材料相变理论钢中奥氏体的形成

1、材料相变理论钢中奥氏体的形成2.1 奥氏体的组织结构和性能奥氏体的组织结构和性能奥氏体定义：钢中的奥氏体是碳或各种化学元奥氏体定义：钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入素溶入 FeFe中所形成的固溶体。中所形成的固溶体。其中其中C C、N N等元素存在于奥氏体的间隙位置，或等元素存在于奥氏体的间隙位置，或者晶格缺陷处。而原子尺寸与者晶格缺陷处。而原子尺寸与FeFe原子相差不大原子相差不大的合金元素则固溶于替换位置。还有一些化学的合金元素则固溶于替换位置。还有一些化学元素吸附于奥氏体晶界等晶体缺陷处。元素吸附于奥氏体晶界等晶体缺陷处。（1）奥氏体组织奥氏体组织奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥氏体

2、晶粒内有孪晶。灰白不同奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥氏体晶粒内有孪晶。灰白不同的衬度是由于各晶粒暴露在试样表面上的晶面具有不同的取向的缘故。的衬度是由于各晶粒暴露在试样表面上的晶面具有不同的取向的缘故。T8 钢的奥氏体晶粒钢的奥氏体晶粒(暗场像暗场像)1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织钢室温的奥氏体组织（2）奥氏体的晶体结构（）奥氏体的晶体结构（）碳原子的间隙固溶碳原子的间隙固溶面心立方中的八面体间隙面心立方中的八面体间隙能容纳的最大球半径能容纳的最大球半径R 在在11471147时，碳在奥氏体中的最大溶解度时，碳在奥氏体中的最大溶解度仅为（质量百分数），这是由于仅为（质量百分数），这

3、是由于 FeFe的八的八面体中心的间隙半径仅为，比碳原子的半径面体中心的间隙半径仅为，比碳原子的半径小。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，小。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变晶格不稳定，因此溶解度是有限的。产生畸变晶格不稳定，因此溶解度是有限的。 如果图所示的间隙位置都被碳原子占据，如果图所示的间隙位置都被碳原子占据，则一个晶胞中含有则一个晶胞中含有4 4个铁原子和个铁原子和4 4个碳原子，个碳原子，则原子分数为则原子分数为50%50%，折合，折合C C。 但是，实际上原子分数为但是，实际上原子分数为C C，即，即2525个个 FeFe晶胞中有晶胞中有9 9个碳原子。个碳原子。C

4、的奥氏体中的间隙碳原子分布的奥氏体中的间隙碳原子分布在奥氏体中，一部分碳原子固溶在在奥氏体中，一部分碳原子固溶在fccfcc的晶格间隙中，一部分偏聚的晶界、的晶格间隙中，一部分偏聚的晶界、位错等晶体缺陷处。位错等晶体缺陷处。碳含量分布实际上是不均匀的。碳含量分布实际上是不均匀的。（3）奥氏体的性能）奥氏体的性能1 1）奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的）奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的比容最小比容最小( (与与F F、MM比比较较) )。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体珠

5、光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力。素体珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力。2 2）奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的）奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好塑性好，屈服强度低，易于加工塑，屈服强度低，易于加工塑性变形。钢锭或钢坯一般被加热到性变形。钢锭或钢坯一般被加热到11001100以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材。性加工成材。3 3）一般钢中的奥氏体具有）一般钢中的奥氏体具有顺磁性顺磁性，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。特殊，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。特殊的的FeFeNiNi软磁合金，也是奥氏体组织，但具有铁磁性。软磁合金，也是奥氏体组织，

6、但具有铁磁性。4 4）奥氏体的）奥氏体的导热性差导热性差，线膨胀系数最大线膨胀系数最大，比铁素体和渗碳体的平均线膨胀，比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高约一倍。故奥氏体钢可以用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。系数高约一倍。故奥氏体钢可以用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。5 5）由于其导热性差，大钢件加热时，热透较慢，加热速度应当慢一些，以）由于其导热性差，大钢件加热时，热透较慢，加热速度应当慢一些，以减少温差应力，避免开裂。减少温差应力，避免开裂。2.2 奥氏体形成机理奥氏体形成机理 奥氏体形成是扩散性相变，转变的全过程可以分为四个阶段奥氏体形成是扩散性相变，转变的全过程可以分为四个阶段: :片状珠光

7、体片状珠光体奥氏体奥氏体珠光体转变为奥氏体，是扩散型相变，是形核长大的过程。（1）奥氏体形成的热力学条件）奥氏体形成的热力学条件相变驱动力相变驱动力Gv相变临界点相变临界点 实际生产中加热速度一般较快，转变发生实际生产中加热速度一般较快，转变发生滞后现象，即转变开始点随着加热速度的加快滞后现象，即转变开始点随着加热速度的加快而 升 高 。 习 惯 上 将 在 一 定 加 热 速 度 下而 升 高 。 习 惯 上 将 在 一 定 加 热 速 度 下（0.125/min0.125/min）实际测定的临界点用）实际测定的临界点用A AC1C1表示。表示。 临界点临界点A A3 3和和A Acmcm也

8、附加脚标也附加脚标c c，即：，即：ACAC3 3、ACACCmCm。 冷却时的临界点与冷却速度有关。冷却时冷却时的临界点与冷却速度有关。冷却时的临界点以的临界点以ArAr1 1 表示。表示。 临界点临界点A A3 3和和A Acmcm也附加脚标也附加脚标r r，表示为，表示为ArAr3 3、 ArArcmcm。（2）奥氏体晶核的形成）奥氏体晶核的形成形核点形核点p 一般认为奥氏体在铁素体和渗碳体交界面一般认为奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形成晶核。上形成晶核。 p 奥氏体晶核也可以在以往的粗大奥氏体晶奥氏体晶核也可以在以往的粗大奥氏体晶界上（原始奥氏体晶界）形核并且长大，由界上（原始奥氏体晶

9、界）形核并且长大，由于这样的晶界处富集较多的碳原子和其他元于这样的晶界处富集较多的碳原子和其他元素，给奥氏体形核提供了有利条件。素，给奥氏体形核提供了有利条件。0.1mm原 奥 氏 体晶 界 和 晶核c钢的奥氏体的形核钢的奥氏体的形核 1.5maSEM T8钢奥氏体的形核钢奥氏体的形核1.5mb奥氏体晶核在铁素体片奥氏体晶核在铁素体片/ /渗碳体片相界面处形成渗碳体片相界面处形成奥氏体晶核的尺度奥氏体晶核的尺度100nmo 奥氏体的形成是扩散型相变，因此奥氏体晶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。核是通过扩散机制形成的。o 也存在无扩散机制形核的观点。也存在无扩散机制

10、形核的观点。 奥氏体晶核与母相之间存在位向关系奥氏体晶核与母相之间存在位向关系011/111A111/110A（3）奥氏体晶核的长大）奥氏体晶核的长大当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体晶核时，则形成了当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体晶核时，则形成了 和和 FeFe3 3C C两个相界面。两个相界面。奥氏体晶核的长大过程实际上是两个相界面向原有的铁素体和渗碳体中推移的过程。奥氏体晶核的长大过程实际上是两个相界面向原有的铁素体和渗碳体中推移的过程。奥氏体晶核的长大奥氏体晶核的长大奥氏体同时吃掉铁素体片奥氏体同时吃掉铁素体片(a (a，b)b)和渗碳体片或只是吃掉铁素体（和渗碳体片或只是吃掉铁

11、素体（c c）长大速率：长大速率： 微米微米/ /秒秒剩余碳化物的溶解剩余碳化物的溶解SEM T8SEM T8奥氏体中存在剩余渗碳体奥氏体中存在剩余渗碳体奥氏体形成总结奥氏体形成总结加热到临界点以上，形成奥氏体，分为四个阶段：加热到临界点以上，形成奥氏体，分为四个阶段：晶界形核；晶界形核；晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大；晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大；剩余渗碳体或碳化物溶解；剩余渗碳体或碳化物溶解；奥氏体成分相对均匀化。奥氏体成分相对均匀化。2.3 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学 所谓形成动力学即指新相的形成所谓形成动力学即指新相的形成速度问题。速度问题。 钢的成分、原始组织、加

12、热温度、钢的成分、原始组织、加热温度、加热速度等均影响转变速度。加热速度等均影响转变速度。 为了使问题简化，首先讨论当温为了使问题简化，首先讨论当温度恒定时奥氏体形成的动力学问题。度恒定时奥氏体形成的动力学问题。 （1）共析碳素钢的等温）共析碳素钢的等温TTA曲线曲线（2）亚共析碳素钢等温TTA曲线Fe-0.1%C钢Fe-0.6%C钢原因不明原因不明（3）连续加热时奥氏体形成的TTA曲线Fe-0.7%C钢速度速度v下转变开始点下转变开始点速度速度v下转变结束点下转变结束点连续加热时奥氏体的形成特点连续加热时奥氏体的形成特点p 奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。奥氏体形成是在一个温度范围内完成

13、的。p 随加热速度增大，转变趋向高温，且转随加热速度增大，转变趋向高温，且转变温度范围扩大，而转变速度则增大。变温度范围扩大，而转变速度则增大。p 随加热速度增大，随加热速度增大，C C，FeFe原子来不及扩原子来不及扩散，所形成的散，所形成的奥氏体成分不均匀性奥氏体成分不均匀性增大。增大。p 快速加热时，奥氏体形成温度升高，可快速加热时，奥氏体形成温度升高，可引起奥氏体起始晶粒细化；同时，剩余渗引起奥氏体起始晶粒细化；同时，剩余渗碳体量也增多，形成奥氏体的平均碳含量碳体量也增多，形成奥氏体的平均碳含量降低。降低。（4）奥氏体的形核率和长大速度32exp(),/vQWNCWAGkT形核率：形核

14、率：思考：思考：T升高，升高，N增大的原因有哪些？增大的原因有哪些？奥氏体晶核长大速度奥氏体晶核长大速度1()CBdCGKDdxC 一个珠光体片层间距内，一个珠光体片层间距内， T=780 C时，奥氏体向铁素体的推移速度为：时，奥氏体向铁素体的推移速度为： 奥氏体向渗碳体的推移速度为：奥氏体向渗碳体的推移速度为： 两者之比为：两者之比为： 思考：为什么铁素体总是比渗碳体先转化完毕？思考：为什么铁素体总是比渗碳体先转化完毕？（5）影响奥氏体形成速度的因素）影响奥氏体形成速度的因素 一切影响奥氏体的形核率和一切影响奥氏体的形核率和增大速度的因素都影响奥氏体的增大速度的因素都影响奥氏体的形成速度。形

15、成速度。 如：加热温度，钢的原始组织，如：加热温度，钢的原始组织，化学成分等。化学成分等。 1）加热温度的影响加热温度的影响 奥氏体形成速度随着加热温度升高而迅速增大。转变的孕育期变短，奥氏体形成速度随着加热温度升高而迅速增大。转变的孕育期变短，相应的转变终了时间也变短；相应的转变终了时间也变短； 随着奥氏体形成温度升高，形核率增长速率高于长大速度的增长速率。随着奥氏体形成温度升高，形核率增长速率高于长大速度的增长速率。如：转变温度从如：转变温度从740740升高到升高到800800时，形核率增加时，形核率增加270270倍，而长大速度只倍，而长大速度只增加增加8080倍。因此，奥氏体形成温度

16、愈高，起始晶粒度愈小。倍。因此，奥氏体形成温度愈高，起始晶粒度愈小。 随着奥氏体形成温度升高，奥氏体相界面向铁素体的推移速度比向渗随着奥氏体形成温度升高，奥氏体相界面向铁素体的推移速度比向渗碳体的推移速度之比增大。在碳体的推移速度之比增大。在780780其比值约为其比值约为1414，而在，而在800800，比值将增，比值将增大到约大到约1919。因此，当奥氏体将铁素体全部吃完时，剩下的渗碳体量增多。因此，当奥氏体将铁素体全部吃完时，剩下的渗碳体量增多。2）含碳量的影响含碳量的影响 珠光体向奥氏体转变珠光体向奥氏体转变50%50%所需要所需要的时间与钢中碳含量的关系的时间与钢中碳含量的关系3）原

17、始组织的影响）原始组织的影响 钢的原始组织愈细，奥氏体形成速度愈快。因为原始组织中的碳化钢的原始组织愈细，奥氏体形成速度愈快。因为原始组织中的碳化物分散度越高，相界面越多，形核率越大。物分散度越高，相界面越多，形核率越大。珠光体的片间距愈小碳原子的扩散距离减小，奥氏体中的浓度梯度珠光体的片间距愈小碳原子的扩散距离减小，奥氏体中的浓度梯度增大，从而，奥氏体形成速度加快。如原始组织为托氏体时奥氏体的增大，从而，奥氏体形成速度加快。如原始组织为托氏体时奥氏体的形成速度比索氏体和珠光体都快。形成速度比索氏体和珠光体都快。奥氏体等温形成时，片状珠光体比粒状的快奥氏体等温形成时，片状珠光体比粒状的快。珠光

18、体中的碳化物有片状的，也有粒状珠光体中的碳化物有片状的，也有粒状的。试验表明，碳化物呈片状时，奥氏的。试验表明，碳化物呈片状时，奥氏体的等温形成速度较粒状的快。体的等温形成速度较粒状的快。在在760760，片状珠光体的奥氏体化转变完，片状珠光体的奥氏体化转变完了的时间不足了的时间不足1 1分钟；而粒状珠光体则分钟；而粒状珠光体则需需5 5分钟以上。这是由于片状珠光体中分钟以上。这是由于片状珠光体中的碳化物与铁素体的相界面面积大，易的碳化物与铁素体的相界面面积大，易于形核，也易于溶解。碳原子扩散距离于形核，也易于溶解。碳原子扩散距离也较短。也较短。4）合金元素的影响）合金元素的影响对扩散系数的影

19、响对扩散系数的影响 强碳化物形成元素，如强碳化物形成元素，如CrCr、V V、MoMo、WW等，降低碳在奥氏体中的扩散系数，等，降低碳在奥氏体中的扩散系数，因而减慢奥氏体的形成速度。因而减慢奥氏体的形成速度。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素CoCo、NiNi等增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而加速奥氏体等增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而加速奥氏体的形成。的形成。合金元素改变临界点位置合金元素改变临界点位置 合金元素改变了钢的临界点的位置，如升高合金元素改变了钢的临界点的位置，如升高AcAc1 1或降低或降低AcAc1 1； 使转变在一个温度范围进行，如使转变在一个温度范围进行，如AcAc1s1

20、sAcAc1f 1f，因而改变了过热度，影响了奥氏，因而改变了过热度，影响了奥氏体的形成速度。体的形成速度。 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。珠光体的片层间距愈小，奥氏体形成速度愈快。体的形成速度。珠光体的片层间距愈小，奥氏体形成速度愈快。合金元素在奥氏体中分布不均匀合金元素在奥氏体中分布不均匀 合金元素的扩散系数仅仅为碳的合金元素的扩散系数仅仅为碳的1/10001/10001/100001/10000，因而，合金钢的奥氏体形，因而，合金钢的奥氏体形成速度慢，均匀化也慢，需要更

21、长的时间转变完，均匀化时间也长。成速度慢，均匀化也慢，需要更长的时间转变完，均匀化时间也长。2.5 奥氏体晶粒长大及控制奥氏体晶粒长大及控制 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度12Nn晶粒度定义晶粒度定义N：n n为放大为放大100100倍时平均每倍时平均每6.45 cm6.45 cm2 2视视野内的晶粒数。野内的晶粒数。本质晶粒度本质晶粒度钢加热至钢加热至93093010 10 C C，保温，保温3-8 h3-8 h，冷却后测得的晶，冷却后测得的晶粒度，反应钢加热时晶粒长大的粒度，反应钢加热时晶粒长大的倾向。倾向。1-41-4级为本质粗晶粒；级为本质粗晶粒；5-85-8级级为本质细晶粒。为本质细晶粒。

22、奥氏体晶粒度影响其转变产物的性能。受加奥氏体晶粒度影响其转变产物的性能。受加热温度、加热速度和钢中合金元素的影响。热温度、加热速度和钢中合金元素的影响。（1）奥氏体晶粒长大现象）奥氏体晶粒长大现象加热温度、时间对加热温度、时间对0.48%C-0.82%Mn钢奥氏体晶粒大小钢奥氏体晶粒大小的影响的影响 1不含铝的不含铝的C-Mn钢钢 2含含Nb-N钢钢加热温度对奥氏体晶粒度的影响加热温度对奥氏体晶粒度的影响注意区分：注意区分：起始晶粒度起始晶粒度实际晶粒度实际晶粒度本质晶粒度本质晶粒度（2）奥氏体晶粒长大机理）奥氏体晶粒长大机理224dGPR dRR 长大驱动力长大驱动力正常长大速度正常长大速度

23、DK（3）影响奥氏体晶粒长大的因素）影响奥氏体晶粒长大的因素1 1）加热温度和保温时间）加热温度和保温时间2 2）加热速度）加热速度3 3）C C含量含量4 4）合金元素）合金元素5 5）冶炼方法）冶炼方法6 6）原始组织）原始组织10Ni5CrMoV钢钢硬相微粒对奥氏体晶界的扎钉作用硬相微粒对奥氏体晶界的扎钉作用p 用铝脱氧的钢及含有用铝脱氧的钢及含有NbNb、V V、TiTi等元素的钢，钢中存在等元素的钢，钢中存在AlNAlN、NbCNbC、VCVC、TiCTiC等微粒，这些析出相硬度很高，难以变形，存在于晶界上时，等微粒，这些析出相硬度很高，难以变形，存在于晶界上时，阻止奥氏体晶界移动，对晶界起了扎钉作用；阻止奥氏体晶界移动，对晶界起了扎钉作用；p 在一定温度范围内保持奥氏体晶粒细小硬相微粒体积分数在一定温度范围内保持奥氏体晶粒细小硬相微粒体积分数 一定时，一定时，微粒越细，半径微粒越细，半径r r越小，微粒数量越多，则对于晶界移动的阻力越小，微粒数量越多，则对于晶界移动的阻力F F越大：越大：F=3fF=3f