42钢在加热及冷却时的组织转变1.docx
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42钢在加热及冷却时的组织转变1
一、钢在加热时的组织转变
1．钢在加热和冷却时的相变温度
钢在固态下进行加热、保温和冷却时将发生组织转变，转变临界点根据Fe-Fe3C相图确定。
平衡状态下：
当钢在缓慢加热或冷却时，其固态下的临界点分别用Fe-Fe3C相图中的平衡线A1（PSK线）、A3（GS线）、Acm（ES线）表示。
实际加热和冷却时：
发生组织转变的临界点都要偏离平衡临界点，并且加热和冷却速度越快，其偏离的程度越大。
实际加热时——临界点分别用Ac1、Ac3、Accm表示
实际冷却时——临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示
钢热处理加热的目的是获得部分或全部奥氏体，组织向奥氏体转变的过程称奥氏体化。
加热至Ac1以上时：
首先由珠光体转变成奥氏体（P→A）；
加热至Ac3以上时：
亚共析钢中的铁素体将转变为奥体（F→A）；
加热至Accm以上时：
过共析钢中的二次渗碳体将转变成奥氏体（Fe3CI→A）
2．奥氏体的形成
钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。
共析钢奥氏体化：
热处理加热至Ac1以上时，将全部奥氏体化
亚共析钢奥氏体化：
原始组织为F+P，加热至Ac1以上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Ac3以上时，F奥氏体化，组织全部奥氏体化
过共析钢奥氏体化：
原始组织为P+Fe3C，加热至Ac1以上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Acm以上时，Fe3C奥氏体化，组织全部奥氏体化
2、奥氏体的晶粒大小
奥氏体晶粒对性能影响：
奥氏体的晶粒越细小、均匀，冷却后的室温组织越细密，其强度、塑性和韧性比较高。
[奥氏体的晶粒度]：
晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。
GB/T8493-1987将奥氏体晶粒分为8个等级，其中1~4级为粗晶粒；5~8级为细晶粒。
[本质粗晶粒钢]：
热处理时随加热温度的升高，奥氏体晶粒迅速长大的钢。
[本质细晶粒钢]：
热处理时随加热温度的升高，奥氏体晶粒不易长大的钢。
一般完全脱氧的镇静钢、含碳化物元素和氮化物元素的合金钢为本质细晶粒钢。
3、影响奥氏体晶粒大小的主要因素
热处理工艺参数：
加热速度、加热温度、保温时间，其中加热温度对奥氏体晶粒大小的影响最为显著。
钢的化学成分：
大多数合金元素（锰和磷除外）均能不同程度地阻止奥氏体晶粒的长大，特别是与碳结合能力较强的碳化物形成元素（如铬、钼、钨、钒等）及氮化物元素（如铌、钒、钛等），会形成难熔的碳化物和氮化物颗粒，弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。
因此，大多数合金钢、本质细晶粒钢加热时奥氏体的晶粒一般较细。
原始组织：
钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体的晶粒越细。
二、钢在冷却时的组织转变
冷却方式是决定热处理组织和性能的主要因素。
热处理冷却方式分为等温冷却和连续冷却。
奥氏体冷却降至A1以下时（A1以下温度存在的不稳定奥氏体称过冷奥氏体）将发生组织转变。
热处理中采用不同的冷却方式，过冷奥氏体将转变为不同组织，性能具有很大的差异，如下表为45钢奥氏体化后经不同方式的冷却，其性能的差异。
45钢经840℃加热在不同条件冷却后的力学性能
冷却方法
抗拉强度/MPa
屈服点/MPa
断后伸长率/％
断面收缩率/％
硬度/HRC
随炉冷却
530
280
32.5
49.3
15～18
空气中冷却
670～720
340
15～18
45～50
18～24
油中冷却
900
620
18～20
48
40～50
水中冷却
1100
720
7～8
12～14
52～60
1．奥氏体的等温转变
奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。
这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。
这种转变就称为奥氏体的等温转变。
[等温冷却转变]：
钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点（Ar1或Ar3）线以下，等温保持时过冷奥氏体发生的转变。
[等温转变曲线]：
可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下等温温度、保持时间与转变产物所占的百分数（转变开始及转变终止）的关系曲线，称“TTT图”，T——time，T——temperature，T——transformation”，又称为“C曲线”。
等温转变产物及性能：
用等温转变图可分析钢在A1线以下不同温度进行等温转变所获的产物。
根据等温温度不同，其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。
[高温转变]：
转变温度范围为A1～550℃，获片状珠光体型（F+P）组织。
依转变温度由高到低，转变产物分别为珠光体、索氏体、托氏体，片层间距由粗到细。
其力学性能与片层间距大小有关，片层间距越小，则塑性变形抗力越大，强度和硬度越高，塑性也有所改善。
[中温转变]：
转变温度范围为550℃～MS，此温度下转变获贝氏体型组织，贝氏体型组织是由过饱和的铁素体和碳化物组成的，分上贝氏体和下贝氏体。
550～350℃范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，金相组织呈羽毛状；
350～MS范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，金相组织呈黑色针状或片状，下贝氏体组织通常具有优良的综合力学性能，即强度和韧性都较高。
等温转变温度——组织——性能变化规律：
等温转变温度越低，其转变组织越细小，强度、硬度也越高，见下表。
转变类型
转变温度／℃
转变产物
符号
显微组织特征
硬度HRC
高温
转变
Ac1～650
珠光体
P
粗片状铁素体与渗碳体混合物
<25
650～600
索氏体
S
600倍光学金相显微镜下才能分辨的细片状珠光体
25～35
600～550
托氏体
T
在光学金相显微镜下已无法分辨的极细片状珠光体
35～40
中温
转变
550～350
上贝氏体
B上
羽毛状组织
40～45
350～Ms
下贝氏体
B下
黑色针状或称竹叶状组织
45～55
[低温转变]：
碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号“M”表示。
在MS线以下过冷奥氏体发生的转变称马氏体转变，马氏体转变通常在连续冷却时进行，是一种低温转变。
马氏体组织形貌：
低碳马氏体组织通常呈板条状M；高碳马氏体组织通常呈针叶状M。
马氏体性能：
马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的含碳量。
随着马氏体含碳量的提高，其强度与硬度也随之提高。
低碳马氏体具有良好的强度及一定的韧性；高碳马氏体硬度高、脆性大。
马氏体转变特点：
（1）马氏体转变是在一个温度范围内（MS~Mf）连续冷却完成的，马氏体点Ms和Mf主要与奥氏体的含碳量有关。
（2）马氏体转变具有不完全性。
如果把奥氏体过冷到室温不能得到全部马氏体，而保留一定量的奥氏体，这种在冷却过程中发生相变后仍在环境温度下存在的奥氏体称残余奥氏体。
残余奥氏体不仅降低钢件的硬度和耐磨性，而且影响钢件的尺寸稳定性，要使残余奥氏体继续向马氏体转变，就要将淬火钢继续冷却至室温以下（如冰柜冷可却至0℃以下；干冰+洒精可冷却至–78℃；液氮可冷却至–183℃），这种处理方法叫做冷处理。
对于如精密刀具、精密量具、精密轴承、精密丝杆等一些尺寸要求高的工件均应在淬火后进行冷处理。
（3）马氏体转变的速度极快，属非扩散型相变，一般不需要孕育期。
（4）马氏体转变会引起钢的体积膨胀。
由于马氏体的比容比奥氏体大，通常又是在较大的冷却速度下发生转变，钢件内外温差大，所以会产生很大的内应力，这是导致淬火钢出现变形和开裂的主要原因，应引起足够的重视。
2．奥氏体的连续冷却转变
[连续冷却转变]：
过冷奥氏体在一个温度范围内，随温度下降发生组织转变，同样可用“连续冷却转变曲线”“CCT曲线，C—continuous；C—cooling；T—transformation”分析组织转变过程和产物。
共析钢的“CCT曲线”测量过程示意图如下图。
图中V1（炉冷）、V2（空冷）、V3（油冷）、V4（水冷）代表热处理中四种常用的连续冷却方式。
炉冷V1：
比较缓慢，相当于随炉冷却（退火的冷却方式），它分别与C曲线的转变开始和转变终了线相交于1、2点，这两点位于C曲线上部珠光体转变区域，估计它的转变产物为珠光体，硬度170~220HBS。
空冷V2：
相当于在空气中冷却（正火的冷却方式），它分别与C曲线的转变开始线和转变终了线相交于3、4点，位于C曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断其转变产物为索氏体，硬度25~35HRC。
油冷V3：
相当于在油中的冷却（在油中淬火的冷却方式），与C曲线的转变开始线交于5、6点，没有与转变终了线相交，所以仅有一部分过冷奥氏体转变为托氏体，其余部分在冷却至Ms线以下转变为马氏体组织。
因此，转变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度45~55HRC。
水冷V4：
相当于在水中冷却（在水中淬火的冷却方式），它不与C曲线相交，过冷奥氏体将直接冷却至Ms以下进行马氏体转变。
最后得到马氏体和残余奥氏体组织，硬度55~65HRC。
[马氏体临界冷却速]：
图中冷却速度Vk与C曲线的开始转变线相切，这是过冷奥氏体不发生分解，全部过冷到MS线以下向马氏体转变所需要的最小冷却速度。
等温转变“TTT曲线”在连续冷却转变中的应用：
由于连续冷却“CCT转变曲线”的测定较为困难，而连续冷却转变可以看作由许多温度相差很小的等温转变过程所组成的，所以连续冷却转变得到的组织可认为是不同温度下等温转变产物的混合物。
故生产中常用TTT曲线（C曲线）近似地分析连续冷却过程。
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