課題二奧氏體形成ppt課件

1、奧氏體及其構(gòu)造特征奧氏體及其構(gòu)造特征1 奧氏體構(gòu)成的熱力學條件奧氏體構(gòu)成的熱力學條件2奧氏體的構(gòu)成機理奧氏體的構(gòu)成機理3奧氏體構(gòu)成的動力學奧氏體構(gòu)成的動力學4奧氏體構(gòu)成的動力學奧氏體構(gòu)成的動力學5 奧氏體晶粒長大及其控制奧氏體晶粒長大及其控制61 1、奧氏體及其構(gòu)造特征、奧氏體及其構(gòu)造特征1.1 奧氏體的構(gòu)造及其存在范圍奧氏體的構(gòu)造及其存在范圍圖圖2-1 奧氏體的單胞奧氏體的單胞n 奧氏體是碳溶于奧氏體是碳溶于-Fe 中的間中的間隙固溶體隙固溶體n 碳原子位于八面體間隙中心，碳原子位于八面體間隙中心，即即FCC晶胞的中心或棱邊的中點晶胞的中心或棱邊的中點n 八面體間隙半徑八面體間隙半徑 0.5

2、2 n 碳原子半徑碳原子半徑 0.77 點陣畸點陣畸變變n 奧氏體相區(qū)：奧氏體相區(qū)： NJESGN包圍的區(qū)域包圍的區(qū)域n GS線線 - A3線線n ES線線 - Acm線線n PSK線線 - A1線線n 碳在奧氏體中的最大溶解度為碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11wt% (10at%)n 碳原子的溶入使碳原子的溶入使 -Fe的點陣畸變，點陣常數(shù)隨碳含的點陣畸變，點陣常數(shù)隨碳含量的添加而增大量的添加而增大圖圖2-2 Fe-C 相圖相圖1.2 奧氏體的性能奧氏體的性能 奧氏體的比容最小，線膨脹系數(shù)最大，且奧氏體的比容最小，線膨脹系數(shù)最大，且為順磁性無磁性。利用這一特性可以為順磁性無磁性。利用這一特

3、性可以定量分析奧氏體含量，測定相變開場點，定量分析奧氏體含量，測定相變開場點，制造要求熱膨脹靈敏的儀表元件。制造要求熱膨脹靈敏的儀表元件。 奧氏體的導熱系數(shù)較小，僅比滲碳體大。奧氏體的導熱系數(shù)較小，僅比滲碳體大。為防止工件的變形，不宜采用過大的加熱為防止工件的變形，不宜采用過大的加熱速度。速度。 奧氏體塑性很好，奧氏體塑性很好，S 較低，易于塑性變較低，易于塑性變形。故工件的加工經(jīng)常加熱到奧氏體單相形。故工件的加工經(jīng)常加熱到奧氏體單相區(qū)進展。區(qū)進展。2 2、 奧氏體構(gòu)成的熱力學條件奧氏體構(gòu)成的熱力學條件圖圖2-3 自在能和溫度關(guān)系圖自在能和溫度關(guān)系圖G = V Gv + S + V - Gd

4、(2-1) - Gd - 在晶體缺陷處形核在晶體缺陷處形核引起的自在能降低引起的自在能降低n 相變必需在一定的過熱相變必需在一定的過熱度度T下，使得下，使得GV 0，才，才干得到干得到G Cr- ，濃度差，濃度差 dC = Cr-k - Cr- 將在奧氏體內(nèi)產(chǎn)生分散將在奧氏體內(nèi)產(chǎn)生分散 Cr- Cr- ； Cr-k Cr-k 相界面上的平衡濃度被突破相界面上的平衡濃度被突破 為了恢復并維持相界面上的平衡濃度為了恢復并維持相界面上的平衡濃度 點陣重構(gòu)點陣重構(gòu)，向，向方向長大，方向長大，Cr- Cr- Fe3C向向中溶解，向中溶解，向Fe3C方向長大，方向長大， Cr-k Cr-k n 奧氏體晶核

5、的長大速度奧氏體晶核的長大速度界面上的碳濃度差界面上的碳濃度差小晶粒厚度為生成的中的濃度梯度碳在中的擴散系數(shù)碳在其中：CFeCCCCCCdxCCdCdxdCDCCdxdCDCdxdCDCdxdCDGGGKKKrKrKkk3/;)22()11(11n 由式由式2-2可知，奧氏體晶核的長大速度可知，奧氏體晶核的長大速度與碳在奧氏體中的濃度梯度成正比，而與相界與碳在奧氏體中的濃度梯度成正比，而與相界面上的碳濃度差成反比。面上的碳濃度差成反比。n 由于由于 /Fe3C相界面的碳濃度差相界面的碳濃度差 Ck 較較大，大，F(xiàn)e3C本身復雜的晶體構(gòu)造，使得奧氏體向本身復雜的晶體構(gòu)造，使得奧氏體向滲碳體方向的

6、長大速度遠比向鐵素體方向為小，滲碳體方向的長大速度遠比向鐵素體方向為小，所以鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變比滲碳體的溶解要所以鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變比滲碳體的溶解要快得多，鐵素體先消逝，而滲碳體有剩余?？斓枚啵F素體先消逝，而滲碳體有剩余。3剩余滲碳體的溶解剩余滲碳體的溶解 剩余滲碳體借助于剩余滲碳體借助于Fe、C原子的分散進一原子的分散進一步溶解。步溶解。4奧氏體成分的均勻化奧氏體成分的均勻化 原滲碳體部位的碳濃度高，原鐵素體部位原滲碳體部位的碳濃度高，原鐵素體部位的碳濃度低。的碳濃度低。 經(jīng)過經(jīng)過Fe、C原子在新構(gòu)成奧氏體中的分散，原子在新構(gòu)成奧氏體中的分散，實現(xiàn)奧氏體成分的均勻化。實現(xiàn)奧氏體成分的均

7、勻化。4 4、 奧氏體構(gòu)成的動力學奧氏體構(gòu)成的動力學4.1 形核率形核率n 為了滿足形核的熱力學條件，需依托能量起伏，補為了滿足形核的熱力學條件，需依托能量起伏，補償臨界晶核形核功，所以形核率應(yīng)與獲得能量漲落的償臨界晶核形核功，所以形核率應(yīng)與獲得能量漲落的幾率因子幾率因子 exp(-G*/kT) 成正比。成正比。n 為了到達奧氏體晶核對成分的要求，需求原子越過為了到達奧氏體晶核對成分的要求，需求原子越過能壘，經(jīng)分散富集到形核區(qū)，所以應(yīng)與原子分散的幾能壘，經(jīng)分散富集到形核區(qū)，所以應(yīng)與原子分散的幾率因子率因子 exp(-Q/kT) 成正比。成正比。 N = C exp(-G*/kT)exp(-Q/

8、kT) (2-3)式中式中: C - 常數(shù)常數(shù) G* - 臨界形核功臨界形核功 Q - 分散激活能分散激活能 k - 玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)，= 1.38X10-23 J/K T - 絕對溫度絕對溫度 N - 形核率，單位形核率，單位 1/(mm3 s) 與結(jié)晶不同的是，與結(jié)晶不同的是，PA的相變，是在升高溫度下進展的相變，是在升高溫度下進展的相變。的相變。 溫度升高時，溫度升高時， G* ，Q ，從而形核率，從而形核率 N 增大。增大。4.2 奧氏體線長大速度奧氏體線長大速度)22()11(KCCdxdCDGn 碳在奧氏體中的分散系數(shù)碳在奧氏體中的分散系數(shù) D=D0exp(-Q/RT)n

9、 阿累尼烏斯方程阿累尼烏斯方程(Arrhenius)nG - 長大線速度，單位長大線速度，單位 mm/sn 溫度升高時，溫度升高時，D , dC , C , Ck n 從而線長大速度從而線長大速度G增大。增大。4.3 奧氏體等溫構(gòu)成動力學曲線奧氏體等溫構(gòu)成動力學曲線n 設(shè)新構(gòu)成的奧氏體為球狀，那么由約翰遜設(shè)新構(gòu)成的奧氏體為球狀，那么由約翰遜-邁爾邁爾方程方程Johnson-Mehl方程方程)：)42()3exp(143tNGVtVt - 新構(gòu)成奧氏體的體積分數(shù)新構(gòu)成奧氏體的體積分數(shù)n 轉(zhuǎn)變量達轉(zhuǎn)變量達50%左右時，轉(zhuǎn)變速度最大。左右時，轉(zhuǎn)變速度最大。n 轉(zhuǎn)變溫度越高，奧氏體構(gòu)成的孕育期越短。轉(zhuǎn)

10、變溫度越高，奧氏體構(gòu)成的孕育期越短。n 轉(zhuǎn)變溫度越高，完成轉(zhuǎn)變所需的時間越短。轉(zhuǎn)變溫度越高，完成轉(zhuǎn)變所需的時間越短。圖圖2-8 奧氏體等溫構(gòu)成動力學曲線奧氏體等溫構(gòu)成動力學曲線 n 構(gòu)成溫度升高，構(gòu)成溫度升高，N的的增長速率高于增長速率高于G的增長的增長速率，速率，N/G增大，可獲增大，可獲得細小的起始晶粒度。得細小的起始晶粒度。n 構(gòu) 成 溫 度 升 高 ，構(gòu) 成 溫 度 升 高 ，G/Gk 增大，鐵增大，鐵素體消逝時，剩余滲碳素體消逝時，剩余滲碳體量增大，構(gòu)成奧氏體體量增大，構(gòu)成奧氏體的平均碳含量降低。的平均碳含量降低。4.4 奧氏體構(gòu)成速度的影響要素奧氏體構(gòu)成速度的影響要素n 除轉(zhuǎn)變溫度

11、和加熱速度外，還有：除轉(zhuǎn)變溫度和加熱速度外，還有：n1鋼的原始組織形狀鋼的原始組織形狀n 原始組織越細，晶體缺陷越多，奧氏原始組織越細，晶體缺陷越多，奧氏體轉(zhuǎn)變過程越快。體轉(zhuǎn)變過程越快。n 片狀珠光體快于粒狀珠光體。片狀珠光體快于粒狀珠光體。2鋼的化學成分鋼的化學成分n 含碳量越高，滲碳體與鐵素體的總相界面積含碳量越高，滲碳體與鐵素體的總相界面積越大，越大，F(xiàn)e、C原子分散系數(shù)增大，從而增高原子分散系數(shù)增大，從而增高N和和G，構(gòu)成速度增大。，構(gòu)成速度增大。n 碳化物構(gòu)成元素碳化物構(gòu)成元素Cr，W，Mo，V，妨礙碳的，妨礙碳的分散，降低構(gòu)成速度。分散，降低構(gòu)成速度。n 非碳化物構(gòu)成元素非碳化物構(gòu)

12、成元素Ni，Co，加速碳的分散，加速碳的分散，增大構(gòu)成速度。增大構(gòu)成速度。n Mn，Ni降低鋼的臨界點，細化原珠光體組織，降低鋼的臨界點，細化原珠光體組織，增大構(gòu)成速度。增大構(gòu)成速度。5. 5. 延續(xù)加熱時奧氏體的構(gòu)成特點延續(xù)加熱時奧氏體的構(gòu)成特點圖圖2-9 珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變動力學曲線珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變動力學曲線n 奧氏體構(gòu)成是在一個溫度范圍內(nèi)完成的。奧氏體構(gòu)成是在一個溫度范圍內(nèi)完成的。n 隨加熱速度增大，轉(zhuǎn)變趨向高溫，且轉(zhuǎn)變溫度隨加熱速度增大，轉(zhuǎn)變趨向高溫，且轉(zhuǎn)變溫度范圍擴展，而轉(zhuǎn)變速度那么增大。范圍擴展，而轉(zhuǎn)變速度那么增大。n 隨加熱速度增大，隨加熱速度增大，C，F(xiàn)e原子來不及分散，所原

13、子來不及分散，所構(gòu)成的奧氏體成分不均勻性增大。構(gòu)成的奧氏體成分不均勻性增大。n 快速加熱時，奧氏體構(gòu)成溫度升高，可引起奧快速加熱時，奧氏體構(gòu)成溫度升高，可引起奧氏體起始晶粒細化；同時，剩余滲碳體量也增多，氏體起始晶粒細化；同時，剩余滲碳體量也增多，構(gòu)成奧氏體的平均碳含量降低。構(gòu)成奧氏體的平均碳含量降低。6. 6. 奧氏體晶粒長大及其控制奧氏體晶粒長大及其控制6.1 奧氏體晶粒度奧氏體晶粒度 奧氏體晶粒大小用晶粒度表示，通常分為奧氏體晶粒大小用晶粒度表示，通常分為8級，級，1級最粗，級最粗，8級最細，級最細，8級以上為超細級以上為超細晶粒。晶粒。 晶粒度級別與晶粒大小的關(guān)系晶粒度級別與晶粒大小的

14、關(guān)系 n = 2N-1 (2-5) n - X100倍時，晶粒數(shù)倍時，晶粒數(shù) / in2 N - 晶粒度級別晶粒度級別圖圖2-10 X100倍倍 晶粒度晶粒度Nd (m)125021773125488562644731822915.61011n 奧氏體晶粒度有三種：奧氏體晶粒度有三種：n 初始晶粒度初始晶粒度 - 奧氏體構(gòu)成剛終了，奧氏體構(gòu)成剛終了，其晶粒邊境剛剛相互接觸時的晶粒大其晶粒邊境剛剛相互接觸時的晶粒大小。初始晶粒普通很細小，大小不均，小。初始晶粒普通很細小，大小不均，晶界彎曲。晶界彎曲。n 實踐晶粒度實踐晶粒度 - - 鋼經(jīng)熱處置后所獲鋼經(jīng)熱處置后所獲得的實踐奧氏體晶粒大小。得的實

15、踐奧氏體晶粒大小。 本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度 - 表示鋼在一定加熱條件下奧表示鋼在一定加熱條件下奧氏體晶粒長大的傾向性。氏體晶粒長大的傾向性。 在在 93010，保溫，保溫38小時后測定：小時后測定： 14級級-本質(zhì)粗晶粒鋼，晶粒容易長大。本質(zhì)粗晶粒鋼，晶粒容易長大。 58級級-本質(zhì)細晶粒鋼，晶粒不容易長大。本質(zhì)細晶粒鋼，晶粒不容易長大。圖圖2-11 加熱溫度對奧氏體晶粒大小的影響加熱溫度對奧氏體晶粒大小的影響Ac19306.2 奧氏體晶粒長大機制奧氏體晶粒長大機制 晶粒長大的驅(qū)動力晶粒長大的驅(qū)動力驅(qū)動力來自總的晶界能的下降。驅(qū)動力來自總的晶界能的下降。對于球面晶界，有一指向曲率對于球面晶界，有一

16、指向曲率中心的驅(qū)動力中心的驅(qū)動力P作用于晶界。作用于晶界。RP圖圖2-12 球面晶界長球面晶界長大驅(qū)動力表示圖大驅(qū)動力表示圖。，直晶界，球面曲率半徑，如為平比界面能0)62(2PRRRPn 公式公式(2-6)的推導的推導:圖圖2-13 雙晶體中的雙晶體中的A、B兩晶粒，其中兩晶粒，其中B晶粒呈球晶粒呈球狀存在于狀存在于A晶粒中。晶粒中。n 面積為面積為A的晶界假設(shè)挪動的晶界假設(shè)挪動dx間隔時，體系總的間隔時，體系總的Gibbs自在自在能變化為能變化為dGt ，那么沿，那么沿x方向方向有力有力P作用于晶界上，構(gòu)成晶作用于晶界上，構(gòu)成晶界挪動的驅(qū)動力。界挪動的驅(qū)動力。n 圖圖2-13中中A、B晶粒

17、間的晶晶粒間的晶界構(gòu)成一曲率半徑為界構(gòu)成一曲率半徑為R的球面。的球面。RdRRdRdxdGAPt2)4(41122圖圖2-14 大晶粒吃掉小晶粒表大晶粒吃掉小晶粒表示圖示圖(箭頭表示晶界遷移方向箭頭表示晶界遷移方向)圖圖2-15 晶粒大小均勻一致晶粒大小均勻一致時穩(wěn)定的二維構(gòu)造時穩(wěn)定的二維構(gòu)造圖圖2-16 頂角均為頂角均為1200 的多邊形晶粒的多邊形晶粒圖圖2-17 三維晶粒的穩(wěn)定外三維晶粒的穩(wěn)定外形形 - Kelvin正十四面體正十四面體圖圖2-18 大晶粒和小晶粒大晶粒和小晶粒的幾何關(guān)系的幾何關(guān)系n 為堅持三晶界交為堅持三晶界交會處的界面張力平會處的界面張力平衡，交會處的面角衡，交會處的

18、面角應(yīng)為應(yīng)為120o，晶界將，晶界將彎曲成曲率中心在彎曲成曲率中心在小晶粒一側(cè)的曲面小晶粒一側(cè)的曲面晶界。晶界。n 大晶粒將吃掉小大晶粒將吃掉小晶粒，使總晶界面晶粒，使總晶界面積減少，總的界面積減少，總的界面能降低。能降低。(2) 晶界遷移阻力晶界遷移阻力圖圖2-19 Zener微粒釘微粒釘扎晶界模型扎晶界模型 n 晶界向右遷移時，奧氏晶界向右遷移時，奧氏體晶界面積將添加，所受體晶界面積將添加，所受的最大阻力為：的最大阻力為：第二相微粒的半徑第二相微粒的體積分數(shù)rfrfF)72(23maxn 由式由式2-7可知：可知：n 當?shù)诙辔⒘Ｋ嫉捏w積分數(shù)當?shù)诙辔⒘Ｋ嫉捏w積分數(shù) f 一定時，第二相

19、粒子越細小一定時，第二相粒子越細小r越越小，提供的對晶界遷移的總阻力小，提供的對晶界遷移的總阻力越大。越大。n 反之，當?shù)诙辔⒘４只瘯r，對反之，當?shù)诙辔⒘４只瘯r，對晶界遷移的總阻力將會變小。晶界遷移的總阻力將會變小。(3) 奧氏體晶粒長大過程奧氏體晶粒長大過程圖圖2-20 奧氏體晶粒長大過程奧氏體晶粒長大過程孕育期：溫度愈高，孕育期：溫度愈高，孕育期愈短。孕育期愈短。不均勻長大期：粗細不均勻長大期：粗細晶粒共存。晶粒共存。均勻長大期：細小晶均勻長大期：細小晶粒被吞并后，緩慢粒被吞并后，緩慢長大。長大。6.3 影響奧氏體晶粒長大的要素影響奧氏體晶粒長大的要素 (1) 加熱溫度和保溫時間加熱溫

20、度和保溫時間n 表現(xiàn)為晶界的遷移，本質(zhì)上是原子表現(xiàn)為晶界的遷移，本質(zhì)上是原子在晶界附近的分散過程。在晶界附近的分散過程。n 晶粒長大速度與晶界遷移速率及晶晶粒長大速度與晶界遷移速率及晶粒長大驅(qū)動力成正比。粒長大驅(qū)動力成正比。晶界移動激活能常數(shù) mmQKRRTQKV)82(exp圖圖2-21 奧氏體晶粒大小與加熱奧氏體晶粒大小與加熱 溫度、保溫時間的關(guān)系溫度、保溫時間的關(guān)系n 隨加熱溫度升高，隨加熱溫度升高，奧氏體晶粒長大速奧氏體晶粒長大速度成指數(shù)關(guān)系迅速度成指數(shù)關(guān)系迅速增大。增大。n 加熱溫度升高時，加熱溫度升高時，保溫時間應(yīng)相應(yīng)縮保溫時間應(yīng)相應(yīng)縮短，這樣才干獲得短，這樣才干獲得細小的奧氏體晶粒。細小的奧氏體晶粒。2加熱速度的影響加熱速度的影響n 加熱速度越大，奧氏體的實踐構(gòu)成溫加熱速度越大，奧氏體的實踐構(gòu)成溫度越高，形核率與長大速度之比度越高，形核率與長大速度之比N/G隨之增大，可以獲得細小的起始晶粒度。隨之增大，可以獲得細小的起始晶粒度。n 快速加熱并且短時間保溫可以獲得細快速加熱并且短時間保溫可以獲得細小的奧氏體晶粒度。小的奧氏體晶粒度。n 假設(shè)此時長時間保溫，由于起始晶粒假設(shè)此時長時間保溫，由于起始晶粒細小，加上實踐構(gòu)成溫度高，奧氏體晶粒細小，加上實踐構(gòu)成溫度高，奧氏體晶粒很容易長大。