鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變7.2鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變奧氏體化過程：把鋼加熱獲得奧氏體的轉(zhuǎn)變過程稱為奧氏體化過程。奧氏體化的作用：鋼的熱處理多數(shù)需要先加熱得到奧氏體，然后以不同速度冷卻使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，得到鋼的不同性能。為了使鋼在熱處理后獲得所需要的組織和性能，首先必須先將鋼加熱至臨界溫度以上，獲得奧氏體組織。奧氏體化的意義：加熱時(shí)形成的奧氏體的化學(xué)成分、均勻性、晶粒大小以及加熱后未溶入奧氏體中的碳化物、氮化物等過剩相的數(shù)量、分布狀況等都對(duì)鋼的冷卻轉(zhuǎn)變過程及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能產(chǎn)生重要的影響。因此，研究鋼在加熱時(shí)奧氏體的形成過程具有重要的意義。第2頁,共25頁，2024年2月25日，星期天一、奧氏體形成的熱力學(xué)條件根據(jù)Fe-Fe3C相圖，溫度在A1以下鋼的平衡相為鐵素體和滲碳體。當(dāng)溫度超過A1時(shí)，原來的珠光體將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，亞共析鋼或過共析鋼分別加熱到A3或Acm溫度以上，才能得到均勻的單相奧氏體組織?！駣W氏體形成時(shí)系統(tǒng)總的自由能變化為ΔG：

ΔG=ΔGv+ΔGs+ΔGe式中：ΔGv為新相奧氏體與母相之間的體積自由能差（相變驅(qū)動(dòng)力）；ΔGs為形成奧氏體時(shí)所增加的界面能（相變的主要阻力）

；ΔGe為形成奧氏體時(shí)所增加的應(yīng)變能（較小可以忽略）。第3頁,共25頁，2024年2月25日，星期天圖7.4為珠光體、奧氏體的自由能與溫度的關(guān)系

由圖可以看出，當(dāng)溫度等于A1時(shí)，珠光體與奧氏體的自由能相等。只有當(dāng)溫度高于A1時(shí)，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力才能夠克服界面能和應(yīng)變能的相變阻力，使奧氏體的自由能低于珠光體的自由能，奧氏體才能自發(fā)形成。TGvGpGrA1=727℃℃GΔG=Gγ－Gp＜0第4頁,共25頁，2024年2月25日，星期天

二、奧氏體的形成過程以共析鋼（含0.77%C）為例說明奧氏體的形成過程。若共析鋼的原始組織為片狀珠光體，當(dāng)加熱至Ac1以上溫度保溫，將全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，珠光體是由含碳量很高的滲碳體(Wc=6.69％,復(fù)雜晶格）和含碳量很低的鐵素體(Wc=0.02％,體心立方晶格）組成的，要轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂拷橛诙咧g、具有面心立方晶格的奧氏體，三者的含碳量和晶體結(jié)構(gòu)都相差很大。因此，奧氏體的形成過程包括碳的擴(kuò)散重新分布和鐵素體向奧氏體的晶格重組。第5頁,共25頁，2024年2月25日，星期天珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變包括四個(gè)階段：奧氏體形核、奧氏體長大、剩余滲碳體溶解、奧氏體均勻化。如圖7.5所示。圖7.5珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變示意圖第6頁,共25頁，2024年2月25日，星期天圖7.5-1珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程示意圖珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體后，其成分從不均勻到均勻過程第7頁,共25頁，2024年2月25日，星期天第一階段：奧氏體晶核的形成由Fe-Fe3C狀態(tài)圖知：在A1溫度鐵素體含約0.0218%C，滲碳體含6.69%C，奧氏體含0.77%C。在珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體過程中，原鐵素體由體心立方晶格改組為奧氏體的面心立方晶格，原滲碳體由復(fù)雜斜方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?。所以，鋼的加熱轉(zhuǎn)變既有碳原子的擴(kuò)散，也有晶體結(jié)構(gòu)的變化?；谀芰颗c成分條件，奧氏體晶核在珠光體的鐵素體與滲碳體兩相交界處產(chǎn)生，這兩相交界面越多，奧氏體晶核越多。這是因?yàn)樵谙嘟缑嫔咸紳舛确植疾痪鶆?，位錯(cuò)密度較高、原子排列不規(guī)則，處于能量較高的狀態(tài)，容易獲得奧氏體形核所需要的濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏。第8頁,共25頁，2024年2月25日，星期天第二階段：奧氏體的長大奧氏體晶核形成后，它的一側(cè)與滲碳體相接，另一側(cè)與鐵素體相接。隨著鐵素體的轉(zhuǎn)變（鐵素體區(qū)域的縮?。约皾B碳體的溶解（滲碳體區(qū)域縮?。瑠W氏體不斷向其兩側(cè)的原鐵素體區(qū)域及滲碳體區(qū)域擴(kuò)展長大，直至鐵素體完全消失，奧氏體彼此相遇，形成一個(gè)個(gè)的奧氏體晶粒。

α+Fe3Cγ

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(kuò)散完成的，原子擴(kuò)散包括(1)Fe原子自擴(kuò)散完成晶格改組；(2)C原子擴(kuò)散使奧氏體晶核向α相和Fe3C相兩側(cè)推移并長大。第9頁,共25頁，2024年2月25日，星期天奧氏體的長大碳的擴(kuò)散示意圖注：難點(diǎn)，必須會(huì)敘述GESPC1C2C3C4T1圖7.5aC2C%AFe3CFC1C4C3珠光體片間距圖7.5bC1=Cr-cC2=Cr-aC3=Ca-cC4=Ca-r第10頁,共25頁，2024年2月25日，星期天●奧氏體長大機(jī)理（重點(diǎn)和難點(diǎn)）

如圖教材7.5所示，在Acl以上的某一溫度t1形成一奧氏體晶核。奧氏體晶核形成之后，它的一面與滲碳體相鄰，另一面與鐵素體相鄰。假定它與鐵素體和滲碳體相鄰的界面部是平直的，根據(jù)Fe-Fe3C相圖可知，奧氏體與鐵素體相鄰的邊界處的碳濃度為Cγ-α，奧氏體與滲碳體相鄰的邊界處的碳濃度為Cγ-c。此時(shí)，兩個(gè)邊界處于界面平衡狀態(tài)，這是系統(tǒng)自由能最低的狀態(tài)。由于Cγ-c>Cγ-α，因此，在奧氏體中出現(xiàn)碳的濃度梯度，并引起碳在奧氏體中不斷地由高濃度向低濃度的擴(kuò)散。第11頁,共25頁，2024年2月25日，星期天擴(kuò)散的結(jié)果，奧氏體與鐵素體相鄰的邊界處碳濃度升高，而與滲碳體相鄰的邊界處碳濃度降低。從而破壞了相界面的平衡，使系統(tǒng)自由能升高。為了恢復(fù)平衡，滲碳體勢(shì)必溶入奧氏體，使它們相鄰界面的碳濃度恢復(fù)到Cγ-c，與此同時(shí)，另一個(gè)界面上，發(fā)生奧氏體碳原于向鐵素體的擴(kuò)散，促使鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使它們之間的界面恢復(fù)到Cγ-α，從而恢復(fù)界面的平衡，降低系統(tǒng)的自由能。這樣，奧氏體的兩個(gè)界面就向鐵素體和滲碳體兩個(gè)方向推移，奧氏體便長大。由于奧氏體中碳的擴(kuò)散，不斷打破相界面平衡，又通過滲碳體和鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變而恢復(fù)平衡的過程循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行，奧氏體便不斷地向鐵素體和滲碳體中擴(kuò)展，逐漸長大。第12頁,共25頁，2024年2月25日，星期天圖7.5共析鋼加熱時(shí)奧氏體碳濃度的分布第13頁,共25頁，2024年2月25日，星期天第三階段：殘余滲碳體的溶解由于鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體速度遠(yuǎn)高于滲碳體的溶解速度，在鐵素體完全轉(zhuǎn)變之后尚有不少未溶解的“殘余滲碳體”存在，還需一定時(shí)間保溫，讓滲碳體全部溶解。鐵素體消失以后，隨著保溫時(shí)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，不斷溶入奧氏體中，使奧氏體的碳濃度逐漸趨于共析成分。一旦滲碳體全部消失，這一階段便告結(jié)束。第14頁,共25頁，2024年2月25日，星期天第四階段：奧氏體成分的均勻化即使?jié)B碳體全部溶解，奧氏體內(nèi)的成分仍不均勻，在原鐵素體區(qū)域形成的奧氏體含碳量偏低，在原滲碳體區(qū)域形成的奧氏體含碳量偏高，還需保溫足夠時(shí)間，讓碳原子充分?jǐn)U散，奧氏體成分才可能均勻。第15頁,共25頁，2024年2月25日，星期天

三、奧氏體的形成速度奧氏體的形成速度可從共析鋼奧氏體等溫形成圖中反應(yīng)出來，課本中圖7.6為共析鋼的奧氏體等溫形成圖。圖中左起：第一條線表示珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變開始；第二條線表示珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛結(jié)束；第三條線表示剩余滲碳體溶解完畢；第四條線表示奧氏體均勻化完成。圖7.6為共析鋼的奧氏體等溫形成圖第16頁,共25頁，2024年2月25日，星期天由圖可以看出，共析鋼加熱到Ac1以上某一溫度等溫，奧氏體并不是立即出現(xiàn)，而是需要保溫一定的孕育期才開始形成，這是因?yàn)樾纬蓨W氏體晶核需要原子的擴(kuò)散，而擴(kuò)散需要一定的時(shí)間。隨著等溫溫度的升高，原子擴(kuò)散速度加快，孕育期縮短。例如在740℃等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，經(jīng)過10s轉(zhuǎn)變才開始，而在800℃等溫時(shí)，瞬間轉(zhuǎn)變便開始。從圖中還可以看出，奧氏體形成所需的時(shí)間較短，剩余滲碳體溶解所需的時(shí)間較長，而奧氏體均勻化所需時(shí)間更長。例如780℃等溫時(shí)，形成奧氏體的時(shí)間不到10s，剩余碳化物完全溶解卻需要幾百秒，而實(shí)現(xiàn)奧氏體均勻化則需要104s。第17頁,共25頁，2024年2月25日，星期天四、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(gè)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。主要因素如加熱溫度、原始組織和化學(xué)成分等。研究這些因素，對(duì)制訂熱處理工藝具有重要意義。1、加熱溫度的影響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，原子擴(kuò)散速度加快；加熱溫度升高，奧氏體與珠光體的自由能差增大，相變驅(qū)動(dòng)力ΔGv增大，奧氏體的形核率和長大速度急劇增加，加熱溫度越高，轉(zhuǎn)變?cè)杏诤屯瓿赊D(zhuǎn)變的時(shí)間越短。在影響奧氏體形成速度的各種因素中，溫度是一個(gè)最主要的因素。

第18頁,共25頁，2024年2月25日，星期天2、原始組織的影響鋼的原始組織越細(xì)，則奧氏體的形成速度越快。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；而且由于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，這些都使奧氏體的長大速度增加。

3、化學(xué)成分的影響

1）含碳量的影響（1）鋼中含碳量越高，奧氏體的形成速度越快。這是因?yàn)殡S含碳量增加，滲碳體的數(shù)量相應(yīng)地增加，鐵素體和滲碳體相界面的面積增加，因此增加了奧氏體形核的部位，增大奧氏體的形核率。同時(shí)，碳化物數(shù)量增加，又使碳的擴(kuò)散距離減小，以及隨奧氏體中含碳量增加，碳和鐵原于的擴(kuò)散系數(shù)將增大，從而增大奧氏體的長大速度。圖7.9表示不同含碳量的鋼中珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變50％所需的時(shí)間。第19頁,共25頁，2024年2月25日，星期天（2）合金元素的影響合金元素影響了碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，碳化物形成元素(如Cr、Mo、W、V、Ti等)大大減小了碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，故顯著減慢了奧氏體的形成速度。①非碳化物形成元素（如Co、Ni等）能增加碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，加快了奧氏體的形成速度。Si、Al、Mn等元素對(duì)碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度影響不大，故對(duì)奧氏體的形成速度無明顯影響。②降低A1點(diǎn)的元素，如Ni、Mn、Cu等，相對(duì)增大過熱度，將增大奧氏體的形成速度。提高A1點(diǎn)的元素，如Cr、Mo、W、V、S等，相對(duì)地降低過熱度，將減慢奧氏體的形成速度。合金元素改變了鋼的臨界溫度，故改變了奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的過熱度，從而改變了奧氏體與珠光體的自由能差，因此改變了奧氏體的形成速度。第20頁,共25頁，2024年2月25日，星期天③合金元素在珠光體中分布不均勻:在平衡組織中，如碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等主要集中于共析碳化物中，而非碳化物形成元素Ni、Si、Al等主要存在于共析鐵素體中。碳化物完全溶解后，合金元素在鋼中的分布仍是極不均勻的，因此，合金鋼的奧氏體均勻化過程，除了碳在奧氏體中的均勻化外，還包括了合金元素的均勻化。但在相同條件下，合金元素在奧氏體中的擴(kuò)散速度比碳的擴(kuò)散速度慢103~104倍。例如在100℃時(shí)，碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)為10-9m/s，而合金元素在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)只有10-12~10-13m/s。此外，碳化物形成元素，特別是強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)烈阻礙碳的擴(kuò)散。因此，合金鋼奧氏體化要比碳鋼緩慢得多。所以，合金鋼熱處理時(shí)，加熱溫度要比碳鋼高，保溫時(shí)間也需要延長。特別是高合金鋼(如W18Cr4V高速鋼)的淬火溫度需要提高到1270~1280℃，超過Ac1（820~840℃)數(shù)百度。第21頁,共25頁，2024年2月25日，星期天五、奧氏體的晶粒大小及其影響因素奧氏體的晶粒大小是評(píng)定鋼加熱質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。奧氏體的晶粒大小對(duì)鋼的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能都有重要的影響。因此，需要了解奧氏體晶粒度的概念及影響奧氏體晶粒度的因素。1.奧氏體的晶粒度奧氏體的晶粒大小用晶粒度來表示。目前世界各國對(duì)鋼鐵產(chǎn)品幾乎統(tǒng)一使用與標(biāo)準(zhǔn)金相圖片相比較的方法來確定晶粒度的級(jí)別。通常把晶粒度分為8級(jí)，各級(jí)晶粒度的晶粒大小見課本如圖7.10所示。1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。若晶粒度在10以上則稱“超細(xì)晶?！?。第22頁,共25頁，2024年2月25日，星期天

晶粒度級(jí)別N與晶粒大小有如下關(guān)系：

n＝2N-1

式中:n表示放大100倍時(shí)，每平方英寸(6.45cm2)視野中觀察到的平均晶粒數(shù)。晶粒度級(jí)別N越小，單位面積中的晶粒數(shù)目越少，則晶粒尺寸越大。通常l~4級(jí)為粗晶粒，5~8級(jí)為細(xì)晶粒，8級(jí)以外的晶粒稱為超粗或超細(xì)晶粒。

●奧氏體晶粒度的概念有以下三種：起始晶粒度——是指奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成，其晶粒邊界剛剛相互接觸時(shí)的奧氏體晶粒大小稱為奧氏體起始晶粒度。起始晶?？偸鞘旨?xì)小均勻的。起始晶粒大小決定于形核率N和長大速度G，可用下式表示

n0＝1.01（N/G)1/2

式中：n0表示1mm2面積內(nèi)的晶粒數(shù)。由上式可以看出，N/G值越大，則n0越大，即晶粒越細(xì)小。第23頁,共25頁，2024年2月25