第四章 鋼中奧氏體的形成

1、第四章第四章 鋼中奧氏體的形成鋼中奧氏體的形成 “熱處理”加熱之目的？ 熱處理工藝中除回火、少數(shù)去應(yīng)力退火，一般均需要 加熱到臨界點以上溫度使鋼部分或全部形成奧氏體，經(jīng)過 適當(dāng)?shù)睦鋮s使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰慕M織，從而獲得所需 要的性能。 奧氏體晶粒大小、形狀、空間取向以及亞結(jié)構(gòu)，奧氏 體化學(xué)成分以及均勻性將直接影響轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以及材 料性能。 奧氏體晶粒的長大直接影響材料的力學(xué)性能特別是沖 擊韌性。 綜上所述，熱處理加熱的主要目的就是“奧氏體化奧氏體化”， 所以研究奧氏體相變具有十分重要的意義。 熱處理工藝中，熱處理工藝中，冷卻冷卻的方式有兩種：的方式有兩種： 連續(xù)冷卻連續(xù)冷卻 升溫升溫 保溫

2、保溫 等溫處理等溫處理 第一節(jié)第一節(jié) 奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性能奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性能 一、奧氏體的結(jié)構(gòu)一、奧氏體的結(jié)構(gòu) 定義：定義：C溶于Fe形成的間隙式固溶體。 圖4-1 1. C原子位于Fe點陣的中心和棱邊 的中點(八面體間隙處)； 2. C原子進入Fe點陣間隙位置引起 Fe點陣等稱膨脹；C%增加，奧氏體 點陣常數(shù)增大，但奧氏體的最大溶C量 (溶解度)為2.11%； 3. C原子在奧氏體中分布是不均勻的，存 在濃度起伏，有富碳區(qū)，貧碳區(qū)； 4. 合金元素原子(Mn、Si、Cr、Ni等)溶入奧氏體中取代Fe 原子的位置，形成置換式固溶體，稱合金奧氏體。 第一節(jié)第一節(jié) 奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性

3、能奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性能 二、奧氏體的組織二、奧氏體的組織 奧氏體組織通常為等軸狀多邊形晶粒，這與： (1)原始組織有關(guān) (2)加熱速度有關(guān) (3)轉(zhuǎn)變程度有關(guān) 不平衡加熱奧氏體晶粒呈針狀或球狀。 第一節(jié)第一節(jié) 奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性能奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性能 三、奧氏體的性能三、奧氏體的性能 1.1.機械性能：機械性能：(1)(1)屈服強度、硬度低 (2)(2)塑性、韌性高； (3)(3)熱強性高。 易于變形加工成型； 2. 物理性能：物理性能：(1)比容最小；(2)導(dǎo)熱性差； (3)線膨脹系數(shù)大；(4)順磁性。 3. 應(yīng)用：應(yīng)用：(1)變形加工成型；(2)奧氏體不銹鋼耐蝕性； (3)膨脹

4、儀表靈敏元件。 第二節(jié) 奧氏體的形成 一、鋼的臨界溫度一、鋼的臨界溫度 奧氏體奧氏體 Ac1 Ac3 Accm Ar1 Ar3 Arcm 第二節(jié) 奧氏體的形成 一、鋼的臨界溫度一、鋼的臨界溫度 鋼在加熱和冷卻時臨界溫度的意義如下： Ac1：加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度； Ar1：冷卻時奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度； Ac3：加熱時先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度； Ar3：冷卻時奧氏體開始析出先共析鐵素體的溫度； Accm：加熱時二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度； Arcm：冷卻時奧氏體開始析出二次滲碳體的溫度。 第二節(jié) 奧氏體的形成 一、鋼的臨界溫度一、鋼的臨界溫度 鋼的臨界溫

5、度主要由其化學(xué)成分決定， 同時還與加熱速率或冷卻速率有關(guān)。加熱 速率越大，臨界溫度越高，冷卻速率越大， 臨界溫度越低。 第二節(jié) 奧氏體的形成 二、合金元素對二、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響相圖的影響 合金元素加入鋼中，對鐵碳相圖的相區(qū)、相變溫度、共析 點成分等有影響。合金元素會使奧氏體單相區(qū)擴大或縮小。 C、N、Co、Ni、Mn、Cu都會使奧氏體相區(qū)擴大，稱為奧奧 氏體形成元素氏體形成元素，以Ni、Mn影響最強。 Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等使奧氏體單相區(qū)縮小，稱為 鐵素體形成元素鐵素體形成元素。 鋼中的奧氏體形成元素如 Mn、Ni含量增加，使鐵碳相圖 的奧氏體相區(qū)范圍擴大，A

6、1、 A3線下降，共析點S（E點）向 左下方(低溫、低碳方向移動)。 當(dāng)其含量較高時，由于奧氏體相 區(qū)大大擴大，使鋼在室溫時 仍 處于單相奧氏體狀態(tài)而獲得奧氏 體鋼。 Mn對鐵碳合金相圖的影響 第二節(jié) 奧氏體的形成 二、合金元素對二、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響相圖的影響 而對于鐵素體形成元素，如Cr含量增加，使奧氏體相區(qū) 縮小，A1、A3線升高，共析點S點（E點）向左上方（高溫、 低碳）移動。當(dāng)其含量較高時可使奧氏體相區(qū)縮小至消失， 使鋼在固態(tài)下沒有奧氏體，而成為所謂鐵素體鋼。 Cr對鐵碳合金 相圖的影 響 第二節(jié) 奧氏體的形成 二、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響 上述元素都使得鐵

7、碳相圖的上述元素都使得鐵碳相圖的S點、點、E點左移，點左移，使共析 點含碳量及出現(xiàn)萊氏體的含碳量降低，會使鋼的組織發(fā) 生很大變化，如圖所示。例如，含Cr 12%, C 0.4%的鋼 已為過共析鋼。作刀具的高速鋼其含碳量只有 0 .7 0 .8%，在鑄態(tài)下的組織中有萊氏體而變成為萊氏體鋼。 第二節(jié) 奧氏體的形成 三、奧氏體核的形成 鋼在加熱過程中奧氏體的形成是通過形 核和長大方式進行的。奧氏體的晶核究竟 應(yīng)在什么位置形核？ 首先我們先回憶一下鋼在室溫時的平衡 組織。 F+P組織 含1.2C的過共析鋼室溫平衡組織 P+Fe3CII組織 珠光體組織P（FP+Fe3CP） 第二節(jié) 奧氏體的形成 三、奧

8、氏體核的形成 根據(jù)熱力學(xué)分析： 奧氏體晶核主要在F和Fe3C的相界面形核，其 次在珠光體團界或珠光體團與先共析F。 這樣能滿足：(1)能量起伏；能量起伏； (2)結(jié)構(gòu)起伏；結(jié)構(gòu)起伏； (3)成分起伏三個條件。成分起伏三個條件。 第二節(jié) 奧氏體的形成 四、奧氏體核的長大 + Fe3C 晶體結(jié)構(gòu)：體心立方 復(fù)雜斜方 面心立方 含碳量： 0.0218% 6.67% 0.77% 奧氏體長大過程是依靠原子擴散完成的， 原子擴散包括：(1)Fe原子自擴散完成晶格改組； (2)C原子擴散使奧氏體晶核向相和Fe3C相兩側(cè)推 移并長大。 第二節(jié) 奧氏體的形成 四、奧氏體核的長大 1、C原子擴散：原子擴散：一旦奧

9、氏體晶核出現(xiàn)，則在奧氏體內(nèi)部的C% 分布就不均勻，由下圖可見： C1與Fe3C相接的奧氏體的C%； C2與F相接的奧氏體的C%； C3與Fe3C相接的F的C%； C4與奧氏體相接的F的C%； G E SP C1C2C3C4 T1 在T1溫度下奧氏體C% 第二節(jié) 奧氏體的形成 四、奧氏體核的長大 從上圖可以看出，在T1溫 度下由于C1、C2、C3、C4不同 導(dǎo)致奧氏體晶核形成時，C原 子擴散，如下圖，擴散的結(jié)果 破壞了T1溫度下C%的濃度平 衡，迫使與奧氏體相接的F和 Fe3C溶解恢復(fù)T1溫度下C%的 濃度平衡，如此歷經(jīng)“破壞平 衡”“建立平衡”的反復(fù)， 奧氏體晶核長大。 C2 C% A Fe3

10、CF C1 C4 C3 珠光體片間距 奧氏體晶核長大示意圖 第二節(jié) 奧氏體的形成 四、奧氏體核的長大 2、奧氏體晶格改組、奧氏體晶格改組： (1)一般認(rèn)為，平衡加熱過熱度很小時，通過Fe 原子自擴散完成晶格改組。 (2)也有人認(rèn)為，當(dāng)過熱度很大時，晶格改組通過 Fe原子切變完成。 第二節(jié) 奧氏體的形成 四、奧氏體核的長大 3、奧氏體晶核的長大速度：、奧氏體晶核的長大速度：奧氏體晶核向F和Fe3C兩側(cè)的 推移速度是不同的。根據(jù)公式： BB c C K Cdx dc KDG / 1 BF CBFeCBFe BFCFe F C C K C C K G G 33 3 / / C D 第二節(jié) 奧氏體的形

11、成 四、奧氏體核的長大 780時: 表明相界面向F一側(cè)的推移速度比向Fe3C一側(cè)的推移 速度快14.8倍，但通常片狀珠光體的F片厚度比Fe3C片厚 度大7倍，所以奧氏體等溫形成時，總是總是F先消失，先消失，F(xiàn)e3C 剩余。剩余。 第二節(jié) 奧氏體的形成 五、殘余Fe3C和奧氏體均勻化 F結(jié)束后，還有相當(dāng)數(shù)量的Fe3C尚未溶解，這 些Fe3C被稱為殘余Fe3C。另外在原來Fe3C的部位， C%較高，而原來F部位C%較低，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋?后，奧氏體中的C%才能趨于均勻。 第二節(jié) 奧氏體的形成 （共析鋼加熱時奧氏體的形成過程）（共析鋼加熱時奧氏體的形成過程） 由此可見，熱處理中的保溫階段，不僅是將

12、工件熱由此可見，熱處理中的保溫階段，不僅是將工件熱 透，更重要的是為獲得成分均勻的奧氏體透，更重要的是為獲得成分均勻的奧氏體 。 綜上，奧氏體形成分四個階段：奧氏體形核；核長大；奧氏體形核；核長大； 殘余殘余Fe3C溶解；奧氏體均勻化溶解；奧氏體均勻化 。 第二節(jié) 奧氏體的形成 和共析鋼的奧氏體化對比，非共析鋼的奧氏體化過 程分兩步進行，首先完成PA，這與共析鋼相同；然后 是先析相的奧氏體化過程。這些都是靠原子擴散實現(xiàn)的。 值得指出的是，非共析鋼的奧氏體化碳化物溶解以及奧氏 體均勻化的時間更長。 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 奧氏體相變動力學(xué)是研究奧氏體形成快慢問題。 動力 學(xué)研究分為等溫轉(zhuǎn)變動力

13、學(xué)和連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)。等溫轉(zhuǎn)變 由于溫度不變，所以各相的自由焓也不變，研究分析起來 最方便，所以多采用等溫方法研究動力學(xué)。連續(xù)轉(zhuǎn)變動力 學(xué)也稱為變溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)，是在不斷升溫或降溫過程中研 究相變動力學(xué)。 了解奧氏體形成動力學(xué)規(guī)律，為制定加熱工藝中的保 溫時間提供依據(jù)。 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 1、等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)研究方法、等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)研究方法 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 1、等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)研究方法、等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)研究方法 關(guān)于組織轉(zhuǎn)變量的測定有許多種方法：金相法、膨脹 法、熱分析法。 金相法是將冷

14、卻到室溫的試樣制成金相試樣，通過對 室溫下組織進行定量分析確定組織轉(zhuǎn)變類型及其轉(zhuǎn)變量。 在等溫加熱時，如圖4.10(a)形成的奧氏體在冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)?馬氏體，因而馬氏體的體積分?jǐn)?shù)就是等溫過程中轉(zhuǎn)變的奧 氏體的體積分?jǐn)?shù)。在等溫冷卻時，如圖4.10(b)室溫下的馬 氏體就是等溫過程中未轉(zhuǎn)變的奧氏體。在等溫動力學(xué)研究 中多采用金相法。 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 2、奧氏體等溫形成動力學(xué)曲線、奧氏體等溫形成動力學(xué)曲線 奧氏體等溫形成動力學(xué)曲 線是指在一定溫度下等溫，奧 氏體的體積分?jǐn)?shù)與等溫時間的 關(guān)系曲線。 在等溫條件下，奧氏體的 形成符合一般相變規(guī)律，

15、是通 過形核、長大、殘余滲碳體的 溶解和成分均勻化來完成的。 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 2、奧氏體等溫形成動力學(xué)曲線、奧氏體等溫形成動力學(xué)曲線 從上圖可以看出，奧氏體等溫形成的主要特點是： （1）形成過程中，奧氏體形成速率不同。當(dāng)轉(zhuǎn)變量達到 50%左右時轉(zhuǎn)變速率最大。 （2）奧氏體形成有孕育期。 （3）轉(zhuǎn)變溫度越高，奧氏體形成速率越快。 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 3、奧氏體等溫形成動力學(xué)圖、奧氏體等溫形成動力學(xué)圖 等溫形成動力學(xué)圖是在等溫溫度時間坐標(biāo)上(時間坐 標(biāo)用對數(shù)坐標(biāo))，將具有相同轉(zhuǎn)變量的

16、溫度、時間點連接 起來的曲線，如圖4.12所示。在圖中共有4條曲線，將整 個平面分成5個區(qū)域。 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 3、奧氏體等溫形成動力學(xué)圖、奧氏體等溫形成動力學(xué)圖 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 3、奧氏體等溫形成動力學(xué)圖、奧氏體等溫形成動力學(xué)圖 由上圖可以看出，完成奧氏體轉(zhuǎn)變需要的時間并不長， 而完成碳的均勻化需要的時間卻是非常長。 例如在780等溫，完成奧氏體轉(zhuǎn)變只需要78s，而 完成Fe3C的溶解需要約300s，而完成碳的均勻化需要約10， 000s(約2.8h)。 第三節(jié) 奧氏體形成

17、動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 4、奧氏體的形核率與長大速率、奧氏體的形核率與長大速率 奧氏體的形成速度取決于形核率I和線長大速度G，在等溫條件下，形 核率I和線長大速度G均為常數(shù)。 均勻形核條件下，形核率I與溫度的關(guān)系為： 式中，C常數(shù)；T絕對溫度；Q擴散激活能；G臨界形核功； k玻耳茲曼常數(shù)?？梢?，奧氏體等溫形成時，等溫溫度T提高，(1) T 增大，相變驅(qū)動力增大， G降低，形核率I增大；(2)C原子的擴散系數(shù) 增大，C的擴散速度增大，有利于點陣重構(gòu)，形核率I增大；(3)C2-C4= C減小，奧氏體形核所需的C的濃度梯度減小，形核率I增大。 第三節(jié) 奧氏體形成動力

18、學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 4、奧氏體的形核率與長大速率、奧氏體的形核率與長大速率 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 4、奧氏體的形核率與長大速率、奧氏體的形核率與長大速率 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 4、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素 1）加熱溫度的影響 (1)加熱溫度T升高，過熱度T增大，相變驅(qū)動力G增大，原子擴散 速度增加，形核率I和長大速度G均增加；(2)從等溫轉(zhuǎn)變圖可知，加熱溫 度T升高，奧氏體等溫形成的孕育期變小，相變完成時間變短；(3)加

19、熱 溫度T升高，由相圖可知C1-C2增大，dc/dx增加，奧氏體界面濃度差CB 減小，長大速度G均增加；(4)加熱溫度T升高，奧氏體向F一側(cè)推移速度 比向Fe3C一側(cè)推移速度快，F(xiàn)消失瞬間殘余Fe3C量增加，奧氏體中C%降 低，相變不平衡程度增加；(5)加熱溫度T升高，形核率I增加的速度比長 大速度G增加的速度快，奧氏體晶粒細化(提高強韌性)。 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 4、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素 2）原始組織的影響 (1)原始組織越細，碳化物越分散，珠光體的層片間距S0越小，相 界面越多，形核率I越大，同時

20、碳的濃度梯度dc/dx增加，長大速度G 均增加；(2)和粒狀珠光體比，片狀珠光體相界面大而薄，易于溶解， 因此，原始組織為片狀珠光體形成速度比粒狀珠光體快。 第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 4、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素 3)合金元素的影響 C%：(1)隨著含碳量的增加，碳化物量增加。珠光體中滲 碳體量相對相界面增加形核率I增加。碳原子擴散距離減 小，擴散速度提高，但滲碳體溶解及奧氏體均勻化時間增 加。 合金元素：(1)不影響珠光體轉(zhuǎn)變奧氏體機制。(2)影響碳 化物穩(wěn)定性。(3)影響體中的擴散系數(shù) 減小。 第三節(jié) 奧氏

21、體形成動力學(xué) 一、奧氏體等溫形成動力學(xué)一、奧氏體等溫形成動力學(xué) 4、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素 3) 合金元素的影響 (i)強碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等降低 ，從而影 響殘余碳化物溶解及奧氏體均勻化速度。非強碳化物形成 元素Co、Ni等使 提高，擴散速度提高。 (ii) Ni、Mn、Cu可降低A1點使過熱度T增加、相變驅(qū)動 力G增大，形核率I增大、G增大；Cr、Mo、Ti、W可使A1 提高，T降低，G降低，形核率I降低，G降低，合金元 素在鋼中分布不均勻。 第四節(jié) 奧氏體晶粒長大及其控制 一、奧氏體晶粒度一、奧氏體晶粒度 奧氏體晶粒大小用晶粒度表示，通常

22、分8級評定，1級 最粗，8級最細。若晶粒度在10以上則稱“超細晶粒”。 晶粒度級別與晶粒大小的關(guān)系為： n = 2 式中，n放大100倍視野中單位面積內(nèi)晶粒個數(shù)(個/平方 英寸，1平方英寸=6.45平方厘米)；N晶粒度級別. N-1 第四節(jié) 奧氏體晶粒長大及其控制 一、奧氏體晶粒度一、奧氏體晶粒度 奧氏體晶粒度有三種，即起始晶粒度、實際晶粒度和本質(zhì) 晶粒度。 1. 實際晶粒度：實際晶粒度：經(jīng)熱處理后獲得的實際奧氏體晶粒大小。 2. 起始晶粒度：起始晶粒度：奧氏體形成剛結(jié)束，其晶粒邊界剛剛相互接 觸時的晶粒大小。 3. 本質(zhì)晶粒度：本質(zhì)晶粒度：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗方法(YB27-64)，經(jīng) 93010，保溫38小時后測得奧氏體晶粒大小。 原冶金部標(biāo)準(zhǔn)YB27-64規(guī)定：晶粒度大小在58級為本質(zhì) 細晶粒鋼，14級為本質(zhì)粗晶粒鋼。本質(zhì)晶粒度表明了奧氏 體晶粒長大傾向，是實際晶粒度的特殊情況。 第四節(jié) 奧氏體晶粒長大及其控制