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1、金属材料及热处理 第二章钢在加热时的转变 材料与化工学院 第一节钢中奥氏体的形成 一 奥氏体的结构 组织与性能 结构奥氏体为碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 具有面心立方结构 碳原子位于 Fe八面体间隙中 由于体积因素的限制 碳原子半径为0 077nm 而 Fe晶体结构的最大间隙即八面体间隙半径为0 053nm 碳在 Fe中的最大固溶度只有2 1l 重量 2 奥氏体的组织 通常情况下为多边形等轴晶粒 奥氏体的面心立方结构使其具有高的塑性和低的屈服强度 在相变过程中容易发生塑性形变 产生大量位错或出现孪晶 3 奥氏体的性能 奥氏体的比容在钢中可能出现的各种组织中为最小 例如在含0 8 C的钢中 奥氏
2、体 铁素体和马氏体的比容分别为1 2399 10 4 1 2708 10 4和1 2915 10 4m3 kg 这样 在奥氏体形成或由奥氏体转变成其它组织时 都会产生体积变化 引起残余内应力和一系列相变特点 奥氏体具有顺磁性 而铁素体和马氏体则具有铁磁性 因此可以用磁性法研究钢中的相变 二 奥氏体形成的条件 从铁 碳相图可以看出 组织为珠光体的共析钢 由室温加热到A1温度以下时 除铁素体的含碳量有微量的增高之外 没有其它组织转变 当温度极缓慢地升高到A1稍上时 珠光体就转变为奥氏体 同样 具有自由铁素体和珠光体的亚共析钢 加热到A1稍上时 珠光体转变为奥氏体 自由铁素体则未发生转变 而随着加热
3、温度继续升高 自由铁素体不断转变为奥氏体 当温度升高到A3时 铁素体全部转变为奥氏体 过共析钢怎样转变 为什么加热温度高于A1点时珠光体才能转变为奥氏体 在A1点时并不能发生奥氏体转变 因为在A1点时 奥氏体的自由能FA与珠光体的自由能FP相等 没有驱动力 只有当温度高于A1点时 奥氏体的自由能低于珠光体的自由能 体积自由能之差成为相变驱动力 奥氏体才可能形成 珠光体向奥氏体转变的相变驱动力是二者的化学自由能差 奥氏体形成温度与A1温度之差称为过热度 加热时 必须有足够的过热度 使体积自由能的降低达到足以克服因奥氏体形成时增加的表面能和弹性应变能 奥氏体才能形成 在钢铁手册中列出的各种钢的A1
4、温度 是指在规定的加热速度 O 125 分 条件下 奥氏体开始形成的温度 它总比钢的共析平衡温度A1要高 加热速度越高 偏离平衡温度越远 三 奥氏体的形成过程 珠光体到奥氏体的转变 大致可以分四个阶段 即奥氏体晶核的形成 晶体的长大 残余碳化物的溶解和奥氏体的均匀化 其示意图如图 a b c d 所示 1 奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核 通常优先地产生于珠光体中铁素体与渗碳体的相界面上 1 在相界面上容易获得形成奥氏体所需的成分与结构起伏 fccbcc正交晶格0 02186 690 77 2 从能量上考虑 在相界面形核可以使界面能的增加减小 因为在新界面形成的同时 会使原有界面部分消失 这样
5、形核阻力减小 或者说相变驱动力增加 使热力学条件 G 0更容易满足 2 奥氏体的长大 当稳定的奥氏体晶核形成以后 长大过程便开始了 对于球化体来说 奥氏体的长大首先将包围渗碳体 把渗碳体和铁素体隔开 然后通过界面向铁素体和渗碳体推进 在珠光体团交界处形成的核会向基本上垂直于片层和平行于片层的两个方向长大 奥氏体的长大是一个由碳原子扩散控制的过程 当奥氏体在球化体中长大以及在片状珠光体中沿垂直于片层方向长大时 铁素体与渗碳体被奥氏体隔开 为了获得使铁素体向奥氏体转变所必需的碳量 只能通过碳在奥氏体中的体扩散 由与渗碳体相邻一侧迁移到与铁素体相邻一侧 打破平衡 渗碳体与铁素体溶解维持平衡 不断循环
6、 碳在铁素体中的扩散也促进铁素体向奥氏体的转变 当奥氏体在珠光体中沿平行于片层方向长大时 碳原子的可能扩散途径是可以在奥氏体中进行 也可以沿相界面进行 由于沿相界面扩散时路程较短 且扩散系数较大 途径 应当是主要的 因此 奥氏体沿平行于片层方向的长大速度要比沿垂直于片层方向的长大速度来得高 图2 12很好地证实了这一推论 照片中部的奥氏体 现在是马氏体 区说明沿平行于片层方向的长大速度要比沿垂直方向快些 3 残留碳化物的溶解 奥氏体的长大是通过界面分别向铁素体和渗碳体迁移来实现的 由于界面向铁素体的迁移远比向Fe3C的迁移来得快 1 浓度差小 2 结构差异小 因此当铁素体已完全转变为奥氏体后仍
7、然有一部分渗碳体没有溶解 这部分渗碳体又称为残留渗碳体或统称为残留碳化物 当钢中有其他碳化物形成元素时 过热度越大 珠光体转化剩下的残余渗碳体越多 另外还有其他碳化物 随着保温时间的延长 残留渗碳体会逐渐溶解 4 奥氏体均匀化 当残余碳化物全部溶解时 奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的 在原来碳化物的区域 含碳量较高 在原来铁素体的中心地带 含碳量较低 如果继续延长保温时间 通过碳的扩散 可使奥氏体的含碳量逐渐趋于均匀 应当注意 工业上钢件的热处理加热 并不都要求达到奥氏体均匀化的程度 而是根据热处理目的 控制在奥氏体形成的不同阶段 亚共析和过共析钢中 奥氏体的形成过程 基本上与共析钢相同 但是还具
8、有过剩相溶解的特点 必须继续加热 先共析相才能溶解 试分析 四 奥氏体的等温形成动力学 动力学曲线 奥氏体形成需要一定的孕育期 孕育期的作用是等待临界晶核的形成 亦即等待出现适当的能量起伏和浓度起伏 以满足形成临界晶核的要求 等温转变开始阶段 转变速度渐增 在转变量约为50 时达最快 然后逐渐减慢 这是由于在开始阶段 已形成的晶核不断长大 同时又不断形成新的晶核并长大 因此单位时间内形成的奥氏体越来越多 当转变量超过50 后 未转变的珠光体越来越少 假定形核率保持不变 新形成的晶核会越来越少 此外 不断长大的奥氏体会越来越多地彼此接触 使这部分奥氏体的长大速度减小至零 因此单位时间内形成的奥氏
9、体量越来越少 呈S形 温度越高 奥氏体的形成速度越快 因为随着温度的升高 过热度增加 相变驱动力增加 使临界晶核半径减小 所需的浓度起伏也减小 综合动力学曲线图中自左至右的4条曲线分别代表 奥氏体转变开始线 以O 5 奥氏体转变量表示 奥氏体转变完成线 以99 5 奥氏体转变量表示 碳化物完全溶解线 奥氏体中碳浓度梯度消失线 该图又称等温时的时间 温度 奥氏体化图 简称等温TTA图 TTA为Time Temperature Austenitization的缩写 或称奥氏体等温形成动力学图 TTT 测出工业上常用钢的TTA图 对于指导热处理生产具有重要意义 五 连续加热时奥氏体形成动力学 实际生
10、产中奥氏体基本上是在连续加热情况下形成的 右图是连续升温时的奥氏体转变动力学曲线 可见 在连续升温转变的条件下 转变是在一个温度区间完成的 转变的开始温度和终了温度与升温速度有关 加热速度越快 转变开始温度和转变终了温度越高 转变所需的时间也越短 生产中 常采用连续加热与等温加热相结合的方法 第二节各种因素对奥氏体形成的影响 奥氏体形成是一个扩散控制过程 凡是影响扩散的因素都将影响奥氏体的形成 1 温度2 合金元素影响3 原始组织 1 温度影响 温度升高 奥氏体形成速度大大加快 1 随着温度提高 原子扩散系数将增大 特别是碳原子在奥氏体中的扩散系数的增大 加快了奥氏体形核和长大的速度 2 随着
11、温度提高 奥氏体 铁素体相界面与奥氏体 渗碳体相界面之间的浓度差加大 即铁碳合金状态图中GS线与SE线之间的距离加大 这就增大了奥氏体中碳的浓度梯度 由于碳浓度梯度的增大 因而加快了奥氏体长大的速度 3 由于残余碳化物的溶解和奥氏体的均匀化都受碳的扩散影响 因而温度提高时 残余碳化物溶解和奥氏体均匀化的速度都将加快 2 合金元素影响 1 碳含量的影响随着钢中含碳量增加 渗碳体的数量相应地增加 而铁素体的数量却相对地减少 铁素体和渗碳体的相界面总量增多 从而加速了珠光体向奥氏体的转变 随着奥氏体中含碳量的增加 碳和铁原子的扩散系数将增大 这就有利于铁素体渗碳体转变为奥氏体 残余渗碳体溶解和 也有
12、利于加速奥氏体均匀化 2 其他合金元素的影响 1 由于合金元素改变了A1 A3或Acm点的位置 与碳钢相比 如果加热温度相同 其过热度就不一样 降低A1点的元素 如镍 锰等 增加了过热度 将促进奥氏体形核和长大 提高A1点的元素 如铬 钨 钼 硅等 降低了过热度将减慢奥氏体的形核和长大 2 合金元素影响碳在奥氏体中的扩散系数和残余碳化物的溶解 镍既降低A1 增加过热度 同时又增加碳在奥氏体中的扩散系数 从而加快了奥氏体的形成 渗碳体溶解和均匀化速度 硅和铝对碳原子在奥氏体中的扩散系数影响不大 由于它们升高A1降低过热度 因而对奥氏体形成速度还是减慢的 铬 钼 钨 钒 钛等能够形成稳定碳化物的合
13、金元素 它们既升高A1 降低过热度 又显著地降低碳在奥氏体中的扩散系数 从而也就显著地减慢奥氏体的形成速度 上述合金元素是按其所形成碳化物的稳定性逐渐增强的次序排列的 钛所形成的碳化物的稳定性最高 所形成的碳化物越稳定 就越难溶解 就愈减慢奥氏体的形成速度 在实际生产中 为了加速稳定碳化物的溶解 经常采取大幅度提高加热温度的措施 如W18Cr4V高速钢的淬火加热温度竟然提高到1270 1290 超过Ac1 820 840 几百度 3 合金钢加热时奥氏体的均匀化包括两个方面 一是碳的均匀化 另一是合金元素的均匀化 因此在加热和保温时 对合金钢来说 除了要考虑碳的均匀化外 还得考虑合金元素的均匀化
14、 合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳在奥氏体中的扩散速度要慢千倍 甚至万倍 因此 大多数合金钢工件的热处理加热温度比同类碳钢工件为高 保温时间也较长 3 原始组织的影响 奥氏体化前的原始组织对奥氏体化的速度有明显的影响 原始组织中碳化物越弥散 铁素体与碳化物的界面越大 碳原子的扩散距离越小 越有利于奥氏体的生核和长大 加快奥氏体化的速率 正火状态的组织是细片状珠光体 退火状态的组织是粗片状珠光体 所以正火组织奥氏体化比退火组织奥氏体化快 原始组织若是球化退火的粒状珠光体 铁素体与渗碳体的界面最小 奥氏体化最慢 第三节奥氏体晶粒长大及其控制 晶粒长大是一个自发进行的过程 晶粒尺寸越大 单位体积晶粒
15、数就越少 晶界面积越小 因而界面能越低 整个系统的自由能就越低 当奥氏体形成后 铁素体消失 碳化物还没有全部溶解以前 奥氏体的晶粒就已经开始长大 而当碳化物完全溶解后 随着奥氏体化温度的提高或保温时间的延长 这种晶粒长大现象就变得越来越明显 为什么 长大的规则是 大晶粒吃掉小晶粒 晶粒截面向六边形发展 晶界向平直发展 一 研究奥氏体晶粒长大的必要性 钢的珠光体 贝氏体和马氏体等组织都是由奥氏体组织转变过来的 奥氏体的晶粒大小必然影响到转变产物的组织和性能 奥氏体晶粒细化可以提高转变产物的强度和韧性 所以研究奥氏体晶粒长大问题 想方设法细化奥氏体晶粒 具有重要的实际意义 例如用高碳工具钢制造的工
16、具 如果在加热过程中奥氏体晶粒粗大了 则淬火后马氏体也粗大 具有这种粗大马氏体组织的刀具在使用时容易崩刃 并且在淬火时也容易开裂 又如 用高速钢制造的冷变形模具的热处理近年来采用低温淬火 由于降低了淬火温度 奥氏体晶粒变细 含碳量较低 使淬火回火后的模具韧性较高 因此提高了模具的使用寿命 由于马氏体在直接加热形成奥氏体时有遗传现象 如果原始奥氏体晶粒粗大 淬火后形成马氏体 如果需要重新加热奥氏体化 则非常容易恢复成原来的粗大奥氏体晶粒 这种遗传将极其有害 二 奥氏体晶粒度的概念 奥氏体晶粒的大小用晶粒度表示 晶粒度通常分8级评定 1级最粗 8级最细 小于5级为粗晶粒 大于等于5级为细晶粒 若比8级还细 则为超细晶粒 晶粒度级别N 与其金相试样放大100倍下每平方英寸 645 16mm2 内晶粒数目n的关系是 n 2N 1 通常是将放大100倍的金相图片与标准晶粒度评级图进行对照评级 依据奥氏体形成过程和奥氏体晶粒长大情况 奥氏体晶粒度可分为 起始晶粒度 实际晶粒度和本质晶粒度三种 起始晶粒度是指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度 奥氏体的起始晶粒一般比较细小 在继续加热或保温时
