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      奧氏體在熱處理過程中的轉變


      熱處理是指將固體金屬或合金在一定介質中加熱、保溫和冷卻,以改變材料整體或表面組織,從而獲得所需要的工藝性能。大多數熱處理工藝都要將鋼加熱到臨界溫度以上,獲得全部或部分奧氏體組織,即奧氏體化。


      鋼在加熱時的轉變


      奧氏體的形成

           奧氏體的形成是形核和長大的過程,也是Fe,C原子擴散和晶格改變的過程,分為四步。共析鋼中奧氏體的形成過程如圖1所示。


      • 第一步——奧氏體晶核形成:首先在a與Fe3C相界形核;

      • 第二步——奧氏體晶核長大:晶核通過碳原子的擴散向a和Fe3C方向長大; 

      • 第三步——殘余Fe3C溶解:鐵素體的成分、結構更接近于奧氏體,因而先消失。殘余的Fe3C隨保溫時間延長繼續溶解直至消失;

      • 第四步——奧氏體成分均勻化:Fe3C溶解后,其所在部位碳含量仍很高,通過長時間保溫使奧氏體成分趨于均勻。


      影響奧氏體轉變速度的因素

      (1)加熱溫度和速度增加→轉變快; 

      (2)鋼中的碳質量分數增加或Fe3C片間距減小→界面多,形核多→轉變快; 

      (3)合金元素→鈷、鎳增加奧氏體化速度,鉻、鉬等降低奧氏體化速度。 

      奧氏體晶粒度

      (1)奧氏體晶粒度:奧氏體晶粒越細,退火后組織細,則鋼的強度、塑性、韌性較好。淬火后得到的馬氏體也細小,韌性得到改善。某一具體熱處理或加工條件下的奧氏體的晶粒度叫實際晶粒度。奧氏體化剛結束時的晶粒度稱起始晶粒度,此時晶粒細小均勻。通常將鋼加熱到930±10℃奧氏體化后,保溫8小時,設法把奧氏體晶粒保留到室溫測得的晶粒度為本質晶粒度。用來衡量鋼加熱時奧氏體晶粒的長大傾向。晶粒度為1-4級的是本質粗晶粒鋼,5-8級的是本質細晶粒鋼。前者晶粒長大傾向大,后者晶粒長大傾向小。     


      (2)影響奧氏體晶粒度的因素:第一,加熱溫度越高,保溫時間越長→晶粒尺寸越大。第二,碳質量分數越大晶粒長大傾向增多。加入合金有利于得到本質細晶粒鋼。


      鋼在冷卻時的轉變


       處于臨界點A1以下的奧氏體稱過冷奧氏體。過冷奧氏體是非穩定組織,遲早要發生轉變。冷卻的方式有兩種,第一是等溫冷卻,使其在某個溫度下恒溫轉變,第二是連續冷卻。

      過冷奧氏體

      過冷奧氏體:當溫度在A1以上時,奧氏體是穩定的。在A1以下時,奧氏體處于過冷狀態稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體轉變是在臨界點以下某個恒溫下發生,就稱為過冷奧氏體的等溫轉變。轉變在連續冷卻的過程中發生,稱為過冷奧氏體的連續冷卻轉變。共析鋼過冷奧氏體的等溫轉變曲線(TTT或C曲線)如圖2所示。

      圖2 共析鋼的C曲線

      三種等溫轉變:隨過冷度不同,過冷奧氏體將發生珠光體轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變三種類型轉變。

           ①高溫轉變,A1~550℃,過冷奧氏體→珠光體型組織,此溫區稱為珠光體轉變區,珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物,滲碳體呈層片狀分布在鐵素體基體上,按層間距珠光體組織分為珠光體P、索氏體S和屈氏體T,如圖3所示。

      屈氏體  索氏體   珠光體  

      圖3 不同溫度下的珠光體轉變組織

            形成溫度為A1-650℃,片層較厚,500倍光鏡下可辨,用符號P表示;形成溫度為650-600℃,片層較薄,800-1000倍光鏡下可辨,用符號S表示。形成溫度為600-550℃,片層極薄,電鏡下可辨,用符號T表示。珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無本質區別,只是形態上的粗細之分,因此其界限也是相對的。片間距越小,鋼的強度、硬度越高,而塑性和韌性略有改善。

           珠光體轉變也是形核和長大的過程。滲碳體晶核首先在奧氏體晶界上形成,在長大過程中,其兩側奧氏體的含碳量下降,促進了鐵素體形核,兩者相間形核并長大,形成一個珠光體團。珠光體轉變是擴散型轉變。

           ②中溫轉變,550℃~Ms過冷奧氏體→貝氏體(B),此溫度區稱為貝氏體轉變區。過冷奧氏體在350℃~550℃之間轉變產物稱為上貝氏體。過冷奧氏體在350℃~Ms之間轉變產物稱為下貝氏體。上貝氏體呈羽毛狀,小片滲碳體分布在成排鐵素體片之間。其形成溫度較高,鐵素體片較寬,塑性變形抗力較低,且滲碳體分布在鐵素體片之間,易引起脆斷,強度和韌性都較差。上貝氏體的轉變過程見圖4所示。

      圖4 上貝氏體轉變過程

      下貝氏體呈黑色針狀,鐵素體針內沿一定方向分布細 小的碳化物顆粒。其形成溫度較低,鐵素體針細小,無方向性,碳過飽和度大,位錯密度高。碳化鎢分布均勻,彌散度大,所以硬度高,韌性好,有實際應用價值。下貝氏體的轉變過程見圖5所示。貝氏體的轉變是只有C原子擴散的半擴散型轉變。 

      圖5 下貝氏體轉變過程

      ③低溫轉變,Ms~Mf過冷A→馬氏體(M)。當奧氏體過冷到Ms以下將轉變為馬氏體類型組織,是Fe原子和C原子都不擴散的非擴散型轉變,馬氏體轉變是強化鋼的重要途徑之一。馬氏體是碳在a-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體,用M表示。馬氏體轉變時,奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中。馬氏體具有體心正方晶格(a=b≠c),軸比c/a稱馬氏體的正方度。C%越高,正方度越大,正方畸變越嚴重。當<0.25%C時,c/a=1,此時馬氏體為體心立方晶格。 

      馬氏體的形態分板條和針狀兩類。第一種是板條馬氏體,其立體形態為細長的扁棒狀,在光學顯微鏡下板條馬氏體為一束束的細條組織。每束內條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列,一個奧氏體晶粒內可形成幾個取向不同的馬氏體束。在電鏡下,板條內的亞結構主要是高密度的位錯,r=1012/cm2,又稱位錯馬氏體。第二種是針狀馬氏體,其立體形態為雙凸透鏡形的片狀,顯微組織為針狀。在電鏡下,亞結構主要是孿晶,又稱孿晶馬氏體。馬氏體的形態主要取決于其含碳量,當C%小于0.2%時,組織幾乎全部是板條馬氏體,C%大于1.0%C時幾乎全部是針狀馬氏體,C%在0.2-1.0%之間為板條與針狀的混合組織。其形態與含碳量的關系如圖6所示。

      馬氏體的塑性和韌性主要取決于其亞結構的形式。針狀馬氏體脆性大,板條馬氏體具有較好的塑性和韌性。

      圖6 馬氏體形態與含碳量的關系

      過冷奧氏體的連續轉變:實際生產中多采用連續冷卻,研究連續冷卻更有實際意義。 

            ①共析鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變。共析鋼過冷A的連續冷卻轉變曲線(CCT)如圖7所示。共析鋼的CCT曲線沒有貝氏體轉變區,在珠光體轉變區之下多了一條轉變中止線。當連續冷卻曲線碰到轉變中止線時,珠光體轉變中止,余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉變為馬氏體。 

      圖7 共析鋼過冷奧氏體冷卻曲線

      轉變過程及產物:在緩慢冷卻時,過冷A將轉變為珠光體,其轉變溫度高,珠光體呈粗片狀。以稍快速度冷卻時,過冷A轉變為索氏體,為細片狀組織。采用油冷時過冷A有部分轉變為屈氏體,剩余A在冷卻到Ms線下以后轉變為馬氏體,冷卻到室溫時,還有少量的A留下來,稱為殘余奧氏體。當以很快的速度水冷時,奧氏體過冷到Ms點以下,發生馬氏體轉變,冷卻到室溫也會保留部分殘余A,組織為殘余奧氏體+馬氏體。過冷A為馬氏體低溫轉變過程,轉變溫度在Ms~Mf之間,該溫區稱為馬氏體轉變區。

      ②亞共析鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變 

      爐冷→ F+P

      空冷→ F+S

      油冷→ T+M

      水冷→ M

       ③過共析鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變 

      爐冷→ P+Fe3CⅡ 

      空冷→ S+Fe3CⅡ 

      油冷→  T+M+A'

      水冷→  M+A'

      過共析鋼CCT曲線也無貝氏體轉變區,但比共析鋼CCT曲線多一條A→Fe3C轉變開始線。由于Fe3C的析出,奧氏體中含碳量下降,因而Ms線右端升高。 

      亞共析鋼CCT曲線有貝氏體轉變區,還多A→F開始線,F析出使A含碳量升高,因而Ms線右端下降,如圖8所示。

      圖8a 過共析鋼CCT曲線  

      圖8b 亞共析鋼CCT曲線


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