《第2章_钢中奥氏体的形成剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章_钢中奥氏体的形成剖析（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 钢中奥氏体的形成,为了使钢件经热处理后能够获得所需的组织和性能，大多数热处理工艺（如淬火、正火和普通退火）都需先将钢件加热至临界点以上，使之转变为奥氏体（称为奥氏体化），然后再以一定的方式冷却使之转变为所需组织。钢加热时形成的奥氏体组织形态对热处理后的组织和性能有很大的影响。,1,第一节 奥氏体的结构、组织和性能,奥氏体的结构 奥氏体组织 奥氏体的性能,2,一、奥氏体的结构,奥氏体是C在-Fe中的固溶体。,C原子在-Fe点阵中处于面心立方晶胞的中心或棱边中点。,一个面心立方晶胞中含有 个Fe原子。,如果所有间隙位置都填满C原子的话，一个晶胞中含有 个C原子。,4,4,3,但实际上，奥氏
2、体的最大碳含量原子百分比为10，说明C原子不可能是填满的状态。这是因为C原子进入间隙位置后将引起点阵畸变，使其周围的间隙位置不可能都填满C原子。 同时C原子的加入会增加奥氏体的晶格参数。,4,5,二、奥氏体的组织,奥氏体的组织通常是由等轴状的多边形晶粒所组成，晶内常可出现孪晶组织。,6,三、奥氏体的性能,奥氏体是钢中的高温稳定相，但若钢中加入足够量的能够扩大相区的元素，则可使奥氏体在室温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态，以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。,7,Fcc结构塑性加工成形性好。 最密排的点阵结构比体积小。 铁原子的扩散系数小热强性好高温用钢。 线膨胀系数大制作热
3、膨胀灵敏的仪表元件； 导热性能差不宜采用过大的加热速度，以免引起工件变形。,8,第二节 奥氏体形成的热力学条件,当温度升高到GSE线以上时，都将得到单相奥氏体。 C在PS之间 C浓度在SE之间,9,奥氏体转变的驱动力是新相奥氏体和母相之间的体积自由能差。,相变阻力是界面能和弹性应变能。,相变过程中系统自由能变化,G =VGV + S+ VGs,奥氏体是在高温下形成，其弹性应变能很小，因此其相变阻力主要是界面能。,10,共析钢奥氏体和珠光体 的体积自由能随温度的 变化曲线：交于1点 （727C）,珠光体（P）和奥氏体（）自由能和温度的关系示意图,727C时，两相自由能相等，相变不会发生,高于A1
4、时，Gv为负值，珠光体将转变为奥氏体。,低于A1时，奥氏体将转变为珠光体。,相变必须在有过热（过冷）的条件下才能进行,原因？,阻力,11,加热（冷却）速度越大，过热（过冷）程度也越大。 加热和冷却时发生转变的温度（即临界点）不在同一温度。 加热时的临界点：Ac1，Ac3，Accm, 冷却时的临界点：Ar1，Ar3，Arcm,加热速度和冷却速度为0.125/min时，临界点的移动,加热(冷却)速度对临界点影响,扩散来不及,12,第三节 奥氏体的形成机制,点阵结构相差很大,碳含量不一样,扩散、重新分布及点阵重构,13,奥氏体转变过程：,奥氏体晶核形成,奥氏体成分均匀化,奥氏体晶核长大,渗碳体溶解,
5、14,一、奥氏体形核,形核位置？,珠光体团边界 铁素体和渗碳体交界面 珠光体团与先共析铁素体之间的界面,过冷度较小：珠光体团边界、铁素体/珠光体界面 过冷度较大：珠光体团内部铁素体/珠光体界面,15,另外，在快速加热时，因为相变过热度大，奥氏体临界晶核半径小，奥氏体成分范围大，所以它也可以在铁素体内部的亚晶界上形核。,16,二、奥氏体晶核的长大,实质/界面和/Fe3C界面向铁素体和渗碳体推移的过程。,17,C C 铁素体转变成奥氏体降低C含量 C-c C- C原子从/c界面向/界面扩散，使渗碳体溶解，界面推进,18,在奥氏体晶体长大过程中，由于/Fe3C相界面处的碳浓度差（Ccem/C/cem
6、）远远大于/相界面处的碳浓度差（C/C/），所以只需溶解一小部分渗碳体就可以使其相界面处的奥氏体达到饱和，而必须溶解大量的铁素体才能使其相界面处奥氏体的碳浓度趋于平衡。 所以，长大中的奥氏体溶解铁素体的速度始终大于溶解渗碳体的速度，故在共析钢中总是铁素体先消失，有剩余渗碳体残留下来。,三、渗碳体的溶解,19,20,一般认为渗碳体的溶解是通过Fe3C中的碳原子向中扩散和铁原子向贫碳Fe3C扩散以及Fe3C向晶体点阵改组来完成的。,21,四、奥氏体的均匀化,渗碳体溶解后，C原子不均匀,继续加热或保温,C原子扩散,C原子趋于均匀,22,形核,长大,渗碳体溶解,奥氏体均匀化,奥氏体的形成过程,23,形
7、核率N,第四节 奥氏体等温形成动力学,线生长速度v,有核相变的形成速度,奥氏体相变,等温条件下，N和v均可近似为常数,24,一、形核率,临界形核半径,临界形核功,均匀形核率,25,共析碳钢奥氏体形核率N与加热温度的关系,奥氏体形成温度T升高时,T N,原因,26,形核急剧增加，有利于形成细小的奥氏体晶粒,T,Gv,形核功G*,形核率N,扩散系数,促进点阵重构,渗碳体的溶解,形核,(C/-C/),所需的碳浓度起伏,形核,27,二、线生长速度,奥氏体的线生长速度与奥氏体的长大机制有关。,奥氏体的线生长速度包括向两侧的推移速度,长大速度,碳在奥氏体中的扩散,碳在铁素体中的扩散,奥氏体位于铁素体和渗碳
8、体之间,28,如果忽略铁素体与渗碳体的浓度梯度，则奥氏体长大时的界面推移速度为,A界面向两侧推移速度与扩散系数DC 以及C含量的浓度梯度dC/dX成正比，与界面两侧碳浓度差CC 成反比。,29,三、奥氏体等温形成动力学曲线,将一组共析碳钢试样迅速加热至AC1点以上不同温度，保温不同时间后在盐水中急冷至室温，测出每个试样中的马氏体转变量（即高温加热保温时的奥氏体形成量），作出各温度下奥氏体形成量与保温时间的关系曲线，即为奥氏体等温形成动力学曲线，如图 (a)所示。,30,共析碳钢奥氏体等温形成图的全部过程,渗碳体的溶解,均化,“终了”线,剩余碳化物,继续保温,不均匀,均匀化,31,在高于AC1温
9、度加热保温时，奥氏体并不立即形成，而是经过一定的孕育期后才开始形成。 加热温度愈高，孕育期就愈短；（鼻尖温度） 奥氏体形成速度在开始时较慢，以后逐渐增大，当奥氏体形成量约为50时最大，以后又逐渐减慢； 加热温度愈高，形成奥氏体所需的全部时间就愈短，即奥氏体形成速度就愈快；,奥氏体转变特点,32,在珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，还需要一段时间使剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化。而在整个奥氏体形成过程中，剩余碳化物溶解，特别是奥氏体成分均匀化所需的时间最长。 对于亚共析钢或过共析钢，当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或过剩相渗碳体的转变。这些转变也需要通过碳原子在奥氏体中扩散以及奥氏体
10、与过剩相之间的相界面推移来实现。,33,四、影响奥氏体形成速度的因素,加热温度 碳含量 原始组织 合金元素,34,加热温度愈高，奥氏体形成速度就愈快。随加热温度的升高，奥氏体的形核率及长大速度均增大，但形核率的增大速率高于线生长速度的增大速率。因此，奥氏体形成温度越高，获得的起始晶粒就越细小。,随着奥氏体形成温度的升高，奥氏体的起始晶粒尺寸减小；同时，相变的不平衡程度增大，在铁素体相消失的瞬间，剩余渗碳体量增多，因而奥氏体基体的平均碳含量降低。,加热温度的影响,35,碳含量增高时，碳化物数量增多，铁素体与渗碳体的相界面面积增大，因而增加了奥氏体的形核部位，使形核率增大,碳含量增高时，碳化物数量
11、增多后，使碳的扩散距离减小,碳和铁原子的扩散系数随奥氏体中碳含量增加,碳含量的影响,碳含量增加,增大形核率,减小C扩散距离,增大扩散系数,延长碳化物溶解和均化时间,加速了奥氏体转变,36,原始组织的影响,组织细小，分散度大,相界面就愈多,浓度梯度增大,扩散速度加快,扩散距离也减小,增大奥氏体的长大速度,片状珠光体,片层间距减小，dC/dx,片层间距减小,相界面较大，渗碳体呈薄片状，易于溶解,37,钢中加入合金元素并不影响珠光体向奥氏体的转变机制，但影响碳化物的稳定性及碳在奥氏体中的扩散系数，并且多数合金元素在碳化物和基体之间的分布是不均匀的，所以合金元素将影响奥氏体的形核和长大、碳化物溶解、奥
12、氏体均匀化的速度。,合金元素的影响,38,合金元素的影响,改变奥氏体化温度,扩大区的元素 Ni，Mn，Cu,缩小区的元素 Cr，Mo，Ti,提高速度,减慢速度,改变奥氏体化速率,强碳化物形成元素 Cr、Mo、 W 、Ti,减慢速度,非碳化物形成元素 Co，Ni,提高速度,C的扩散速度,C的扩散速度,Al、Si等,不明显,C的扩散速度,A1过热度,A1过热度,元素性质,39,第五节 连续加热时奥氏体的形成,在生产实际中，奥氏体往往是在连续加热过程中形成的。 这是因为在生产条件下，加热速度比较快，奥氏体形成过程开始后，由于工件能够吸收的热量超过转变所需的热量，所以温度仍将继续升高。,40,连续加热
13、特点,（1）相变是在一个温度范围内完成的。,（2）相变临界点随加热速度增大而升高。,（3）奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。,（4）成分的不均匀性随加热速度增大而增大。,（5）起始晶粒大小随加热速度增大而细化。,41,（1）相变是在一个温度范围内完成的。 连续加热时奥氏体形成的各个阶段分别在一个温度范围内完成，而且随加热速度增大，各个阶段的转变温度范围均向高温推移并扩大。,连续加热条件下A形成的热分析曲线,加热速度不大时：转变速度小，吸收的热量（相变潜热）q亦很小，外界提供热量Q等于转变消耗热量q，全部热量用于形成A，温度不再上升，出现平台，转变在等温下进行。,加热速度快时：此时Qq，供给热
14、量除用于转变外尚有剩余，将使温度继续上升，但升温速度减慢，因而偏离直线，如图中aa1段。,随转变温度升高，转变速度加快，转变所需热量增加，当达到q=Q时，将出现平台。随转变速度进一步加快，A大量形成，消耗大量热量，导致qQ，温度开始下降，出现a1c段；最后，转变速度逐渐降低，当Qq时，温度复又上升。,42,（2）在一定的加热速度范围内，相变临界点随加热速度增大而升高。 奥氏体形成的开始温度及终了温度均随加热速度增大而升高。所有相变临界点（AC1、AC3、ACcm）在快速加热条件下均向高温移动。,43,（3）奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。,共析碳钢连续加热时的奥氏体形成图,（V1V2V3V
15、4）,各个阶段的转变温度越高； 转变所需的时间越短，即奥氏体的形成速度越快； 奥氏体转变温度范围越大。,加热速度越快：,T1,T2,t2,t1,44,（4）奥氏体成分的不均匀性随加热速度增大而增大。 连续加热时，随加热速度增大，奥氏体形成温度升高，与铁素体相平衡的奥氏体碳浓度C/减小，而与渗碳体相平衡的奥氏体碳浓度C/cem则增大。在快速加热条件下，碳化物来不及充分溶解，碳和合金元素来不及充分扩散，所以会造成奥氏体中碳和合金元素的浓度很不均匀。,45,（5）奥氏体起始晶粒大小随加热速度增大而细化。 超快速加热时相变过热度很大，除铁素体和碳化物的相界面以外，奥氏体也可在铁素体内的亚晶界上形核。 据测定，铁素体亚晶界处的碳浓度可达0.20.3%，在800840以上可能形成奥氏体晶核。所以，超快速加热时奥氏体的形核率急剧增大，并且由于加热时间极短，奥氏体晶粒来不及长大，经适时淬火后可获得超细化的原始奥氏体晶粒，并获得超细化的淬火马氏体组织。,46,综上所述，在连续加热时，随加热速度增大，奥氏体的形成温度升高，使奥氏体的起始晶粒细化；同时，剩余碳化物数量增多，使奥氏体基体的平均碳含量降低。这两个因素都可以使淬火马氏体得到强化和韧化。近年发展起来的快速加热、超快速加热和脉冲加热淬火等强韧化处理新工艺均是建立在这个理论基础上的。,47,第六节 奥氏体晶粒长大及其控制,奥氏体晶粒大小对
