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钢在冷却时的组织转变

   钢经加热奥氏体化后,可以采用不同方式冷却,获得所需要的组织和性能。冷却过程是钢热处理的关键工序。



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    实际生产中,奥氏体冷却速度较快,必须过冷到A1温度以下才开始转变。在相变温度A1以下还没有发生转变而处于不稳定状态的奥氏体称过冷奥氏体。

    过冷奥氏体有两种冷却转变方式:等温转变是指工件奥氏体化后,冷却到临界点(Ar1或Ar3)以下等温时过冷奥氏体发生的转变,波浪线表示相转变;连续冷却转变是指工件奥氏体化后,以不同冷却速度连续冷却时过冷奥氏体发生的转变。

1、过冷奥氏体的等温转变

    等温转变是指加热到奥氏体化的钢,冷却到临界点以下保持温度不变时,过冷奥氏体所发生的转变。现以共析钢为例,介绍等温转变曲线及转变产物。

1)过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)

    过冷奥氏体等温转变曲线是通过实验的方法求得的,用来描述过冷奥氏体在A1以下各温度等温时的等温转变情况,因曲线形状与英文字母“C”相似,故又常称为“C曲线”。图中左边曲线为过冷奥氏体转变开始线,右边曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。A1线以上是奥氏体稳定区;A1线以下,转变开始线的左边为过冷奥氏体区,转变终了线的右边是转变产物区,转变开始线和终了线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。过冷奥氏体在各个温度等温时,都要停留一段时间才开始转变,通常把这一停留时间(即转变开始线与纵坐标轴之间的距离),称为孕育期。在C曲线拐弯的“鼻尖”处(约550℃),孕育期最短,过冷奥氏体最不稳定,最容易分解。水平线MS为马氏体转变开始线(约230℃),水平线Mf为马氏体转变终了线(约-50℃)。图中A′表示剩余奥氏体,即淬火冷却到室温后残留的奥氏体。

2、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能

    过冷奥氏体等温转变可分为珠光体型转变、贝氏体型转变。

(1)珠光体型转变(A1~550℃),也称高温转变

    共析钢过冷奥氏体在A1~550℃范围内等温转变,由于在该范围内转变温度比较高,奥氏体能全部分解,最后得到铁素体和滲碳体所组成的机械混合物。在此温度范围内,由于过冷度不同,铁素体和滲碳体的片层间距也不相同。转变温度越低,过冷度越大,片层间距越小,其强度和硬度就越高,塑性、韧性也有所改善。根据片层间距的大小,将珠光体型转变产物通常又分为珠光体、索氏体和托氏体三种(见下表)。

  

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(2)贝氏体转变(550℃~MS),也称中温转变

    共析钢过冷奥氏体在550℃~MS范围内(即从C曲线“鼻尖”处到MS线)等温转变成贝氏体,用符号“B”表示。由于在该范围内转变温度比较低,过冷度比较大,因而形成过饱和碳的铁素体与碳化物组成的两相机械混合物,即贝氏体。根据等温转变温度和产物的组织形态不同,贝氏体又分为上贝氏体和下贝氏体两种,分别用“B上”和“B下”表示。上贝氏体的等温转变温度为550℃~350℃,其组织呈羽毛状,强度、塑性、韧性较差,基本无实用价值。下贝氏体的等温转变温度为350℃~MS,其组织呈黑色针片状,具有较高的硬度、强度和耐磨性,同时塑性、韧性也良好,生产上常采用等温淬火获得高韧性的下贝氏体组织。贝氏体转变产物的组织、性能见下表。

  

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(3)亚共析钢和过共析钢的等温转变

    因亚共析钢和过共析钢的碳含量低于或高于共析成分,故亚共析钢等温转变曲线,多一条先共析铁素体析出线;过共析钢等温转变曲线,多一条二次渗碳体析出线。所以亚共析钢在珠光体型转变区等温时,先析出铁素体然后发生珠光体转变,得到铁素体和珠光体组织;过共析钢先析出渗碳体,然后发生珠光体转变,得到滲碳体和珠光体组织。

3、过冷奥氏体的连续冷却转变

由于连续冷却转变曲线的测定较困难,且与C曲线相近似,故一般用C曲线来近似地分析同一种钢的过冷奥氏体连续冷却转变过程,见右图。

1)等温转变曲线在连续冷却转变中的应用

    冷却速度V1(10℃/min):冷却速度极缓慢,相当于炉冷(退火),与C曲线相交于700~670℃,估计转变产物为珠光体组织,硬度为170~220HBS。

    冷却速度V2(10℃/s):冷却速度稍大于冷却速度v1,相当于空冷(正火),与C曲线相交于650~600℃,估计转变产物为索氏体组织,硬度为25~35HRC。

    冷却速度V3(150℃/s):冷却速度较快,相当于油冷(油淬),只与C曲线转变开始线相交于550℃左右处,不与转变终了线相交,随后又与MS线相交,估计转变产物为托氏体和马氏体的混合组织,硬度为45~55HRC。

    冷却速度V4(600℃/s):冷却速度很快,相当于水冷(淬火),不与C曲线相交,只与MS相交并继续冷却,估计转变产物为马氏体和少量残余奥氏体组织,硬度为55~65HRC。

    冷却速度Vk:与冷却曲线相切,称临界冷却速度,是获得全部马氏体转变的最小冷却速度。

2)马氏体转变(MS~Mf)

    冷却速度大于Vk时,奥氏体会很快冷却到MS温度以下,在MS至Mf之间发生马氏体转变。由于转变温度低,碳均不能扩散,只能依靠铁原子作短距离移动来完成γ-Fe向α-Fe的晶格改组,原来固溶在奥氏体的碳仍全部保留在α-Fe晶格,从而形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体,称为马氏体,用“M”表示。

    马氏体的组织形态有板条状和片状两种类型(见下图)。

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    当奥氏体中碳含量WC<0.2%时,马氏体的形态为板条状,故板条状马氏体又称为低碳马氏体,有较好的强韧性;当WC>1.0%时,马氏体的形态为片状,故片状马氏体又称为高碳马氏体,其性能硬而脆;

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    当WC介于二者之间时,形成片状和板条状马氏体的混合组织。马氏体的强度、硬度随碳含量增加而增大,当碳含量超过0.6%,强度和硬度增加不明显(见右图),这主要是由于奥氏体中碳含量增加,导致淬火后的残余奥氏体增多的缘故。

    马氏体转变是在MS~Mf温度范围内连续冷却时进行的,并且马氏体的数量随转变温度的下降而不断增多,如果冷却停止,则转变也停止。此外,马氏体转变不能进行到底,即使过冷到Mf以下温度,仍有一定量的残余奥氏体存在。奥氏体的碳含量越高,钢淬火后残余奥氏体的量就越多。由于残余奥氏体的存在,会降低淬火钢的硬度和耐磨性,并且在工件长期使用过程中残余奥氏体会逐步转变为马氏体,使工件变形而引起尺寸的不稳定。所以,对高精度的工件淬火后要进行冷处理,即把淬火后的工件继续冷却到室温以下-80~-50℃,以尽可能减少残余奥氏体的含量。

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