金屬材料鋼在加熱過程中的轉(zhuǎn)變

符彩濤（157692196）材料科學(xué)與工程鋼在加熱過程中的轉(zhuǎn)變概述鋼，是對含碳量質(zhì)量百分比介于0.02%至2.06%之間的鐵碳合金的統(tǒng)稱概述熱處理及其應(yīng)用熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定溫度，保溫一段時間，然后以預(yù)定的方式冷卻到室溫的一種熱加工工藝。為:熱處理工藝可以消除各種缺陷，細(xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力，使組織和性能更加均勻。

熱處理可以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善其工藝性能和使用性能。概述鋼為什么可以進(jìn)行熱處理？是不是所有金屬材料都能進(jìn)行熱處理？

鋼之所以能進(jìn)行熱處理，是由于鋼在，在固態(tài)下不發(fā)生相變的純金屬或某些合金則不能用熱處理的方法強(qiáng)化。概述固態(tài)下具有相變在加熱或冷卻時發(fā)生溶解度顯著變化或者類似純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變概述固態(tài)相變的特點相變阻力大新舊兩相比體積不同，母相γ轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪鄷r要產(chǎn)生體積變化，或者由于新舊兩相相界面不匹配而引起彈性畸變。存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系新固相與現(xiàn)存固相質(zhì)點之間必須符合結(jié)構(gòu)和大小相適應(yīng)原理，才能降低形核功，促進(jìn)晶核形成。概述易于出現(xiàn)過渡相過渡相是一種亞穩(wěn)定相，其成分和結(jié)構(gòu)介于新相和母相之間。晶體缺陷對相變起促進(jìn)作用母相中各種晶體缺陷，如晶界、位錯、空位等缺陷對相變有明顯的促進(jìn)作用。A1、A3、Acm是碳素鋼加熱或冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的平衡臨界溫度，是碳鋼在極其緩慢加熱和冷卻條件下測定的組織轉(zhuǎn)變溫度概述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。概述

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變鋼加熱至Ac1以上溫度時，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，稱為“奧氏體化”。

α+

Fe3C

→

γWc

=0.0218%體心立方Wc

=6.69%正交晶格Wc

=0.77%面心立方奧氏體的形成過程就是鐵晶格的改組和鐵、碳原子的擴(kuò)散過程。奧氏體的形成熱力學(xué)條件

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變奧氏體核心形成時，系統(tǒng)總自由能變化△G：為:△G=△Gv+△GS+△Ge△Gv是奧氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力；△GS與△Ge是相變的阻力。動力只△G≤0，即△Gv≥△GS+△Ge時，珠光體才能自發(fā)地向奧氏體轉(zhuǎn)變。奧氏體的形成過程

以共析鋼為例，當(dāng)加熱到AC1以上時，發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變（即奧氏體化）過程可分為四個階段：

1）奧氏體晶核的形成2）奧氏體長大

3）剩余滲碳體的溶解

4）奧氏體均勻化

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

1）奧氏體晶核的形成形核條件－能量、結(jié)構(gòu)和成分起伏；形核部位－鐵素體和滲碳體的相界面、珠光體團(tuán)的邊界，過冷度較大時在鐵素體內(nèi)的亞晶界等；奧氏體晶核是通過擴(kuò)散機(jī)制形成的。晶核是通過擴(kuò)散機(jī)制形成的。奧氏體的形成是擴(kuò)散型相變，因此奧氏體晶核是通過擴(kuò)散機(jī)制形成的。

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

2）奧氏體的長大滲碳體尚未溶解，剩余在奧氏體中，這時奧氏體的平均碳濃度低于共析成分。

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

3）剩余滲碳體的溶解

鐵素體消失以后，隨著保溫時間延長或繼續(xù)升溫，剩余在奧氏體中的滲碳體通過碳原子的擴(kuò)散，不斷溶人奧氏體中，使奧氏體的碳濃度逐漸趨子共析成分。4）奧氏體均勻化原是滲碳體的區(qū)域碳濃度較高，繼續(xù)延長保溫時間或繼續(xù)升溫，通過碳原子的擴(kuò)散，奧氏體碳濃度逐漸趨于勻勻化。最后得到均勻的單相奧氏體。

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變奧氏體等溫形成圖加熱過程中，加熱速度越快，奧氏體開始形成的溫度越高，完成轉(zhuǎn)變所需要的時間則越短。奧氏體形成速度

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

影響奧氏體形成速度的因素奧氏體的形成是通過形核和長大過程進(jìn)行的，整個過程受原子擴(kuò)散所控制。因此一切影響擴(kuò)散、影響形核與長大的因素都影響奧氏體的形成速度。

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

加熱溫度隨著加熱溫度的升高，原子擴(kuò)散系數(shù)增加，特別是碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)增加，加快了奧氏體的形核和長大速度。加熱溫度升高，奧氏體中的碳濃度梯度加大，故原子擴(kuò)散速度加快。隨溫度的升高，奧氏體的形核率和長大速度急劇增加，轉(zhuǎn)變的孕育期和轉(zhuǎn)變所需時間顯著縮短；加熱溫度越高，轉(zhuǎn)變孕育期和完成轉(zhuǎn)變的時間越短

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變奧氏體的形核率和長大速度與溫度的關(guān)系

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

原始組織隨原始組織中碳化物分散度的增大，不僅鐵素體和滲碳體相界面增多，加大了奧氏體的形核率珠光體片層間距減小，使奧氏體中的碳濃度梯度增大，使碳原子的擴(kuò)散距離減小這都使奧氏體的長大速度增加。因此，鋼的原始組織越細(xì)，則奧氏體的形成速度越快。

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

化學(xué)成分鋼中含碳量越高，奧氏體的形成速度越快（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響（2）合金元素的影響對擴(kuò)散系數(shù)的影響；合金元素改變臨界點：升高或降低Ac1；合金元素影響珠光體的片層間距，改變碳在奧氏體中的溶解度，從而影響奧氏體的形成速度；合金元素在奧氏體中分布不均勻。

鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變奧氏體晶粒長大及其控制奧氏體晶粒粗大，會影響熱處理后鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性較低。因此，加熱時獲得細(xì)小晶粒的奧氏體對提高熱處理效果和鋼的性能有重要的意義。晶粒度起始晶粒度實際晶粒度本質(zhì)晶粒度鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變晶粒度1-4級稱為本質(zhì)粗晶粒鋼；晶粒度為5-8級稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。

本質(zhì)粗晶粒鋼與本質(zhì)細(xì)晶粒鋼奧氏體晶粒長大示意圖鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變奧氏體晶粒的長大主要依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行的。鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變影響奧氏體晶粒長大的因素（1）加熱溫度和保溫時間的影響（2）加熱速度的