可进一步分为三种： ①快冷到A1～650℃范围内等温转变，形成片间距较大(150~450nm) 的珠光体型组织，在400～500倍的显微镜可分辨其层片状，称为珠光体， 用符号 P 表示。 ②快冷到650～600 ℃范围内等温转变，形成片间距较小(80~150nm) 细珠光体型组织，在800～1000倍显微镜下可见其层片状，称为索氏体， 用符号 S 表示， ③快冷到600～550 ℃范围等温，转变形成片间距更小(30~80nm)的 极细珠光体型组织，在光学显微镜下无法分辨其层片状形态，呈黑色团 状，称为屈氏体（或托氏体），用符号 T 表示。
第三节 过冷奥氏体连续转变动力学图
Bain于1933年研究了过冷奥氏体连续转变动力学图， 一般简记为CCT图。由于它反映了过冷奥氏体在连续冷却 条件下的转变规律，因此比较接近实际热处理冷却条件， 应用也较之TTT图方便，而且有效。
一、常见过冷奥氏体连续转变动力学图的基本形式
图5.11是一幅比较典型的CCT图，过冷奥氏体在连续 冷却条件下的转变产物和等温转变相似，包括珠光体(P)、 贝氏体(B)、马氏体(M)以及先共析铁素体(F)或先共析碳化 物(K)等。从图可知，CCT图与TIT图有如下不同之处。
第五章 钢的过冷奥氏体转变图
钢加热至临界点以上，保温一定时间，将形成高温稳定
组织为奥氏体。奥氏体冷至临界点以下，就不再是稳定组 织，一般称为过冷奥氏体。
过冷奥氏体在不同的冷却条件下，最终可能转变为珠光 体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织，从而导致钢材最 终性能的多样性。 冷却条件可以分为两大类：其一是平衡冷却条件或近于 平衡冷却条件，特征是冷却速率非常缓慢。其二是非平衡 冷却条件，它受时间因素影响。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
三、影响过冷奥氏体等温转变动力学图的因素
3、奥氏体晶粒尺寸：
奥氏体晶粒与奥氏体化条件有关，加热温度高保温时 间长，奥氏体晶粒粗大，成分均匀性提高，奥氏体稳定性 增加，“C”曲线右移。反之“C”曲线左移。 4、原始组织：钢的原始组织越细小，单位体积内晶界越 多，过冷奥氏体转变的形核率越高，同时原始组织越细小 有利于C原子扩散，奥氏体形成时达到均匀化时间短，相 对长大时间长，相同条件下易使奥氏体长大并且均匀性提 高，“C”曲线右移。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
（三） 马氏体转变 当奥氏体自A1线以上温度以很快的速度冷却到Ms线 以下，冷却曲线不与C曲线相交，过冷奥氏将在Ms线温度 以下发生马氏体转变，转变的产物是马氏体，用符号 M 表示。 马氏体转变温度低，铁、碳原子已都不能扩散，所 以马氏体转变属于非扩散型相变。只是面心立方的γ-Fe转 变成体心立方的α-Fe，原奥氏体中的碳完全保留在已转变 成的α-Fe中，使α-Fe含碳量严重过饱和。这种含碳过饱 和的α固溶体称为马氏体。
第二节 过冷奥氏体等温转变动力学图
四、过冷奥氏体等温转变动力学图的应用
TTT图反映了钢在等温冷却条件下过冷奥氏体转变规律， 所以被认为是制定钢材热处理工艺规范的基本依据之一。
TTT图应用中最有效的是制定等温热处理工艺，例如等 温淬火、等温退火等。等温淬火是将工件奥氏体化以后， 淬人保持一定温度的盐浴中，使其获得下贝氏体组织的工 艺方法。根据等温后的组织和性能要求，依据TTT图可以 很方便地确定等温温度和等温时间。