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1、钢的热处理原理 第一章钢的加热转变 奥氏体的形成 不同温度下铁的几种同素异晶体 Ac1 Ac3 Acm 铁碳相图 Fe3C的结构 C原子组成正交点阵 共析钢冷却时的组织变化 650 600 珠光体显微结构 534 487 珠光体显微结构 亚共析钢冷却时的组织变化及先共析铁素体的形态 过共析钢冷却时的组织变化 Acm Ac3 Ac1 Ar3 Ar1 实际热处理时 临界点温度是随加热或冷却速度而改变 加热速度越大 这些点偏离平衡位置越远 1奥氏体形成的热力学条件 相变驱动力 相变阻力项 临界温度Tc时 自由能变化为零 热力学条件 奥氏体转变需要一定的过热度 奥氏体的形成机理 奥氏体形成的两种方式
2、1 扩散方式2 非扩散方式 扩散方式进行的奥氏体转变 奥氏体的形成符合相变的普遍规律 通过形核长大方式进行 临界晶核的形成需要一定的能量起伏和浓度起伏 形核地点 晶界 亚晶界 晶体缺陷 非金属夹杂区域 最有利的形核地点 珠光体中铁素体和渗碳体的相界面 C k C C原子在奥氏体内扩散 破坏了相界面上的平衡浓度 为恢复和保持平衡浓度 渗碳体和铁素体必需溶解到奥氏体内 C C C C 特点 铁素体先消失 碳化物后溶解 原因 1 渗碳体与奥氏体界面高的碳浓度差 2 渗碳体复杂的晶体结构 奥氏体的形成过程 以共析钢为例 1 奥氏体在铁素体 渗碳体界面上形核 2 晶核向铁素体和渗碳体两侧长大 3 铁素体
3、完全转变后 剩余的渗碳体继续向奥氏体中溶解 4 奥氏体中碳的扩散均匀化 珠光体向奥氏体等温转变示意图 奥氏体的形成过程 原始组织 746 保温5秒 746 保温15秒 746 保温60秒 共析钢高温奥氏体的显微组织 1000倍 奥氏体形成的动力学 1 奥氏体等温形成动力学曲线动力学曲线的做法 将若干小试样以很快的速度加热到Ac1温度以上不同温度 保温不同时间 测出每个温度下不同保温时间试样中奥氏体的量 奥氏体等温形成动力学曲线 这里t表示温度 2 奥氏体等温转变规律 1 转变初期和转变后期 转变速度较小 转变量50 左右时 转变速度最大 2 奥氏体的形成有孕育期 温度越高 孕育期越短 3 温度
4、越高 转变所用时间越短 2 3 两点的原因 1 G大 2 过热度大 临界晶核尺寸小 浓度起伏低 3 温度高原子扩散速度快 4 奥氏体内碳浓度差越大 3 影响奥氏体形成速度的因素 1 温度 2 钢的原始组织 3 加热速度 4 钢的化学成分 钢的原始组织对奥氏体形成速度的影响 细化原始组织 增加原始组织中的晶格畸变及各种缺陷 将提高系统的自由能 降低其稳定性 因而增加奥氏体的形核率和长大速度 例如片状珠光体向奥氏体的转变速度大于颗粒状珠光体 原因是片状珠光体界面积大 原始组织缺陷越多 奥氏体的形成速度越高 钢的化学成分对奥氏体形成速度的影响 1 碳含量越高 渗碳体含量越多 与 相界面越大 扩散系数
5、越大 形核率越高 2 Cr Mo W V等碳化物形成元素 无论是以固溶的形式存在于铁素体中还是以合金碳化物的的形式存在于钢中 都阻碍碳的扩散 降低奥氏体的形成速度 3 Ni Co等非碳化物形成元素 加速碳的扩散 使奥氏体的形成加速 奥氏体晶粒 对一般钢来说 虽然在通常使用状态下组织并不是奥氏体 但原来热加工过程中所形成的奥氏体晶粒大小对冷却后钢的组织和性能都有重要影响 因此需要了解奥氏体晶粒的长大规律 一般地说 粗大的奥氏体实际晶粒往往导致冷却后获得粗大的组织 降低钢的塑性和韧性 奥氏体晶粒度的几个概念 初始晶粒度 是指加热时奥氏体转变过程刚刚结束时的奥氏体晶粒大小 实际晶粒度 热处理时某一具
6、体加热条件下最终所得到的奥氏体晶粒的大小 本质晶粒 钢奥氏体晶粒的长大趋势 容易长大的称为本质粗晶粒钢 晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢 测量本质晶粒的标准实验方法 把钢试样加热到930 10 保温3小时 或8小时 如果所得的奥氏体晶粒已经明显长大 晶粒度为1 4级 则此钢为本质粗晶粒钢 如果所得奥氏体晶粒无明显长大 晶粒度为5 8级 则此钢为本质细晶粒钢 实际热处理或热加工时 并非本质细晶粒钢就一定能获得细小的实际奥氏体晶粒 当加热温度很高时 如超过1100 时 由于阻碍奥氏体晶粒长大的弥散颗粒熔融奥氏体 失去阻碍作用 这时奥氏体会急剧长大成粗大晶粒 加热温度和加热速度对奥氏体晶粒大小的影响
7、 过热度增大 形核率和长大速度都增大 但形核率增加远远大于长大速度的增加 因此 提高转变温度会使初始晶粒细化 例如 转变温度由740 提高到800 奥氏体的形核率增加270倍 长大速度增加41倍 实际生产中 往往采用快速加热的方法获得较细的晶粒组织 加热速度对奥氏体晶粒度的影响 提高连续加热时的加热速度 可增大形成奥氏体时的过热度 其作用与提高等温转变温度相似 加热速度越快 转变的过热度也越大 如果保温时间不长 则可获得细小的晶粒 奥氏体晶粒长大的三个阶段 1 孕育期 奥氏体刚刚形成后 并不马上长大 需要一定的孕育期 温度越高 孕育期越短 2 不均匀长大期 大的奥氏体晶粒吞并周围小晶粒长成很粗
8、大的晶粒 未被吞并的小晶粒长大速度极慢 3 均匀长大期 待细小晶粒全被吞并后 所有晶粒开始缓慢均匀长大 本质细晶粒钢有明显三个阶段 粗晶粒钢只有第三阶段 奥氏体晶粒长大过程示意图 孕育期 不均匀长大期 均匀长大期 时间 粗晶粒尺寸 粗晶粒尺寸 平均晶粒尺寸 奥氏体晶粒度对钢的性能的影响 粗大奥氏体 导致钢的组织粗大 降低塑性 韧性 细化奥氏体晶粒的方法 1 多次反复奥氏体化 2 多次形变 3 两相区退火 4 炼钢时用铝脱氧 钢的化学成分对奥氏体晶粒的影响 1 如果碳全部溶入奥氏体 碳会提高铁的自扩散系数 促进晶界移动 促进奥氏体晶粒长大 2 Mn P等元素促进奥氏体晶粒长大 3 Al Ti Z
9、r V W Mo Cr Si Ni Cu阻碍奥氏体晶粒长大 作用依次递减 合金元素阻碍奥氏体晶粒长大的机制 1 化合物机械阻碍理论Al Ti Zr V W Mo Cr等元素在钢中形成很多细小均匀分布的难熔化合物 主要是碳化物和氮化物 NbC VC TiC NbN VN TiN AlN等等 它们分布在奥氏体的晶界上 机械地阻碍晶界的迁移 使晶粒难以长大 Al2O3和硫化物也有阻碍奥氏体晶界移动的作用 2 内吸附理论 奥氏体的表面活化物质溶入奥氏体时 将浓集在奥氏体晶体的表面上 降低奥氏体的总表面能 因而减弱其长大趋势 反之 如果加入的合金元素提高奥氏体的总表面能 则促进奥氏体晶粒的长大 奥氏体的
10、非扩散形成 如果能阻止钢在加热期间的扩散过程 例如快速加热 当加热到铁素体 奥氏体平衡温度以上时 铁素体就能自发地 瞬间地转变成同成分的奥氏体 也就是说在没有碳化物参与的条件下 由体心立方改组成面心立方晶格 然后 在该温度下继续保温或升温过程中 才发生碳化物向奥氏体中的溶解 奥氏体的非扩散形成温度 A3 它只与铁素体的成分有关 增大碳化物的弥散度 提高铁素体中的碳含量 将使A3 降低 原始组织是贝氏体或马氏体时 进行快速加热最容易出现这种转变方式 奥氏体形成时的遗传性 在有些情况下 将粗大的原始组织 以较快速度 加热至临界点以上时 发现奥氏体的形核是有取向的 这种有取向形核的结果 使形成的奥氏
11、体部分地或全部地恢复其原来的粗大组织 以T7钢为例 将其事先在1100 加热2小时形成粗大的奥氏体晶粒 经淬火后再重新加热至800 保温15分钟 发现原来的奥氏体晶粒完全得到恢复 将相变后原始晶粒组织的恢复现象称为组织遗传 T7钢中的奥氏体晶粒 a 原始状态 粗大奥氏体 b 重新退火 晶粒恢复 组织遗传的原因 原因不十分清楚 一般认为 大量的奥氏体晶核在粗大晶粒内的位错上 以非扩散方式 形成 这些位错在晶体取向上与原组织 马氏体或贝氏体等结晶学有序组织 有一定的关系 在这些位错上形成的奥氏体核心能紧密地连接在一起 形成形状 尺寸与行为与原奥氏体一致的一个晶粒 又称伪晶粒 或者说 奥氏体是有取向地形核 在原来一个粗大晶粒范围内形成很多位向相同的小奥氏体晶粒 有人称它为晶内织构 由它们构成的集合体 伪晶粒 其尺寸 形状与行为和原来粗大奥氏体晶粒完全相同 遗传性的概念 所谓遗传性是指在一种相变或组织转变时 转变产物仍保留原组织一定的宏观 微观甚至亚显微结构的特点 按其表现方式分为组织遗传和相遗传两大类 组织遗传和相遗传的概念 组织遗传 人们把相变后原始晶粒组织恢复的现象称为组织遗传 相遗传 在加热或冷却时 例如奥氏体 马氏体或马氏体 奥氏体 转变前的相将其晶体缺陷遗传给转变后的相 称为相遗传
