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1、主讲教师:周艳文,金属热处理原理metals heat treatment principle,课程名称：金属固态相变课程性质：金属材料专业主要专业课， 2学分计划学时：原理: 48学时考核方式：平时考察，期末闭卷考试主要参考书： 金属热处理原理各种参考书,主要讲授内容,第1章：奥氏体的形成第2章：珠光体转变第3章：马氏体转变第4章：贝氏体转变第5章：钢的过冷奥氏体转变图第6章：钢的回火转变第7章：热处理原理的某些应用,金属固态相变的基础,固体中有元素扩散自由能最低原则降低自由能的过程,热力学原理（自由能下降）动力学原理（时间和温度）,金属热处理（相变是基本原则）,相变过程（形核、长大）发生相
2、转变,成份起伏结构起伏能量起伏,第1章：奥氏体的形成,1.1 奥氏体的组织、结构和性能1.2 奥氏体的形成机制1.3 奥氏体形成动力学1.4 奥氏体晶粒长大及其控制,第1章：奥氏体（austenite）的形成,热处理（heat treatment）： 通过加热、保温和冷却的方法，改变金属及合金的组织结构，使其获得所需要的性能的热加工工艺。见动画1,动画2,动画3奥氏体化（ austenitizing）： 钢加热获得奥氏体的过程。,1.1 奥氏体的组织、结构和性能,1.1.1奥氏体形成的温度范围 (1) 奥氏体形成的温度范围与Fe-Fe3C相图,图1-1 Fe-Fe3C状态图,系统总的自由能变化
3、G G=-GV+GS+G GV奥氏体与旧相体积自由能之差； GS 形成奥氏体时所增加的表面能； G 形成奥氏体时所增加的应变能 G0，形成奥氏体。,(2) 奥氏体形成的热力学条件1,图1-2 珠光体（P）与奥氏体（A）自由能随温度变化的曲线,(2) 奥氏体形成的热力学条件2,(3) 实际加热时临界点的变化,加热： 偏向高温，存在过热度； AC1，AC3，ACCm冷却： 偏向低温，存在过冷度。 Ar1，Ar3，ArCm,图1-3 在加热（冷却）速度为0.125/min时，对临界点A1，A3，Acm的影响,1.1.2 奥氏体的组织和结构,(1)奥氏体的组织 通常由多边形的等轴晶粒所组成，有时可观察
4、到孪晶。,图1-4 奥氏体组织（晶内有孪晶）1000,(2) 奥氏体的结构,具有面心立方结构。（奥氏体是C溶于-Fe中的固溶体。合金钢中的奥氏体是C及合金元素溶于-Fe中的固溶体。）C是处于-Fe八面体的中心空隙处，即面心立方晶胞的中心或棱边的中点，如图1-5所示。见动画-Fe的点阵常数为0.364nm时，最大空隙的半径为0.052nm，与C原子半径（0.077 nm）比较接近。C原子的存在，使奥氏体点阵常数增大，如图1-6所示。 实际上奥氏体最大碳含量是2.11%（重量） ，大约2-3个-Fe晶胞中才有一个C原子。,图1-5 C在-Fe中可能的间隙位置,图1-6 奥氏体点阵常数和碳含量的关系
5、,1.1.3 奥氏体的性能 1,（1）顺磁性。用于相变点和残余奥氏体含量的测定等。（2）比容最小。奥氏体 铁素体 索氏体 珠光体； 片状珠光体粒状珠光体,(4) 影响奥氏体形成速度的因素 2,合金元素A ，对奥氏体的形核和长大、碳化物溶解的影响强碳化物形成元素如Cr、Mo、W等降低C在奥氏体中的扩散系数；Co、Ni提高C在奥氏体中的扩散系数；Si、Al对扩散系数影响不大。合金元素对A形成速度的影响，也受到合金碳化物向A中溶解难易程度的牵制。 Cr，2%，（FeCr）3C；6%，（CrFe）7C3-慢 11%， （CrFe）23C6-快改变临界点 Ni、Mn、Cu 等A1， 奥氏体形成速度； C
6、r、Mo、Ti、Si、Al、W等 A1 ， 奥氏体形成速度；合金元素通过对原始组织的影响，改变形成速度。 Ni、Mn细化珠光体， 奥氏体形成速度。,(4) 影响奥氏体形成速度的因素 2,B 对奥氏体均匀化的影响 合金钢均匀化所需的时间比碳钢长。碳化物形成元素主要集中在碳化物中，非碳化物形成元素主要集中在铁素体中。合金钢奥氏体形成后，除了C的均匀化外，还进行着合金元素的均匀化。合金元素在奥氏体中的扩散速度比C的扩散速度小1000-10000倍。此外，碳化物形成元素减小了C在奥氏体中的扩散速度，这将降低C的均匀化速度。,1.3.2 连续加热时奥氏体的形成,(1) 在一定的加热速度范围内,临界点随加
7、 热速度增大而升高。(2) 相变是在一个温度范围内完成的。(3) 奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。(4) 奥氏体起始晶粒大小随加热速度增大而细 化。 (5)奥氏体成分的不均匀性随加热速度增大而增大。,1.4 奥氏体晶粒长大及其控制,奥氏体晶粒直径或单位面积中奥氏体晶粒数目来表示奥氏体晶粒大小。一般用奥氏体晶粒度来表示奥氏体晶粒大小。奥氏体晶粒度通常分级别按标准评定： n=2N-1n= 放大100倍的视野中每平方英寸所含的平均奥氏体晶粒数目N= 晶粒度级别N越大，晶粒越细；一般为1-8级。,1.4.1 奥氏体晶粒度 1,1.4.1 奥氏体晶粒度 2,起始晶粒度 在临界温度以上，奥氏体形成刚刚
8、完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。实际晶粒度 在某一加热条件下所得到的实际奥氏体晶粒大小。本质晶粒度 根据标准实验方法，在930 10保温足够时间（3-8小时）后测定的钢中晶粒大小。晶粒尺寸在5-8级者称为本质细晶粒钢，晶粒尺寸在1-4级者称为本质粗晶粒钢。,1.4.2 奥氏体晶粒长大原理,（1）晶粒长大动力奥氏体的起始晶粒一般总是很细小的，而且大小不均，晶界弯曲，界面能很高。界面能越高则界面越不稳定，必然要自发地向减小晶界面积，降低界面能方向发展。弯曲晶界变成平直晶界是一种自发过程。 晶粒长大的驱动力G：G = 2/R -奥氏体的比界面能；R-晶界曲率半径,不均匀长大： 大晶粒吞并小
9、晶粒而长大的过程。均匀长大： 大晶粒继续长大的过程。 见动画,（2）晶粒长大过程,图1-14 奥氏体晶粒长大过程示意图,（3）晶界推移阻力 在晶界或晶粒内部存在的细小颗粒阻碍晶界移动，起到钉扎晶界的作用。 Gm = 3f/2r Gm-第二相颗粒对晶界移动的最大阻力； r-颗粒半径； f- 颗粒的体积分数。 r ，f Gm 当晶界所提供的驱动力G= Gm时，正常晶粒长大停止。得R=4r/3f,1.4.3 影响奥氏体晶粒长大的因素,（1）加热温度和保温时间 T加 ，保 dA A晶粒长大速度与晶界迁移率及驱动力的乘积成正比。 V =kexp(-Q/RT) /D V-A晶粒长大速度； K-常数；Q-扩散激活能；R-气体常数； -奥氏体的比界面能；D-A晶粒平均直径,
