第二章奥氏体的形成.ppt

第二章 钢中奥氏体的形成,3.1、奥氏体的组织特征3.2、奥氏体形成机理3.3、奥氏体转变动力学3.4、奥氏体晶粒长大及其控制,􀂇 热处理过程一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，其目的在于改变金属内部组织结构使其满足服役条件所提出的性能要求􀂇 欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获得A组织（奥氏体化），然后再以不同的方式冷却，发生不同转变，以获得不同的组织􀂇 可以控制A转变的条件获得理想的A组织，为后续处理做好组织准备1、热处理的条件（1）有固态相变发生的金属或合金（2）加热时溶解度有显著变化的合金例（1）纯金属：有无同素异构转变Al、Cu等金属不能热处理强化只能形变强化2）合金：根据合金相图判断，有无固体相变或溶解度变化注：不包括低温的去应力退火等,热处理的条件,为什么钢能热处理?,① α→ γ 固态相变 ﹄有相变重结晶② C溶解度显著变化 ﹄可固溶强化热处理温度区间： A1 ＜ T ＜ TNJEF 热处理第一步 —加热奥氏体化,,,奥氏体（Austenite）是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体，存在于共析温度以上，最大碳含量为2.11%􀂇 奥氏体的组织形态多为多边形等轴晶粒，在晶粒内部往往存在孪晶亚结构,2.1、奥氏体的组织特征,一、奥氏体的组织和结构 1.奥氏体组织 多边形的等轴晶粒 2.结构 碳在γ-Fe中的间隙固溶体,,􀂇 C在γ-Fe最大溶解度为2.11wt%，远小于理论值20wt%。

八面体间隙半径5.2×10-2nm，C原子半径7.7×10-2nm)􀂇 C的溶入使晶格发生点阵畸变，使晶格常数增大􀂇 C在奥氏体中分布不均，有浓度起伏二、奥氏体性能室温不稳定相高塑性、低屈服强度 利用奥氏体量改善材料塑性顺磁性能 测残余奥氏体和相变点线膨胀系数大 应用于仪表元件导热性能差 耐热钢比容最小 利用残余奥氏体量减少材料淬火变形,,,三、奥氏体的形成与铁碳相图,E,F,G 912 ℃,S,P,Q,1148℃,727℃,A,,,,F,A+F,A+ Fe3C,F + Fe3C,K,,,,,,,,,,Fe3C,Fe,A1,Acm,A3,,T℃↑,→ C%,,,,,,δ,2.1、奥氏体的形成,平衡加热状态实际加热状态（非平衡态）A形成的条件——过热,1.平衡加热状态,亚共析钢的奥氏体化,• 室温下组织为F+P• A1以上，F+A• A3以上，A,,,,,,,A,F,A1,A3,Acm,过共析钢的奥氏体化,• 室温下组织为 P+Fe3C• A1以上，Fe3C+A• Acm以上，A• 在A1〜Acm之间的奥氏体化， 称为不完全奥氏体化，热处 理工艺中常用。

A,F,1.平衡加热状态,A1,A3,Acm,,2.实际加热状态（非平衡态） 实际加热或冷却都是在较快的速度下进行（非平衡过程），实际转变温度与相图中的临界温度存在一定的偏离，会出现滞后 也即G= G A - Gp ＜0 才发生转变加热时：实际转变温度移向高温，以Ac表示Ac1、Ac3、Accm 冷却时：实际转变温度移向低温，用Ar表示Ar1、Ar3、Arcm,转 变 温 度,,,,,,,,,,,,,,,Ac1,Ac3,Accm,A3,Acm,Arcm,Ar3,Ar1,A1,A,G,S,E,P,Q,F,727℃,1148℃,,,,,,,,,,,,,P+Cm,F+P,2.11,0.77,0.0218,Fe,C%→,钢在加热和冷却时临界温度的意义,Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度； Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度； Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度； Accm加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度 Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度G,T℃,,A1=727℃,,GA,△ GV,,3. A形成的条件 过热（T>A1）,过热度↗，Ac1 ↗，驱动力↗，转变速度↗。

加热工序的目的：得到奥氏体 P ( F + Fe3C ) → A结构 体心 复杂 面心含碳量 0.77 0.0218 6.69 0.77,二、奥氏体的形成过程(以共析钢为例),可见:珠光体向奥氏体转变,是由成分相差悬殊、晶格截然不同的两相混合物转变成单相固溶体的过程因此在奥氏体的形成过程必定发生晶格重构和铁、碳原子的扩散2.2、奥氏体形成机制 形核+长大1.奥氏体的形核球状珠光体中： 优先在F/Fe3C界面形核片状珠光体中： 优先在珠光体团的界面形核 也在F/Fe3C片层界面形核,,F,F + Fe3C A,球状P形核,片状P形核,,,,,(珠光体类组织向A转变）,(以共析钢为例）,奥氏体在F/Fe3C界面形核原因： (1) 易获得形成A所需浓度起伏，结构起伏和能量起伏. (2) 在相界面形核使界面能和应变能的增加减少 △G = -△Gv + △Gs + △Ge -△Gd △Gv—体积自由能差， △Gs —表面能， △Ge —弹性应变能 相界面△Gs 、△Ge 较小，更易满足热力学条件△G<0.,,,,,,,,,,A3,Acm,A1,A,G,S,E,P,Q,F,727℃,1148℃,,,,P+Cm,F+P,2.11,0.77,0.0218,Fe,C%→,℃,0.23,0.93,0.41,0.68,0.89,0.79,1.奥氏体的形核2.奥氏体的长大,2.2、奥氏体形成机理,A的长大是通过渗碳体的溶解，C原子在A中的扩散以及A两侧界面向F和Fe3C推移来进行的。

A长大方向基本垂直于片层和平行于片层4s,6s,8s,15s,,,,,,A,F,,,,,,,垂直于片层,长大受控于C在A中扩散，C在F中扩散起促进作用Fe3C,F,,,A,,,,平行于片层,A平行于片层长大速度 > 垂直于片层长大速度,,45钢在735℃加热10min的组织15000×,1.奥氏体的形核2.奥氏体的长大片状珠光体 奥氏体向垂直于片层和平行于片层方向长大.球状珠光体 奥氏体的长大首先包围渗碳体,把渗碳体和铁素体隔开,然后通过A/F界面向铁素体一侧推移, A / Fe3C界面向Fe3C一侧推移,使F和Fe3C逐渐消失来实现长大的.,2.2、奥氏体形成机理,原始组织,5S,8S,15S,球状P向A的转变,3. 残余碳化物的溶解 残余碳化物: 当F完全转变为A时，仍有部分Fe3C没有转变为A，称为残余碳化物 ∵①A/F界面向F推移速度 > A/Fe3C界面向Fe3C推移速度 ②刚形成的A平均含碳量

奥氏体的均匀化： 随着继续加热或继续保温，以便于碳原子不断扩散，最终使奥氏体中碳浓度均匀一致奥氏体的形成 （以共析钢为例）,,,共析钢奥氏体化过程,奥氏体转变的类型由珠光体类(平衡组织)向奥氏体转变由马氏体类(非平衡组织)向奥氏体转变,0.12C-3.5Ni-0.35Mo钢720℃保温10s后形成的两种A,,针状球状,一.奥氏体等温形成动力学,2.3、奥氏体转变动力学,1、奥氏体转变量图,730℃,750℃,790℃,100,50,0,,,,共析钢的奥氏体等温转变量与时间的关系,——奥氏体转变量与温度，时间的关系,由图可见：（1）A转变有孕育期,（2） A转变速度先增后减，转变量50％时最大（3） T↗，孕育期↘ ，转变速度↗（4）此曲线仅表示P→A转变刚结束730℃,750℃,790℃,奥氏体量（％）,时间(S),100,50,0,,,,共析钢的奥氏体等温转变量与时间的关系,一.奥氏体等温形成动力学,2、等温转变图(TTA) —Time Temperature Austenitization,,,,,,,,,,t/s,,——奥氏体转变开始线,,——奥氏体转变完成线,P,P+A,A,TTA图的说明,,,,,,,,,,不均匀A,均匀A,P+ A,A+ Fe3C,P,T(s),T/℃,可见：残余A的溶解，特别是成分均匀化所需时间最长。

Ac1,1,2,3,4,1—A转变开始线2—A转变终止线3—残余Fe3C溶解终止线4—A均匀化终止线,0,101,102,103,104,二.奥氏体等温形成动力学分析 1、形核率,3.3、奥氏体转变动力学,σ－新旧相间的比界面能△GV －体积自由能差 ES－体积应变能,Q-扩散激活能,W-临界形核功,T↗，I↗，其原因：T↗ ，A形核所需的浓度起伏减小,T↗，W↘, exp（－W/KT）↗T↗，exp（－Q/KT）↗，即能克服能垒进行扩散的原子数↗,二.奥氏体等温形成动力学分析 2、A长大线速度假设：①忽略F和Fe3C中的浓度梯度 ②相界面处维持局部平衡 ③C在A中扩散达准稳态导出，相界面推移速度为：,3.3、奥氏体转变动力学,1)T↗，G ↗,,,D— C在A中扩散系数，dC/dx—A中浓度梯度△CB— 两相在界面上的浓度差,讨论：,2) GA→F GF→A,>,,,☆综上所述，和过冷情况下的结晶过程不同，A形成时， T↗（或过热度△T ↗），始终有利于A的形成 ∴ T↗，A形成速度↗,,公式应用：估算某一温度下A向F（或Fe3C）的移动速度。

当A形成温度为780℃时,∴ F先消失，剩余碳化物,,转变温度↗，残余碳化物量↗,三.影响奥氏体转变速度的因素 温度、成分、原始组织1、温度的影响,3.3、奥氏体转变动力学,T↗，,I ↗，,G↗，,且I ↗> G↗,各种因素中，T的影响作用最强烈,2、原始组织的影响,片状P转变速度>球状P薄片较厚片转变快,3、碳含量的影响,C％↗，,A形成速度↗，,三.影响奥氏体转变速度的因素 温度、成分、原始组织4、合金元素的影响,2.3、奥氏体转变动力学,（1）对A形成速度的影响 改变临界点位置， 影响碳在A 中的扩散系数 合金碳化物在A中溶解难易程度的牵制 对原始组织的影响（2）对A均匀化的影响 合金钢需要更长均匀化时间,四.连续加热时A形成动力学,2.3、奥氏体转变动力学,连续转变图,V1 ＜V2＜V3,,,,,,,,,,不均匀A,均匀A,P+ A,A+ Fe3C,P,t/s,T/℃,Ac1,四.连续加热时A形成动力学,3.3、奥氏体转变动力学,特点：（1）加热速度↗ ，临界点↗ ，（2）转变在一个温度范围内完成，（3）形成速度随加热速度↗而↗，（4）A起始晶粒度随加热速度速度↗而细化，（5）A成分不均匀性随加热速度↗而↗。