材料相變理論鋼中奧氏體的形成

材料相變理論鋼中奧氏體的形成第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五引言鋼被加熱到奧氏體相區(qū)，得到奧氏體組織。奧氏體狀態(tài)，包括奧氏體晶粒大小、亞結(jié)構(gòu)、成分、均勻性以及是否存在其他相、夾雜物等，對于在隨后冷卻過程中得到的組織和性能有直接的影響。熟悉鋼中的奧氏體的形成機(jī)理，掌握獲得奧氏體狀態(tài)的方法，具有重要的實際意義和理論價值。第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五2.1奧氏體的組織結(jié)構(gòu)和性能奧氏體定義：鋼中的奧氏體是碳或各種化學(xué)元素溶入γ－Fe中所形成的固溶體。其中C、N等元素存在于奧氏體的間隙位置，或者晶格缺陷處。而原子尺寸與Fe原子相差不大的合金元素則固溶于替換位置。還有一些化學(xué)元素吸附于奧氏體晶界等晶體缺陷處。第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（1）奧氏體組織奧氏體晶粒一般為等軸狀多邊形，在奧氏體晶粒內(nèi)有孿晶?；野撞煌囊r度是由于各晶粒暴露在試樣表面上的晶面具有不同的取向的緣故。T8鋼的奧氏體晶粒(暗場像)1Cr18Ni9Ti鋼室溫的奧氏體組織第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（2）奧氏體的晶體結(jié)構(gòu)（f.c.c）第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五碳原子的間隙固溶面心立方中的八面體間隙能容納的最大球半徑=0.414R

在1147℃時，碳在奧氏體中的最大溶解度僅為2.11％（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），這是由于γ－Fe的八面體中心的間隙半徑僅為0.52?，比碳原子的半徑0.86?小。碳原子溶入將使八面體發(fā)生較大的膨脹，產(chǎn)生畸變晶格不穩(wěn)定，因此溶解度是有限的。如果圖所示的間隙位置都被碳原子占據(jù)，則一個晶胞中含有4個鐵原子和4個碳原子，則原子分?jǐn)?shù)為50%，折合17.6wt％C。但是，實際上原子分?jǐn)?shù)為8.7at％C，即25個γ－Fe晶胞中有9個碳原子。第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五0.2％C的奧氏體中的間隙碳原子分布在奧氏體中，一部分碳原子固溶在fcc的晶格間隙中，一部分偏聚的晶界、位錯等晶體缺陷處。碳含量分布實際上是不均勻的。第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（3）奧氏體的性能1）奧氏體是最密排的點陣結(jié)構(gòu)，致密度高，故奧氏體的比容最小(與F、M比較)。因此，鋼被加熱到奧氏體相區(qū)時，體積收縮，冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體－珠光體等組織時，體積膨脹，容易引起內(nèi)應(yīng)力。2）奧氏體的點陣滑移系多，故奧氏體的塑性好，屈服強(qiáng)度低，易于加工塑性變形。鋼錠或鋼坯一般被加熱到1100℃以上奧氏體化，然后進(jìn)行鍛軋，塑性加工成材。3）一般鋼中的奧氏體具有順磁性，因此奧氏體鋼可以作為無磁性鋼。特殊的Fe－Ni軟磁合金，也是奧氏體組織，但具有鐵磁性。4）奧氏體的導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)最大，比鐵素體和滲碳體的平均線膨脹系數(shù)高約一倍。故奧氏體鋼可以用來制造熱膨脹靈敏的儀表元件。5）由于其導(dǎo)熱性差，大鋼件加熱時，熱透較慢，加熱速度應(yīng)當(dāng)慢一些，以減少溫差應(yīng)力，避免開裂。第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五2.2奧氏體形成機(jī)理

奧氏體形成是擴(kuò)散性相變，轉(zhuǎn)變的全過程可以分為四個階段:第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五片狀珠光體奧氏體珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，是擴(kuò)散型相變，是形核－長大的過程。第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（1）奧氏體形成的熱力學(xué)條件相變驅(qū)動力ΔGv第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五相變臨界點

實際生產(chǎn)中加熱速度一般較快，轉(zhuǎn)變發(fā)生滯后現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)變開始點隨著加熱速度的加快而升高。習(xí)慣上將在一定加熱速度下（0.125℃/min）實際測定的臨界點用AC1表示。臨界點A3和Acm也附加腳標(biāo)c，即：AC3、ACCm。冷卻時的臨界點與冷卻速度有關(guān)。冷卻時的臨界點以Ar1

表示。臨界點A3和Acm也附加腳標(biāo)r，表示為Ar3、Arcm。第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（2）奧氏體晶核的形成形核點一般認(rèn)為奧氏體在鐵素體和滲碳體交界面上形成晶核。奧氏體晶核也可以在以往的粗大奧氏體晶界上（原始奧氏體晶界）形核并且長大，由于這樣的晶界處富集較多的碳原子和其他元素，給奧氏體形核提供了有利條件。0.1mm原奧氏體晶界和晶核第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五cTEMFe-2.6Cr-1C鋼的奧氏體的形核1.5μmaSEMT8鋼奧氏體的形核1.5μmb奧氏體晶核在鐵素體片/滲碳體片相界面處形成第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五奧氏體晶核的尺度～100nm第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

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。也存在無擴(kuò)散機(jī)制形核的觀點。奧氏體晶核與母相之間存在位向關(guān)系第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（3）奧氏體晶核的長大當(dāng)在鐵素體和滲碳體交界面上形成奧氏體晶核時，則形成了γ－α和γ－Fe3C兩個相界面。奧氏體晶核的長大過程實際上是兩個相界面向原有的鐵素體和滲碳體中推移的過程。第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五奧氏體晶核的長大奧氏體同時吃掉鐵素體片(a，b)和滲碳體片或只是吃掉鐵素體（c）長大速率：0.65～1.375微米/秒第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五剩余碳化物的溶解SEMT8奧氏體中存在剩余滲碳體第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五奧氏體形成總結(jié)加熱到臨界點以上，形成奧氏體，分為四個階段：①晶界形核；②晶核向鐵素體和滲碳體兩個方向長大；③剩余滲碳體或碳化物溶解；④奧氏體成分相對均勻化。第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五2.3奧氏體等溫形成動力學(xué)

所謂形成動力學(xué)即指新相的形成速度問題。鋼的成分、原始組織、加熱溫度、加熱速度等均影響轉(zhuǎn)變速度。為了使問題簡化，首先討論當(dāng)溫度恒定時奧氏體形成的動力學(xué)問題。

第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（1）共析碳素鋼的等溫TTA曲線第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（2）亞共析碳素鋼等溫TTA曲線Fe-0.1%C鋼Fe-0.6%C鋼原因不明第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（3）連續(xù)加熱時奧氏體形成的TTA曲線Fe-0.7%C鋼第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五速度v下轉(zhuǎn)變開始點速度v下轉(zhuǎn)變結(jié)束點第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五連續(xù)加熱時奧氏體的形成特點

奧氏體形成是在一個溫度范圍內(nèi)完成的。隨加熱速度增大，轉(zhuǎn)變趨向高溫，且轉(zhuǎn)變溫度范圍擴(kuò)大，而轉(zhuǎn)變速度則增大。隨加熱速度增大，C，F(xiàn)e原子來不及擴(kuò)散，所形成的奧氏體成分不均勻性增大?？焖偌訜釙r，奧氏體形成溫度升高，可引起奧氏體起始晶粒細(xì)化；同時，剩余滲碳體量也增多，形成奧氏體的平均碳含量降低。第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（4）奧氏體的形核率和長大速度形核率：思考：T升高，N增大的原因有哪些？第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五奧氏體晶核長大速度一個珠光體片層間距內(nèi)，T=780oC時，奧氏體向鐵素體的推移速度為：奧氏體向滲碳體的推移速度為：兩者之比為：思考：為什么鐵素體總是比滲碳體先轉(zhuǎn)化完畢？第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（5）影響奧氏體形成速度的因素

一切影響奧氏體的形核率和增大速度的因素都影響奧氏體的形成速度。如：加熱溫度，鋼的原始組織，化學(xué)成分等。

第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五1）加熱溫度的影響①奧氏體形成速度隨著加熱溫度升高而迅速增大。轉(zhuǎn)變的孕育期變短，相應(yīng)的轉(zhuǎn)變終了時間也變短；②隨著奧氏體形成溫度升高，形核率增長速率高于長大速度的增長速率。如：轉(zhuǎn)變溫度從740℃升高到800℃時，形核率增加270倍，而長大速度只增加80倍。因此，奧氏體形成溫度愈高，起始晶粒度愈小。③隨著奧氏體形成溫度升高，奧氏體相界面向鐵素體的推移速度比向滲碳體的推移速度之比增大。在780℃其比值約為14，而在800℃，比值將增大到約19。因此，當(dāng)奧氏體將鐵素體全部吃完時，剩下的滲碳體量增多。第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五2）含碳量的影響

珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變50%所需要的時間與鋼中碳含量的關(guān)系第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五3）原始組織的影響

①鋼的原始組織愈細(xì)，奧氏體形成速度愈快。因為原始組織中的碳化物分散度越高，相界面越多，形核率越大。②珠光體的片間距愈小碳原子的擴(kuò)散距離減小，奧氏體中的濃度梯度增大，從而，奧氏體形成速度加快。如原始組織為托氏體時奧氏體的形成速度比索氏體和珠光體都快。第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五奧氏體等溫形成時，片狀珠光體比粒狀的快。珠光體中的碳化物有片狀的，也有粒狀的。試驗表明，碳化物呈片狀時，奧氏體的等溫形成速度較粒狀的快。在760℃，片狀珠光體的奧氏體化轉(zhuǎn)變完了的時間不足1分鐘；而粒狀珠光體則需5分鐘以上。這是由于片狀珠光體中的碳化物與鐵素體的相界面面積大，易于形核，也易于溶解。碳原子擴(kuò)散距離也較短。第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五4）合金元素的影響①對擴(kuò)散系數(shù)的影響強(qiáng)碳化物形成元素，如Cr、V、Mo、W等，降低碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，因而減慢奧氏體的形成速度。非碳化物形成元素Co、Ni等增大碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，因而加速奧氏體的形成。②合金元素改變臨界點位置合金元素改變了鋼的臨界點的位置，如升高Ac1或降低Ac1；使轉(zhuǎn)變在一個溫度范圍進(jìn)行，如Ac1s～Ac1f，因而改變了過熱度，影響了奧氏體的形成速度。③

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。珠光體的片層間距愈小，奧氏體形成速度愈快。④合金元素在奧氏體中分布不均勻合金元素的擴(kuò)散系數(shù)僅僅為碳的1/1000～1/10000，因而，合金鋼的奧氏體形成速度慢，均勻化也慢，需要更長的時間轉(zhuǎn)變完，均勻化時間也長。第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五2.5奧氏體晶粒長大及控制

第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五奧氏體晶粒度晶粒度定義N：n為放大100倍時平均每6.45cm2視野內(nèi)的晶粒數(shù)。本質(zhì)晶粒度——鋼加熱至930±10C，保溫3-8h，冷卻后測得的晶粒度，反應(yīng)鋼加熱時晶粒長大的傾向。1-4級為本質(zhì)粗晶粒；5-8級為本質(zhì)細(xì)晶粒。奧氏體晶粒度影響其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能。受加熱溫度、加熱速度和鋼中合金元素的影響。第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（1）奧氏體晶粒長大現(xiàn)象加熱溫度、時間對0.48%C-0.82%Mn鋼奧氏體晶粒大小的影響

1－不含鋁的C-Mn鋼2－含Nb-N鋼第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五加熱溫度對奧氏體晶粒度的影響注意區(qū)分：起始晶粒度實際晶粒度本質(zhì)晶粒度第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（2）奧氏體晶粒長大機(jī)理長大驅(qū)動力正常長大速度第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（3）影響奧氏體晶粒長大的因素1）加熱溫度和保溫時間2）加熱速度3）C含量4）合金元素5）冶煉方法6）原始組織10Ni5CrMoV鋼第40頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五硬相微粒對奧氏體晶界的扎釘作用

用鋁脫氧的鋼及含有Nb、V、Ti等元素的鋼，鋼中存在AlN、NbC、VC、TiC等微粒，這些析出相硬度很高，難以變形，存在于晶界上時，阻止奧氏體晶界移動，對晶界起了扎釘作用；在一定溫度范圍內(nèi)保持奧氏體晶粒細(xì)小硬相微粒體積分?jǐn)?shù)?一定時，微粒越細(xì)，半徑r越小，微粒數(shù)量越多，則對于晶界移動的阻力F越大：F=3f/2r。一定溫度下，奧氏體晶粒平均半徑極限Rlim=4r/3f。第41頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五（4）奧氏體的組織遺傳性鋼奧氏體化時的一種晶粒組織傳遞現(xiàn)