第5章钢的热处理原理 的超细的化合物颗粒,如AN、A2O3、TiC、ZrC等,它们稳定性很高,不容易聚集;也 不容易溶解,能阻碍晶粒长大。但是,当温度超过晶粒粗化温度以后,由于这些化合物的 聚集长大,或者溶解消失,失去阻碍晶界迁移的作用,奥氏体晶粒便突然长大起来。在本 质粗晶粒钢中不存在这些化合物微粒,晶粒长大不受阻碍,从而随温度升高而逐渐粗化。 钢的本质晶粒度在热处理生产中具有很重要的意义。因为,有些热处理工艺,如渗碳、渗 金属等工艺,必须在高温进行长时间加热才能实现,这时若采用本质细晶粒钢,就能防止 工件心部和表层过热,滲后就能直接进行淬火。若用本质粗晶粒钢就会严重过热。此外, 本质细晶粒钢焊接时,焊缝热影响区的过热程度也比本质粗晶粒钢轻微得多 图53标准晶粒度等级示意图 奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程,其实质是原子在晶界附近的扩 散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒长大。首先,奥氏体形成 后随着加热温度升高和保温时间延长,晶粒急剧长大;其次,加热速度越大,奥氏体转变 时的过热度越大,奥氏体的实际形成温度越高,则奥氏体的形核率越高,起始晶粒越细; 第三,钢中含碳量在一定范围之内,随含碳量的增加,奥氏体晶粒长大的倾向増大,但是 含碳量超过某一限度时,奧氏体晶粒反而变得细小。这是因为随着含碳量的增加,碳在钢 中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加,故加速了奥氏体晶粒长大的倾向性。但是,当 含碳量超过一定限度以后,钢中出现二次渗碳体,随着含碳量的增加,二次渗碳体数量増 多,渗碳体可以阻碍奧氏体晶界的移动,故奥氏体晶粒反而细小:第四,钢中加入适量的 形成难熔化合物的合金元素,如Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta等,强烈地阻碍奥氏体晶粒长大, 使奧氏体晶粒粗化温度升高,因为这些元素是强碳、氮化合物形成元素,在钢中能形成熔 点高、稳定性强、弥散的碳化物或氮化物,阻碍晶粒长大。 52钢在冷却时的转变 奥氏体化后的钢只有通过适当的冷却,才能得到所需要的组织和性能。所以,冷却是 热处理的关键工序,它决定着钢在热处理后的组织和性能
第 5 章 钢的热处理原理 ·93· ·93· 的超细的化合物颗粒，如 AlN、Al2O3、TiC、ZrC 等，它们稳定性很高，不容易聚集；也 不容易溶解，能阻碍晶粒长大。但是，当温度超过晶粒粗化温度以后，由于这些化合物的 聚集长大，或者溶解消失，失去阻碍晶界迁移的作用，奥氏体晶粒便突然长大起来。在本 质粗晶粒钢中不存在这些化合物微粒，晶粒长大不受阻碍，从而随温度升高而逐渐粗化。 钢的本质晶粒度在热处理生产中具有很重要的意义。因为，有些热处理工艺，如渗碳、渗 金属等工艺，必须在高温进行长时间加热才能实现，这时若采用本质细晶粒钢，就能防止 工件心部和表层过热，渗后就能直接进行淬火。若用本质粗晶粒钢就会严重过热。此外， 本质细晶粒钢焊接时，焊缝热影响区的过热程度也比本质粗晶粒钢轻微得多。 图 5.3 标准晶粒度等级示意图 奥氏体晶粒长大基本上是一个奥氏体晶界迁移的过程，其实质是原子在晶界附近的扩 散过程。所以一切影响原子扩散迁移的因素都能影响奥氏体晶粒长大。首先，奥氏体形成 后随着加热温度升高和保温时间延长，晶粒急剧长大；其次，加热速度越大，奥氏体转变 时的过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，则奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细； 第三，钢中含碳量在一定范围之内，随含碳量的增加，奥氏体晶粒长大的倾向增大，但是 含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒反而变得细小。这是因为随着含碳量的增加，碳在钢 中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故加速了奥氏体晶粒长大的倾向性。但是，当 含碳量超过一定限度以后，钢中出现二次渗碳体，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增 多，渗碳体可以阻碍奥氏体晶界的移动，故奥氏体晶粒反而细小；第四，钢中加入适量的 形成难熔化合物的合金元素，如 Ti、Zr、V、Al、Nb、Ta 等，强烈地阻碍奥氏体晶粒长大， 使奥氏体晶粒粗化温度升高，因为这些元素是强碳、氮化合物形成元素，在钢中能形成熔 点高、稳定性强、弥散的碳化物或氮化物，阻碍晶粒长大。 5.2 钢在冷却时的转变 奥氏体化后的钢只有通过适当的冷却，才能得到所需要的组织和性能。所以，冷却是 热处理的关键工序，它决定着钢在热处理后的组织和性能
金属学与热处理 奥氏体经过不同的冷却后,性能明显不同,强度相差几倍。其原因是不同冷却速度下, 奥氏体的过冷度不同,转变产物的组织不同,所以工件性能各异。 521过冷奧氏体的等温转变 生产中冷却的方式是多种多样的。经常采用的有两种:一种是等温冷却,如等温淬火 等温退火等。它是将奥氏体化后的钢由高温快速冷却到临界温度以下某一温度,保温一段 时间以进行等温转变,然后再冷却到室温,如图54中的曲线1所示;另外一种是连续冷 却,如炉冷、空冷、油冷、水冷等。它是将奥氏体化后的钢连续从高温冷却到室温,使奥 氏体在一个温度范围内发生连续转变。如图54中曲线2所示。奥氏体冷至临界温度以下, 处于热力学不稳定状态,经过一定孕育期后,才可转变。这种在临界点以下尚未转变的处 于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体( (supercooling austenite) 保温 时间 54奥氏体不同冷却方式示意图 1一等温冷却2一连续冷却 1.过冷奧氏体等温转变曲线( isothermal trans- formation curve) 过冷奥氏体等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程:转 变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。因其形 状通常像英文字母“C”,故俗称其为C曲线,亦称为TTT图 1)过冷奥氏体等温转变曲线的建立 由于过冷奥氏体在转变过程中不仅有组织转变和性能变化,而且有体积膨胀和磁性转 变,因此可以采用膨胀法、磁性法、金相一硬度法等来测定过冷奥氏体等温转变曲线。现 以金相一硬度法为例介绍共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立过程 将共析钢加工成圆片状试样(10×1.5mm),并分成若干组,每组试样5个~10个 首先选一组试样加热至奥氏体化后,迅速转入A1以下一定温度的熔盐浴中等温,各试样停 留不同时间之后,逐个取出试样,迅速淬入盐水中激冷,使尚未分解的过冷奥氏体变为马 氏体,这样在金相显微镜下就可观察到过冷奥氏体的等温分解过程,记下过冷奥氏体向其 他组织转变开始的时间和转变终了的时间:显然,等温时间不同,转变产物量就不同。 般将奥氏体转变量为1%~3%所需的时间定为转变开始时间,而把转变量为98%所需的时 间定为转变终了的时间。由一组试样可以测出一个等温温度下转变开始和转变终了的间, 根据需要也可以测出转变量为20%、50%、70%等的时间。多组试样在不同等温温度下进 行试验,将各温度下的转变开始点和终了点都绘在温度一时间坐标系中,并将不同温度 下的转变开始点和转变终了点分别连接成曲线,就可以得到共析钢的过冷奥氏体等温转
·94· 金属学与热处理 ·94· 奥氏体经过不同的冷却后，性能明显不同，强度相差几倍。其原因是不同冷却速度下， 奥氏体的过冷度不同，转变产物的组织不同，所以工件性能各异。 5.2.1 过冷奥氏体的等温转变 生产中冷却的方式是多种多样的。经常采用的有两种：一种是等温冷却，如等温淬火、 等温退火等。它是将奥氏体化后的钢由高温快速冷却到临界温度以下某一温度，保温一段 时间以进行等温转变，然后再冷却到室温，如图 5.4 中的曲线 1 所示；另外一种是连续冷 却，如炉冷、空冷、油冷、水冷等。它是将奥氏体化后的钢连续从高温冷却到室温，使奥 氏体在一个温度范围内发生连续转变。如图 5.4 中曲线 2 所示。奥氏体冷至临界温度以下， 处于热力学不稳定状态，经过一定孕育期后，才可转变。这种在临界点以下尚未转变的处 于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体(supercooling austenite)。 图 5.4 奥氏体不同冷却方式示意图 1—等温冷却 2—连续冷却 1. 过冷奥氏体等温转变曲线(isothermal trans-formation curve) 过冷奥氏体等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转 变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。因其形 状通常像英文字母“C”，故俗称其为 C 曲线，亦称为 TTT 图。 1) 过冷奥氏体等温转变曲线的建立 由于过冷奥氏体在转变过程中不仅有组织转变和性能变化，而且有体积膨胀和磁性转 变，因此可以采用膨胀法、磁性法、金相—硬度法等来测定过冷奥氏体等温转变曲线。现 以金相—硬度法为例介绍共析钢过冷奥氏体等温转变曲线的建立过程。 将共析钢加工成圆片状试样(φ 10×1.5mm)，并分成若干组，每组试样 5 个～10 个。 首先选一组试样加热至奥氏体化后，迅速转入 A1以下一定温度的熔盐浴中等温，各试样停 留不同时间之后，逐个取出试样，迅速淬入盐水中激冷，使尚未分解的过冷奥氏体变为马 氏体，这样在金相显微镜下就可观察到过冷奥氏体的等温分解过程，记下过冷奥氏体向其 他组织转变开始的时间和转变终了的时间；显然，等温时间不同，转变产物量就不同。一 般将奥氏体转变量为 1%～3%所需的时间定为转变开始时间，而把转变量为 98%所需的时 间定为转变终了的时间。由一组试样可以测出一个等温温度下转变开始和转变终了的间， 根据需要也可以测出转变量为 20%、50%、70%等的时间。多组试样在不同等温温度下进 行试验，将各温度下的转变开始点和终了点都绘在温度—时间坐标系中，并将不同温度 下的转变开始点和转变终了点分别连接成曲线，就可以得到共析钢的过冷奥氏体等温转