過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變分析

過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

所謂“過(guò)冷奧氏體”是指在相變溫度A₁以下，未發(fā)生轉(zhuǎn)變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體（A’）。在不同的過(guò)冷度下，反映過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與溫度及時(shí)間關(guān)系的曲線稱(chēng)為過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的曲線。由于曲線形狀像字母C，故又稱(chēng)為C曲線，如圖4-24。

圖4-24   共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

共析鋼過(guò)冷奧氏體在Ar₁線以下不同溫度會(huì)發(fā)生三種不同的轉(zhuǎn)變，即珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變。

a. 珠光體轉(zhuǎn)變  共析成分的奧氏體過(guò)冷到Ar₁～550℃高溫區(qū)某溫度等溫停留時(shí)，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織，是由鐵素體和滲碳體的層片組成的混合物。由于過(guò)冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變溫度不同，珠光體中鐵素體和滲碳體片厚度也不同。在Ar₁～650℃范圍內(nèi)，片間距較大，稱(chēng)為珠光體（P）；在650～600℃范圍內(nèi)，片間距較小，稱(chēng)為索氏體（S）；在600～550℃范圍內(nèi)，片間距很小，稱(chēng)為屈氏體（T）。

珠光體組織中的片間距愈小，相界面愈多，強(qiáng)度和硬度愈高；同時(shí)由于滲碳體變薄，使得塑性和韌性也有所改善。

b. 貝氏體轉(zhuǎn)變  共析成分的奧氏體過(guò)冷到550℃～Ms的中溫區(qū)某溫度停留時(shí)，將發(fā)生過(guò)冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變，形成貝氏體（B）。由于過(guò)冷度較大，轉(zhuǎn)變溫度較低，貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)只發(fā)生碳原子的擴(kuò)散而不發(fā)生鐵原子的擴(kuò)散。因而，貝氏體是由于含過(guò)飽和碳的鐵素體和碳化物組成的兩相混合物。

按組織形態(tài)和轉(zhuǎn)變溫度，可將貝氏體組織分為上貝氏體（B_上）和下貝氏體（B_下）兩種。上貝氏體在550～350℃溫度范圍內(nèi)形成的。由于脆性較高，基本無(wú)實(shí)用價(jià)值，這里不予討論；下貝氏體是在350℃～Ms點(diǎn)溫度范圍內(nèi)形成的。它由含過(guò)飽和的細(xì)小針片狀鐵素體和鐵素體片內(nèi)彌散分布的碳化物組成，因而具有較高的強(qiáng)度和硬度、塑性和韌性。在實(shí)際生產(chǎn)中常采用等溫淬火來(lái)獲得下貝氏體。

c. 馬氏體轉(zhuǎn)變  當(dāng)過(guò)冷奧氏體被快速冷卻到Ms點(diǎn)以下時(shí)，便發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成馬氏體（M）。奧氏體為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)快速冷卻抑制珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生，直接過(guò)冷至Ms以下時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)將以切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶體結(jié)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)變溫度較低，原奧氏體中溶解的過(guò)飽和碳原子沒(méi)有能力擴(kuò)散，致使所有溶解在原奧氏體中的碳原子難以析出，使馬氏體體心立方晶格發(fā)生畸變，含碳量越高，畸變?cè)酱螅瑑?nèi)應(yīng)力也越大。馬氏體實(shí)質(zhì)上就是碳溶于α-Fe中過(guò)飽和間隙固溶體。馬氏體的強(qiáng)度和硬度主要取決于馬氏體的碳含量。

當(dāng)Wc低于0.2%時(shí)，可獲得呈一束束尺寸大體相同的平行條狀馬氏體，稱(chēng)為板條狀馬氏體，如圖4-5a所示。

當(dāng)鋼的組織為板條狀馬氏體時(shí)，具有較高的硬度和強(qiáng)度、較好的塑性和韌性。當(dāng)馬氏體中W_c大于0.6%時(shí)，得到針片狀馬氏體，如圖4-5b所示。片狀馬氏體具有很高的硬度，但塑性和韌性很差，脆性大。當(dāng)W_c在0.2%～0.6%之間時(shí)，低溫轉(zhuǎn)變得到板條狀馬氏體與針狀馬氏體混合組織。隨著碳含量的增加，板條狀馬氏體量減少而針片狀馬氏體量增加。

實(shí)際生產(chǎn)中，馬氏體轉(zhuǎn)變不是等溫轉(zhuǎn)變，而是在一定溫度范圍內(nèi)（M_s～M_f）快速連續(xù)冷卻完成的轉(zhuǎn)變。隨溫度降低，馬氏體量不斷增加。而實(shí)際淬火操作時(shí)，冷卻只進(jìn)行到室溫，這時(shí)奧氏體不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，還有部分奧氏體未發(fā)生轉(zhuǎn)變而保留下來(lái)，稱(chēng)為殘余奧氏體。過(guò)多的殘余奧氏體會(huì)降低鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而且因殘余奧氏體為不穩(wěn)定組織，在鋼件使用過(guò)程中易發(fā)生轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起變形、尺寸變化，從而降低工件精度。因此，生產(chǎn)中常對(duì)硬度要求高或精度要求高的工件，淬火后迅速將其置于低于M_f的溫度下，促使殘余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成馬氏體，這一工藝過(guò)程稱(chēng)為“冷處理”。

亞共析鋼和過(guò)共析鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線與共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線相比，除了C曲線分別多出一條先析鐵素體析出線或先析滲碳體析出線外，形態(tài)相似。通常，亞共析鋼的C曲線隨著含碳量的增加而向右移，過(guò)共析鋼的C曲線隨著含碳量的增加而向左移。故在碳鋼中，共析鋼的C曲線最靠右，其過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定。