7.3 钢的过冷奥氏体转变曲线

临界冷却速度越小，奥氏体越稳定，因而即使在较慢的冷却速 度下也会得到马氏体。这对淬火工艺操作具有十分重要的意义。
1、过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立 通常应用膨胀法、金相法和热分析法来测定过冷奥氏体连
续冷却转变曲线。为了提高测量精度，常配合使用金相法和热 分析法。
2、过冷奥氏体连续冷却转变曲线的分析 共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线最简单（见图
KK′线为转变的中止线，当冷却曲 线碰到此线时，过冷奥氏体就中止向 珠光体型组织转变，继续冷却到Ms点 以下，剩余的奥氏体转变为马氏体。 Vk称为CCT曲线的临界冷却速度， 它是获得全部马氏体组织（实际还含 有一小部分残余奥氏体）的最小冷却 速度。
图7.19共析钢
●可以看出：不同的冷却速度连续冷却时，过冷奥氏体将会转变 为不同的组织。通过连续转变冷却曲线可以了解冷却速度与过冷 奥氏体转变组织的关系。根据连续冷却曲线与CCT曲线交点的位置， 可以判断连续冷却转变的产物。 ●由图中可知，冷却速度大于Vk时，连续冷却转变得到马氏体组 织；当冷却速度小于Vk′时，连续冷却转变得到珠光体组织；而冷 却速度大于Vk′而小于Vk时，连续冷却转变将得到珠光体＋马氏体 组织。
金属学与热处理原理
第七章 钢在加热和冷却时的转变
7.3 钢的过冷奥氏体转变曲线
主讲教师 从善海
材料与冶金学院 金属材料工程系
2007年9月
7.3 钢的过冷奥氏体转变曲线
过冷奥氏体—在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥 氏体。 过冷奥氏体将发生分解，向珠光体或其它组织转变。在热处理生产 中，奥氏体的冷却方式可分为两大类： 等温冷却—将奥氏体状态的钢迅速冷至临界点以下某一温度保 一定时间，使奥氏体在该温度下发生组织转变，然后再冷至室温 （课本图7.15中曲线1所示）。 连续冷却——将奥氏体状态的钢以一定速度冷至室温，使奥氏体在 一个温度范围内发生连续转变（课本图7.15中曲线2所示）。
和其它性能的变化，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-硬度法为例介绍共折钢过冷 奥氏体等温转变曲线的建立过程。
曲线的建立
金相法 膨胀法 热分析法
将共析钢加工成Ф10×1.5mm圆片状试样，并分成若干组，每 组试样5~10个。首先选一组试样加热至奥氏体化后，置于一定温 度的恒温浴槽中冷却，停留不同时间之后，逐个取出试样，迅速 淬入盐水中激冷，使尚未转变的奥氏体转变为马氏体，因此，马 氏体量即未转变的过冷奥氏体量。显然，等温时间不同，转变产 物量就不同。
转变终了线以右，Mf以下为转变产物区；而转变开始线与转变 终了线之间为转变过渡区。
最上面一条水平虚线表示钢的临界点A1，即奥氏体与珠光体 的平衡温度。
下方的一条水平虚线表示马氏转变开始温度，Ms以下还有 一条水平线Mf为马氏体转变终了温度。
在A1温度以下，过冷奥氏体转变开始线与纵坐标之间的水 平距离为过冷奥氏体在该温度下的孕育期，孕育期的长短表示 过冷奥氏体稳定性的高低。
3、影响过冷奥氏体等温转变曲线的因素 影响过冷奥氏体等温转变曲线的形状主要有钢的化学成分、奥
氏体化温度和保温时间等。
图7.18 亚共析钢、共析钢和过共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
(1)含碳量的影响 图7.18是亚共析钢和过共折钢过冷奥氏体等温转变曲线，
与共析钢过冷典氏体等温转变曲线相比，这类钢的过冷奥氏 体等温转变曲线上多出一条先共析相析出线。在发生珠光体 转变之前，在亚共析钢中先析出先共析铁素体，在过共析钢 中先析出先共析渗碳体。
(3)奥氏体状态的影响 »奥氏体晶粒细小，有利于先共析转变和珠光体转变，使珠光体转变 线左移。（晶界总面积增加，有利于新相的形核和原子的扩散） »晶粒粗大，使Ms点升高，加快马氏体转变。 »奥氏体成分越均匀，则C曲线就越往右移，（新相形核和长大过程 中所需要的时间就越长）
总之：奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒 越粗大，奥氏体的成分也越均匀，从而增加奥氏体的稳定性，使C曲 线向右移。反之，奥氏体化温度越低，保温时间越短，则奥氏体晶 粒越细，未溶第二相越多，奥氏体越不稳定，使C曲线向左移。
●过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT图)反映了在连续冷却条件下过 冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物的组织与性能的依据，也是制 订热处理工艺的重要参考资料。 注意：实际热处理常常是在连续冷却条件下进行的，其转变规律与等 温转变相差很大，它是在一个温度范围内发小的转变，几种转变往往 是重叠的，转变产物常常是不均匀的混合组织。
图7.22(b)为亚共析钢过冷奥氏连续冷却转变曲线，它与共析钢相比有较 大的差别。曲线中出现了先共析铁素体析出区和贝氏体转变区，且此线 右端降低，这是由于先共析铁素体的析出和贝氏体转变使周围奥氏体富 碳所致。从图中还可以看出，随着冷却速度的增大，铁素体析出量、
图7.22(b)
3、过冷奥氏体连续冷却转变曲线与等温转变曲线的比较 （以共析钢为例） ●将连续冷却转变曲线与等温转变曲线叠绘在同一个温度—时间 半对数坐标系中进行对比，连续冷却转变曲线位于等温转变曲线 的右下方，这说明在连续冷却转变过程中过冷奥氏体的转变温度 低于相应的等温转变时的温度，且孕育期较长。 ●等温转变的产物为单一的组织。而连续冷却转变是在一个温度 范围内进行的，可以把连续冷却转变看成是无数个微小的等温转 变过程的总和，转变产物是不同温度下等温转变组织的混合组织。 ●共析钢和过共析钢中连续冷却时不发生贝氏体转变，这是出于 奥氏体的碳浓度高，使贝氏体转变的孕育期延长，在连续冷却时 贝氏体转变来不及进行便冷却至低温。
7.19）。它只有珠光体转变区和马氏体转变区，没有贝氏体转 变区，说明共析钢在连续冷却过程中不会发生贝氏体转变。珠 光体转变区由三条曲线构成。图中左边一条线为过冷奥氏体转 变开始线，右边一条线为过冷奥氏体转变终了线，两条曲线下 面的连线为过冷奥氏体转变中止线。Ms和冷速Vc线以下为马 氏至此点以下发生马氏体转 变，冷至Mf点转变终止，最终得到马氏体+残余奥氏体组织。
Vc表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部 冷至此点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称为上临界 冷却速度或临界淬火速度；
Vc´表示过冷奥氏体全部得到珠光体的最大冷却速度， 称为下临界冷却速度。
2.过冷奥氏体转变曲线的用途： ●过冷奥氏体等温转变曲线（TTT图）反映了过冷奥氏体在等温 条件下的转变规律，用来参考性指导等温淬火、等温退火等热 处理工艺的制订。
(4)形变的影响方 形变会细化奥氏体晶粒，或者增加亚结构，因
此，奥氏体在高温或低温进行形变也会显著影响珠 光体转变速度。一般来说，形变量越大，奥氏体向 珠光体转变速度越快，珠光体转变线越向左移。
二、过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）
Ps线：过冷奥氏体转变为珠光体的 开始线，
Pf为转变终了线，两线之间为转变过 渡区。
●为什么过冷奥氏体的孕育期和转变速度与等温温度之
间具有这种变化规律呢？
这是因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制： 一个是旧相与新相之间的自由能差ΔG ；另一个是原子的 扩散系数D。 等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，则加快 过冷奥氏体的转变速度；但原于扩散系数却随等温温度降 低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。高温时，自 由能差ΔG起主导作用；低温时，原于扩散系数D起主导作 用。处于“鼻尖”温度时，两个因素综合作用的结果，使 转变孕育期最短，转变速度最大。
再用金相法确定在给定温度下，保持一定时间后的转变产物类 型和转变量的百分数。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。
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 时间，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-时间半对数坐标系中， 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变曲线，如下 图7.8所示。
体中都增加过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线 向右移，并使Ms点降低。 »其中Mo的影响最强烈，W、Mn和Ni的影响也很明显， »Si和A1的影响较小。 »钢中加入微量的B可以明显地提高过冷奥氏体的稳定性，但随
含碳量的增加，B的作用逐渐减小。 »Co降低过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温转变曲线向
左移动。
②碳化物形成元素，主要有Cr、Mo、W、V、Ti等、溶入 奥氏体中除在不同程度上降低珠光体和贝氏体的转变速度，使 过冷奥氏体等温转变曲线向右移动外，还能改变其形状。其中 有些合金元素升高到珠光体转变的温度范围，降低贝氏体转变的 温度范围，使珠光体和贝氏体两种转变温度范围相互分离，形成 两个鼻子，其间出现了一个过冷奥氏体的稳定区，图7.19为Cr对 Wc0.5％的钢过冷奥氏体等温转变曲线的影响。
一、过冷奥氏体等温转变曲线（TTT图） 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伴随体积膨胀、磁性转变以及组织
在A1以下，随等温温度降低，孕育期缩短，过冷奥氏体转 变速度增大，在550℃左右共析钢的孕育期最短，转变速度最 快。此后，随等温温度下降，孕育期又不断增加，转变速度减 慢。在孕育期最短的温度区域，C-曲线向左凸，俗称C-曲线的 鼻子。过冷奥氏体转变终了线与纵坐标之间的水平距离则表示 在不同温度下转变完成所需要的总时间。转变所需的总时间随 等温温度的变化规律也和孕育期的变化规律相似。
图7.8 共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
2、过冷奥氏体等温转变曲线的分析（图7.8）
转变开始线：反映过冷奥氏体相应于一定温度开始转变为其它组 织的时间；