【必懂】一文读懂钢的冷却转变知识返回弹簧技术列表 >>

一、冷却方式
钢的冷却方式主要有两种：等温冷却和连续冷却。
等温冷却：将加热到奥氏体状态的钢快速冷却到某一温度并保温一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。这种方式可以精确控制转变温度和时间，从而得到特定的组织结构和性能。

连续冷却：将加热到奥氏体状态的钢以不同的冷却速度（如空冷、随炉冷、油冷、水冷等）连续冷却到室温。这种方式下的冷却速度会影响奥氏体的转变过程和最终组织。

二、过冷奥氏体等温转变曲线

共析碳钢的C曲线（也称为过冷奥氏体等温转变曲线或TTT曲线）是描述共析碳钢在过冷奥氏体状态下，等温转变温度、时间与转变产物之间关系的曲线。
1、C曲线的各区域划分
过冷奥氏体区：位于C曲线转变开始线左方，表示该区域为过冷奥氏体未发生转变的区域。
转变产物区：位于C曲线转变终了线右方和Ms点以上的区域，表示该区域为过冷奥氏体已经发生转变，形成转变产物的区域。
转变进行区：位于转变开始线与转变终了线之间的区域，表示过冷奥氏体正在发生转变的过程区域。
2、C曲线的各条线及其物理意义
转变开始线：由过冷奥氏体开始转变的点连接起来的曲线，表示在不同温度下奥氏体开始发生转变的时间。
转变终了线：表示在不同温度下奥氏体转变完成所需的时间。
MS线：表示马氏体转变开始温度的水平线，即奥氏体开始转变为马氏体的温度点。
Mf线（有时也称为Mf点）：表示马氏体转变终止温度的水平线，即奥氏体完全转变为马氏体的温度点。
3、C曲线的鼻尖及其意义
共析碳钢的C曲线在550℃左右会出现一个拐点，称为C曲线的鼻尖。该点对应的温度称为鼻温，是奥氏体转变速度最快的温度点。在鼻尖以上部分，奥氏体主要发生珠光体转变；在鼻尖以下部分，奥氏体主要发生贝氏体转变；而在Ms点以下，奥氏体则发生马氏体转变。
4、影响C曲线形状和位置的主要因素
钢的化学成分：含碳量和合金元素会影响奥氏体的稳定性和转变过程。一般来说，含碳量增加会使C曲线右移；合金元素（除Co和Al外）溶入奥氏体中会增大其稳定性并改变C曲线的形状。
奥氏体的组织状态：奥氏体晶粒越细小，单位面积晶界越多，有利于转变产物的形核和长大，从而影响C曲线的位置和形状。
奥氏体化温度和保温时间：奥氏体化温度越高、保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，C曲线位置越右移。
三、过冷奥氏体的连续冷却C曲线

过冷奥氏体的连续冷却C曲线（Continuous Cooling Transformation Curve，简称CCT曲线）是描述过冷奥氏体在连续冷却条件下发生相变过程的重要工具。它反映了过冷奥氏体在不同冷却速度下的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。
1、CCT曲线的定义与意义
CCT曲线即过冷奥氏体连续冷却转变曲线，它记录了在不同冷却速度下，过冷奥氏体转变为不同相（如珠光体、贝氏体、马氏体等）的起始和结束温度及时间。这条曲线对于理解钢的相变过程、优化热处理工艺以及预测钢件的性能具有重要意义。
2、CCT曲线的测定方法
测定CCT曲线的方法通常涉及以下步骤：
准备试样：选择具有代表性的钢样，进行奥氏体化处理，确保所有试样在测定前具有相同的初始组织状态。
连续冷却：将奥氏体化后的试样以不同的恒定速度进行连续冷却，同时记录冷却过程中的温度和时间数据。
转变产物分析：在冷却过程中或冷却后，通过金相分析等方法确定转变产物的类型和数量。
绘制曲线：将不同冷却速度下的转变起始和结束温度及时间数据绘制在“温度-时间对数”坐标图中，形成CCT曲线。
3、CCT曲线的特征
转变区域：CCT曲线通常包括珠光体转变区、贝氏体转变区（对于某些钢种）和马氏体转变区。这些区域分别对应了不同冷却速度下发生的相变过程。
临界冷速：CCT曲线中存在两个重要的临界冷速：上临界冷速（Vk）和下临界冷速（Vk′）。上临界冷速是保证奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷速；下临界冷速则是保证奥氏体在连续冷却过程中全部分解而不发生马氏体转变的最大冷速。
转变复杂性：与等温转变相比，连续冷却转变更为复杂。因为连续冷却过程要先后通过各个转变温度区，可能先后发生几种转变，且冷却速度不同可能导致不同的转变产物和相对量。
4、CCT曲线的应用
热处理工艺制定：通过CCT曲线可以了解不同冷却速度下钢的转变产物和性能变化，从而制定合理的热处理工艺参数如加热温度、保温时间和冷却速度等。
性能预测：根据CCT曲线可以预测钢件在特定热处理条件下的性能如硬度、强度、韧性等。
材料选择：在材料选择过程中，可以通过比较不同材料的CCT曲线来评估其热处理性能和潜在应用。

四、冷却转变类型

钢的冷却转变主要包括珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。
珠光体转变：是高温扩散型转变，通过形核和长大过程完成。珠光体的组织形态随形成温度的降低而变化，片层间距减小，强度和硬度增加，塑性和韧性也较好。

贝氏体转变：在中温区发生，是半扩散型转变。贝氏体有多种形态，如上贝氏体、下贝氏体等，其性能介于珠光体和马氏体之间。

马氏体转变：在低温区发生，是非扩散型转变。马氏体具有高硬度和高强度，但塑性和韧性较差。马氏体的形态有板条状和片状两种，分别对应低碳钢和高碳钢。

五、连续冷却转变与等温转变的关系

关系：
两者都是热处理中奥氏体组织转变的重要方式，对于理解材料的相变行为、制定热处理工艺以及预测材料性能具有重要意义。
在某些情况下，连续冷却转变过程可以通过等温转变图（C曲线）来近似分析，因为连续冷却转变图的测定相对困难。
差异：
转变条件：连续冷却转变是在连续变化的温度条件下进行的，而等温转变则是在特定恒定温度下进行的。
转变过程：连续冷却时，过冷奥氏体是在一个温度范围内完成组织转变的，其组织的转变可能很不均匀，先转变的组织较粗，而后转变的组织较细，往往得到几种组织的混合物。等温转变则是在恒温条件下进行，组织转变相对均匀。
转变产物：由于转变条件的不同，两者可能得到的转变产物类型和比例也会有所不同。例如，共析钢在连续冷却时可能只有珠光体的转变而无贝氏体，而在等温转变条件下则可能观察到更丰富的相变产物。
应用与选择
在实际生产中，选择连续冷却转变还是等温转变取决于具体材料的化学成分、组织状态以及所需的热处理效果和性能要求。连续冷却转变通常用于大规模生产和连续加工过程中，因为其操作简单且成本较低。而等温转变则更适用于需要精确控制组织转变过程和产物类型的场合，如高端材料制备和特殊性能要求的零件生产。

六、影响冷却转变的因素
奥氏体成分：含碳量和合金元素都会影响奥氏体的稳定性和转变过程。例如，含碳量增加会使C曲线右移，合金元素（除Co和Al外）溶入奥氏体中会增大其稳定性并改变C曲线的形状。
奥氏体的组织状态：奥氏体晶粒越细小，单位面积晶界越多，有利于转变产物的形核和长大。
应力和塑性变形：过冷奥氏体在拉应力状态下会加速转变，而在压应力状态下则相反。塑性变形也会加速奥氏体的转变。
七、冷却转变的应用
了解钢的冷却转变知识对于制定热处理工艺具有重要意义。通过控制冷却方式和速度，可以得到具有不同组织结构和性能的钢材，以满足不同的使用要求。例如，淬火工艺就是通过快速冷却使钢获得马氏体组织，从而提高硬度和强度；回火工艺则是在淬火后进行加热和保温处理，以消除内应力和改善韧性。
钢的冷却转变是热处理过程中的关键环节之一，其影响因素众多且复杂。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的冷却方式和速度，以获得理想的组织结构和性能。