金属热处理原理第1章奥氏体的形成.ppt

主讲教师:李维娟,金属热处理原理 metals heat treatment principle,课程名称：热处理及设备 课程性质：金属材料专业主要专业课， 7学分 计划学时：原理: 40学时; 工艺: 42学时; 设备: 30学时 考核方式：平时考察，期末闭卷考试 主要参考书： 金属热处理原理各种参考书,主要讲授内容,第1章：奥氏体的形成 第2章：珠光体转变 第3章：马氏体转变 第4章：贝氏体转变 第5章：钢的过冷奥氏体转变图 第6章：钢的回火转变 第7章：热处理原理的某些应用,第1章：奥氏体的形成,1.1 奥氏体的组织、结构和性能 1.2 奥氏体的形成机制 1.3 奥氏体形成动力学 1.4 奥氏体晶粒长大及其控制,第1章：奥氏体（austenite） 的形成,热处理（heat treatment）： 通过加热、保温和冷却的方法，改变金属及合金的组织结构，使其获得所需要的性能的热加工工艺。见动画1,动画2,动画3 奥氏体化（ austenitizing）： 钢加热获得奥氏体的过程。,1.1 奥氏体的组织、结构和性能,1.1.1奥氏体形成的温度范围 (1) 奥氏体形成的温度范围与Fe-Fe3C相图,图1-1 Fe-Fe3C状态图,系统总的自由能变化G G=-GV+GS+G GV奥氏体与旧相体积自由能之差； GS 形成奥氏体时所增加的表面能； G 形成奥氏体时所增加的应变能 G0，形成奥氏体。,(2) 奥氏体形成的热力学条件1,图1-2 珠光体（P）与奥氏体（A）自由能随温度变化的曲线,(2) 奥氏体形成的热力学条件2,(3) 实际加热时临界点的变化,加热： 偏向高温，存在过热度； AC1，AC3，ACCm 冷却： 偏向低温，存在过冷度。 Ar1，Ar3，ArCm,图1-3 在加热（冷却）速度为0.125/min时，对临界点A1，A3，Acm的影响,1.1.2 奥氏体的组织和结构,(1)奥氏体的组织 通常由多边形的等轴晶粒所组成，有时可观察到孪晶。,图1-4 奥氏体组织（晶内有孪晶）1000,(2) 奥氏体的结构,具有面心立方结构。（奥氏体是C溶于-Fe中的固溶体。合金钢中的奥氏体是C及合金元素溶于-Fe中的固溶体。） C是处于-Fe八面体的中心空隙处，即面心立方晶胞的中心或棱边的中点，如图1-5所示。见动画 -Fe的点阵常数为0.364nm时，最大空隙的半径为0.052nm，与C原子半径（0.077 nm）比较接近。C原子的存在，使奥氏体点阵常数增大，如图1-6所示。 实际上奥氏体最大碳含量是2.11%（重量） ，大约2-3个-Fe晶胞中才有一个C原子。,图1-5 C在-Fe中可能的间隙位置,图1-6 奥氏体点阵常数 和碳含量的关系,1.1.3 奥氏体的性能 1,（1）顺磁性。用于相变点和残余奥氏体含量的测定等。 （2）比容最小。奥氏体 铁素体马氏体，分别为0.12399、0.12708和0.12915cm3/g。在生产上可利用这一性质调整奥氏体量来达到减小淬火工件体积变化的目的。也常利用这一性质借膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。,（3）线膨胀系数最大。 奥氏体铁素体渗碳体马氏体。分别为2310-6、14.510-6、12.510-6、和11.510-6/ cmK。工业上常利用奥氏体钢膨胀系数大的特性来做仪表元件。 （4）奥氏体的导热性能最差（除渗碳体外）。铁素体、珠光体、马氏体、奥氏体和渗碳体的导热系数分别为77.1、51.9、29.3、14.6和4.2W/mK。奥氏体钢要慢速加热。 （5）奥氏体的塑性高，屈服强度低。在奥氏体区热加工。,1.1.3 奥氏体的性能 2,1.2 奥氏体的形成机制,1.2.1 奥氏体的形核 1,在铁素体与渗碳体的界面处依靠系统内的成分起伏、结构起伏和能量起伏形成。 界面处碳浓度差大，有利于获得奥氏体晶核形成所需的碳浓度。 界面处原子排列不规则，铁原子有可能通过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，即新相形成所需的结构起伏小。 在相界、晶界等缺陷处具有较高的畸变能,新相形核时可能消除部分晶体缺陷而使系统自由能降低。 新相形核时产生的应变能也较容易借助相界(晶界)流变而释放。,1.2.1 奥氏体的形核 2,1.2.2 奥氏体的长大 1,图1-7 奥氏体形成过程中各相界面上的碳浓度（a）及扩散方向（b）示意图,奥氏体晶核的长大速度G，即奥氏体-铁素体及奥氏体-渗碳体的界面移动速度，可用下式表示：,D 碳在奥氏体中的扩散系数； dC/dx 碳在奥氏体中的浓度梯度，dC= C-k-C-a ，dx 为生成的奥氏体小晶粒的厚度； C 、C K 奥氏体-铁素体及奥氏体-渗碳体界面上的碳浓度差。 此式说明，奥氏体界面的移动速度与碳在奥氏体中的扩散系数以及浓度梯度成正比，而与界面上的碳浓度差成反比。,奥氏体形成的四个基本过程： 1 奥氏体的形核 2奥氏体晶核长大 3 残留碳化物的溶解 4 奥氏体成分的均匀化 见动画,1.2.3 共析碳钢奥氏体的等温形成过程,图1-8 珠光体向奥氏体等温转变过程示意图,3 亚（过）共析碳钢奥氏体的 等温形成过程,四个基本过程完成外，还有先共析铁素体（渗碳体）向奥氏体的转变。 见动画,1.3 奥氏体形成动力学,1.3.1 奥氏体等温形成动力学 1,(1) 形核率I I = C exp -(Q+W) /kT 其中: C常数; Q扩散激活能; T绝对温度; k波尔兹曼常数; W临界形核功。 忽略应变能，W = A 3 / GV2 A常数； 奥氏体与旧相的界面能； Gv单位体积的自由能差； T I ； T Q I ； T Gv W I ；,(2) 长大速度G T G T D ； T 形核部位多，原子扩散距离短（dx） G ； T C-k-C-a （ dC ）； G ； T C 、C K G ； T 残留碳化物溶解，奥氏体成分均匀化 G 。,1.3.1 奥氏体等温形成动力学 2,共析碳钢奥氏体等温形成图特点： （1）有孕育期，形成温度越高，孕育期越短。 （2）形成速度整个过程是不同的，由慢-快-慢，50%转变量时速度最大。 （3）温度越高，形成的全部时间越短，形成速度越快。 （4）奥氏体刚刚形成后，还需一段时间使残留碳化物溶解和奥氏体成分均匀化。,图1-11 奥氏体等温形成动力学曲线（示意图）,(3) 奥氏体等温形成动力学曲线 1,图1-12 珠光体向奥氏体转变动力学曲线 1-奥氏体开始形成；2-奥氏体形成结束； 3-残余碳化物溶解；4-奥氏体均匀化,(3) 奥氏体等温形成动力学曲线 2,(4) 影响奥氏体形成速度的因素 1,加热温度 含碳量 C 形成速度 。 C 碳化物数量 F与Fe3C相界面 形核位置 N ； C的扩散距离缩短； C和Fe原子的扩散系数； 过共析钢， C 碳化物数量 使碳化物溶解和成分均匀化时间 形成速度。,图1-13 不同含碳量钢由珠光体转变为50%奥氏体所需的时间,(4) 影响奥氏体形成速度的因素 2,原始组织 原始组织越细形成速度。 碳化物分散度 F与Fe3C相界面 形核位置 N ； C的扩散距离缩短形成速度 屈氏体形成速度 索氏体 珠光体； 片状珠光体粒状珠光体,(4) 影响奥氏体形成速度的因素 2,合金元素 A ，对奥氏体的形核和长大、碳化物溶解的影响 强碳化物形成元素如Cr、Mo、W等降低C在奥氏体中的扩散系数；Co、Ni提高C在奥氏体中的扩散系数；Si、Al对扩散系数影响不大。 合金元素对A形成速度的影响，也受到合金碳化物向A中溶解难易程度的牵制。 Cr，2%，（FeCr）3C；6%，（CrFe）7C3-慢 11%， （CrFe）23C6-快 改变临界点 Ni、Mn、Cu 等A1， 奥氏体形成速度； Cr、Mo、Ti、Si、Al、W等 A1 ， 奥氏体形成速度； 合金元素通过对原始组织的影响，改变形成速度。 Ni、Mn细化珠光体， 奥氏体形成速度。,(4) 影响奥氏体形成速度的因素 2,B 对奥氏体均匀化的影响 合金钢均匀化所需的时间比碳钢长。 碳化物形成元素主要集中在碳化物中，非碳化物形成元素主要集中在铁素体中。 合金钢奥氏体形成后，除了C的均匀化外，还进行着合金元素的均匀化。 合金元素在奥氏体中的扩散速度比C的扩散速度小1000-10000倍。此外，碳化物形成元素减小了C在奥氏体中的扩散速度，这将降低C的均匀化速度。,1.3.2 连续加热时奥氏体的形成,(1) 在一定的加热速度范围内,临界点随加 热速度增大而升高。 (2) 相变是在一个温度范围内完成的。 (3) 奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。 (4) 奥氏体起始晶粒大小随加热速度增大而细 化。 (5)奥氏体成分的不均匀性随加热速度增大而增大。,1.4 奥氏体晶粒长大及其控制,奥氏体晶粒直径或单位面积中奥氏体晶粒数目来表示奥氏体晶粒大小。 一般用奥氏体晶粒度来表示奥氏体晶粒大小。 奥氏体晶粒度通常分级别按标准评定： n=2N-1 n= 放大100倍的视野中每平方英寸所含的平均奥氏体晶粒数目 N= 晶粒度级别 N越大，晶粒越细；一般为1-8级。,1.4.1 奥氏体晶粒度 1,1.4.1 奥氏体晶粒度 2,起始晶粒度 在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。 实际晶粒度 在某一加热条件下所得到的实际奥氏体晶粒大小。 本质晶粒度 根据标准实验方法，在930 10保温足够时间（3-8小时）后测定的钢中晶粒大小。晶粒尺寸在5-8级者称为本质细晶粒钢，晶粒尺寸在1-4级者称为本质粗晶粒钢。,1.4.2 奥氏体晶粒长大原理,（1）晶粒长大动力 奥氏体的起始晶粒一般总是很细小的，而且大小不均，晶界弯曲，界面能很高。 界面能越高则界面越不稳定，必然要自发地向减小晶界面积，降低界面能方向发展。弯曲晶界变成平直晶界是一种自发过程。 晶粒长大的驱动力G：G = 2/R -奥氏体的比界面能；R-晶界曲率半径,不均匀长大： 大晶粒吞并小晶粒而 长大的过程。 均匀长大： 大晶粒继续长大的过程。 见动画,（2）晶粒长大过程,图1-14 奥氏体晶粒长大过程示意图,（3）晶界推移阻力 在晶界或晶粒内部存在的细小颗粒阻碍晶界移动，起到钉扎晶界的作用。 Gm = 3f/2r Gm-第二相颗粒对晶界移动的最大阻力； r-颗粒半径； f- 颗粒的体积分数。 r ，f Gm 当晶界所提供的驱动力G= Gm时，正常晶粒长大停止。得R=4r/3f,1.4.3 影响奥氏体晶粒长大的因素,（1）加热温度和保温时间 T加 ，保 dA A晶粒长大速度与晶界迁移率及驱动力的乘积成正比。 V =kexp(-Q/RT) /D V-A晶粒长大速度； K-常数；Q-扩散激活能；R-气体常数； -奥氏体的比界面能；D-A晶粒平均直径,（2）加热速度的影响 V加 过热度 A形成温度N/G dA 。 （3）钢的含碳量的影响 在一定的温度下，一定的含碳量范围内， C dA 。 含C Dc和DFe ，但超过一定含碳量后，因有未溶的Fe3C存在，A长大受阻，随C dA ,（4）脱氧剂和合金元素 Al脱氧-本质细晶粒钢； Si、Mn脱氧-本质粗晶粒钢； Nb、Zr、Ti、V-强烈阻碍晶粒长大； W、Mo、Cr-中等阻碍晶粒长大； C