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metalsheattreatmentprinciple 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 heattreatment 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 1Fe 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 G 0 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 077nm 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 5C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23 10 6 14 5 10 6 12 5 10 6 和11 5 10 6 cm K 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 m K 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II Cexp 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 GV2A 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GT 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 1n 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 2rGm 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 k exp Q RT DV 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