6.50 钢的固态转变

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二、TTT曲线和CCT曲线
6.5 钢的固态转变
过冷奥氏体在转变过程中有体积膨胀和磁性转变，也有组织和性能的变化，因 此，可以用膨胀法、磁性法和金相－硬度法等多种方法来显示出过冷奥氏体的恒温 转变过程。如共析钢，通过金相－硬度法可测出过冷奥氏体在不同温度下发生转变 的开始时间（一般以1～3％转变量所对应的时间作为转变开始时间）和终了时间 （99％的转变量所对应的时间），把它们标注在温度－时间坐标中，然后分别连接 转变开始点和转变终了点，就可得到该钢的过冷奥氏体的等温转变曲线，如图所示。 该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms 线和转变 结束温度Mf 线。它们多用膨胀法或磁性法测定。由于过冷奥氏体在不同温度下等 温转变历经的时间相差很大，故C曲线的时间坐标常用对数表示。由图中可见，共 析钢C曲线共由五条线构成，A1 线是奥氏体向珠光体转变的临界温度；左右两条 “C”形曲线分别为过冷奥氏体转变开始线和终了线；Ms 和Mf 线分别表示过冷奥氏 体向马氏体转变的开始线和结束线。
6.5 钢的固态转变
6.5 钢的固态转变 钢中的固态相变种类十分丰富，扩散型相变、非扩散型相 变和介于扩散与非扩散型之间的过渡型相变都可以在钢中发生， 这就决定了钢在性能方面的多变性，从而也使得钢在很多方面 得到应用，成为最广泛使用的金属材料。因此，研究钢的固态 转变具有十分重要的实际意义。
金属学中转变一词的广义概念既包括相变，又包括组织 变化，如再结晶只有组织变化而无相变发生，广义上说也可以 称为固态转变。尽管本节所涉及的钢的固态转变均为相变，但 由于所要研究的不仅是相变本身，更强调相变产物的类型、组 织形态及其力学性能。产物的类型、形态在一定程度上受控于 相变过程中的环境状况，故此使用“固态转变”（而不用固态 相变）更能表达本节的确切含义。
图 共析钢中奥氏体形成过程
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一、钢在加热时的转变
6.5 钢的固态转变
（1）奥氏体形核和渗碳体界面上的碳浓度不均匀，原子排列也不规则，处 于能量较高状态，这就从浓度、结构和能量上为奥氏体晶核的 形成提供了有利条件，因此，奥氏体的晶核优先在界面上形成。 （2）奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成以后即开始长大。长大的实质是新相奥氏 体的相界面不断向铁素体和渗碳体方向推移，它是依靠铁、碳 原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到 奥氏体中去而进行的。 （3）残余渗碳体的溶解 实验表明，铁素体向奥氏体转变的速度往往比渗碳体的溶 解要快，因此铁素体总是比渗碳体消失得早。铁素体全部消失 以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩 余渗碳体不断地溶人到奥氏体中去，直至全部消失。 4 材料科学基础
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一、钢在加热时的转变
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钢中的合金元素对奥氏体晶粒大小的影响可归纳为以下几类： • 强烈阻碍晶粒长大的元素有Ti、Zr、V、Nb、Al 等，当其 形成弥散稳定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上， 因而阻碍晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大。 一般阻碍晶粒长大的元素有W、Mo、Cr 等，其阻碍作用随 含量的增多而增强。
钢在加热、冷却时的临界温度 材料科学基础
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一、钢在加热时的转变
6.5 钢的固态转变
1. 奥氏体的形成过程
钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形 成过程为例，并假定共析钢的原始组织为片状珠光体，当加热至Acl以上时 将会发生珠光体向奥氏体的转变。这种转变可用下式表示： α + Fe3C → γ 0.0218w％C 6.69w％C 0.77w％C 体心立方 复杂正交 面心立方 由上式看出，含碳量差异极大、晶体结构不同的两相机械混合物转变 成含碳量介于两相之间、具有另外一种晶格的奥氏体，必然伴随铁、碳原 子的扩散。 奥氏体的形成也遵循相变过程的普遍规律，即包括形核和长大两个基 本过程。它可分为四个基本阶段，如图所示。
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二、TTT曲线和CCT曲线
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④钢的原始组织 一般说来，原始组织越细，碳化物分散度 越大，所得到的奥氏体起始晶粒越细小，晶粒长大倾向越大。 例如，片状珠光体比球状珠光体加热时晶粒易粗化。因为片状 珠光体中相界面多，加热时形核率高，加之片状碳化物表面积 大，溶解快，奥氏体形成速率也快，奥氏体形成后较早地进入 晶粒长大阶段。
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Time-Temperature-Transformation for a Eutectiod Steel
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700
600 500 400 300 200 100 0.1 Bs
Ps
Pf Bf
Pearlite
Bainite
Finish Time
Start Time Ms Mf Martinsite 1 10 100 1000 10,000
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一、钢在加热时的转变
6.5 钢的固态转变
一、钢在加热时的转变 钢在冷却时发生的固态转变如珠光体转变、贝氏体转变、 马氏体转变等其母相均为奥氏体。奥氏体组织的状况如化学成 分、均匀程度、晶粒大小等直接影响冷却转变过程以及转变产 物的组织和性能，因此，研究加热时奥氏体的形成过程具有重 要的意义。 由Fe-Fe3C相图可知，将共 析钢加热到A1以上，全部变为 奥氏体；而亚共析钢和过共析 钢必须加热至A3和Acm以上才 能获得单相奥氏体。
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一、钢在加热时的转变
6.5 钢的固态转变
2．奥氏体晶粒大小及其控制
奥氏体形成以后继续加热或保温，将发生奥氏体晶粒的长 大。由于晶粒长大减少晶界可使界面能减小，因此奥氏体晶粒 长大在热力学上是一种自发趋势。
加热时形成的奥氏体晶粒大小，对冷却后产物的组织和性 能有着重要的影响。奥氏体晶粒细小，则转变产物也细小，其 强度和韧性相应都较高，故需要了解奥氏体晶粒的长大规律， 以便在生产中能控制晶粒大小，获得所需性能。
图
共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
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图 共析钢等温转变曲线
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二、TTT曲线和CCT曲线
6.5 钢的固态转变
C曲线自上而下可分为四个区域：A1 线以上为奥氏体稳定 存在的区域；A1～550℃之间为珠光体转变区，转变产物是珠 光体；550℃～Ms 之间为贝氏体转变区，产物是贝氏体；Ms～ Mf之间为马氏体转变区，产物是马氏体。A1线至Ms 之间自左 至右又可分为三个区域：过冷奥氏体转变开始线以左的区域为 尚未转变的过冷奥氏体区；过冷奥氏体转变结束线以右的区域 为转变产物区；两线所夹的区域为过冷奥氏体和转变产物的共 存区。 由图还可以看出，过冷奥氏体在各个温度下等温并非一开 始就转变，而是历经一定时间后才开始转变，这段时间称为孕 育期（即转变开始线至纵坐标的水平距离）。孕育期的长短反 映了过冷奥氏体稳定性的大小。共析钢约在550℃左右孕育期 最短，表示过冷奥氏体最不稳定，转变速度最快，称为C曲线 的“鼻子”。
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一、钢在加热时的转变
6.5 钢的固态转变
②加热速度 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成 温度越高，因而形核率和长大速率越大，但由于形核率较长大 率随温度增加得更快，使二者的比值会更大，所以可获细小的 起始晶粒。由于温度较高且晶粒细小，反而使晶粒易于长大， 故保温时间不能太长。生产中常采用快速加热短时保温的方法 来细化奥氏体晶粒，甚至可获超细晶粒。 ③钢的化学成分 在一定含碳量范围内随奥氏体中含碳量的 增加，促进碳在奥氏体中的扩散速率及铁原子自扩散速率的提 高，故晶粒长大倾向增大。含碳量超过一定量后(超过共析成 分)，由于奥氏体化时尚有一定数量的未溶碳化物存在，且分布 在奥氏体晶界上，起到了阻碍晶粒长大的作用，反而使奥氏体 晶粒长大倾向减小。
图 钢中晶粒度标准图谱
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一、钢在加热时的转变
6.5 钢的固态转变
（2）奥氏体晶粒大小的控制 钢在奥氏体化时为控制奥氏体晶粒的大小，必须从控制影 响奥氏体晶粒大小的因素去着手考虑。 ①加热温度和保温时间 加热温度越高，晶粒长大速率越快，最终晶粒尺寸越大。 在给定温度下，随保温时间延长，晶粒不断长大。但随时间延 长，晶粒长大速度越来越慢，且最终趋于一个稳定的尺寸。总 之，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，因为 这与原子扩散密切相关。 为获得一定尺寸的奥氏体晶粒，可同时控制加热温度和保 温时间，相比之下，加热温度作用更大。因此，必须要严格控 制。
（1）晶粒大小的表示方法 晶粒大小可用直接测量的晶粒平均直径来表示，也可用单 位体积或单位面积内所包含的晶粒个数来表示，但要测定这样 的数据是很烦琐的，所以目前广泛采用的是与标准金相图片 （标准评级图）相比较的方法来评定晶粒大小的级别。
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一、钢在加热时的转变
6.5 钢的固态转变
通常将晶粒大小分为8级，1级最粗，8级最细。晶粒大小的 级别(N)与放大100倍时每645mm2（1英寸2）面积内的晶粒数(n) 有如下关系：n =2 N–1。通常1－4级为粗晶粒，5－8级为细晶粒， 超过这8个级别范围的晶粒称为超粗或超细晶粒。
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二、TTT曲线和CCT曲线
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1．共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）
奥氏体在临界点以上为稳 定相，不会发生转变，冷却至 临界点以下处于不稳定状态， 将会发生分解，把这种在临界 点以下暂时存在的奥氏体称为 过冷奥氏体。反映过冷奥氏体 等温转变动力学的实验曲线， 称为过冷奥氏体等温转变曲线。 因其形状像英文字母“C”，故 称C曲线，又称TTT(时间、温 度、转变三词的英文缩写)曲 线。
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二、TTT曲线和CCT曲线
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热处理时常用的冷却方式有两种： 一是连续冷却，即将奥氏体化后的钢件以一定的冷 却速度从高温一直连续冷却至室温，在连续冷却过程中完 成的组织转变称为连续冷却转变； 二是等温冷却，即把奥氏体化后的钢件迅速冷却到临 界点以下某一温度，等温保持一定时间后再冷至室温，在 保温过程中完成的组织转变称为等温转变。 由于冷却过程大多不是极其缓慢的，得到的组织是不 平衡组织，因此，Fe-Fe3C平衡相图的转变规律已不适用。 此时，人们利用通过实验测得的过冷奥氏体等温转变曲线 和连续冷却转变曲线来分析奥氏体在不同冷却条件下的组 织转变规律，并用以指导生产实践。