1、2021/7/261(最新整理最新整理)钢的热处理西北工业大学第钢的热处理西北工业大学第2章钢的加热转变章钢的加热转变第二章 钢的加热转变6-1 6-1 奥氏体的形成奥氏体的形成6-26-2奥氏体形成机理奥氏体形成机理6-36-3奥氏体形成动力学奥氏体形成动力学6-46-4奥氏体晶粒长大及控制奥氏体晶粒长大及控制6-5 6-5 钢的加热缺陷钢的加热缺陷本章重点本章重点 1.1.奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程 2.2.影响奥氏体形成速度及晶粒长大的因素影响奥氏体形成速度及晶粒长大的因素1 1 奥氏体的形成 奥氏体（AusteniteAustenite）:碳溶于碳溶于-FeFe所形成的固所形成的
2、固溶溶体，存在于共析温度以上，最大碳含量为2.11%,2.11%,奥氏体的组织形态多为多边形等轴晶粒，在晶粒内部往往存在孪晶亚结构2021/7/264研究A A转变的目的 热处理首先要把钢加热，获得热处理首先要把钢加热，获得A A组织，然组织，然后再以不同的方式冷却，发生不同转变，后再以不同的方式冷却，发生不同转变，以获得不同的组织。可以控制以获得不同的组织。可以控制A A转变的条件转变的条件获得理想的获得理想的A A组织，为后续处理做好组织准组织，为后续处理做好组织准备。备。2021/7/265一、奥氏体的结构碳所处的可能位置：碳所处的可能位置：fccfcc八面体中心或棱边八面体中心或棱边中
3、点中点溶解度：理论值溶解度：理论值wc%wc%实际值？实际值？碳原子分布不均匀，碳原子分布不均匀，在在A A中有浓度起伏中有浓度起伏对称点阵畸变，对称点阵畸变，wc%wc%高高点阵常数增大点阵常数增大关于合金关于合金A A2021/7/266二、奥氏体的性能力学性能力学性能塑性好、强度低。（滑移系？固溶强化效果？）塑性好、强度低。（滑移系？固溶强化效果？）冷、热加工成形的工程意义？冷、热加工成形的工程意义？可采取的材料强化手段？可采取的材料强化手段？物理性能物理性能顺磁性。材料研究方面的应用？顺磁性。材料研究方面的应用？比容小（致密度？）。热处理应该考虑的问题？比容小（致密度？）。热处理应该考
4、虑的问题？热膨胀系数大。可以用于热敏功能材料。热膨胀系数大。可以用于热敏功能材料。导热性能差，加热应注意。加热速度？导热性能差，加热应注意。加热速度？化学性能化学性能:抗腐蚀；耐热。抗腐蚀；耐热。2021/7/2672021/7/268三、奥氏体的形成过程三、奥氏体的形成过程相变温度（临界点）相变温度（临界点）平衡相变点：平衡相变点：A1A1、A3A3、AcmAcm实际加热时的相变点：实际加热时的相变点：Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm实际冷却时的相变点：实际冷却时的相变点：Ar1Ar1、Ar3Ar3、ArcmArcm形成条件形成条件Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm以上
5、，有一定的过热度以上，有一定的过热度过热度大，容易形成过热度大，容易形成实际相变温度与加热速度有关，不是固定值，实际相变温度与加热速度有关，不是固定值，加热速度越快，加热速度越快，Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm越高。越高。2021/7/2692021/7/26102 2 奥氏体形成的机理一、珠光体组织向一、珠光体组织向A A转变转变2021/7/2611当加热至当加热至Ac1Ac1稍上温度时，由铁素体渗碳稍上温度时，由铁素体渗碳体两相组成的珠光体转变为单相体两相组成的珠光体转变为单相A A过程过程形核形核长大长大残余碳化物溶解残余碳化物溶解A A的成分均匀的成分均匀化化珠光体类组
6、织珠光体类组织球化体（球状球化体（球状P=F+P=F+球状碳化物）球状碳化物）片状片状P P2021/7/26121、形核球化体球化体优先在晶界的优先在晶界的F/F/碳化物界面上形成碳化物界面上形成其次在晶内的其次在晶内的F/F/碳化物界面上形成碳化物界面上形成片状片状P P优先在优先在P P团的界面上形成团的界面上形成其次其次 在在F/F/碳化物界面上形成碳化物界面上形成相界形核原因相界形核原因碳浓度起伏，如碳浓度起伏，如 F F中高浓度区有利于中高浓度区有利于 向向A A转变转变结构起伏结构起伏晶体结构改组容易晶体结构改组容易能量起伏能量起伏杂质、晶体缺陷多杂质、晶体缺陷多形核形核降低界面
7、能、降低界面能、应变能应变能2021/7/26132021/7/26142 2、长大球化体球化体 A A包围碳化物，使碳化物与包围碳化物，使碳化物与F F分开，分开，A A形成形成F/AF/A和和C/AC/A两个界面，双向推进长大。两个界面，双向推进长大。片状片状P P垂直片方向（在垂直片方向（在A A、F F中存在碳浓度差，引起中存在碳浓度差，引起碳在以上两相中的扩散。为维持相界碳浓度碳在以上两相中的扩散。为维持相界碳浓度的平衡，原始组织的平衡，原始组织F F和碳化物相就会不断溶和碳化物相就会不断溶解）。示意图解）。示意图平行片方向（平行片方向（体扩散体扩散+界面扩散）界面扩散）界面迁移路程
8、短，是主要长大方式界面迁移路程短，是主要长大方式平行方向长平行方向长大速度快大速度快2021/7/26153、残余碳化物的溶解实验证实实验证实F F先溶解先溶解F F先溶解的原因先溶解的原因晶体结构晶体结构碳浓度差异碳浓度差异4、奥氏体成分均匀化2021/7/2616其他钢的奥氏体转变亚共析钢：P转变为A后，F再 转变为A过共析钢：P转变为A后，Fe3C再转变为A低合金钢：P转变与碳钢过程、机理相同，但进程比较慢，相变温度高，时间长。2021/7/2617二、马氏体向A的转变工程意义：工程意义：返修；铸造、锻造等连续冷却组织返修；铸造、锻造等连续冷却组织相变点以上加热：相变点以上加热：同时形成
9、针状和球状两种同时形成针状和球状两种A A，机理机理形成球状形成球状A A是主流；针状是主流；针状A A是初始阶段是初始阶段的过渡组织，随后会转变为球状或合的过渡组织，随后会转变为球状或合并为粗晶粒（组织遗传）并为粗晶粒（组织遗传）2021/7/26181 1、针状A A形核：形核：板条之间有碳化物板条之间有碳化物优先在界面形核优先在界面形核板条之间无碳化物板条之间无碳化物在板条之间形核在板条之间形核加热温度：加热温度：在在Ac1Ac1、Ac3Ac3附近不出现附近不出现加热速度：加热速度：快速或慢速加热容易出现快速或慢速加热容易出现组织遗传：组织遗传：针状针状A A与原与原M M板条有位向关系
10、，粗大板条有位向关系，粗大组织遗传保留。组织遗传保留。P P原始组织一般没有。原始组织一般没有。形成机理：有待研究形成机理：有待研究2021/7/26192 2、球状A A形核形核板条之间板条之间原原A A晶界上晶界上加热速度：适中时出现加热速度：适中时出现无组织遗传：与无组织遗传：与P P向向A A转变相似转变相似2021/7/26203 3 奥氏体形成动力学一、一、A A等温加热形成动力学等温加热形成动力学金相法测定原理：加热金相法测定原理：加热A+PA+P快冷使高温快冷使高温组织固定组织固定冷却后冷却后A A转变为转变为M M，未转变的，未转变的P P在此过程中不变化。在此过程中不变化。
11、A A等温加热形成动力学图特点等温加热形成动力学图特点温度越高，孕育期越短温度越高，孕育期越短中期转变速度快，中期转变速度快，S S形形残余碳化物溶解及残余碳化物溶解及A A均匀化时间长均匀化时间长2021/7/2621二、A A连续加热形成动力学A A连续加热形成动力学图连续加热形成动力学图建立温度建立温度 时间坐标，标时间坐标，标出不同的出不同的加热速度加热速度曲线曲线每一种加热速度取每一种加热速度取1010个试个试样，分别加热到不同温度样，分别加热到不同温度淬火，测定淬火，测定A A转变时对应转变时对应的温度、时间的温度、时间特点特点加热温度升高，相变温度加热温度升高，相变温度升高升高加
12、热速度快，孕育期减少加热速度快，孕育期减少加热速度快，晶粒细化加热速度快，晶粒细化成分不均匀成分不均匀2021/7/2622三、A形成动力学的理论处理1 1、形核率、形核率N N：2-12-1公式公式 A A化温度的影响：化温度的影响：v温度温度相变驱动力相变驱动力 形核率形核率 形核率与临界晶核数目、原子碰撞形核率与临界晶核数目、原子碰撞次数（扩散）成正比次数（扩散）成正比v温度温度原子扩散能力原子扩散能力v温度温度C/C/与与C/C/浓度差浓度差 碳浓度起伏小碳浓度起伏小2021/7/26232 2、长大速度v温度温度扩散系数扩散系数v温度温度碳在碳在A A中的浓度梯度中的浓度梯度 v温度
13、温度 C C/与与C C/和和C Ccem/cem/与与C C/cem/cem浓度差均浓度差均 界面扩散速度界面扩散速度综上所述：温度升高，二者单调升高。综上所述：温度升高，二者单调升高。形核率增加更快。形核率增加更快。动力学公式适宜定性，定量有误差2021/7/2624四、影响A A形成速度的因素加热温度加热温度 ：T AT A化速度化速度 加热速度加热速度 ：V V 转变温度转变温度，转变时间，转变时间 含碳量含碳量 v 亚共析钢亚共析钢C%C%界面多界面多 转变快转变快v过共析钢（半过共析钢（半A A化）化）C%C%碳化物多碳化物多 转变慢转变慢v共析钢共析钢?合金元素合金元素 v 改变
14、相变点；影响扩散系数改变相变点；影响扩散系数v碳化物稳定性好，碳化物稳定性好，A A形成速度慢形成速度慢v合金元素自扩散慢，合金元素自扩散慢，A A形成速度慢形成速度慢原始组织原始组织 v P P 片间距小片间距小 相界面多相界面多 A A化速度化速度v球状球状P P AA化速度化速度4 4奥氏体晶粒长大及控制 一、晶粒与材料性能的关系一、晶粒与材料性能的关系 Hall-Petch Hall-Petch公式：公式：s=s=i i +K+Ky y d d-1/2-1/2二、晶粒度二、晶粒度:设n为放大100倍时每平方英寸面积内的晶粒数，G即为晶粒度。n=2 G-1晶粒越细，晶粒度G数字越大。评定
15、方法评定方法测定尺寸测定尺寸对比评级照片对比评级照片截距法：单位长度上与晶粒相交的数目截距法：单位长度上与晶粒相交的数目2021/7/26271、起始晶粒：加热转变终了时所得的、起始晶粒：加热转变终了时所得的A晶粒晶粒2、实际晶粒：长大到冷却开始时的、实际晶粒：长大到冷却开始时的A晶粒晶粒3、本质晶粒：、本质晶粒：930C保温保温38小时所得的晶小时所得的晶粒，粒，14级：本质粗晶粒钢，级：本质粗晶粒钢，58本质细晶本质细晶粒钢粒度。粒钢粒度。用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。度称为本质晶粒度。与脱氧剂、合金元素有关与脱氧剂、合金元素有关三种晶粒
16、度2021/7/2628本质晶粒度标准试验条件标准试验条件与冶炼工艺有关与冶炼工艺有关与成分有关与成分有关2021/7/2629三、A晶粒长大机理 长大方式：通过界面迁移而长大 驱动力：来自A A晶界的界面能。晶界的界面能。A A晶粒的长晶粒的长大将导大将导致界面能降低P P2 2/R R P P驱动力，驱动力，R R球面晶界曲率半径，球面晶界曲率半径，界面能界面能晶粒越小，界面能越大，长大驱动力越大2021/7/2630四、影响A A晶粒长大的因素1、温度、时间、加热速度 Dkt1/2D晶粒平均直径，k与材料和温度有关的常数，t 加热时间v高温、长时间，晶粒长大，晶界平直高温、长时间，晶粒长
17、大，晶界平直v在某温度下，长大到一定尺寸在某温度下，长大到一定尺寸停止停止2 2、加热速度：快速短时，细化晶粒。、加热速度：快速短时，细化晶粒。随炉升温；到温入炉；高温入炉晶粒大小？随炉升温；到温入炉；高温入炉晶粒大小？3 3、第二相粒子：、第二相粒子：实验结果及近似处理实验结果及近似处理足足够细、数量足够多够细、数量足够多阻碍阻碍A A长大长大4 4、冶炼方法、冶炼方法5 5、合金元素的作用各不相同、合金元素的作用各不相同2021/7/2632阻碍阻碍A A长大的元素：长大的元素：NbNb、TiTi、V V、ZrZr无影响的元素：无影响的元素：CuCu、CoCo加速加速A A长大的元素：长大
18、的元素：MnMn、P P2021/7/2633五、晶粒的控制及生产应用1 1、利用、利用AlAl脱氧细化脱氧细化2 2、加细化晶粒合金元素、加细化晶粒合金元素HSLAHSLA钢强化钢强化3 3、快速加热、快速加热4 4、重结晶细化（正火）、重结晶细化（正火）2021/7/2634六、控制组织遗传组织遗传现象：合金钢构件在热处理时，常出现由于合金钢构件在热处理时，常出现由于锻压、轧制、铸造、焊接等工艺而形锻压、轧制、铸造、焊接等工艺而形成的原始有序粗晶组织。这些非平衡成的原始有序粗晶组织。这些非平衡的粗晶有序组织（马氏体、贝氏体、的粗晶有序组织（马氏体、贝氏体、魏氏组织等）在一定加热条件下所形魏
19、氏组织等）在一定加热条件下所形成的奥氏体晶粒继承或恢复原始粗大成的奥氏体晶粒继承或恢复原始粗大晶粒的现象。晶粒的现象。2021/7/2635组织遗传的控制原则：切断母相与新相的晶体学关系原则：切断母相与新相的晶体学关系n高温回火或退火高温回火或退火获得平衡组织获得平衡组织再再A化化n对于铁素体对于铁素体-珠光体的低合金钢，组织遗传倾珠光体的低合金钢，组织遗传倾向较小，可采用正火来校正过热组织。向较小，可采用正火来校正过热组织。n采用较快速度或中等速度加热可以避免组织采用较快速度或中等速度加热可以避免组织遗传现象发生。对于不同钢种，非平衡组织遗传现象发生。对于不同钢种，非平衡组织加热时不发生组织
20、遗传的加热速度相差很大，加热时不发生组织遗传的加热速度相差很大，需要通过试验确定。需要通过试验确定。n多次循环加热、冷却多次循环加热、冷却破坏取向关系破坏取向关系2021/7/26365 钢的加热缺陷1 1、欠热：温度低、时间短、欠热：温度低、时间短 措施：重新加热措施：重新加热2 2、过热：温度高，粗晶粒、过热：温度高，粗晶粒 措施：重新加热，防止组织遗传措施：重新加热，防止组织遗传3 3、过烧：温度太高，晶界氧化、熔化、过烧：温度太高，晶界氧化、熔化 报废报废2021/7/26374、氧化工件在热处理加热时和氧化性气体发生作用，使表面氧化，并在表面形成氧化皮。Fe在加热温度低于570时：当
21、加热温度高于当加热温度高于570时：时：2021/7/2638 尺寸、表面变化；性能恶化与脱碳现象伴生措施：保护气氛；盐浴；真空加热2021/7/26395 5、脱碳：性能恶化、脱碳：性能恶化脱碳速度大于氧化速度脱碳速度大于氧化速度措施：保护气氛；盐浴；真空加热措施：保护气氛；盐浴；真空加热6 6、变形：尺寸变化或开裂、变形：尺寸变化或开裂 措施：控制加热速度，分段预热措施：控制加热速度，分段预热2021/7/2640小结及作业奥氏体具有良好的塑性、无磁、耐腐蚀、耐热等性奥氏体具有良好的塑性、无磁、耐腐蚀、耐热等性能，其工程应用于成形、不锈钢、耐热钢等。能，其工程应用于成形、不锈钢、耐热钢等。
22、钢的奥氏体在加热温度超过钢的奥氏体在加热温度超过Ac1Ac1以上，有一定的过热以上，有一定的过热度才形成。实际相变温度滞后平衡临界点。度才形成。实际相变温度滞后平衡临界点。球、片状珠光体转变为球、片状珠光体转变为A A属于扩散相变，由形核、长属于扩散相变，由形核、长大、残余碳化物溶解、成分均匀化四阶段构成。大、残余碳化物溶解、成分均匀化四阶段构成。奥氏体可以以等温和连续加热方式形成。温度、加奥氏体可以以等温和连续加热方式形成。温度、加热时间、加热速度、原始组织等均影响奥氏体形成热时间、加热速度、原始组织等均影响奥氏体形成速度。速度。奥氏体的实际晶粒大小对材料性能有明显影响，细奥氏体的实际晶粒大小对材料性能有明显影响，细化奥氏体晶粒是材料强化的重要手段。化奥氏体晶粒是材料强化的重要手段。作业：作业：2 2、5 5、1010、1616 2021/7/26442021/7/26452021/7/26462021/7/26472021/7/2648返回返回2021/7/2649
