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毕业论文完成版

本科毕业论文

题目：

球墨铸铁等温处理的

相变

及机理研究（上贝氏体）

院（部）：

材料科学与工程学院

专业：

金属材料工程

班级：

金本033

姓名：

周兆家

学号：

2003091204

指导教师：

许爱民刘科高

完成日期：

2007年6月24日

目录

摘要·································································II

ABSTRACT···························································III

1前言

1.1选题背景······························································1

1.2贝氏体球墨铸铁现状····················································1

1.3本文研究的目的························································4

2球墨铸铁等温处理相变机理

2.1贝氏体转变机理························································6

2.2贝氏体类型····························································7

2.3球墨铸铁等温处理·····················································8

3实验方案的制定

3.1实验方案的论证························································9

3.2实验方案的制定························································9

3.3结论·································································15

4实验过程及相变分析

4.1实验设备·····························································16

4.2实验步骤·····························································17

4.3实验数据分析························································17

4.4实验结论····························································32

5结论································································33

谢辞·································································34

参考文献·······························································35

摘要

本论文研究的目的是在控制水冷-等温的条件下，获得均匀的上贝氏体+奥氏体的球墨铸铁。

观察在不同条件下得到的显微组织形态，分析组织形成的原因及转化机理。

实验研究发现：

Φ22mm试样采用40℃的水冷却，停留3-5秒、60℃的水停留3-7秒、80℃水停留5-11秒，均能得到均匀上贝氏体+奥氏体组织。

根据IT曲线分析：

随着淬火时间的增长，可以依次获得屈氏体、屈氏体+上贝氏体+残余奥氏体、上贝氏体+残余奥氏体、上贝氏体+下贝氏体+残余奥氏体、上贝氏体+下贝氏体+马氏体+残余奥氏体。

硬度逐渐升高。

观察发现，冷却时间短时，碳的扩散能力较强，形成的铁素体板条较宽，而且条间距离也较大；随着冷却时间的延长，碳的扩散能力下降，形成了羽毛状的上贝氏体，由于硅元素的存在，抑制了碳化物的析出，贝氏体之间以奥氏体为主。

关键词：

水冷-等温；上贝氏体；冷却时间；硅

PhaseTransformationandMechanismStudyofIsothermalTreatment

fortheDuctileCastIron（UpperBininte）

ABSTRACT

Thepurposeofthisresearchpaperisundertheconditionofwatercooling––isothermaltoachieveuniformductilecastironofupperbaininteandaustenite,andoverpassobservingthemicrostructurefeatureswhichgainedatdifferentconditiontoanalyzethecausesandtransformingreactionmechanismofformationorganizing.

Itwillbediscoveredoverpassthisexperimentresearchthat:

theuniformorganizeofupperbaininteandausteniteofΦ22mmsamplecanbegotbyadoptingwaterof40℃tocoolingdownandretaining3-5seconds,adoptingwaterof60℃tocoolingdownandretaining3-7seconds,adoptingwaterof80℃tocoolingdownandretaining5-11secondsseparately.AnalyzedbyITcurvescanget:

tootsie,tootsieandupperbaininteandresidualaustenite,upperbaininteandresidualaustenite,upperbaininteandlowerbaininteandresidualaustenite,upperbaininteandlowerbaininteandmarteniteandresidualaustenitecanbeacquiredinturnalongwiththelengthenofthequenchingtime,andsurfacehardnessrisinggradually.Overpasstheobservationitisdiscoveredthatwhenthetimeofcoolingshorten,thediffusivityofcarbonbecomesstronger,ferritebattenofformativebecomeswider,thedistanceofbaralsobecomesbiger;thediffusivityofcarbondecreaseswiththecoolingtimestretching,andengendersplume-likeupperbainintebecauseoftheexistenceofsiliconelement,thecarbideprecipitationrestrains,theausteniteisthemajorphaseamongthebaininte.

KeyWords:

watercooling-isothermal；upperbaninte；coolingtime；silicon

1前言

1.1选题背景

等温淬火贝氏体球墨铸铁（又称奥氏体—球墨铸铁）具有强度、塑性和韧度都很高的综合机械性能，它显著地优于经过调制处理的球磨铸铁，也优于珠光体—铁素体球墨铸铁。

例如它的抗拉强度可达1000MPa，伸长率可达10%，特别是，这种铸铁有很高的弯曲疲劳强度和良好的耐磨性，因此，等温淬火贝氏铁球墨铸铁的出现被誉为是近40年来铸铁冶金方面的重大成就之一[1～5]。

1949年W.W.Braidwood曾经预言，针状组织（贝氏体）铸铁可能是力学性能最好的铸铁。

1952年美国InternationHarvester公司对球墨铸铁进行了大量的热处理试验，其中包括等温淬火热处理，试验成功的的得到了具有硬度高韧性好而且又耐磨的球墨铸铁，其力学性能为：

抗拉强度1034MPa,屈服强度1760MPa,伸长.率为8%，硬度为340HBS,用这种材质可代替高锰钢制作均用车的履带板[6～9]。

20世纪70年代末，有中国芬兰Kymi公司和美国通用汽车公司彼此独立，又几乎同时地宣布各自研究成功了贝氏体球墨铸铁，均是制作汽车曲线齿椎齿轮。

其中，美国通用汽车公司于1976年宣布，采用等温淬火贝氏体球墨铸铁代替锻钢制作Pontiac轿车的桥曲线齿椎齿轮副取得成功，年生产量达100万副，为此，获得了美国设计奖，还要指出的是，中国研究成功的是下贝氏体球墨铸铁；美国研究成功的是下贝氏体+少部分马氏体组织的球墨铸铁；而芬兰研究成功的是上贝氏体+少量奥氏体组织的球墨铸铁[10～15]。

在这三种贝氏体球墨铸铁中，芬兰研究成功的体积分数为20%~40%的奥氏体，其余上贝氏体基体组织的球墨铸铁，性能最优异。

由于基体组织中是以贝氏体为主；又由于这种贝氏体式要通过等温淬火热处理得到，所以，把这种球墨铸铁叫做等温淬火贝氏体球墨铸铁。

就广义来说，通过等温淬火，可以得到上贝氏体+奥氏体；下贝氏体；下贝氏体+马氏体的基体组织。

这是由于不同的淬火温度所决定的。

1978年以来工程界已知等温淬火贝氏体球墨铸铁的抗拉强度是普通珠光体-铁素体球墨铸铁的两倍，并且，同时又保留了良好的伸长率和冲击韧度[17～20]。

1.2贝氏体球墨铸铁现状

贝氏体球墨铸铁是应用等温淬火的方法生产制造的。

贝氏体等温淬火法是将加热好的工件置于温度高于Ms点的淬火介质中，保持一定时间，使其转变成下贝氏体，然后取出空冷。

该方法的显著特点是在保证有较高强度的同时，还保证有较高的韧性，同时淬火变形也较小[21～25]。

对于有一定尺寸断面和一定尺寸的球墨铸铁件来说，要想获得理想的等温转变处理结果，则采用的等温淬火介质必须具有足够快的冷却速度。

在进行奥氏体等转变时，一般是在淬火介质中采用硝酸盐形成盐浴[27～31]。

用硝酸盐作为淬火介质可以稳定生产合格的贝氏体球墨铸铁件，这在国内外均已广泛应用。

等温淬火后的基体组织不仅取决于含碳量及其它化学成分，也取决于由奥氏体温度冷却等温转变时的过程。

当转变温度为350~470℃时，按一般方式的转变，首先沉淀析出针状的、碳呈过饱和的铁素体，不能再溶解的碳则富集在奥氏体中，此时，奥氏体中的碳的质量分数可达到2%。

随着转变温度的降低，针状铁素体细化。

在转变过程中针状铁素体量增加，并且由于此时奥氏体中碳的含量增加使奥氏体得到稳定。

由于转变时间的不同，可以把转变过程分成三个区，开始时，经短暂的转变之后，因含碳量不足，先形成的奥氏体在室温转变是形成马氏体；在中间区域，当奥氏体的体积分数在25%~50%的情况下，甚至直到-100℃以下，奥氏体也呈稳定状态。

在转变非常缓慢的情况下，不再有硅镍富集，而硅的富集可以抑制碳从高度过饱和的奥氏体中沉淀析出；在第三区域中，大多数析出呈针状或板条状的硅-碳化物，由此，奥氏体变得失稳并变成针状铁素体。

在400℃时保温时间超过1h.,转变的第三阶段就会发生。

另外。

降低转变温度或者附加合金元素，都会显著的阻碍硅-碳化物的沉淀析出[32～35]。

转变温度对基体组织的影响。

在超过400℃时候转变非常快，在实验室条件下，可以得到硅-碳化物；但在实际生产过程中，由于铸铁冷却缓慢，则得到针状铁素体和碳化物。

在低于350℃时候，大部分奥氏体都非常稳定，以致不会发生转变，直到室温把马氏体包围起来。

球墨铸铁中的硅含量高，由此抑制了贝氏体转变时候伴随形成的碳化物，这种由于针状铁素体的形成而使碳富集到残余奥氏体中。

在奥氏体化温度保持足够时间后，则奥氏体中含碳量将富集到足够的程度，乃至它到室温后仍然足够稳定。

这就是奥氏体转变的第一阶段，结果形成针状铁素体和碳富集的、稳定的奥氏体。

此时，基体组织中可含有体积分数为50%的奥氏体。

在奥氏体等温转变温度较低时。

碳的扩散速度明显下降，导致形成非常细小的、针状铁素体和稳定的奥氏体，并在针状铁素体中伴随有少量碳化物的沉淀析出。

在奥氏体温度保持时间不够时，就不可能有足够的碳使奥氏体稳定。

这样就会引起奥氏体转变成马氏体，而这主要取决于冷却到室温这段的冷速。

奥氏体化温度的保持时间也不希望过长，因为这样会导致已呈稳定的奥氏体分解，从而形成铁素体和碳化物，这就是通常所说的奥氏体等温转变的第二阶段。

这样的第二阶段也是应该避免的，因为它通常伴随塑性与韧度的急剧降低。

因此，所希望的球墨铸铁铸铁组织应该是由针状铁素体和相当数量的奥氏体组成。

其中，不希望有碳化物的沉淀析出。

在球墨铸铁中，第二阶段的开始可以在“完成”第一阶段以后显著的延缓。

此段区间，即第一阶段的结束至第二阶段的开始以前的这段区间，称为热处理工艺带（HeatTreatProcessingWindow）。

在此区间内：

针状铁素体合成稳定的奥氏体在形态和成分上只发生很小的变化。

热处理工艺带的长短，取决于许多因素，包括合金元素的含量、合金元素的偏析和等温淬火的温度。

在奥氏体等温转变温度较低时。

第二阶段的发生及其对转变动力学的影响很小，因而他对实际没有很大的关系。

但是合金元素在球墨铸铁开始凝固时所呈现的偏析，则能显著的延缓在显微组织中局部区域发生的的奥氏体等温转变动力学学。

这种在显微组织中局部区域发生的、在转变动力学上的差异，能非常有效的的缩小乃至完全消除这条热处理工艺带。

当奥氏体等温温度超过370摄氏度以上的时候，在第一阶段可以发生无碳针状铁素体的沉淀析出。

由于碳在奥氏体中的扩散速度很快，致使碳从不断长大着的针状铁素体扩散到奥氏体中去，因而显著的增加了奥氏体中的含碳量。

在奥氏体等温转变以后，呈稳定状态的奥氏体中的碳的质量分数经测定为1.5%~2.1%，这样的测量值与硅的质量分数为2.5%的球墨铸铁的理论含碳量相符合。

由此表明，奥氏体冷却至室温后变的稳定，亦即Ms点低于室温。

把Fe-C-Si相图的固相线延长后可以得知，在奥氏体等温转变温度较低时，在转变的组织中，奥氏体的“平均含碳量”应该增加。

但是，奥氏体在等温转变温度较低的情况下，由于碳的扩散速度慢，从而限制了基体的奥氏体中的碳富集的数量。

这就是说，可能在第一阶段同时伴随有碳化物的析出。

可以预期，碳化物的沉淀将导致在针状铁素体-奥氏体相界上形核与长大，并随后被不断长大的针状铁素体所侵吞。

业经发现，这些在第一阶段沉淀析出的碳化物在奥氏体等温转变温度低于320℃时，就会限制已形成的、呈稳定状态的奥氏体的数量与含碳量。

在320~370摄氏度之间进行奥氏体等温转变时，则或者是形成无碳化物的针状铁素体；或者是形成含有碳化物的针状铁素体，这要取决于含硅量以及其他合金元素的影响。

在较低温的奥氏体转变温度进行第一阶段转变时，有碳化物沉淀析出，这是由于碳在奥氏体中的扩散速度明显下降所致。

对奥氏体等温转变的重要细节还有待做更新深入的研究。

球墨铸铁在高温与低温进行奥氏体等温转变时，其转变速率有明显的差异。

关于球墨铸铁奥氏体等温转变取得的重要进展，就是特定的热处理和化学成分对第一阶段和第二阶段转变动力学的影响。

有的合金元素在第一阶段偏析到晶界区域，远离石墨球，这将明显的延缓该区域在第一阶段的转变。

在这种延缓转变的区域内随后冷却时（此时奥氏体中并没有足够的富集碳），将导致奥氏体在局部区域的形成，这种区域在随后的进一步冷却时，将全部或局部的转变成马氏体。

对含有奥氏体的贝氏体球墨铸铁裂纹萌生与扩展的研究表明，这种延缓转变的区域具有脆烈性断裂特征，尽管基体的其他区域具有呈良好塑性与韧性的针状铁素体和奥氏体组织。

在奥氏体进行等温转变时，保持一段时间后，可是成偏析的晶间区域完成第一阶段转变。

三是，这种过长的保温能引起石墨球周围的基体区域开始发生呈脆性的第二阶段转变。

这种靠近石墨球的基体区域和在晶界区域里在转变动力学上的差异，表面在热处理工艺带缩小，甚至发生第一阶段和第二阶段的重合。

当在石磨周围第二阶段转变未开始以前，不可能在晶界区域实现第一阶段转变，此时将出现有很低的塑性和韧性。

为了使贝氏体球墨铸铁具有优异的力学性能，必须对其等温转变热处理的全过程进行严格的控制。

贝氏体球墨铸铁的强度与硬度取决于奥氏体化温度。

合金元素和微区成分偏析则决定了等温转变的力学及人处理工艺带的大小。

要严格控制的工艺参数有：

奥氏体化温度和时间、奥氏体等温转变温度和时间以及淬火冷去速度等。

1.3本文研究的目的

淬火介质一直是当今生产贝氏体球墨铸铁所遇到的主要困难之一。

由于盐浴对环境污染造成很大的影响，为了改善环境，发展了流态床技术进行奥氏体等温转变。

但是流化床随着流速增加超过临界流态化，床层会出现很大的不稳定，发生鼓泡和气体沟流现象。

在更高的流速下，搅动则变得更为激烈而且周围的颗粒运动变得更加活跃。

研究表明，流态床的冷却速度略小于油冷，却远大于空冷。

流态床的冷却能力与床温和风量有关。

床温升高，冷却能力降低；床温降低，则冷却能力增大。

当增大风量时，冷却能力先是增强，在一定的风量下达到最大，以后随风量增加逐渐减弱。

水是使用最早的一种淬火介质，它廉价易得，无毒而且有较强的冷却能力。

生产中用水做淬火介质，如果淬火工艺控制得当，理论上可以得到预期的组织结构。

如果用水作等温介质生产成本将会大大降低，工作环境也会得以改善。

同时贝氏体球墨铸铁的生产成本也将下降。

在本论文中，将使用水为淬火介质，在不同的淬火温度中，得到稳定的贝氏体状态的球墨铸铁。

从而减少对环境和人体的危害，提高工作效率，实现机械化管理。

2球墨铸铁等温处理相变机理

贝氏体转变是过冷奥氏体在介于珠光体转变和马氏体转变温度区间的一种转变，又称为中温转变。

由于贝氏体组织具有良好的综合机械性能，故生产中常将奥氏体化后过冷至中温转变区等温停留，使之获得贝氏体组织，这种操作称为贝氏体等温淬火。

2.1贝氏体转变机理

贝氏体转变包括贝氏体铁素体的生长和碳化物的析出两个基本过程。

贝氏体的转变温度要比马氏体的转变时高，此时碳原子尚有一定的扩散能力，因而当贝氏体中的铁素体以切变共格方式长大时，还伴随着碳原子的扩散很和碳化物从铁素体中脱溶沉淀的过程，所以整个转变过程的速度受碳原子的扩散过程所控制，并且根据温度的不同碳自铁素体中脱溶可以分以下几种形式：

（1）当温度较高时，碳不仅在铁素体中有较高的扩散能力，而且奥氏体中也有相当的扩散能力，故在铁素体成长的过程中可以不断的通过铁素体-奥氏体相界面把碳充分地扩散到奥氏体中去，这样就形成了由板条状铁素体组成的无碳化物贝氏体。

由于转变温度较低，不足以补偿在更高的新相形成时所需消耗的界面能和各种应变能，因而形成的贝氏体铁素体较少；亦即上述转变进行到一定程度的时候会自行停顿下来。

此时铁素体板条显得较宽，而且条间距离也较大。

至于位于铁素体间的富碳奥氏体，在随后的冷却过程中依其稳定形和冷速的不同，则可部分的继续转变为马氏体或者奥氏体的其它分解产物，也可能全部保留下来。

（2）当温度稍低时，虽然碳在铁素体中仍可以顺利扩散，但在奥氏体中扩散却不能充分进行，加之由于过冷度较大，相变驱动力增大，所形成的贝氏体铁素体较多，板条较为密集，这样通过铁素体-奥氏体相界面进入板条间奥氏体中的碳就不能充分向板条束以外的奥氏体重扩散逸去，于是碳便在铁素体板条间以粒状或条状的碳化物析出，于是得到成羽毛状的上贝氏体。

转变温度越低，形成的贝氏体铁素体越多，而且板条也越窄；同时，随着碳的扩散系数减小，使上贝氏体中的碳化物也变得更细小。

（3）当温度较低时，碳在奥氏体中的扩散极困难，在铁素体中扩散也受到相当限制，以致于碳不能长程扩散到铁素体-奥氏体相界面，而只能在铁素体片中短程扩散，在某一定的晶面上偏聚，进而以碳化物的形式析出，从而得到在片状铁素体上分布着的与铁素体长轴成一定交角、排列成行的碳化物的复相组织，即下贝氏体。

转变温度越低，其中碳化物沉淀的弥散度越大，且铁素体中碳的过饱和度越高。

一般认为，上贝氏体中的碳化物为Fe3C型，而下贝氏体中的碳化物则取决于材料的成分、形成温度及持续时间。

贝氏体转变具有如下特点：

（1）贝氏体转变也是一个形核和长大的过程。

贝氏体的形核需要有一定的孕育期，其领先相一般是铁素体，贝氏体转变速度远比马氏体慢。

（2）贝氏体形成时会产生表面浮凸。

（3）贝氏体转变有个一个上限温度，高于该温度则不能形成；贝氏体转变也有一个下限温度，到达此温度则转变即告终。

（4）贝氏体转变也具有不完全性，即使冷至下限温度，贝氏体转变也不能进行完全，随转变温度升高转变的不完整性愈甚。

（5）贝氏体转变时新相与母相奥氏体间存在一定的晶体取向关系。

关于贝氏体转变不完全性的规律，可作如下解释：

一般贝氏体转变总是优先于载贫碳区开始的，随着贝氏体转变量的增加，由于碳不断向奥氏体中扩散，使末转变奥氏体中的碳浓度越来越大，从而增加了奥氏体的化学稳定性而使之难与转变；同时由于贝氏体的比容比奥氏体大，产生了一定的机械稳定化作用，这也不利于贝氏体转变继续进行。

至于转变不完整性随着温度升高愈加显著的原因，可能主要与温度较高时使奥氏体和贝氏体间的自由能差减小，从而使相变驱动力减小有关。

同时也应考虑到，转变温度越高，将越有利于碳原子的扩散而形成更多的柯氏气团，从而增强末转变奥氏体热稳定化的倾向作用。

2.2贝氏体类型

（1）上贝氏体

上贝氏体式在贝氏体转变区较上部的温度范围内形成的。

它是由成束的、大体上平行的板条状铁素体或者渗碳体（有时还有残余奥氏体）所组成的非片层组织。

当其转变量不多时，在光学显微镜下，可以看到成束的条状铁素体自晶界向晶内生长。

形成羽毛状，故有羽毛状贝氏体之称，此时无法分辨其条间的渗碳体。

但是在显微镜下，可以清晰看到上贝氏体中的铁素体和渗碳体的形态。

（2）下贝氏体

下贝氏体是在贝氏体转变区下部的温度范围内形成的，它是由铁素体和碳化物组成的复相组织。

在低碳钢中，这种贝氏体铁素体的形态通常呈板条状，若干个平行排列的板条便构成一束，与板条马氏体很相似。

在高碳钢中，贝氏体铁素体则往往呈片状，各个片之间互成一定交角，于片状马氏体很相似。

在中碳钢中则两种形态的贝氏体铁素体兼而有之。

2.3球墨铸铁等温处理

贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是：

它采用水作为淬火介质，分为快冷—等温两段式操作。

其具体工艺步骤如下：

a.将球墨铸铁加热到奥氏体区并均匀化，保温1-2小时；

b.冷却，即将球墨铸铁迅速放入水中，控制水温和工件在水中停留时间，使工件冷却至上贝氏体区或下贝氏体区附近；

c.等温，将冷却好的工件移至等温炉中进行等温，完成贝氏