热膨胀法测定钢的连续冷却转变图
Microsoft PowerPoint - 2 钢的热处理-钢的过冷奥氏体转变图
共析钢
快速膨胀仪: 如Gleeble系列热模拟试验机 THERMECMASTOR-Z热模拟机
n 孕育期 Incubation Period 转变开 始线与纵坐标轴之 间的距 离，表示在各不同 温度下 过冷奥氏体等温分 解所需的准备时间。 n 鼻子----C 曲线上 转变开始线的突出 部，孕育期最短的部位。 n 转变开始、终了线 从S曲线(a)到C曲线(b)
亚共析钢C曲线
温度 (℃) 800 700 600 500 400 300 Ms 200 100 0 Mf -100 0 1
亚共析钢的TTT曲线
A3 F A A1 P+F S+F T B
M + A残
10
102
103
104
时间(s)
过共析钢C曲线
温度 (℃) 800 700 600 500 400 300 Ms 200 100 0 Mf -100 0 1
l C 共析钢的C曲线离纵轴最远， 共析钢的过冷奥氏体最稳定。
l Ti、V、Nb、W 、Mo等 强和中强碳化物形成元素 强烈推迟珠光体转变，对贝氏体 转变的推迟作用较小；使珠光体 最大转变温度升高，降低贝氏体 最大转变温度。在TTT或CCT曲 线上明显出现珠光体和贝氏体两 条C曲线。
l Cr、Mn弱碳化物形成元素 推迟珠光体转变和贝氏体转变， 但推迟贝氏体转变更显著。
鼻子
孕育期
转变开始
转变终了
共析钢的过冷奥氏体等温转变动力学图为何呈“C”字形？ 过冷奥氏体等温转变速度受两个主要因素：驱动力△Gv和原子的扩 散系数D。等温温度愈低，过冷度大，驱动力△Gv大，等温转变速度越 大；但等温温度愈低，扩散系数D减小，原子扩散能力下降，转变速度 减小；这两个因素的作用是矛盾的。 （1）高温时，过冷度小，驱动力△Gv小，扩散系数D大，原子扩散能 力大，以驱动力△Gv影响为主。 （2）低温时，过冷度大，驱动力△Gv大，扩散系数D小，原子扩散能 力小，以扩散系数D影响为主。 上述两个因素综合作用的结果，在550℃是驱动力和原子的扩散的作 用都充分发挥，使孕育期最短，使TTT图呈“C”字形。
奥氏体化温度
马氏体转变膨胀曲线
Mf M50 C
B Ms
温度T
3. 研究钢的连续冷却转变
实际生产中，热处理多采用连续的冷却方式。需 要应用钢的连续冷却转变图（CCT）曲线了解 过冷奥氏体连续冷却转变的规律。CCT曲线的 建立，需首先测定不同冷却速度下的连续冷却 转变的膨胀曲线。
40CrNiMoA钢的冷却膨胀曲线： 为绘制CCT曲线，先取时间对数为横坐标，温度T纵坐 标绘出不同冷却速度的冷却曲线，将膨胀曲线上得到 的转变点，将开始及终了转变点联成光滑曲线便得到 CCT图。
例2: 金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数 a=0.357 nm，当它转变成石墨（ρ=2.25g/cm3） 结构时，求其体积改变百分数？金刚石的晶体 结构为复式面心立方结构，每个晶胞共含有8个 碳原子。
例2:金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数
a=0.357 nm，当它转变成石墨（ρ=2.25g/cm3） 结构时，求其体积改变百分数？金刚石的晶体 结构为复式面心立方结构，每个晶胞共含有8个 碳原子。
钢膨胀曲线的分析时间tlt1oel温度tact2钢的奥氏体化处理及等温转变过程的膨胀曲线时间tllflf2时间t温度t开始终了50t1t2过冷奥氏体等温转变动力学转变图l温度tmsmfabcdm50马氏体转变膨胀曲线图40crnimoa连续冷却转变热膨胀曲线2测定钢的cct曲线连续冷却转变曲线iii
Volume of BCC cell = a3 = 2.8633 = 23.467×10-30 （m3） Volume of FCC cell = a3 = 3.5913 = 46.307×10-30 （m3） But the FCC unit cell contains four atoms and the BCC unit cell contains only two atoms. Two BCC unit cells with a total volume of 46.934 will contain 4 atoms. Volume change/atom = (46.307 -46.934)/46.934 = -1.34% Steel contracts on heating!!
KEY 5-5 钢的连续冷却曲线
参照Vk′值对钢进行连续冷却时 能确保得到最多的马氏体组织
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4.连续冷却转变CCT曲线难以测量，某些钢的CCT曲线至今尚未 测定出来,而等温冷却转变TTT曲线容易测量。因此可以用来分 析等温转变，并用来粗略估计连续冷却时的转变物，具有实用 意义。
时间/s
但有些钢在连续冷却时会发生贝氏体转变，得到贝氏体组织， 例转变曲线的右下方，说明 连续转变的孕育期较等温转变更长，要求的转变温度更低。
3.Vk′﹥Vk
Vk：是指在连续冷却条件下获得全部马氏体组织的最小冷却 速度，称为CCT曲线的临界冷却速度。 Vk′：是在等温冷却条件下获得 全部马氏体组织的最小冷却速 度，称为TTT曲线的临界冷却速 度
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温度/℃ 700℃ 600℃
500℃ 300℃ 200℃
0℃
奥氏体 A1
1
3
Ps
Pf
2 V1
5
4
炉冷 P
V2
170-220HB
K6
空冷 S
25-35HRC
Ms
V4
水冷
V3 Vk′Vk 油冷
S+M 45-55HRC
Mf（-50℃）
M+A′ 55-65HRC
3.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、与K线交于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（T+M）的混合组织，硬度45~55HRC。
低碳含磷冷轧高强钢的连续冷却转变试验
浩 （ ９ ６ ） 男 ， 授 级 高 工 ． — ｉ ｌ ｈ ｏ ６ ｗ ｓｏ ｃ ｒ． ｎ １６～ ， 教 Ｅ ｍａｌ ｉ ａ ６ ＠ ｉｃ ． ｏ ｃ ：ｕ ｎ
刘 浩
魏远征 方
芳
尹 云洋 ： 低碳含磷冷轧高强钢的连续冷却转变试验
ｌ １
２ 实验 结 果 及 分 析
２ １ 不 同 冷 却 速 度 时 热 膨 胀 曲线 分 析 ．
在实 验 中所测 得 的热膨 胀 曲线示 意 图如 图 ２所
示 ； 加 热过 程 中 试 样 随温 度 升 高 ， 胀 量 逐 渐 增 在 膨 加 ； 随后 的冷 却 过程 中 ， 胀量 随 着温 度 的降低 而 在 膨
刘 浩 魏 远 征。 方 芳 尹 云 洋
（． １ 武钢研 究院 湖 北 武汉 ：３ ０ ０ ２ 武汉科技 大学材料 与冶金 学 院 湖北 武汉 ：３ ０ １ ４ ０ ８ ；． ４ ０８ ） 摘 要 采 用热 模 拟 实 验 机 测 定 了低 碳 含 磷 冷 轧 高 强钢 在 奥 氏体 化 温 度 ９ ０ 变形 ４ 时 ， ０℃ Ｏ
０ １ ｓ ｏ ｓ的不 同冷 却速度 的相 变膨胀 曲线 ， 测 定 了该 钢 的相 变点 ， ． ℃／ ～６ ℃／ 并 根据 转 变特 征 和膨 胀
法 原 理 绘 制 了低 碳 含 磷 冷 轧 高 强钢 在 动 态 条 件 下 的 连 续 冷 却 转 变 （ Ｃ 图 ， 检 测 结 果 可 以 看 到 Ｃ Ｔ） 从 低 碳 含 磷 冷 轧 高 强 钢 在 奥 氏体 化 温 度 ９ ０ 变形 ４ 的 条 件 下 ， ６ ℃ ／ ０℃ Ｏ 以 Ｏ ｓ的 冷 却 速 度 ， 到 ２ ０ 冷 ０ ℃
１ 实验 材 料 和 方 法
１ １ 实 验 材 料 ．
Q690钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线
续冷却时， 转变产物为铁素体 ＋ 珠光体组织 ， 冷却速 度 达到 ３￣／ Ｃ ｓ时 ， 始 出 现 贝 氏 体 组 织 ， 温 组 织 开 室
２ Ｔｃｎｃｌ ｅｔ Ｓｅｌ ｎｏ ０Ｌｄ ｏ Ｂ ｏ ｕＳ ｅ（ ｒｕ Ｃｒ． Ｂ ｏ ｕ０４ １ ， ｅＭｏｇ ｏ， ． ｅｈ ｉ ｎｅ ｏ ｔ ｉｎｃ ． ｔ． ａｔ ｔ ｌＧｏｐ） ｐ ， ａｔ １０ ０ Ｎ ｉ ｎｇｌ ａＣ ｒ ｆ ｅＵ ｆ ｏ ｅ ｏ ｏ
Ｃ ｉａ ｈｎ ）
包钢科技
第３ ８卷
表 １ 试验钢 的化学成分（ 质量分数）
元素 质量分数 Ｃ ０ １ ．１ Ｓ ＋ Ｍｎ Ｎ Ｖ４Ｔ Ｎ Ｃ ＋Ｂ ｉ ｂ４ ｉ ｉ ｒ －－ ４ ４ － － １７ ．２ ０ ３ ．５
％
（ 除钴 外 ） 是不 同程度 地 推迟 珠光 体 转 变 ， 珠光 总 使 体转变曲线向右移动 ； 在贝氏体转变中， 合金元素的 作 用首 先表 现在对 贝 氏 体转 变 上 限 温度 Ｂ 点 的影 ｓ 响 ， 、 、 都降低 ｓ ； 马 氏体 转变 中 ， 多合 碳 锰 铬 点 在 大
Ｃｏ ｔｎ ｏ ｓＣｏ ｌ ｇ Ｔｒ ｎ ｆ ｒ ｔｏ ｎ ｉ ｕ ｕ ｏｉ ａ ｓｏ ｍａ ｉ ｎ ｎ
Ｃ ｒ ｅｏ ｕ ｅｃ ｏｅ ｓｅ ｉ ｎＱ６ ｏＳｅｌ ｕ ｖ ｆ ｐ ｒｏ ｌｄＡｕｔｎｔ ｉ ９ ｔｅｓ Ｓ ｅ
ＢＡＩ Ｙ ａ—ｑ ｏ ｇ‘ Ｌ ｉｎ ＩＺｈｉ ｉ ＺＨＡＯ ｉ—ｐｉｇ —ｌ ， Ｌ ｎ
将 Ｑ９ ６０钢 Ｃ Ｔ曲线 与 相 同碳 含 量 的普 通 碳 钢 相 Ｃ 比 ， Ｃ 曲线 明显 右 移 ， 明该 钢 的 淬 透 性 很 好 。 ＣＴ 表 Ｑ ９ 中 的主 要 加入 元 素 有 Ｍｎ Ｃ 、 Ｂ， ６Ｏ钢 、 ｒＶ、 它们 都
热膨胀法测定钢的
LV
－相变体积效应引起的长度变化量。 L －温度变化引起的长度变化量。 L T T (α为金属的热膨胀系数，ΔT为温度变化量）。
T
• 当冷却过程中不发生相变时，LV 0 ，因此， L LT T 即ΔL随温度变化成线性变化。当冷 却过程中发生相变时， LV 0 ，因此，L L L ， ΔL偏离线性变化，反映在膨胀曲线上是发生转折， 据此转折的切离点可以确定相变的开始温度。当 L LT T LV 0 相变结束时， ，因此， ， ΔL随 变化温度又成线性变化，从直线的开始点可以确 定相变的终了温度。 • 用热模拟方法测CCT图时,用膨胀仪记录ΔL-t(膨 胀量－时间）曲线，并记录T－t（温度－时间） 曲线（或称温度曲线），如图1所示。再将上述曲 线转化成ΔL-T曲线，分析曲线的转折变化，即可 确定相变点，如图2所示。
五、实验步骤
• 1．实验前仔细阅读并了解Gleeble 1500动态热－ 力学模拟试验机的基本结构与功能。 • 2．了解Gleeble 1500动态热－力学模拟试验机的 基本操作。 • 3．每人领取一个试样，制定测试步骤，经实验指 导教师审核后，分别测定45钢和40Cr 钢在某 冷却速度条件下的热膨胀量与温度之间的关 系，以及该冷却速度条件下试样的平均硬度。 • 4．其他同一大组的同学协助并观察正在实验的同 学进行实验。 • 5．若干大组数据共享，对实验数据进行整理。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 同一种金属的不同组织如奥氏体、铁素体、珠光 体、贝氏体和马氏体等有不同的比容。故当高温 奥氏体在连续冷却过程中发生相变时试件的长度 （对于用Gleeble 1500动态热一力学模拟试验机 测试CCT图时，长度是指圆柱体试样的直径）将发 生变化，并符合下列关系： L LV LT
第二章 钢的冷却转变
基本要求
1.过冷A冷却方式、过冷奥氏体转变动力学图类型 2. 过冷A等温转变动力学图、 （1）共析钢的过冷奥氏体等温转变曲图（C曲线）
分析 （2）非共析钢的过冷A等温转变动力学图与共析钢
的过冷A等温转变动力学图的异同，合金钢的过冷A 等温转变图类型 （3）影响过冷A等温转变动力学图形状的因素 3. 过冷A连续冷却转变图
温度
亚共析钢的TTT曲线
(℃)
A3
800
F
A1
700
A
600
P+F S+F
T
500
400
B
300 Ms 200
100 0 Mf
M + A残
-100 0Biblioteka 110102
103
104 时间(s)
对过共析钢在发生P转变之前有先共析渗碳体析出， 因此过共析钢的过冷A等温转变曲线在左上角有一条 先共析渗碳体析出线，且随含碳量增加向左上方移 动，直至消失。
和合金元素的影响，图形比较复杂。
常见的C曲线有六种形状：
第一种：两组C曲线完全重迭，如亚共析碳钢、含 非碳化物形成元素Ni、Cu、Si、<1.5%Mn的合金钢
两组C曲线部分重迭，但2个鼻子时间基本相同（不 常见），如37CrSi.
第二、三种：两组C曲线分离，且两组C曲线鼻子对应 的时间有差异。如20Cr、40Cr、12Cr2Ni4、40CrNi、 35CrMo、40CrMn（B的时间短）（含少量碳化物形成 元素）；GCr15、9Cr、9Cr2、CrMn、CrW、CrWMn（P 的时间短）。
（一）共析钢的C曲线分析 (1).线、区的意义
M线S线：，纵M坐f标线为，温转度变，开横始坐线标，为转时变间终，了临线界。点A1线， 变区区：（AA1以→P上、为A稳→定BA）区，，转过变冷产A物区区，（过P冷、AB）等，温M转 形成区（A→M）、M转变产物区（M或M+Ar）
钢连续冷却转变图CCT曲线
实验目的
? 1．了解钢的连续冷却转变图的测量方法 特别是热膨胀法的原理与步骤；
? 2. 利用热模拟仪观察钢在加热及冷却中 的相变并测量临界点；
基本原理：
? 钢中相的密度顺序是： 马氏体<铁素体<珠光体<奥氏体
40CrMoA钢CCT曲线
共Hale Waihona Puke 钢CCT曲线图亚共析钢（含碳 0.19%）CCT曲线
过共析钢（含碳1.03%）CCT 曲线图
三. 实验设备及材料
? 1． Gleeble3500热模拟机 ? 2 1CrMn钢
实验结果与分析：
? 1.画出热膨胀曲线（ x轴温度， y轴膨胀 量），根据实验曲线确定不同冷却速度 下的相变开始温度、结束温度。
? 2.汇合3组数据（1至3组为一种，4至6为 另一种），绘在“时间对数x-温度y”的 坐标中，标出转变温度，相应曲线的冷 却速度，得到钢的连续冷却曲线图
思考题
? 本次实验样品与上次高温拉伸样品的区 别是什么?
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热膨胀法测定钢的连续冷却转变图
主讲教师:
一、实验目的
◆1．了解热膨胀法测定CCT图的原理与方
法。
◆2．掌握用动态热－力学模拟试验机测定钢
的连续冷却转变图的方法。
◆3．熟悉Gleeble 1500试验机的基本操作。
二、实验原理
•钢的连续冷却转变图（continuous cooling transformation diagram，简称CCT图）是指过冷奥氏体在连续冷却条件下，转变开始温度和终了温度、转变开始时间和终了时间以及转变的组织、室温硬度与冷却速度之间关系的曲线图。
•影响CCT的主要因素包括化学成分（C、Mn、Si、Mo、Cr、Ni和V等）、测定时的最高加热温度、测定时的加热速度和高温停留时间、应力应变状态以及原始组织。
CCT图的测量方法常见的有热膨胀法、热分析法、金相法和磁性法。
最常用的是热膨胀法，且常配合热分析法和金相法进行测定。
热膨胀法测定钢的CCT图的原理如下：
•同一种金属的不同组织如奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体等有不同的比容。
故当高温奥氏体在连续冷却过程中发生相变时试件的长度（对于用Gleeble 1500动态热一力学模拟试验机测试CCT 图时，长度是指圆柱体试样的直径）将发生变化，并符合下列关系：•式中－试样加热或冷却时全膨胀量。
－相变体积效应引起的长度变化量。
－温度变化引起的长度变化量。
(α为金属的热膨胀系数，ΔT为温度变化量）。
V T
L L L ∆=∆+∆L
∆V L ∆T
L ∆T L T α∆=⨯∆
•当冷却过程中不发生相变时，，因此，即ΔL随温度变化成线性变化。
当冷却过程中发生相变时，，因此，，ΔL偏离线性变化，反映在膨胀曲线上是发生转折，据此转折的切离点可以确定相变的开始温度。
当相变结束
时，，因此，，ΔL随变化温度又成线性变化，从直线的开始点可以确定相变的终了温度。
•用热模拟方法测CCT 图时,用膨胀仪记录ΔL -t(膨胀量－时间）曲线，并记录T －t （温度－时间）曲线（或称温度曲线），如图1所示。
再将上述曲线转化成ΔL -T 曲线，分析曲线的转折变化，即可确定相变点，如图2所示。
V 0
L ∆=T L L T
α∆=∆=⨯∆0V L ∆≠T V L L L ∆=∆+∆0V L ∆=T
L L T α∆=∆=⨯∆
•由于CCT图显示了不同的冷却速度与高温组织转变、临界冷却时间、室温组织及其硬度之间的直接关系（如图3所示），因此为材料热加工（如铸造、焊接、锻压、热处理等）的工艺制定甚至新钢种的成分设计提供了依据。
具体体现在如下几个方面。
•（1）从CCT图上可获得钢的各种临界冷却速度和时间（如获得100％马氏体M的最小冷却速度和最长冷却时间，出现铁素体F的最大冷却速度和最短冷却时间，出现珠光体P的最大冷却速度和最短冷却时间，出现中间组织Z的最大冷却速度和最短冷却时间，以及马氏体完全消失的最大冷却速度和最短冷却时间）。
根据上述数据可评定钢的抗裂纹尤其是热裂纹和冷裂纹的敏感性。
•（2）根据CCT图可估计热加工钢件的组织和性能，分析钢件或者焊接热影响区的韧性。
•（3）根据CCT图可合理制定正确的热加工如热处理、焊接和锻压的加工工艺规范尤其是冷却规范。
三、实验设备及材料•Gleeble 1500动态热－力学模拟试验机，45 钢或40Cr钢试件。
四、实验方法•用动态热－力学物理模拟试验机Gleeble 1500，采用膨胀法测定CCT 图的方法是：用Gleeble 1500主机中的变压器对被测定试样（φ3～10×80～120mm ，在试验过程中其非夹持部分即自由跨度为40～60mm ）通电流，通过试样本身的电阻热加热试样，使其按设定的加热速度加热到最高温度（对于一般热处理的CCT 图，其最高加热温度为A c3＋（50～150）℃，加热升温时间为120～300s ，保温时间为180～300s ），保温一定时间后，控制冷却速度进行冷却（如淬火、空冷，一般通电加热冷却以及充Ar 或N 2气配合通电加热冷却等）。
由于试样两端由通水的冷却块夹持，冷却快，所以整个试样在加热和保温过程中存在一
定的温度梯度，中间段温度高，但当试样足够长（80～120mm）时，热电偶检测的中间部位约有8～18mm 长的均温区。
加热、保温和冷却过程中用径向位移传感器测定均温区的径向位移（或称膨胀量），绘制温度－时间、膨胀量－时间以及膨胀量－温度曲线如图4所示，测定每种冷却速度下试样室温硬度，根据膨胀量－温度曲线确定不同连续冷却过程中的相变点（曲线中的转折点），并根据各种冷却速度下的硬度值，绘制CCT图。
五、实验步骤
•1．实验前仔细阅读并了解Gleeble 1500动态热－力学模拟试验机的基本结构与功能。
•2．了解Gleeble 1500动态热－力学模拟试验机的基本操作。
•3．每人领取一个试样，制定测试步骤，经实验指导教师审核后，分别测定45钢和40Cr 钢在某
冷却速度条件下的热膨胀量与温度之间的关
系，以及该冷却速度条件下试样的平均硬度。
•4．其他同一大组的同学协助并观察正在实验的同学进行实验。
•5．若干大组数据共享，对实验数据进行整理。
六、实验报告要求
•1．写出实验目的、内容和基本原理。
•2．简述实验步骤。
•3．收集本大组和其他大组的实验数据，分别画出45 钢和40Cr钢的一般热处理CCT
图。
图1 热模拟试验测定的温度曲线和膨胀曲线
图2 曲线
∆-
L T
图3 碳钢（0.46％C）的过冷奥氏体连续冷却转变图
（a ）模拟45钢一般热处理的温度-时间以及膨胀量-时间实测曲线（b ）模拟45钢一般热处理的膨胀量-温度实测曲线图4 模拟45钢一般热处理的温度-时间以及膨胀量-温度实测曲线。