讲座3-2铁碳相图的应用C曲线(课程思考题)
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加热与冷却制度对相变的 影响
——铁碳相图的应用（C曲线与CCT 曲线）
铁碳相图的局限性与应用
一、局限性 1．反映的是平衡相，而不是组织 2．反映二元合金中相的平衡状态 3．没有反映时间的作用（为平衡条件下，没考虑冷却速度） 要解决以上疑问必须了解时间因素，如等温、实际非平 衡连续冷却过程相转变的规律；必须了解合金元素的对 相转变影响。 二、应用 1．选材 2．热加工工艺制定的基础
过共析钢C曲线特征（示意图）
二次渗碳体线（高温区等温转变有先析出渗碳体）
亚共析wk.baidu.comC曲线特征（示意图）
（高温区等温转变有先析出铁素体）
Hypoeutectoid Isothermal Transformation Curve 实际亚共析钢C曲线—其过冷A极不稳定
二 影响共析钢等温冷却转变 /C曲线的因素
实际转变温度：随加热（或冷却）速度增 加，偏离平衡转变温度A1（727℃）也愈大！
二．共析钢奥氏体化过程与机制
a. b. c. d. 界面形核 （优先在铁素体F与渗碳体Fe3C相界）； C扩散、铁素体晶格重构，奥氏体长大； 渗碳体完全溶解，碳成分不均匀的奥氏体； 碳在奥氏体中的均匀化。
共析钢奥氏体化过程与机制
认识共析钢C曲线
2．共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征 （1）高温转变区：A1温度至鼻子温度（550℃） A过冷度不同，等温转变将会分别产生不同层间距的珠光 体结构，为了便于区分： 珠光体P(Pearlite,A1-650℃)， 索氏体S(Sorbite,650-600℃)， 屈氏体T(Troosite，600-550℃)。 一般来说，转变温度低，D↓，长大慢→层间距薄，硬度 HB↑，强度↑ 。
本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢
奥氏体晶粒长大趋势与特征
思考题： 1）如何测定钢的晶体粒度？ 2）如何测定钢本质晶粒度？
3．奥氏体晶粒度的控制
影响奥氏体晶粒度的因素
a. 加热工艺 加热温度，保温时间 b. 成分的影响 A中C%↑（扩散速度增加）→A晶粒长大↑ 碳化物（MxC%，钉扎晶界）↑ →A晶粒长大↓ 1)碳化物形成元素一般有细化晶粒作用； 2）Al脱氧钢或钢中含有V\Ti\Nb等容易形成氮化物、碳化 物元素，能抑制A长大→这类钢一般为本质细晶粒钢； 3）认为Mn 、P能促进A长大。
4．奥氏体化前的原始组织影响 片状珠光体，片间距小→相界面多→碳弥 散度大→碳原子扩散距离短→奥氏体形核 长大比粒状原始组织中要快。
四、奥氏体晶粒大小及控制
1．晶粒度（grain size Index） : 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用单位长度， 面积，体积内的晶粒数或晶粒度级别表示。 ASTM method （美国材料试验协会的晶粒度标 定法），通常用与晶粒大小标准图比较来确定钢 的晶粒度级别。
C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性， 取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。 C曲线的形状（反映产物）、位置（反映稳 定性）不仅对过冷奥氏体等温转变速度和 转变产物的性能具有重要意义，而且对钢 的热处理工艺也有指导性作用。
（一） 成分对C曲线的影响
1．含碳量的影响 共析钢，C曲线最靠右边，过冷A稳定性最高。 亚/过共析钢，其过冷A都不稳定，其中： 1）对亚共析钢，钢中C%↑，A中C%↑，其C曲线右 移，过冷A趋于稳定; 2）对过共析钢，一般在ACcm以上A化，钢中C%↑， 未溶Fe3C↑→有利于形核→其C曲线左移，过冷A 更不稳定.
珠光体/Pearlite
索氏体(S)——细珠光体 英国冶金学家H•C•Sorby
屈氏体(T)——极细珠光体 法国金相学家L•Troost
（2）中温区贝氏体转变 550℃-230℃（MS）
Bainite 是碳化物分布在含过饱和 碳的F基体上的两相机械混合物。 是介于扩散性P转变和非扩散性M转 变之间的中间转变， 可细分： 1）550℃-350℃：上贝氏体， 呈羽毛状。碳化物在F间， 强度不高、韧性差； 2）350℃-M S：下贝氏体， 黑色针状。针状铁素体内 有片状碳化物，强韧性高， 综合机械性能好。
贝氏体是介于扩散性珠光体与非扩散性马 氏体之间的一种中间转变（半扩散型组 织）。 其转变没有铁原子的扩散，但通过切变进 行从奥氏体向铁素体的点阵重构，并通过 碳原子的扩散进行碳化物的沉淀析出。
（3）低温区转变——230℃以下的马氏体转变
MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，属于非扩 散型转变。 a. A过冷→M+A‘(残余奥氏体) b. 转变产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 C%<0.23%，板条状低碳M，高的强韧性（低碳马氏体） C%>1.0%，针状高碳马氏体：片状、硬而脆（高碳马氏体） c. 实质：T低——C无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和C 的铁素体。 d. M转变的特征，①无扩散性 ②瞬时性 ③存在Ms,Mf ④不 完全性，经常有残余奥氏体. ⑤发生体积膨胀。
珠光体型组织（珠光体、索氏体、屈氏 体）有何相同和不同点？
1.珠光体 铁素体与渗碳体的片间距为0.6～0.7μm，通常用符号P表示。 2.索氏体 索氏体也是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，但是片间距比珠光体小，约 为0.25μm。用金相显微镜放大600倍能分辨出铁素体和渗碳体的片层结构。 这种组织在铁碳合金状态图上找不到它，因为它是一种不稳定组织。碳钢和 低合金钢采用正火或奥氏体等温分解，就能获得索氏体组织。索氏体具有良 好的综合机械性能。通常用符号S代表索氏体。 σb＝686～1372（MPa） δ＝10％～20％ HBS＝250～320 3.屈氏体 屈氏体也是一种珠光体型组织，铁素体和渗碳体的片层间距为0.1μm，可用 金相显微镜放大1000倍以上就能分辨清铁索体和渗碳体的片层，它比索氏体 更细。其性能如下 σb＝1372～1666（MPa） δ＝5％～10％ HBS＝400～500 屈氏体亦称托氏体，通常用符号T表示。 由此可见，索氏体、屈氏体都为珠光体型组织，区别点在于铁索体与渗碳体 的片层间距大小不一，片间距愈小，相界面愈多，强度、硬度愈高，但塑性 下降。
参考宋维锡《金属学》 p318
一、共析钢的奥氏体化（再加热奥氏体化目 的？）晶格改组和Fe，C原子的扩散过程。遵循形核、
长大规律:在晶界上形核，渗碳体溶解、铁素体通过点阵 重构转变成奥氏体，如下图所示。
共析钢奥氏体化温度Ac1及其转变式：
共析钢加热时在Ac1温度，奥氏体化转变式：
F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (fcc, 0.77)
其中1-4为粗晶粒；5级以上为细晶粒。常分8级。
晶粒度的测定方法： 小时(100×) 晶粒度的测定方法：930±10℃保温 ± ℃保温3~8小时 小时 ×
2．奥氏体起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度 起始晶粒度为（珠光体）加热刚转变成奥氏体时的晶粒度， 一般比较细。 实际晶粒度：加热或加工条件下获得的晶粒度。 本质晶粒度：加热过程中，钢奥氏体晶粒长大的倾向。 奥氏体晶粒随温度的升高而稳定快速长大→本质粗晶钢； 奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质 细晶钢。
板条状低碳M，高的强韧性
针状高碳马氏体：片状、硬而脆 高碳马氏体：片状、 高碳马氏体
碳含量与马氏体转变、残余奥氏体（ 残 碳含量与马氏体转变、残余奥氏体（A残 或A/）形成
含碳量对马氏体硬度的影响
3．共析钢等温转变组织与性能的关系总结
（1）珠光体型组织 转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、 塑性、韧性 提高；（分别获得珠光体、索氏体、屈氏体） （2）贝氏体 B上：强度、韧性差 B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能 （3）马氏体 硬度高，C%↑→HRC↑ 片状（针状）马氏体，硬而脆，塑、韧性差；高碳马氏体。 板条状马氏体，强度高，塑性，韧性好；低碳马氏体。
钢再加热奥氏体化的目的——再控制其冷却、获得 所需要的组织与性能
钢在冷却过程中的组织转变
热处理中两种常用 的冷却方式： 1）等温处理 2）连续冷却 图中临界温度在这 指A化温度。
• 其中马氏 体是连续 冷却过程 形成， Ms,Mf不属 于等温转 变特征点！
Time-temperature transformation (TTT) diagrams也称
问题：各种组织的形成机制、类型与特性分析？
4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线 （简单说明）
• In the simple case of a eutectoid plain carbon steel, the curve is roughly C-shaped with the pearlite reaction occurring down to the nose of the curve and a little beyond. At lower temperatures bainite and martensite are formed. • The diagrams become more complex for hypo- and hyper-eutectoid alloys(亚/过共析钢)as the ferrite or cementite reactions have also to be represented by additional lines. • 此外,亚（过）共析钢完全奥氏体化的温度要分别高于Ac3 和Accm.
本节提纲
1.钢加热时的组织转变 2.奥氏体化 3.钢冷却时的组织转变 4.等温转变曲线 C-curve/ TTT(TimeTemperatureTransformation) 5.连续冷却曲线 CCT(Continuous Cooling Transformation） 6. 影响C曲线的因素
钢在再加热时的组织转变
过冷奥氏体的等温转变C曲线
– measure the rate of transformation at a constant temperature. In other words a sample is austenitised and then cooled rapidly to a lower temperature and held at that temperature whilst the rate of transformation is measured, for example by dilatometry. Obviously a large number of experiments is required to build up a complete TTT diagram.
重点掌握
1. 钢加热时组织转变及影响因素； 2. 本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大 小的因素； 3. 共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C 曲线中各温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌、 性能特点。 4. 非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别；影响C曲 线的因素； 5. 奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢 的组织变化和最终性能的影响等； 6.影响C曲线的因素
三、影响奥氏体化的因素
1．加热温度影响 不同温度下等温时奥 氏体化过程与时间的 关系如图所示；也称 奥氏体等温转变动力 学关系。 T↑→A化转变进程加 快 (D↑）
2．加热速度与珠光体中渗碳体层片 间距的影响
V↑（dT/dt)→转变开始温度↑，转变时间↓
3．合金元素影响（合金钢时要考虑的问题）
一、过冷奥氏体的等温转变与产物 （理解C曲线）
1 共析钢过冷A等温转变曲线: 如前所述，将奥氏体化后的钢冷却到一定温度，保温，测 量A过冷转变开始和终了时间；将不同温度下的等温转变 开始点与终了点分别连成线即得C曲线。可以发现： 对共析钢A1以上：A稳定 A1以下：A不稳定，过冷 C曲线有一最小孕育期(约过冷到550℃等温转变时）： 1)T↓，A——P的驱动力F提高 2)T↓——D↓
a. Cr、Mo、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素（也是其封 闭或缩小A相区的原因），降低奥氏体形成速度； b. Co、Ni非碳化物形成元素（开启A相区原因），能加 快C在A中的扩散速度，加快A形成速度; c.认为 Al、Si、Mn影响不大。 d.合金元素在A中的扩散系数远小于C! （对合金钢奥氏 体化处理时间与温度的影响？）
——铁碳相图的应用（C曲线与CCT 曲线）
铁碳相图的局限性与应用
一、局限性 1．反映的是平衡相，而不是组织 2．反映二元合金中相的平衡状态 3．没有反映时间的作用（为平衡条件下，没考虑冷却速度） 要解决以上疑问必须了解时间因素，如等温、实际非平 衡连续冷却过程相转变的规律；必须了解合金元素的对 相转变影响。 二、应用 1．选材 2．热加工工艺制定的基础
过共析钢C曲线特征（示意图）
二次渗碳体线（高温区等温转变有先析出渗碳体）
亚共析wk.baidu.comC曲线特征（示意图）
（高温区等温转变有先析出铁素体）
Hypoeutectoid Isothermal Transformation Curve 实际亚共析钢C曲线—其过冷A极不稳定
二 影响共析钢等温冷却转变 /C曲线的因素
实际转变温度：随加热（或冷却）速度增 加，偏离平衡转变温度A1（727℃）也愈大！
二．共析钢奥氏体化过程与机制
a. b. c. d. 界面形核 （优先在铁素体F与渗碳体Fe3C相界）； C扩散、铁素体晶格重构，奥氏体长大； 渗碳体完全溶解，碳成分不均匀的奥氏体； 碳在奥氏体中的均匀化。
共析钢奥氏体化过程与机制
认识共析钢C曲线
2．共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征 （1）高温转变区：A1温度至鼻子温度（550℃） A过冷度不同，等温转变将会分别产生不同层间距的珠光 体结构，为了便于区分： 珠光体P(Pearlite,A1-650℃)， 索氏体S(Sorbite,650-600℃)， 屈氏体T(Troosite，600-550℃)。 一般来说，转变温度低，D↓，长大慢→层间距薄，硬度 HB↑，强度↑ 。
本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢
奥氏体晶粒长大趋势与特征
思考题： 1）如何测定钢的晶体粒度？ 2）如何测定钢本质晶粒度？
3．奥氏体晶粒度的控制
影响奥氏体晶粒度的因素
a. 加热工艺 加热温度，保温时间 b. 成分的影响 A中C%↑（扩散速度增加）→A晶粒长大↑ 碳化物（MxC%，钉扎晶界）↑ →A晶粒长大↓ 1)碳化物形成元素一般有细化晶粒作用； 2）Al脱氧钢或钢中含有V\Ti\Nb等容易形成氮化物、碳化 物元素，能抑制A长大→这类钢一般为本质细晶粒钢； 3）认为Mn 、P能促进A长大。
4．奥氏体化前的原始组织影响 片状珠光体，片间距小→相界面多→碳弥 散度大→碳原子扩散距离短→奥氏体形核 长大比粒状原始组织中要快。
四、奥氏体晶粒大小及控制
1．晶粒度（grain size Index） : 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用单位长度， 面积，体积内的晶粒数或晶粒度级别表示。 ASTM method （美国材料试验协会的晶粒度标 定法），通常用与晶粒大小标准图比较来确定钢 的晶粒度级别。
C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性， 取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。 C曲线的形状（反映产物）、位置（反映稳 定性）不仅对过冷奥氏体等温转变速度和 转变产物的性能具有重要意义，而且对钢 的热处理工艺也有指导性作用。
（一） 成分对C曲线的影响
1．含碳量的影响 共析钢，C曲线最靠右边，过冷A稳定性最高。 亚/过共析钢，其过冷A都不稳定，其中： 1）对亚共析钢，钢中C%↑，A中C%↑，其C曲线右 移，过冷A趋于稳定; 2）对过共析钢，一般在ACcm以上A化，钢中C%↑， 未溶Fe3C↑→有利于形核→其C曲线左移，过冷A 更不稳定.
珠光体/Pearlite
索氏体(S)——细珠光体 英国冶金学家H•C•Sorby
屈氏体(T)——极细珠光体 法国金相学家L•Troost
（2）中温区贝氏体转变 550℃-230℃（MS）
Bainite 是碳化物分布在含过饱和 碳的F基体上的两相机械混合物。 是介于扩散性P转变和非扩散性M转 变之间的中间转变， 可细分： 1）550℃-350℃：上贝氏体， 呈羽毛状。碳化物在F间， 强度不高、韧性差； 2）350℃-M S：下贝氏体， 黑色针状。针状铁素体内 有片状碳化物，强韧性高， 综合机械性能好。
贝氏体是介于扩散性珠光体与非扩散性马 氏体之间的一种中间转变（半扩散型组 织）。 其转变没有铁原子的扩散，但通过切变进 行从奥氏体向铁素体的点阵重构，并通过 碳原子的扩散进行碳化物的沉淀析出。
（3）低温区转变——230℃以下的马氏体转变
MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，属于非扩 散型转变。 a. A过冷→M+A‘(残余奥氏体) b. 转变产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 C%<0.23%，板条状低碳M，高的强韧性（低碳马氏体） C%>1.0%，针状高碳马氏体：片状、硬而脆（高碳马氏体） c. 实质：T低——C无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和C 的铁素体。 d. M转变的特征，①无扩散性 ②瞬时性 ③存在Ms,Mf ④不 完全性，经常有残余奥氏体. ⑤发生体积膨胀。
珠光体型组织（珠光体、索氏体、屈氏 体）有何相同和不同点？
1.珠光体 铁素体与渗碳体的片间距为0.6～0.7μm，通常用符号P表示。 2.索氏体 索氏体也是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，但是片间距比珠光体小，约 为0.25μm。用金相显微镜放大600倍能分辨出铁素体和渗碳体的片层结构。 这种组织在铁碳合金状态图上找不到它，因为它是一种不稳定组织。碳钢和 低合金钢采用正火或奥氏体等温分解，就能获得索氏体组织。索氏体具有良 好的综合机械性能。通常用符号S代表索氏体。 σb＝686～1372（MPa） δ＝10％～20％ HBS＝250～320 3.屈氏体 屈氏体也是一种珠光体型组织，铁素体和渗碳体的片层间距为0.1μm，可用 金相显微镜放大1000倍以上就能分辨清铁索体和渗碳体的片层，它比索氏体 更细。其性能如下 σb＝1372～1666（MPa） δ＝5％～10％ HBS＝400～500 屈氏体亦称托氏体，通常用符号T表示。 由此可见，索氏体、屈氏体都为珠光体型组织，区别点在于铁索体与渗碳体 的片层间距大小不一，片间距愈小，相界面愈多，强度、硬度愈高，但塑性 下降。
参考宋维锡《金属学》 p318
一、共析钢的奥氏体化（再加热奥氏体化目 的？）晶格改组和Fe，C原子的扩散过程。遵循形核、
长大规律:在晶界上形核，渗碳体溶解、铁素体通过点阵 重构转变成奥氏体，如下图所示。
共析钢奥氏体化温度Ac1及其转变式：
共析钢加热时在Ac1温度，奥氏体化转变式：
F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (fcc, 0.77)
其中1-4为粗晶粒；5级以上为细晶粒。常分8级。
晶粒度的测定方法： 小时(100×) 晶粒度的测定方法：930±10℃保温 ± ℃保温3~8小时 小时 ×
2．奥氏体起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度 起始晶粒度为（珠光体）加热刚转变成奥氏体时的晶粒度， 一般比较细。 实际晶粒度：加热或加工条件下获得的晶粒度。 本质晶粒度：加热过程中，钢奥氏体晶粒长大的倾向。 奥氏体晶粒随温度的升高而稳定快速长大→本质粗晶钢； 奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质 细晶钢。
板条状低碳M，高的强韧性
针状高碳马氏体：片状、硬而脆 高碳马氏体：片状、 高碳马氏体
碳含量与马氏体转变、残余奥氏体（ 残 碳含量与马氏体转变、残余奥氏体（A残 或A/）形成
含碳量对马氏体硬度的影响
3．共析钢等温转变组织与性能的关系总结
（1）珠光体型组织 转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、 塑性、韧性 提高；（分别获得珠光体、索氏体、屈氏体） （2）贝氏体 B上：强度、韧性差 B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能 （3）马氏体 硬度高，C%↑→HRC↑ 片状（针状）马氏体，硬而脆，塑、韧性差；高碳马氏体。 板条状马氏体，强度高，塑性，韧性好；低碳马氏体。
钢再加热奥氏体化的目的——再控制其冷却、获得 所需要的组织与性能
钢在冷却过程中的组织转变
热处理中两种常用 的冷却方式： 1）等温处理 2）连续冷却 图中临界温度在这 指A化温度。
• 其中马氏 体是连续 冷却过程 形成， Ms,Mf不属 于等温转 变特征点！
Time-temperature transformation (TTT) diagrams也称
问题：各种组织的形成机制、类型与特性分析？
4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线 （简单说明）
• In the simple case of a eutectoid plain carbon steel, the curve is roughly C-shaped with the pearlite reaction occurring down to the nose of the curve and a little beyond. At lower temperatures bainite and martensite are formed. • The diagrams become more complex for hypo- and hyper-eutectoid alloys(亚/过共析钢)as the ferrite or cementite reactions have also to be represented by additional lines. • 此外,亚（过）共析钢完全奥氏体化的温度要分别高于Ac3 和Accm.
本节提纲
1.钢加热时的组织转变 2.奥氏体化 3.钢冷却时的组织转变 4.等温转变曲线 C-curve/ TTT(TimeTemperatureTransformation) 5.连续冷却曲线 CCT(Continuous Cooling Transformation） 6. 影响C曲线的因素
钢在再加热时的组织转变
过冷奥氏体的等温转变C曲线
– measure the rate of transformation at a constant temperature. In other words a sample is austenitised and then cooled rapidly to a lower temperature and held at that temperature whilst the rate of transformation is measured, for example by dilatometry. Obviously a large number of experiments is required to build up a complete TTT diagram.
重点掌握
1. 钢加热时组织转变及影响因素； 2. 本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大 小的因素； 3. 共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C 曲线中各温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌、 性能特点。 4. 非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别；影响C曲 线的因素； 5. 奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢 的组织变化和最终性能的影响等； 6.影响C曲线的因素
三、影响奥氏体化的因素
1．加热温度影响 不同温度下等温时奥 氏体化过程与时间的 关系如图所示；也称 奥氏体等温转变动力 学关系。 T↑→A化转变进程加 快 (D↑）
2．加热速度与珠光体中渗碳体层片 间距的影响
V↑（dT/dt)→转变开始温度↑，转变时间↓
3．合金元素影响（合金钢时要考虑的问题）
一、过冷奥氏体的等温转变与产物 （理解C曲线）
1 共析钢过冷A等温转变曲线: 如前所述，将奥氏体化后的钢冷却到一定温度，保温，测 量A过冷转变开始和终了时间；将不同温度下的等温转变 开始点与终了点分别连成线即得C曲线。可以发现： 对共析钢A1以上：A稳定 A1以下：A不稳定，过冷 C曲线有一最小孕育期(约过冷到550℃等温转变时）： 1)T↓，A——P的驱动力F提高 2)T↓——D↓
a. Cr、Mo、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素（也是其封 闭或缩小A相区的原因），降低奥氏体形成速度； b. Co、Ni非碳化物形成元素（开启A相区原因），能加 快C在A中的扩散速度，加快A形成速度; c.认为 Al、Si、Mn影响不大。 d.合金元素在A中的扩散系数远小于C! （对合金钢奥氏 体化处理时间与温度的影响？）