1、第三章奥氏体与钢在加热过程中的转变1本章主要内容 奥氏体的结构、组织、性能奥氏体的结构、组织、性能 奥氏体如何形成的奥氏体如何形成的 奥氏体等温形成动力学（速度、影响因素）奥氏体等温形成动力学（速度、影响因素）连续加热时奥氏体的形成连续加热时奥氏体的形成 非平衡组织加热时奥氏体的形成（加热速度、原始非平衡组织加热时奥氏体的形成（加热速度、原始组织）组织）A晶粒长大及控制晶粒长大及控制2研究奥氏体转变的意义 热处理过程一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，其目的在于改变金属内部组织结构使其满足服役条件所提出的性能要求。欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获得A组织（奥氏体化），然后再以不同的方
2、式冷却，发生不同转变，以获得不同的组织。可以控制A转变的条件获得理想的A组织，为后续处理做好组织准备。33.1 奥氏体及其特点奥氏体及其特点4奥奥氏氏体体形形成成温温度度范范围围 奥氏体奥氏体（Austenite）是碳溶于）是碳溶于-Fe所形成的固溶所形成的固溶体，存在于共析温度以上，最大碳含量为体，存在于共析温度以上，最大碳含量为2.11%5 （1）奥氏体定义）奥氏体定义6、（2）奥氏体的晶体结构奥氏体的晶体结构面心立方晶格，面心立方晶格，碳占据八面体间隙碳占据八面体间隙奥氏体稳定存在的温度与合金元素有关 C在在-Fe最大溶解度为最大溶解度为2.11wt%，远小于理论值，远小于理论值20wt
3、%。（八面体间隙半径（八面体间隙半径5.2x10-2nm，C原子半径原子半径7.7x10-2nm)C的溶入使晶格发生的溶入使晶格发生点阵畸变点阵畸变，使晶格常数增大。，使晶格常数增大。C在奥氏体中在奥氏体中分布不均分布不均，有浓度起伏。，有浓度起伏。7碳原子的分布特点：碳原子的分布特点：（3）奥氏体微观组织）奥氏体微观组织与原始组织、加热速度以及加热转变程度有关与原始组织、加热速度以及加热转变程度有关 颗粒状颗粒状经高温保温后，晶粒长大、边界变得平经高温保温后，晶粒长大、边界变得平 直化，直化，呈等轴多边形呈等轴多边形，有些，有些内部有孪晶内部有孪晶 针状针状非平衡态含非平衡态含C量低的钢在两
4、相区以适当速量低的钢在两相区以适当速度加热度加热8（4）奥氏体的性能）奥氏体的性能 硬度、屈服强度均不高硬度、屈服强度均不高 塑性好塑性好（面心立方，滑移系多），易锻造加工（面心立方，滑移系多），易锻造加工 比容小比容小（fcc是最密排的点阵结构），利用此特性是最密排的点阵结构），利用此特性可用膨胀仪来测定奥氏体的转变情况可用膨胀仪来测定奥氏体的转变情况 扩散系数小扩散系数小，使热强性好，可用作高温用钢，使热强性好，可用作高温用钢 导热性差导热性差，线膨胀系数较，线膨胀系数较F和和Fe3C高一倍高一倍 顺磁性顺磁性，可作为无磁性钢，可作为无磁性钢10问题：钢的平衡组织是什么？问题：钢的平衡组织
5、是什么？113.2 钢的奥氏体等温转变钢的奥氏体等温转变 原始组织：加热之前的组织原始组织：加热之前的组织 碳钢的平衡态组织碳钢的平衡态组织 碳钢的非平衡态组织碳钢的非平衡态组织 通过通过缓慢冷却缓慢冷却所得所得到的珠光体以及先到的珠光体以及先共析铁素体与渗碳共析铁素体与渗碳体等组织体等组织 P(pearlite)PF(Ferrite)P Fe3C(Cementite)12平衡组织平衡组织非平衡组织非平衡组织 通过通过较快的速度较快的速度进行冷却时获得的组织进行冷却时获得的组织 如马氏体，贝氏体等。如马氏体，贝氏体等。13马氏体贝氏体3.2.1 奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件14
6、G两相自由能随温度变化曲线两相自由能随温度变化曲线 3.2.1 奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件 两相自由能差两相自由能差：Gv=G-Gp 0 PA条件是：将条件是：将P加热到加热到A1以上以上过热度过热度：转变温度与临界点转变温度与临界点A1之差（之差（T）过热度越大，驱动力越大，转变速度越快过热度越大，驱动力越大，转变速度越快加热速度极慢加热速度极慢时：过热度时：过热度T 0即可发生转变，即即可发生转变，即A1加热速度较快加热速度较快时：在较大的过热度下才能发生相变，好时：在较大的过热度下才能发生相变，好象临界点提高了。象临界点提高了。Ac1在一定加热速度下在一定加热速度下(0
7、.125C/min)实际测得的临界点实际测得的临界点1516c:Calefactionr:Refrigeration加热与冷却速度为加热与冷却速度为0.125C/min对奥氏体转变临界点的影响对奥氏体转变临界点的影响3.2.2 转变机制转变机制 当加热至当加热至Ac1稍上温度时，由珠光体稍上温度时，由珠光体(铁素体铁素体渗碳体渗碳体)转变为单相奥氏体，即：转变为单相奥氏体，即：（Fe3C ）17Ac1以上以上 加热加热0.02C 6.69C 0.77C 体心立方 复杂斜方 面心立方碳含量：碳含量：奥氏体的形成是一个奥氏体的形成是一个渗碳体的溶解渗碳体的溶解，铁素体到奥，铁素体到奥氏体的氏体的点
8、阵重构点阵重构以及碳在奥氏体中的以及碳在奥氏体中的扩散扩散的过程的过程空间点阵：空间点阵：共析钢的奥氏体形成转变过程共析钢转变四个阶段：共析钢转变四个阶段：A形核形核 长大长大 Fe3C溶解溶解 A均匀化均匀化1819共析钢奥氏体的形核（共析钢奥氏体的形核（a）20s（b）25s（c）26s（d）30s（1）奥氏体的形核201.均匀形核均匀形核SiiiVGVAGVGSVGrrGrG32334434均匀0rG均匀SVGGr2*23*)(316SVGGG均匀临界晶核半径新相核胚的半径必须大于临界半径系统新相核胚的半径必须大于临界半径系统才能克服势垒的阻碍，新相才能长大才能克服势垒的阻碍，新相才能长
9、大212.非均匀形核非均匀形核晶体缺陷晶体缺陷（晶界、亚晶界、空位空位、位错位错）能量起伏能量起伏、结构起伏结构起伏、成分起伏成分起伏最大原子扩散速度快、相变应力容易松弛形核形核容易奥氏体的形核奥氏体的形核 形成位置：在形成位置：在F和和Fe3C相界面相界面上通过扩散机制形成。上通过扩散机制形成。原因：原因：1）成分上：在相界面上容易形成）成分上：在相界面上容易形成A所需的所需的浓度起伏浓度起伏(C%)F0.02%，(C%)Fe3C=6.69%,(C%)A=2.11%（居于（居于F和和Fe3C之间）之间）2）能量上：在相界上形核使界面能减小，应变能减小，使）能量上：在相界上形核使界面能减小，应
10、变能减小，使热力学条件更容易满足热力学条件更容易满足GGv+Gs+GE 能量起伏能量起伏3）结构上：相界处原子排列不规则）结构上：相界处原子排列不规则结构起伏结构起伏22（2）A核的长大 通过渗碳体的通过渗碳体的溶解溶解、碳原子的、碳原子的扩散扩散（在（在A或或F中）、中）、A两侧的两侧的界面推移界面推移（向向F和和Fe3C）来进行的。）来进行的。注：碳原子的扩散根据原始组织的不同可能取两注：碳原子的扩散根据原始组织的不同可能取两种形式：种形式：1）C在在A中扩散中扩散 2）C在在F中扩散中扩散23 A长大是通过长大是通过/界面界面和和/Fe3C界面分别向界面分别向和和Fe3C迁移迁移来实现的
11、。由于来实现的。由于/界面向界面向的迁移远比的迁移远比/Fe3C界面向界面向Fe3C界面迁界面迁移来得快，因此当移来得快，因此当已完已完全转变为全转变为后，仍然有一后，仍然有一部分部分Fe3C没有溶解，称为没有溶解，称为残留残留Fe3C。24251.实验现象：实验现象：1)F消失时，组织中的Fe3C还未完全转变 2)测定后发现A中含碳量低于共析成分0.77%2.原因：原因：Fe-Fe3C相图上ES线斜度大于GS线，S点不在CA-F与CA-Fe3C中点，而稍偏右。所以A中平均碳浓度，即(CA-F+CA-Fe3C)/2低于S点成分。当F全部转变为A后，多余的碳即以Fe3C形式存在。继续保温，能使未
12、溶碳渗体溶入继续保温，能使未溶碳渗体溶入A中中!（3）残留渗碳体的溶解（4）A均匀化 渗碳体溶解完后，A成分是不均匀的，原来为渗碳体区域C含量高；原来为铁素体的区域含量低，保温通过C的扩散使A中C分布均匀。26273.2.3 转变动力学转变动力学 形成动力学形成速度 即奥氏体的转变量与温度和时间的关系本节讨论共析钢和亚共析钢的等温形成动力学28一、共析钢A等温形成动力学1.1.等温形成动力学图等温形成动力学图时间时间温度温度转变量转变量关系图关系图动力学曲线共析钢等温形成动力学图292.2.共析钢等温转变动力学图特点共析钢等温转变动力学图特点1）转变需要孕育期2）曲线呈S型 初期：速度随时间加
13、快；50%后：速度下降3）随温度升高，孕育期缩短 速度加快303.3.影响珠光体转变为奥氏体的因素影响珠光体转变为奥氏体的因素 温度温度:形核率与线长大速度随温度升高而增加形核率与线长大速度随温度升高而增加 碳含量碳含量：奥氏体形成速度随：奥氏体形成速度随C%增加而增加增加而增加 原始组织原始组织:P中中Fe3C片厚度和颗粒大小影响片厚度和颗粒大小影响A形成过程形成过程及形成速度及形成速度.片状大于颗粒状；片层越小，速度越大片状大于颗粒状；片层越小，速度越大 合金元素：合金元素：改变临界点位置、影响改变临界点位置、影响C扩散速度；形成扩散速度；形成各种碳化物（各种碳化物（K）31二、亚共析钢A
14、等温形成动力学共析钢临界点以上为单相区加热前组织为P亚共析钢临界点以上为两相区加热前组织为FP321.1.两相区转变的三个阶段两相区转变的三个阶段p A在在F与与P交界面交界面形核后，形核后，快速快速长进长进P,直到直到P全部转变为全部转变为A为止。为止。p A向向先共析先共析F慢速慢速长进。转变停止时为两相组织，等温温度越长进。转变停止时为两相组织，等温温度越高，未转变的高，未转变的F量越少。量越少。p A与与F间的最后平衡。间的最后平衡。结论：亚共析钢在两相区的转变与共析钢相比结论：亚共析钢在两相区的转变与共析钢相比 在相同温度下的在相同温度下的转变要慢得多。转变要慢得多。332.2.亚共
15、析钢亚共析钢A A转变的特点转变的特点 珠光体先转变为奥氏体。受C原子在奥氏体中扩散控制，速度较快。奥氏体向铁素体界面推移，使F慢慢转变为A。受C在铁素体中扩散所控制。C原子作较长距离的扩散，形成速度极慢。转变速度与碳含量有关，碳含量越高，转变速度越快（因为先共析铁素体含量越少）。340.1%C钢奥氏体等温形成图钢奥氏体等温形成图 共析钢的等温形成图共析钢的等温形成图353.3 连续加热时奥氏体的形成连续加热时奥氏体的形成 钢件在实际加热时，钢件在实际加热时，A是在连续加热过程中形成。即是在连续加热过程中形成。即在在A形成过程中，温度还将不断升高。形成过程中，温度还将不断升高。叫做叫做非等温转
16、变非等温转变或或连续加热转变连续加热转变T1T2363.3.1 连续转变动力学图连续转变动力学图共析钢共析钢连续加热连续加热A转变动力学图转变动力学图 共析钢共析钢A等温等温转变动力学图转变动力学图v1v2v3v2v3v4v5组织遗传现象及控制l组织遗传：非平衡粗晶有序组织（马氏体，贝氏体等）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晶粒的现象l形成条件：出现在非平衡组织的钢中。慢速或快速加热会导致组织遗传l控制途径：较快速或中速加热；退火或高温回火消除非平衡组织 淬火马氏体 回火马氏体56本章重点pA的结构、组织、性能pA形成过程的四个阶段pA等温形成动力学的特点，共析钢与亚共析钢
17、对比。p晶粒长大及其影响因素难点：难点：针状奥氏体的形成机理573.3.1 连续转变动力学图连续转变动力学图共析钢共析钢连续加热连续加热A转变动力学图转变动力学图 共析钢共析钢A等温等温转变动力学图转变动力学图v1v2v3v4583.3.2 转变特点转变特点 在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度增大而升高 相变是在一个温度范围内完成的（速度越快，范围越宽）A形成速度随加热速度增加而加快 快速连续加热时形成的A成分不均匀性增大 可以获得超细晶粒（形核率和形核位置）593.4 奥氏体晶粒长大及其控制奥氏体晶粒长大及其控制pA晶粒大小将影响冷却时的转变和转变所得的组织与性能。细小的A晶粒将有利于
18、获得优良的性能pHall-Petch关系：s=i+Kyd-1/2原有材料原有材料超细奥氏体超细奥氏体小小大大晶粒的微细化晶粒的微细化大大小小屈服强度屈服强度 s 屈服强度 i 抵抗位错在晶粒中运动的摩擦阻力，Ky常数，d晶粒直径超细奥氏体结构的应用 日本某钢铁公司开发出粒径约为23m的高强度棒钢的疲劳强度比粒径为20m的钢的抗疲劳强度提高1530。通过晶粒微细化可提高钢材的强度。奥氏体晶粒维持微细状态，强度可高达2500 MPa。细 化 晶 粒 还 可 显 著 提 高 钢 材 的 耐 蚀 性。6061p 晶粒度级别图晶粒度级别图p 1-8级级623.4.1 晶粒度概念及晶粒长大现象晶粒度概念及
19、晶粒长大现象（一）晶粒度（一）晶粒度 设n为放大100倍时每平方英寸in2面积内的晶粒数，则下式中N即为晶粒度。n=2 N-1晶粒越细，N越大。起始晶粒：加热转变终了时所得的A晶粒实际晶粒：长大到冷却开始时的A晶粒本质晶粒：930C保温38小时所得的晶粒14级：本质粗晶粒钢，58级本质细晶粒钢63加热温度对A晶粒尺寸的影响64（二）晶粒长大现象（二）晶粒长大现象p加热转变终了后，随温度进一步升高，时间继续延长，A晶粒将不断长大的现象。p晶粒长大是一自发过程。因为晶粒越大，单位体积内晶粒数越少，晶界面积越小，界面能越小。p正常长大：随温度升高，A不断长大p异常长大：当温度升高到超过某一定值后晶粒
20、随温度升高急剧长大。65晶粒尺寸与保温时间关系晶粒尺寸与保温时间关系 晶粒尺寸与加热温度关系晶粒尺寸与加热温度关系663.4.2 A晶粒长大机理晶粒长大机理 长大方式：通过界面迁移而长大长大方式：通过界面迁移而长大 驱动力：来自驱动力：来自A晶界的晶界的界面能界面能。A晶粒的长大将导晶粒的长大将导致界面能降低致界面能降低 P2/RP驱动力，驱动力，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，长大驱动力越大晶粒越小，界面能越大，长大驱动力越大673.4.3影响影响A长大的因素（长大的因素（I）一、温度、时间、加热速度 Dk1/2 D晶粒平均直径，k与材料和温度有关的常数，加热时间，Q-Fe的扩散激活能过热：晶粒过分长大（在晶界上未发生晶界弱化）的现象过烧：温度过高，A晶粒长大而且在晶界上发生了某些使晶界弱化的变化20exp(/)DKQ kT68混晶正常长大
