熱處理原理與工藝 教學(xué)課件 趙乃勤 第2章　鋼在高溫加熱時(shí)的奧氏體轉(zhuǎn)變

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或者直接輸入下面地址：://shop106150152.taobao第2章鋼在高溫加熱時(shí)的奧氏體轉(zhuǎn)變2.1奧氏體及其特點(diǎn)

2.2鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變

2.3鋼中奧氏體的連續(xù)加熱轉(zhuǎn)變

2.4奧氏體晶粒長大及控制2.5非平衡組織加熱的奧氏體轉(zhuǎn)變

2.1.1奧氏體定義圖2-1Fe-FC合金平衡相圖2.1.1奧氏體定義圖2-2合金元素對Fe-FC相圖奧氏體區(qū)的影

a)鉻的影響b)錳的影響2.1.1奧氏體定義圖2-3304不銹鋼在高溶解氧環(huán)境中的斷裂表面，顯示出奧氏體晶粒的形2.1.1奧氏體定義圖2-4奧氏體的光學(xué)顯微組織(NF709奧氏體不銹鋼，10%草酸

溶液電解拋光腐蝕，晶內(nèi)存在退火孿晶2.1.2奧氏體晶體結(jié)構(gòu)圖2-5碳原子在γ-Fe中可能的間隙位置a)和八面體間b)2.1.2奧氏體晶體結(jié)構(gòu)圖2-6奧氏體的點(diǎn)陣常數(shù)與碳含量

(包括過飽和含量)的關(guān)2.1.3奧氏體的性能奧氏體是碳鋼中的高溫穩(wěn)定相，當(dāng)加入適量的合金元素時(shí)，可以使奧氏體在室溫成為穩(wěn)定相。因此，奧氏體可以是鋼在使用時(shí)的一種組織狀態(tài)，在奧氏體狀態(tài)使用的鋼稱為奧氏體鋼。2.2鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變通常把鋼加熱到臨界溫度以上獲得奧氏體的轉(zhuǎn)變過程稱為奧氏體化過程。鋼經(jīng)奧氏體化獲得穩(wěn)定的奧氏體相后，以不同方式(或速度)冷卻，就可以獲得不同的組織和性能。因此，奧氏體化過程是很多熱處理的基本過程。2.2.1奧氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)圖2-7Fe-C合金珠光體和奧氏體的自由能

(和)與溫度的關(guān)系2.2.1奧氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)圖2-8加熱速度和冷卻速度為0.125℃/min時(shí)

對奧氏體轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)的影2.2.2奧氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制1.奧氏體形核

2.奧氏體晶核長大

3.殘留碳化物溶解

4.奧氏體成分均勻化2.2.2奧氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制圖2-9珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變示意

a)奧氏體形核b)奧氏體晶核長大c)殘留碳化物溶解d)奧氏體成分均勻化1.奧氏體形核圖2-10珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變過程

(1000×1.奧氏體形核圖2-110.95%C-2.61%Cr鋼加熱到800℃奧氏體形核的TEM照

a)奧氏體在滲碳體/鐵素體界面形核b)奧氏體在珠光體團(tuán)的邊界形核1.奧氏體形核圖2-12奧氏體［γ(M)］在大角度晶界(HAB)處形核

(LAB為小角度晶界2.奧氏體晶核長大圖2-13奧氏體晶核在珠光體中長大示意圖

a)在溫度下奧氏體形核時(shí)各相的碳濃度b)奧氏體相界面推移示意圖3.殘留碳化物溶解在奧氏體晶核的長大過程中，隨著相界面的擴(kuò)展，珠光體中的鐵素體首先完成轉(zhuǎn)變。當(dāng)鐵素體消失時(shí)，滲碳體還未完全溶解，此時(shí)奧氏體的平均碳含量低于珠光體的平均碳含量(wC=0.77%)。Fe-Fe3C相圖中ES線的傾斜度大于GS線(圖2-13a)，S點(diǎn)不在cγ-α與cγ-θ的中點(diǎn)，而稍偏右。4.奧氏體成分均勻化圖2-140.95%C-2.61%Cr鋼加熱到800℃時(shí)奧氏體形成的TEM照

(在淬火過程中，奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體)

a)8sb)20sc)10sd)20s2.2.3奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)1.共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)圖

2.奧氏體的形核與長大動力學(xué)

3.亞共析鋼和過共析鋼等溫形成動力學(xué)1.共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)圖圖2-15=0.86%鋼的等溫奧氏體形成動力學(xué)曲1.共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)圖圖2-16共析鋼奧氏體等溫形成

動力學(xué)圖的繪1.共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)圖圖2-17共析碳鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)圖2.奧氏體的形核與長大動力學(xué)(1)奧氏體的形核率先考慮均勻形核時(shí)的情況，奧氏體形核率J與溫度之間的關(guān)系可描述為

(2)奧氏體的長大速度奧氏體的長大速度v與奧氏體生長機(jī)制有關(guān)。3.亞共析鋼和過共析鋼等溫形成動力學(xué)圖2-18亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體等溫形成

a)=0.45%的亞共析鋼b)=1.2%的過共析鋼2.2.4奧氏體轉(zhuǎn)變的影響因素1.加熱溫度

2.碳含量

3.原始組織

4.合金元素1.加熱溫度溫度對奧氏體形成速度的影響在前面已經(jīng)有較多的論述。溫度升高，奧氏體形成速度加快，其影響見表2-1。而且隨著溫度的升高，奧氏體形核率增加的幅度高于長大速度增加的幅度，因此溫度越高，奧氏體起始晶粒度越小。2.碳含量表2-1加熱溫度對奧氏體等溫形成速度的影加熱溫度/℃形核率/m·晶核成長速度/mm·轉(zhuǎn)變50%的時(shí)間/s74023000．001100760110000．0109780520000．0253800600000．04013.原始組織2-19.TIF3.原始組織2-20.TIF4.合金元素(1)對碳在奧氏體中擴(kuò)散系數(shù)的影響強(qiáng)碳化物形成元素如Cr、Mo、W、V等，降低碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，因而顯著推遲珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程；非碳化物形成元素Co、Ni增大碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，因而增大奧氏體的形成速度；Si、Al對擴(kuò)散系數(shù)的影響較小，對奧氏體形成速度沒有太大的影響。

(2)對碳化物溶解度的影響合金元素與碳形成的碳化物向奧氏體中溶解的難易程度不同也會影響奧氏體的形成速度。

(3)對相變臨界點(diǎn)的影響合金元素改變臨界點(diǎn)A1、A3、Acm的位置，并使它們成為一個(gè)溫度范圍。

(4)對原始組織的影響合金元素通過對原始組織的影響來影響奧氏體的形成速度。(1)對碳在奧氏體中擴(kuò)散系數(shù)的影響強(qiáng)碳化物形成元素如Cr、Mo、W、V等，降低碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，因而顯著推遲珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程；非碳化物形成元素Co、Ni增大碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，因而增大奧氏體的形成速度；Si、Al對擴(kuò)散系數(shù)的影響較小，對奧氏體形成速度沒有太大的影響。(2)對碳化物溶解度的影響合金元素與碳形成的碳化物向奧氏體中溶解的難易程度不同也會影響奧氏體的形成速度。(3)對相變臨界點(diǎn)的影響合金元素改變臨界點(diǎn)A1、A3、Acm的位置，并使它們成為一個(gè)溫度范圍。(4)對原始組織的影響合金元素通過對原始組織的影響來影響奧氏體的形成速度。2.3.1連續(xù)加熱轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖圖2-21共析鋼連續(xù)加熱時(shí)的奧氏體形成動力學(xué)圖(≈0.8%，含有少量先共析鐵素體2.3.2連續(xù)加熱轉(zhuǎn)變特點(diǎn)相變臨界點(diǎn)隨加熱速度增大而升高轉(zhuǎn)變在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行奧氏體形成速度隨加熱速度增加而加快奧氏體成分不均勻性隨加熱速度增大而增大奧氏體起始晶粒度隨加熱速度增大而細(xì)化2.3.2連續(xù)加熱轉(zhuǎn)變特點(diǎn)

連續(xù)加熱時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變在相變動力學(xué)和相變機(jī)理上表現(xiàn)出一些與等溫轉(zhuǎn)變不同的特征。(1)相變臨界點(diǎn)隨加熱速度增大而升高圖2-22=0.85%鋼在不同加熱

速度下的加熱曲(2)轉(zhuǎn)變在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鋼在連續(xù)加熱時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成的。(3)奧氏體形成速度隨加熱速度增加而加快從連續(xù)加熱奧氏體形成圖(圖2-21)可以看到，加熱速度越快，轉(zhuǎn)變開始和終了的溫度就越高，轉(zhuǎn)變所需的時(shí)間就越短，即奧氏體形成速度越快。(4)奧氏體成分不均勻性隨加熱速度增大而增大圖2-23加熱速度和溫度對=0.4%鋼奧氏

體中高碳區(qū)最高碳含量的影(5)奧氏體起始晶粒度隨加熱速度增大而細(xì)化快速加熱時(shí)，相變過熱度增大，奧氏體形核率急劇增大。2.4.1奧氏體晶粒度圖2-24鋼晶粒度標(biāo)準(zhǔn)評級圖

(圖中數(shù)字即為級別數(shù))(100×)2.4.2奧氏體晶粒長大機(jī)理與控制方法1.奧氏體晶粒長大現(xiàn)象

2.奧氏體晶粒長大機(jī)理

3.影響奧氏體晶粒長大的因素

4.奧氏體晶粒大小的控制1.奧氏體晶粒長大現(xiàn)象圖2-25奧氏體晶粒尺寸與加熱溫度的關(guān)系2.奧氏體晶粒長大機(jī)理奧氏體晶粒長大驅(qū)動力第二相顆粒對晶界的釘扎作用正常長大異常長大(1)奧氏體晶粒長大驅(qū)動力奧氏體晶粒的長大是通過晶界的遷移而進(jìn)行的，晶界遷移的驅(qū)動力來自于奧氏體晶界遷移后體系總的自由能的降低，即界面能的降低。(2)第二相顆粒對晶界的釘扎作用圖2-26第二相顆粒對晶界的釘扎作用(2)第二相顆粒對晶界的釘扎作用圖2-27氧化物顆粒對晶界產(chǎn)生釘扎作用

的TEM照(4)異常長大圖2-28=0.1%鋼在1100℃保溫

60min時(shí)形成的混晶組3.影響奧氏體晶粒長大的因素(1)加熱溫度和保溫時(shí)間晶粒長大和原子的擴(kuò)散密切相關(guān)，溫度升高或保溫時(shí)間延長，有助于擴(kuò)散進(jìn)行，因此奧氏體晶粒將變得更加粗大。

(2)加熱速度奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的過熱度與加熱速度有關(guān)，加熱速度越快，則過熱度越大，即奧氏體實(shí)際形成的溫度越高。

(3)碳含量碳含量對奧氏體晶粒長大的影響比較復(fù)雜。

(4)脫氧劑及合金元素在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼用鋁脫氧時(shí)，會生成大量的AlN顆粒，它們在奧氏體晶界上彌散析出，可以阻礙晶界的遷移，防止了晶粒長大。

(5)鋼的原始組織原始組織只影響起始晶粒度。(1)加熱溫度和保溫時(shí)間圖2-29奧氏體晶粒大小與加熱溫度和

保溫時(shí)間的關(guān)(2)加熱速度圖2-30加熱速度對奧氏體晶粒大小的影

a)40鋼b)T10鋼(3)碳含量圖2-31碳含量對奧氏體晶粒長大的影響(4)脫氧劑及合金元素在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼用鋁脫氧時(shí)，會生成大量的AlN顆粒，它們在奧氏體晶界上彌散析出，可以阻礙晶界的遷移，防止了晶粒長大。(5)鋼的原始組織原始組織只影響起始晶粒度。4.奧氏體晶粒大小的控制1)添加合金元素。

2)合理選擇加熱溫度和保溫時(shí)間。

3)控制鋼的熱加工工藝和采用預(yù)備熱處理工藝。2.5非平衡組織加熱的奧氏體轉(zhuǎn)變非平衡組織是指淬火組織或淬火后回火不充分的組織，包括馬氏體、貝氏體、回火馬氏體及魏氏組織等。2.5.1針狀奧氏體與顆粒狀奧氏體1.針狀奧氏體(Aa)的形成

2.顆粒狀奧氏體(Ag)的形成1.針狀奧氏體(Aa)的形成圖2-32奧氏體的兩種形

a)針狀奧氏體b)顆粒狀奧氏體2.顆粒狀奧氏體(Ag)的形成非平衡態(tài)組織在加熱時(shí)，在原始奧氏體晶界、板條馬氏體束界及塊界、夾雜物界面上形成細(xì)小的顆粒狀奧氏體，同時(shí)伴隨著滲碳體的溶解。顆粒狀奧氏體是通過擴(kuò)散機(jī)制形成的，新形成的晶核與相界面的一側(cè)保持共格或半共格關(guān)系，而與另一側(cè)無共格關(guān)系，通過碳的擴(kuò)散向無共格關(guān)系的一側(cè)長大，形成球冠狀(顆粒狀)晶粒(圖2-32b)。2.5.2非平衡組織加熱轉(zhuǎn)變的影響因素1.化學(xué)成分

2.奧氏體化溫度和奧氏體化后的停留溫度

3.加熱速度

4.原始組織1.化學(xué)成分化學(xué)成分的不同，將影響非平衡組織在加熱過程中所發(fā)生的轉(zhuǎn)變，包括過飽和α相的分解過程以及α基體的再結(jié)晶過程。對于碳鋼而言，再次加熱時(shí)預(yù)淬火得到的馬氏體極易分解，α基體也極易再結(jié)晶。2.奧氏體化溫度和奧氏體化后的停留溫度非平衡組織是通過淬火得到的，淬火加熱時(shí)的奧氏體化溫度越高，碳化物溶解得就越充分，碳及合金元素分布就越均勻，奧氏體晶粒越粗大，奧氏體晶界上的偏聚也就越少。3.加熱速度圖2-33加熱速度對非平衡組織加熱所得組織的影響示意4.原始組織原始非平衡組織包括馬氏體、貝氏體等淬火組織和回火馬氏體等不充分回火組織。這些不同的組織以相同的加熱速度加熱到轉(zhuǎn)變開始溫度時(shí)，由于加熱過程中的轉(zhuǎn)變程度不同，奧氏體轉(zhuǎn)變開始時(shí)的組織狀態(tài)也不同，形成的奧氏體組織有較大差異。2.5.3組織遺傳現(xiàn)象及控制1.組織遺傳的影響因素

2.組織遺傳的控制

1.組織遺傳的影響因素(1)原始組織組織遺傳現(xiàn)象的出現(xiàn)在很大程度上取決于鋼的原始組織，原始組織為馬氏體、貝氏體、魏氏組織等非平衡組織時(shí)，易于出現(xiàn)組織遺傳性。

(2)加熱速度實(shí)驗(yàn)表明，一般情況下，慢速或快速加熱會導(dǎo)致組織遺傳。

(3)奧氏體形態(tài)非平衡組織加熱溫度高于Ac1后，形成的奧氏體主要有兩種形態(tài)，即針狀奧氏體和顆粒狀奧氏體。(1)原始組織圖2-34針狀奧氏體()合并長大示意(2)加熱速度表2-2不同鋼種出現(xiàn)組織遺傳的臨界加熱速鋼種預(yù)備熱處理臨界加熱速度/℃·501200℃30min淬火3000T8A1200℃