过冷奥氏体等温转变的产物是什么

来源:金属热处理工艺学作者:那顺桑

    由图1-10可以看出,过冷奥氏体在A1Mf之间的温度范围内,随着等温温度的不同,所得的转变组织也不同。按转变产物的不同,等温转变可分为三种类型:珠光体型转变、贝氏体型转变和马氏体型转变。下面仍以共析钢为例分析奥氏体等温转变的产物。

共析钢过冷奥氏体等温转变图

图1-10     共析钢过冷奥氏体等温转变图

    (1)珠光体型转变。珠光体型转变的温度在A1至“鼻尖”(共析钢约为550℃)的温度范围内,转变温度较高,也称高温转变。由于转变主要以通过铁原子和碳原子的充分扩散来完成的,所以又称扩散型转变。

    过冷奥氏体在这个温度范围内,由于温度较高,转变产物为珠光体型组织。珠光体的晶核通常在奥氏体晶界处或未溶的碳化物及杂质处生成,由于微观碳浓度的不同,首先在高碳区生成渗碳体晶核,在高温下碳原子向渗碳体的晶核扩散,使晶核长大成一薄片;同时,也使渗碳体薄片周围的奥氏体区成为贫碳区,这为铁素体的生成创造了条件,于是渗碳体薄片的两侧便形成铁素体的晶核。在高温下铁原子不断向铁素体晶核的扩散使铁原子晶核沿渗碳体薄片长大;同时也使铁素体薄片奥氏体一侧的碳含量升高,这又为形成新的渗碳体创造了条件。新的渗碳体的长大,又形成新的铁素体。如此交替地成核和长大,直至形成一个珠光体的晶粒。所以,在显微镜下看到的珠光体组织是黑白相间的片层状组织,其中黑色为渗碳体,白色为铁素体,见图1-4

    在珠光体型转变中,随着等温温度的变化,形成的铁素体和渗碳体片层的厚度不同。等温温度越低,珠光体越细。这是由于等温温度较低时,原子的扩散能力减弱,扩散的距离比较短,所以形成的渗碳体和铁素体的片层比较细。

    奥氏体向珠光体转变的过程也是一个能量转化的过程。在A1温度以下,珠光体的自由能低于奥氏体,高能量的奥氏体转变为低能量的珠光体也是一个自发的过程。

    根据珠光体片层的厚度,珠光体类组织可分为三种:珠光体、索氏体和托氏体。

    1)珠光体。于A1~670℃之间形成,片层较厚,以“P”表示。硬度为160~250 HBW

    2)索氏体。于670~600℃之间形成,片层较薄,在高倍显微镜下才能分辨清楚,以“S”表示,也称细珠光体。硬度为250~320HBW

    3)托氏体。于600~550℃之间形成,片层更薄,只有在电子显微镜下才能分辨出来,用“T”表示,也称极细珠光体。硬度为330400 HBW

    以上情况说明,珠光体、索氏体和托氏体为同一类型的组织,三者之间没有本质区别,只是精细的程度不同,硬度不同;之所以产生这种差异,其原因在于转变温度不同,转变温度越低,组织越细,硬度越高。以上给出的温度区间并无严格的界线。

    (2)贝氏体型转变。贝氏体型转变的温度在曲线“鼻尖”至Ms点(共析钢为240℃)之间的温度范围内,也称中温转变。其产物为贝氏体,用“B”表示。贝氏体也是铁素体和渗碳体的机械混合物,由于贝氏体的转变温度比珠光体低,过冷度大,原子的扩散能力降低,所以贝氏体的形态比珠光体型组织复杂。其性能也与珠光体类组织不同。

    根据贝氏体形态的不同,贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体的形成温度在“鼻尖”至400℃之间,奥氏体中首先形成一排排的铁素体细片。之后,在这些铁素片细片之间析出不连续的碳化物细片,见图1-13a。在显微镜下,其形态呈羽毛状,硬度在42~ 48HRC左右。下贝氏体是在400℃至Ms点之间奥氏体分解的产物。由于下贝氏体的等温温度比较低,原子的扩散能力更低,奥氏体中首先生成竹叶状的铁素体,碳原子只能在铁素体中扩散,析出非常细小的碳化物颗粒,见图1-13b。下贝氏体的显微组织呈竹叶状或黑色针状,硬度为50~ 55HRC左右。

贝氏体组织特征示意图

    1-13    贝氏体组织特征示意图

    a)上贝氏体b)下贝氏体

    上贝氏体和下贝氏体虽然在形态和碳化物的分布上不同,但没有本质的区别,只不过上贝氏体是铁素体片层间分布着细小的碳化物,而下贝氏体是碳化物分布于铁素体的基本上,碳化物弥散度更大而已。

    贝氏体具有较高的硬度和强度,同时也具有较好的塑性,特别是下贝氏体具有较好的综合力学性能,被广泛用于生产中的等温淬火,其目的就是获得下贝氏体组织,以改善钢的力学性能。同时,等温淬火减小了淬火产生的热应力和组织应力,使零件的变形和开裂倾向大大减少。

    (3)马氏体型转变奥氏体快速过冷到Ms点下(共析钢的Ms240℃,Mf点为-50℃),便可得到马氏体,由于转变温度更低,也称低温转变。

    奥氏体在快速冷却到Ms点以下至Mf点,即转变为马氏体。奥氏体快速冷却(一般为水冷或油冷)到Ms点以下时,便立即形成部分马氏体,随着温度的下降,马氏体的数量逐渐增多,在MsMf点之间的组织为马氏体和过冷奥氏体,直至降到Mf点,奥氏体全部转变为马氏体(理论上为全部马氏体,实际上仍有部分残留奥氏体)。

    马氏体形成时,奥氏体由γ-Fe转变为α-Fe,晶格类型也由面心立方品格转变为体心正方晶格。由于转变温度很低,原子失去了扩散能力,碳原子来不及析出,被全部保留在α-Fe中。碳在α-Fe的溶解度为0. 0218%,而在γ-Fe中的溶解度则高达为0.77%,这就极大地超过了碳在α-Fe中的溶解度,使α-Fe处于过饱和状态。所以,马氏体实质上是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。