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过冷奥氏体的等温转变

提示:

将钢加热到奥氏体状态,保温后冷却会发生相变,其相变产物随过冷度的不同而存在差别。奥氏体过冷到Ac1以下某一温度,并在温度不变的条件下进行等温转变。如改变等温转变的温度,就可得到不同的组织如图2-5。 图2-5 奥氏体的等温转变C曲线 过冷奥氏体的等温转变图是表示等温转变的温度、时间和转变产物(在开始和终了)三者

    将钢加热到奥氏体状态,保温后冷却会发生相变,其相变产物随过冷度的不同而存在差别。奥氏体过冷到Ac1以下某一温度,并在温度不变的条件下进行等温转变。如改变等温转变的温度,就可得到不同的组织如图2-5

奥氏体的等温转变C曲线

    2-5    奥氏体的等温转变C曲线

    过冷奥氏体的等温转变图是表示等温转变的温度、时间和转变产物(在开始和终了)三者之间的关系图,其图形曲线形状与字母C相似,故叫作“C曲线”或TTT曲线,称为奥氏体等温转变曲线,这里以共析钢为例。从图上可以看出,纵坐标表示温度,横坐标代表时间,Ⅰ和Ⅱ分别表示奥氏体转变的起始线和终止线,A1为下临界点温度,MsMf分别代表马氏体开始转变温度和终止转变温度。

    关于过冷奥氏体的等温转变过程,需要提到几个基本的概念,它有助于全面了解过冷奥氏体的等温转变,对于我们分析其转变的规律有至关重要的作用。过冷奥氏体向珠光体转变温度的高低不同,原子的扩散能力存在差别,温度提高则易于原子的扩散,形成了铁素体和渗碳体片,按片层的厚薄分为三种,即珠光体、细珠光体和极细珠光体,它们的硬度是呈增大的趋势,各种结构钢、工具钢、模具钢等原材料或锻件等退火,就是得到珠光体的组织,作为零件机械加工前的预备热处理,降低硬度、改善切削加工性,同时也为最终的热处理提供要求的组织,满足零件的工作需要。

    (1)过冷度和临界冷却速度

    ①过冷度是指已加热到奥氏体温度的钢在冷却过程中,由奥氏体转变为其他组织(如珠光体、贝氏体和马氏体等)时实际温度和临界温度之差(Ac1),即过冷度一钢的临界温度一实际的转变温度,该差值越大则表示过冷度越大,其决定了奥氏体转变后组织性能和转变速度的快慢,是一个十分重要的工艺参数。

    ②临界冷却速度是使过冷奥氏体急速过冷到C曲线鼻部以下,使过冷奥氏体转变为马氏体组织所需的最小冷却速度,用V临表示。它对钢的热处理具有重要的意义,冷却速度的大小决定了钢的淬透性的高低,对我们选择相应淬火冷却介质、冷却方法等提供了重要的依据,C曲线反映了奥氏体在不同温度下的等温转变的情况,为今后的等温退火、等温淬火和分级淬火等工艺的制订提供了依据。

    奥氏体转变的温度不同,其等温转变过程及转变产物也有差异,即奥氏体转变特征和组织的形态不同。按转变的温度高低过冷奥氏体的等温转变划分为高温转变、中温转变和低温转变,现以共析钢为例说明其相应的转变产物。

    (2)奥氏体的等温转变产物

    ①高温转变——珠光体型转变  又称扩散转变,奥氏体向珠光体转变也是一个生核与晶核长大的过程,由于转变温度较高,转变过程是铁原子和碳原子的同时扩散来完成的。过冷奥氏体在C曲线鼻尖以上温度区域转变时,奥氏体分别由曲线工开始到曲线Ⅱ结束,形成铁素体和珠光体的混合物,随着过冷度的不同奥氏体完全转变为铁素体和渗碳体片彼此相间的珠光体组织。

    因此过冷度的不同,造成铁素体和渗碳体片层的厚度不同,当过冷度很小时(Ar1650)得到片层较粗的珠光体组织;当过冷度大一些(650500)得到片层细的珠光体组织。即自723500℃分别等温则转变产物依次为粗片珠光体、细片珠光体(索氏体)和极细珠光体组织(屈氏体),由此可见钢在C曲线鼻尖以上温度停留一段时间,得到的组织硬度低。实际上珠光体、索氏体和屈氏体三者之间无本质的区别,形成的温度也无明显界限,仅仅在于片层的厚度不同而已。从转变的特点来看,转变的温度越低,片层越薄,相界面就越多,硬度增加,具体见表2-1

    ②中温转变——贝氏体型转变  C曲线的中部即500230℃之间,铁原子已失去了扩散能力,只有碳原子进行短距离的扩散,此阶段奥氏体发生另一种转变——贝氏体转变,贝氏体为铁素体和碳化物的机械混合物,贝氏体具有良好的综合力学性能,根据贝氏体的形态分为上贝氏体和下贝氏体,当温度在500350℃时,等温转变产物为呈羽毛状的上贝氏体,该组织强度较低、塑性和韧性较差;在350230℃范围内,形成黑色针状或竹叶状结构的下贝氏体,其中铁素体为针状,极为细小的碳化物弥散分布在铁素体上,下贝氏体具有较高的硬度和强度,同时有良好的韧性,因此减少了淬火内应力和零件的变形,在实际热处理过程中,多采用等温淬火来获得下贝氏体。共析碳钢奥氏体等温转变后的组织和硬度见表2-1

    2-1    共析碳钢奥氏体等温转变后的组织和硬度

共析碳钢奥氏体等温转变后的组织和硬度

    ③低温转变——马氏体型转变  指奥氏体在Ms点(230℃左右)温度以下进行的组织转变,又称无扩散转变。由于过冷度大,奥氏体转变为马氏体并保留一部分残余奥氏体组织。等温温度愈低则组织中的马氏体数量和硬度越高,直到冷至Ms以下,马氏体转变基本完成。

    在大多数情况下,钢进行快速冷却的目的是为了获得马氏体组织,实现钢的高硬度、耐磨性好等使用要求。因此首先了解马氏体的形成和实质,奥氏体快速过冷到Ms点以下进行组织的转变,便可得到马氏体。由于温度低,除发生铁的晶格改组(由γ-Fe变为α-Fe),碳原子全部保留在α-Fe中,大大超过了碳在α-Fe中的溶解度,其实质是碳在α-Fe中的过饱和固溶体,马氏体没有成分的变化,品格的改组是通过铁原子作短距离的移动来实现的;另外马氏体的组织形态有许多种,其中主要的两种为针状和板条状,具体力学性能见表2-2所列;从性能上讲,它是成分相同的钢的硬度最高的一种组织,也是马氏体的主要特点,硬度高的原因在于碳的过饱和溶入引起晶格的歪扭,提高了对塑性变形的抗力所致。

    马氏体转变过程具有以下特点:马氏体转变属于无扩散转变,保持了奥氏体的含碳量;马氏体的转变是在某一温度下进行的,即有一个起始温度;有部分剩余奥氏体,发生体积的膨胀。

    艾特贸易小编介绍:钢的含碳量越高,马氏体的体积增加越快,给周围的奥氏体造成较大的压应力,故阻碍马氏体的组织转变,部分剩余奥氏体保留下来,因此在淬火时马氏体的转变时的体积膨胀是造成零件产生内应力,也包括产生零件变形和开裂的主要原因之一。

    钢中含碳量不同,则转变产物存在差异。马氏体组织有两种状态,呈针状或板条状。含碳量低工件淬火后得到板条马氏体,而含碳量高的工件则获得片状马氏体。

    随着奥氏体含碳量的增加和转变温度的下降,形成了针状和板条状的混合组织。低碳马氏体组织良好的强度和韧性,而高碳钢则为针状组织,具有硬度高、韧性很低、脆性大的特点,伸长率和断面收缩比几乎为零。表2-2列出了两种类型马氏体组织的性能。

    2-2    针状和板条状马氏体力学性能的比较

针状和板条状马氏体力学性能的比较

    零件经热处理后会因奥氏体转变得不彻底而存在残余奥氏体组织,它本身为不稳定组织,在存放和使用中还会发生组织转变,引起尺寸的变化,因此对于量具及精密零件等希望残余奥氏体量愈少愈好,有的采用冷处理工艺。


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