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郑州槽钢:钢在冷却时的状态转变

钢在冷却时的组织转变

钢经过加热、保温形成的奥氏体,在冷却时分解或转变。如果冷却非常缓慢,奥氏体转变按照铁碳合金相图进行,即奥氏体在低温时将转变成珠光体。当冷却方式和速度不同时,所得到的组织和性能就大不一样。郑州槽钢

在A 1 温度以下暂时存在的、处于不稳定的状态的奥氏体称为过冷奥氏体。下面以共析钢为例分析奥氏体在等温冷却时的转变。

一、过冷奥氏体等温转变曲线

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图4-4 过冷奥氏体等温转变曲线把用共析钢制的同样尺寸(φ 1.5mm的圆片)的试样分成若干组,使其奥氏体化后,然后把各组试样分别投入A r1 点以下不同温度,如650℃、600℃、500℃、350℃、230℃的等温盐浴炉中进行等温转变,并每隔一定时间取出其中一个放于显微镜下观察它们的组织变化。测定奥氏体在各个温度下组织转变开始与终了时间最终的组织和性能。将测定结果绘在温度—时间坐标图中,把各试样转变开始点连接起来,形成转变开始线;把各试样转变终了点连接起来,形成转变终了线。这样就得到过冷奥氏体等温转变曲线,如图4-4所示。因为曲线形状像英文字母“C”所以也叫C曲线。

由于过冷奥氏体在不同过冷度下转变经历的时间相差很大,从不足1s至长达几天,在等温转变开始线的左边为过冷奥氏体区,处于尚未转变而准备转变阶段,这段时间称为“孕育期”。在不同等温温度下,孕育期的长短不同。对共析钢来讲,过冷奥氏体在等温转变的“鼻尖”(约550℃)附近等温时,孕育期最短,即说明过冷奥氏体最不稳定、易分解、转变速度最快。在高于或低于550℃时,孕育期由短变长,即过冷奥氏体稳定性增加、转变速度较慢。转变终了线右边为转变结束区,两条C曲线之间为转变过渡区,在C曲线下面还有两条水平线:一条是马氏体开始转变线M s ,一条是马氏体转变终了线M f ,在两条水平线之间为马氏体转变区。

二、过冷奥氏体等温转变产物的组织及性能

根据共析钢过冷奥氏体在不同温度区域内转变产物和性能的不同,可分为高温、中温及低温转变区,即珠光体型、贝氏体型和马氏体型的转变。

1.高温等温转变区—珠光体型转变

共析钢的过冷奥氏体在A r1 ~550℃(鼻温)温度范围内,将发生奥氏体向珠光体转变。分为以下三类:

1)A r1 ~650℃:转变产物为粗片状铁素体+粗片状渗碳体,即珠光体,硬度为HRC15~22。

2)650℃~600℃:转变产物为层片较薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体。这种组织为细珠光体,称为索氏体,用符号S表示,硬度为HRC22~27。

3)600℃~550℃:转变产物为层片极薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体,也称为屈氏体,用符号T表示,硬度为HRC27~43。

珠光体、索氏体和屈氏体实际上都是铁素体和渗碳体的机械混合物,仅片层粗细不同,并无本质差异,它们的电子显微组织如图4-5所示。

图4-5 电子显微组织

(a)珠光体;(b)索氏体;(c)屈氏体

2.中温等温转变区—贝氏体型转变

转变温度在C曲线鼻尖至M s 点之间,即550℃~230℃。转变产物由含碳量过饱和铁素体和微小的渗碳体混合而成,这种组织称为贝氏体,用符号B表示。贝氏体可分为上贝氏体和下贝氏体两种。

1)在550℃~350℃,转变产物在光学显微镜下呈羽毛状,如图4-6(a)所示。铁素体形成许多密集而互相平行的扁片,其间断断续续分布着渗碳体颗粒,这种组织称为上贝氏体(B上 ),硬度为HRC40~45,其强度低、塑性差、脆性大,生产上很少采用。

2)在350℃~M s ,转变产物在光学显微镜下呈黑色竹叶状,如图4-6(b)所示。铁素体形成竹叶状,其内分布着极细小的渗碳体颗粒,称为下贝氏体(B下 ),硬度为HRC45~55。与上贝氏体比较,下贝氏体有较高的硬度和强度,同时塑性、韧性也较好,并有高的耐磨性。因此,生产中常采用等温淬火的方法来获得下贝氏体组织。

图4-6 贝氏体的显微组织

(a)上贝氏体;(b)下贝氏体

3.低温转变区——马氏体型转变

转变温度在M s 及M f 之间。转变特点是:过冷度极大,转变温度很低,碳原子和铁原子的动能很小,都不能扩散。转变产物是碳在α -Fe中的过饱和固溶体,称为马氏体,用符号M表示。

共析钢奥氏体过冷到230℃(M s )时,开始转变为马氏体,随着温度下降,马氏体逐渐增多,过冷奥氏体不断减少,直至-50℃(M f )时,过冷奥氏体才全部转变成马氏体,如图4-7所示。

图4-7 马氏体的显微组织

(a)针状马氏体;(b)板条状马氏体

三、过冷奥氏体的连续冷却转变

在生产实践中,过冷奥氏体大多是在连续冷却过程中发生转变的,如在炉内、空气里、油或水槽中冷却。因此,研究过冷奥氏体连续冷却转变对制定热处理工艺具有现实意义。

图4-8 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线如图4-8所示,图中P s 线是过冷奥氏体转变为珠光体型组织的开始线;P f 线是过冷奥氏体全部转变为珠光体型组织的终了线,两线之间为转变的过渡区;K 线为珠光体转变的终止线,称为上临界冷却速度,它是得到全部马氏体组织的最小冷却速度,又称临界冷却速度;v k 称为下临界冷却速度,它是得到全部珠光体组织的最大冷却速度。当冷却速度小于v k 时,连续冷却转变得到珠光体组织;冷却速度大于v k 而小于v ′k 时,连续冷却转变将得到“珠光体+马氏体组织”。

图4-8中分别表示出了不同冷却速度的冷却曲线。

1)炉冷:相当于退火。它与CCT曲线相交于700℃~650℃,转变产物为粗片状珠光体。

2)空冷:相当于正火情况。它与CCT曲线相交于650℃~600℃,转变后产物为细片状珠光体,即索氏体。

3)油冷:相当于油冷淬火情况,它只与CCT曲线开始转变线相交于鼻尖附近,随后又与M s 线相交,转变产物为屈氏体和马氏体。

4)水冷:相当于水冷淬火情况,它不与CCT曲线相交,而直接与M s 相交并继续冷却,它的组织为马氏体和残余奥氏体。

连续冷却转变由于是在一个温度范围内进行的,往往得到混合组织,如珠光体+索氏体,屈氏体+马氏体等。


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