金属材料钢在加热过程中的转变

金属材料钢在加热过程中的转变第1页，共25页，2023年，2月20日，星期二概述钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.06%之间的铁碳合金的统称第2页，共25页，2023年，2月20日，星期二概述热处理及其应用热处理是将钢在固态下加热到预定温度，保温一段时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。为:热处理工艺可以消除各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。

热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性能和使用性能。第3页，共25页，2023年，2月20日，星期二概述钢为什么可以进行热处理？是不是所有金属材料都能进行热处理？第4页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢之所以能进行热处理，是由于钢在，在固态下不发生相变的纯金属或某些合金则不能用热处理的方法强化。概述固态下具有相变在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者类似纯铁的同素异构转变第5页，共25页，2023年，2月20日，星期二概述固态相变的特点相变阻力大新旧两相比体积不同，母相γ转变为新相时要产生体积变化，或者由于新旧两相相界面不匹配而引起弹性畸变。存在一定的晶体学位向关系新固相与现存固相质点之间必须符合结构和大小相适应原理，才能降低形核功，促进晶核形成。第6页，共25页，2023年，2月20日，星期二概述易于出现过渡相过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构介于新相和母相之间。晶体缺陷对相变起促进作用母相中各种晶体缺陷，如晶界、位错、空位等缺陷对相变有明显的促进作用。第7页，共25页，2023年，2月20日，星期二A1、A3、Acm是碳素钢加热或冷却过程中组织转变的平衡临界温度，是碳钢在极其缓慢加热和冷却条件下测定的组织转变温度概述钢的临界温度第8页，共25页，2023年，2月20日，星期二钢在加热和冷却时临界温度的意义如下: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。概述第9页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变钢加热至Ac1以上温度时，珠光体转变为奥氏体，称为“奥氏体化”。

α+

Fe3C

→

γWc

=0.0218%体心立方Wc

=6.69%正交晶格Wc

=0.77%面心立方奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。第10页，共25页，2023年，2月20日，星期二奥氏体的形成热力学条件

钢在加热时的组织转变奥氏体核心形成时，系统总自由能变化△G：为:△G=△Gv+△GS+△Ge△Gv是奥氏体转变的驱动力；△GS与△Ge是相变的阻力。动力只△G≤0，即△Gv≥△GS+△Ge时，珠光体才能自发地向奥氏体转变。第11页，共25页，2023年，2月20日，星期二奥氏体的形成过程

以共析钢为例，当加热到AC1以上时，发生珠光体向奥氏体的转变（即奥氏体化）过程可分为四个阶段：

1）奥氏体晶核的形成2）奥氏体长大

3）剩余渗碳体的溶解

4）奥氏体均匀化

钢在加热时的组织转变第12页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变

1）奥氏体晶核的形成形核条件－能量、结构和成分起伏；形核部位－铁素体和渗碳体的相界面、珠光体团的边界，过冷度较大时在铁素体内的亚晶界等；奥氏体晶核是通过扩散机制形成的。晶核是通过扩散机制形成的。奥氏体的形成是扩散型相变，因此奥氏体晶核是通过扩散机制形成的。第13页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变

2）奥氏体的长大渗碳体尚未溶解，剩余在奥氏体中，这时奥氏体的平均碳浓度低于共析成分。第14页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变

3）剩余渗碳体的溶解

铁素体消失以后，随着保温时间延长或继续升温，剩余在奥氏体中的渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶人奥氏体中，使奥氏体的碳浓度逐渐趋子共析成分。4）奥氏体均匀化原是渗碳体的区域碳浓度较高，继续延长保温时间或继续升温，通过碳原子的扩散，奥氏体碳浓度逐渐趋于匀匀化。最后得到均匀的单相奥氏体。第15页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变奥氏体等温形成图加热过程中，加热速度越快，奥氏体开始形成的温度越高，完成转变所需要的时间则越短。奥氏体形成速度第16页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变

影响奥氏体形成速度的因素奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制。因此一切影响扩散、影响形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。第17页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变

加热温度随着加热温度的升高，原子扩散系数增加，特别是碳在奥氏体中的扩散系数增加，加快了奥氏体的形核和长大速度。加热温度升高，奥氏体中的碳浓度梯度加大，故原子扩散速度加快。随温度的升高，奥氏体的形核率和长大速度急剧增加，转变的孕育期和转变所需时间显著缩短；加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越短第18页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变奥氏体的形核率和长大速度与温度的关系第19页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变

原始组织随原始组织中碳化物分散度的增大，不仅铁素体和渗碳体相界面增多，加大了奥氏体的形核率珠光体片层间距减小，使奥氏体中的碳浓度梯度增大，使碳原子的扩散距离减小这都使奥氏体的长大速度增加。因此，钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。第20页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变

化学成分钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快（1）质量分数的影响（2）合金元素的影响对扩散系数的影响；合金元素改变临界点：升高或降低Ac1；合金元素影响珠光体的片层间距，改变碳在奥氏体中的溶解度，从而影响奥氏体的形成速度；合金元素在奥氏体中分布不均匀。第21页，共25页，2023年，2月20日，星期二

钢在加热时的组织转变奥氏体晶粒长大及其控制奥氏体晶粒粗大，会影响热处理后钢的强度、塑性、韧性较低。因此，加热时获得细小晶粒的奥氏体对提高热处理效果和钢的性能有重要的意义。晶粒度起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度第22页，共25页，2023年，2月20日，星期二钢在加热时的组织转变晶粒度1-4级称为本质粗晶粒钢；晶粒度为5-8级称为本质细晶粒钢。

本质粗晶粒钢与本质细晶粒钢奥氏体晶粒长大示意图第23页，共25页，2023年，2月2