第二章奥氏体形成

1、第二章奥氏体形成第二章奥氏体形成 热处理过程：加热 保温 - 冷却 目的：改变材料（金属及合金）的组织结构，满足服役条件对性能的要求 加热加热：大多数热处理工艺都需要将钢件加热至相变临界点（A1, A3或Acm）以上，形成奥氏体组织，称为奥氏体化。然后再以一定的方式 (或冷速)进行冷却。 钢在加热时的转变是钢件热处理的基础，而且热处理钢件的组织和性能与其加热时形成的奥氏体组织有很大的关系。 奥氏体奥氏体A()A1A3AcmFe-FeFe-Fe3 3C C合金相图合金相图奥氏体的命名 英文名称：英文名称： Austenite 晶体结构：晶体结构： 面心立方（面心立方（fcc） 定义：碳及各种化学

2、元素在定义：碳及各种化学元素在-Fe形成的固溶体形成的固溶体 或或 A 命名：为纪念命名：为纪念英国冶金学家英国冶金学家罗伯茨罗伯茨-奥斯汀奥斯汀(Roberts Austen，1943-1902)对金属科学的贡献对金属科学的贡献2.1 奥氏体的组织特征钢在实际热处理加热时所发生的相变常常是非平衡的，钢在实际热处理加热时所发生的相变常常是非平衡的，很难用很难用Fe-Fe3C平衡状态图完全说明问题。这里我们仍平衡状态图完全说明问题。这里我们仍以以Fe-Fe3C平衡状态图为基础来介绍奥氏体的组织特征。平衡状态图为基础来介绍奥氏体的组织特征。1.奥氏体形成的温度范围奥氏体形成的温度范围Fe-FeFe

3、-Fe3 3C C合金相图合金相图高温稳定相高温稳定相稳定存在的区域：稳定存在的区域：GSEJNGS点：共析成分点点：共析成分点共析钢（共析钢（C=0.77%）亚共析钢（亚共析钢（C0.77%）过共析钢（过共析钢（0.77C2.11%)E点：点：C在在中的最大溶解度中的最大溶解度温度在温度在A1以下：以下：共析钢：珠光体（共析钢：珠光体（P)亚共析钢：珠光体亚共析钢：珠光体P+铁素体铁素体F过共析钢：珠光体过共析钢：珠光体+渗碳体渗碳体温度在温度在A1点以上：点以上：共析钢：共析钢：PA亚共析钢：亚共析钢： PA， FA过共析钢：过共析钢： PA， F3CA奥氏体奥氏体A()A1A3AcmJ1

4、.奥氏体形成的温度范围奥氏体形成的温度范围 实际的相变并不是 按照状态图中所示的温度进行的，往往存在一定的温度滞后温度滞后，且温度滞后的程度随加热或冷加热或冷却速度却速度的增大而增大。 为了区别平衡临界点，通常在加热转变点标以为了区别平衡临界点，通常在加热转变点标以“ C”，在冷却转变点标以，在冷却转变点标以“r”。A1 Ac1 或或 Ar1 A3 Ac3 或或 Ar3Acm Accm 或或 Arcm2. 奥氏体的组织和结构奥氏体的组织和结构：奥氏体的组织：规则多边形晶粒奥氏体的组织：规则多边形晶粒 奥氏体的结构：奥氏体的结构：FCC结构，结构，C在在-Fe中的中的间隙固溶体。间隙固溶体。C原

5、子的存在，使奥氏体点阵发生等称膨胀，原子的存在，使奥氏体点阵发生等称膨胀，因而点阵常数随碳含量升高而增大因而点阵常数随碳含量升高而增大 C: 八面体中心八面体中心2. 奥氏体的性能奥氏体的性能：奥氏体钢：加入扩大奥氏体钢：加入扩大 相区的元素（如：相区的元素（如：Ni、Mn、Co、C、N、Cu等），使相图中等），使相图中A1，A3、和、和Acm线下线下降，从而引起奥氏体区扩大降，从而引起奥氏体区扩大 ，会使相图中奥氏体区，会使相图中奥氏体区一直延展到室温下。一直延展到室温下。 奥氏体钢奥氏体钢优点：优点：塑性好：面心立方点阵，滑移系统多，易于变形塑性好：面心立方点阵，滑移系统多，易于变形比容小

6、：最密排的点阵结构，致密度高比容小：最密排的点阵结构，致密度高热强性好：热强性好：Fe自扩散激活能大，扩散系数小，高温自扩散激活能大，扩散系数小，高温用钢用钢无磁性无磁性线膨胀系数大：热膨胀灵敏的仪表元件线膨胀系数大：热膨胀灵敏的仪表元件缺点：缺点：硬度、屈服强度不高硬度、屈服强度不高导热性能差：加热速度不宜过大，避免热应力导致导热性能差：加热速度不宜过大，避免热应力导致工件变形工件变形。奥氏体奥氏体A()A1A3Acm奥氏体的形成机制奥氏体的形成机制奥氏体奥氏体A()A1A3AcmA1点以下：点以下：共析钢：珠光体共析钢：珠光体亚共析钢：珠光体亚共析钢：珠光体+铁素体铁素体过共析钢：珠光体过

7、共析钢：珠光体+渗碳体渗碳体珠光体：铁素体珠光体：铁素体+渗碳体渗碳体A1点以上：点以上：奥氏体奥氏体相变：相变： 铁素体铁素体 + 渗碳体渗碳体 奥氏体奥氏体结构：结构： 体心立方体心立方 复杂斜方复杂斜方 面心立方面心立方C含量：含量： 0.02% 6.69% 0.77%奥氏体的形成：奥氏体的形成：（1） 的点阵重构的点阵重构（2）渗碳体的溶解）渗碳体的溶解（3）C在在 中的扩散重新分布中的扩散重新分布珠光体珠光体1. 奥氏体形核奥氏体形核VSvg-VG珠光体（珠光体（P)和奥氏体（和奥氏体（ ）自由能和温度关系）自由能和温度关系奥氏体形成：过热度奥氏体形成：过热度 /Fe /Fe3 3C

8、 C向向FeFe3 3C C迁移速度迁移速度完全转变为完全转变为 后仍有一部份后仍有一部份FeFe3 3C C未溶解未溶解 T TA A向向F F界面推移速度与界面推移速度与A A向渗碳体界面推移速度之比向渗碳体界面推移速度之比 ，如，如780780 C C，两者之比为，两者之比为，800800 C C，两者之比为，两者之比为 随保温时间延长，残留碳化物溶解。随保温时间延长，残留碳化物溶解。4.4.奥氏体成分的均匀化奥氏体成分的均匀化在铁素体全部转变为奥氏体，且残留在铁素体全部转变为奥氏体，且残留Fe3C全部溶解之后，碳在奥氏体中全部溶解之后，碳在奥氏体中的分布仍然是不均匀的。的分布仍然是不均

9、匀的。原来为渗碳体的区域碳浓度较高，而原来为铁素体的区域碳浓度较低。原来为渗碳体的区域碳浓度较高，而原来为铁素体的区域碳浓度较低。碳浓度的不均匀性随加热速度增大而愈加严重。碳浓度的不均匀性随加热速度增大而愈加严重。因此，继续加热或保温，借助于碳原子的扩散，才能使整个奥氏体中碳的因此，继续加热或保温，借助于碳原子的扩散，才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。分布趋于均匀。奥氏体形成的四个阶段奥氏体形成的四个阶段1.奥氏体形核奥氏体形核2.奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大3. 剩余碳化物溶解剩余碳化物溶解4.奥氏体均与化奥氏体均与化2.3 2.3 奥氏体形成的动力学奥氏体形成的动力学1. 1. 奥氏体等

10、温形成动力学奥氏体等温形成动力学 奥氏体的形成速度：形核率I 和长大速度G T ， 形成速度增大形成速度增大共析碳钢共析碳钢1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学(1) 形核率形核率I（均匀形核）： 温度温度 ，I I ； 温度温度 ， G Gv v ，W W 进一步进一步I I 温度温度 ，D D ，原子扩散加快，有利于，原子扩散加快，有利于点阵重构，促进渗碳体的溶解点阵重构，促进渗碳体的溶解加速加速了了 的形成的形成扩散激活能扩散激活能临界晶核的形核功临界晶核的形核功 与与P的比界面能的比界面能 与与P的单位体积的自由能差的单位体积的自由能差常数常数1. 1. 奥氏体等温形成

11、动力学奥氏体等温形成动力学 T 形核所需C浓度的起伏，有利于提高形核率 因此，T，相变过热度增加，形核急剧增加 （IG)，有利于形成细小的奥氏体晶粒。T2/C-C1.1.奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学cD(2) 长大速度长大速度G 等温转变 780dxCd渗碳体渗碳体：C在在A中的扩散系数中的扩散系数：A中中C浓度梯度浓度梯度 CB：A与与F的相界面处或的相界面处或A与渗碳体的相界面处的两相与渗碳体的相界面处的两相浓度差浓度差S0：珠光体片层间距：珠光体片层间距1.1.奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学 温度的影响：T，G 原因： 原子扩散系数D ；C/cem - C/ ， G

12、 F中有利于A形核部位增加，原子扩散距离缩短，有利于长大 /界面浓度（C/ - C / ），/渗碳体界面浓度（C cem / - C / cem ）， 加速了A长大的速度。*cem: cementite综上所述：综上所述：T ，奥氏体的形核率，奥氏体的形核率I和长大速度和长大速度G均增均增大。奥氏体形成速度随形成大。奥氏体形成速度随形成T 呈单调增大。呈单调增大。 1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学(3) 奥氏体等温动力学曲线（奥氏体等温动力学曲线（TTT曲线）曲线） 等温动力学曲线的建立：一组共析碳钢加热Ac1以上不同温度，保温不同时间，急冷至室温，测出马氏体转变量（即高温

13、加热时的奥氏体形成量） 等温形成图：温度时间曲线1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学 存在孕育期 A形成速度： 慢-快-慢 加热温度越高，形成所需时间越短，形成速度越快 后，渗碳体溶解，奥氏体均匀化（时间最长） 亚共析钢和过共析钢共析碳钢奥氏体等温形成图共析碳钢奥氏体等温形成图1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学(4)影响奥氏体形成速度的因素影响奥氏体形成速度的因素 加热温度的影响加热温度的影响 T，A形成速度；形核率I和长大速度G均增加，IG, 因此获得的奥氏体起始晶粒度越细小。 T，A向F界面推移速度与A向渗碳体界面推移速度比增加，珠光体中F消失的瞬间，剩余

14、渗碳体量增加，奥氏体的平均C含量降低。T ，有利于改善淬火钢尤其是淬火高碳工具钢的韧性。有利于改善淬火钢尤其是淬火高碳工具钢的韧性。 1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学碳含量的影响碳含量的影响钢中碳含量愈高，奥氏体形成速度就愈快。 原因： *碳含量增高时，碳化物数量增多，铁素体与渗碳体的相界面面积增大，因而增加了奥氏体的形核部位，使形核率增大。 *同时，碳化物数量增多后，使碳的扩散距离减小， * 随奥氏体中碳含量增加，碳和铁原子的扩散系数增大在过共析钢中由于碳化物数量过多，随碳含量增加会引起剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化的时间延长。1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成

15、动力学 原始组织的影响原始组织的影响 在成分相同的条件下，原始组织中碳化物分散度愈大，则相界面就越多，形核率就越大（I）。 珠光体的片层间距减小，奥氏体中C的浓度梯度增大，使C的扩散速度加快，同时扩散距离减小，因此增加了奥氏体长大速度（G）。 因此，钢的原始组织越细小，奥氏体的形成速度就越快。1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学 合金元素的影响合金元素的影响 加入合金元素不影响珠光体（P）向奥氏体（）的转变机制 影响奥氏体的形核、长大、碳化物的溶解、奥氏体均匀化的速度 强碳化物形成元素（Mo、W、Cr）降低C在中的扩散系数，形成不易溶解的特殊碳化物，显著减低形成速度 非碳化物形

16、成元素Co、Ni增大C在中的扩散系数，加速的形成 非碳化物形成元素Al、Si对C在中的扩散影响不大，对的形成速度无显著影响1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学 合金元素的影响（续）合金元素的影响（续） 改变相变临界点A1、A3、Acm的位置，即改变相变的过热度。 Ni、Mn、Cu等减低A1点，相对增加了过热度，故加快了奥氏体的形成速度 Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等提高A1点，相对减小了过热度，减慢了奥氏体的形成速度 影响珠光体片层间距和C在奥氏体中的溶解度，从而影响相界面浓度差和奥氏体中的浓度梯度、形核功等 影响奥氏体形成速度1. 1. 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温

17、形成动力学 合金元素的影响（续）合金元素的影响（续） 合金元素在原始组织中分布不均匀。 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 不均匀现象直到碳化物完全溶解后仍显著存在奥氏体中。 因此合金钢的奥氏体化过程，除了C的均匀化，还包括合金元素的均匀化 合金元素的扩散系数比C的扩散系数小（1000-10000倍），因此奥氏体化需要更高的温度和更长的时间2. 连续加热时奥氏体形成连续加热时奥氏体形成 相同点（与等温加热比）： 钢在连续加热时珠光体向奥氏体的转变与等温加热转变大致相同，亦经过形核、长大、剩余碳化物溶解、奥氏体均匀化四个阶段，其影响因素也大致相同。2.连续加热时

18、奥氏体形成连续加热时奥氏体形成 不相同点（与等温加热比）： 在一定的加热范围内，相变临界点随加热速度增大而升高快速加热时非平衡快速加热时非平衡Fe-C状态图状态图Ac1Ac3Accm2. 连续加热时奥氏体形成连续加热时奥氏体形成 不相同点（与等温加热比）（续）： 相变是在一个温度范围内完成的 随加热速度增大，各个阶段的转变温度范围均向高温推移并扩大。因此连续加热时，特别是加热速度大时，难以用Fe-Fe3C状态图来判断钢加热时的组织状态2. 连续加热时奥氏体形成连续加热时奥氏体形成加热速度越快，转变开始和终了的温度就越高，转变所需的时间就越短，即奥氏体的形成速度就越快。连续加热时珠光体向奥氏体转

19、变的各个阶段都不是在恒定温度下进行的，而是在一个相当大的温度范围内进行的，加热速度越快，奥氏体转变温度范围就越大。 不相同点（与等温加热比）（续）： 奥氏体形成速度随加热速度增大而增大加热曲线加热曲线转变曲线转变曲线加热速度：加热速度：V4V3V2V12. 连续加热时奥氏体形成连续加热时奥氏体形成 不相同点（与等温加热比）（续）： 奥氏体成分的不均匀性随加热速度的增加而增大 在快速加热条件下，因为碳化物来不及充分溶解，碳及合金元素来不及充分扩散，造成奥氏体中碳及合金元素的浓度很不均匀。 2. 连续加热时奥氏体形成连续加热时奥氏体形成 不相同点（与等温加热比）（续）： 奥氏体起始晶粒大小随加热速

20、度增大而细化 超快速加热时相变过热度很大，奥氏体不仅在铁素体和碳化物的相界面上形核，而且也可在铁素体内的亚晶界上形核。 超快速加热时奥氏体的形核率急剧增大，并且加热时间极短，奥氏体晶粒来不及长大，经适时淬火后可获得超细化的原始奥氏体晶粒，并获得超细化的淬火马氏体组织。2.4 奥氏体晶粒长大及控制奥氏体晶粒长大及控制 奥氏体化目的：获得成分均匀和一定晶粒大小的奥氏体组织 多数情况希望获得细小的奥氏体晶粒，有时也需要较大的奥氏体晶粒 因此需要了解奥氏体晶粒的长大规律，掌握控制奥氏体晶粒的方法1. 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度12nN 奥氏体晶粒大小的表示方法：奥氏体的直径或单位面积中奥氏体晶粒数目 奥

21、氏体的晶粒度N：一般是指奥氏体化后的奥氏体实际晶粒大小 奥氏体晶粒越小，n越大, N越大，n 为放大为放大100倍的视野中每平方英寸（倍的视野中每平方英寸（2)所含的平均奥氏体晶粒数目所含的平均奥氏体晶粒数目 X100倍倍 晶粒度晶粒度Nd (m)125021773125488562644731822915.610111. 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度 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：根据标准试验方法，在93010保温足够时间（3-8h)后测得的奥氏体晶粒大小。 本质细晶粒钢：奥

22、氏体晶粒度为5-8级 本质粗晶粒钢：奥氏体晶粒度为1-4级1. 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度2/1GIKn 奥氏体的起始晶粒度的大小，取决于奥氏体的形核率I和长大速度G ： 增加形核率I或降低长大速度G是获得细小奥氏体晶粒的重要途径 实际晶粒度取决于钢材的本质晶粒度和实际加热条件。在一般的加热速度下，加热温度越高，保温时间越长，得到的奥氏体实际晶粒就越粗大单位面积内的奥氏体晶粒数目单位面积内的奥氏体晶粒数目:2. 奥氏体晶粒长大原理奥氏体晶粒长大原理 晶界能量高晶界能量高，为了减少总的晶界面积，降低界面能，在一定温度条件下奥氏体晶粒会发生相互吞并而使晶粒长大的现象。 奥氏体晶粒长大在一定条件下是一

23、个自发过程。奥氏体晶粒长大是通过晶界推奥氏体晶粒长大是通过晶界推移实现的移实现的，是晶粒长大动力和晶界推移阻力相互作用的结果。 2. 奥氏体晶粒长大原理奥氏体晶粒长大原理（1）晶粒长大驱动力）晶粒长大驱动力: 奥氏体晶粒大小的不均匀性奥氏体晶粒大小的不均匀性 驱动力大小驱动力大小: F=2/R 方向：指向曲率中心方向：指向曲率中心abc120120-比界面能，比界面能，R-晶界曲率半径晶界曲率半径理想界面形态：界面平直，界面间夹角理想界面形态：界面平直，界面间夹角120，如，如b图图正曲率弧正曲率弧负曲率弧负曲率弧界面张力平衡界面张力平衡2. 奥氏体晶粒长大原理奥氏体晶粒长大原理进一步提高加热

24、温度进一步提高加热温度T或延长保温时间或延长保温时间t，大晶粒将继续，大晶粒将继续长大。长大。 晶粒长大方式：大吃小。这种长大过程称为奥氏体的聚晶粒长大方式：大吃小。这种长大过程称为奥氏体的聚集再结晶。集再结晶。驱动力大小驱动力大小: F=2/R 界面能界面能 ，晶粒尺寸，晶粒尺寸 ， 奥氏体晶粒长大的驱动力奥氏体晶粒长大的驱动力F就愈就愈大，即晶粒长大的倾向性就愈大，晶界愈容易迁移。大，即晶粒长大的倾向性就愈大，晶界愈容易迁移。（2）晶粒长大阻力）晶粒长大阻力第二相质点的钉扎作用第二相质点的钉扎作用 F阻阻=3f/2r r-粒子半径粒子半径, f 粒子数粒子数, -比界面能比界面能界界面面r

25、第二相质点越细小，分散，总阻力第二相质点越细小，分散，总阻力 2. 奥氏体晶粒长大原理奥氏体晶粒长大原理晶粒晶粒 I晶粒晶粒 II界面张力平衡界面张力平衡2. 奥氏体晶粒长大原理奥氏体晶粒长大原理 950以上奥氏体晶粒突然长大的现象： 阻止晶粒长大的难溶第二相粒子发生聚合长 大或溶解于奥氏体中 “混晶”：出现晶粒大小极不均匀的现象。 由于沉淀析出粒子的分布是不均匀的 2. 奥氏体晶粒长大原理奥氏体晶粒长大原理 奥氏体晶粒长大是一种自发过程，其主要表现为晶界的推移，高度弥散的难溶第二相粒子对晶粒长大起很大的抑制作用。为了获得细小的奥氏体晶粒，必须保证钢中含有足够数量和足够细小的难溶第二相粒子。3

26、. 影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响 T , t , A晶粒度晶粒度 晶界移动激活能或原子扩散跨越晶界激活能晶界移动激活能或原子扩散跨越晶界激活能奥氏体晶粒直径奥氏体晶粒直径奥氏体晶粒长大速度奥氏体晶粒长大速度:随着随着T ，u呈指数函数关系迅速增大。同时，晶粒愈细小，界面能愈高，呈指数函数关系迅速增大。同时，晶粒愈细小，界面能愈高，晶粒长大速度晶粒长大速度u就愈大。但当晶粒长大到一定程度后，由于晶粒直径增就愈大。但当晶粒长大到一定程度后，由于晶粒直径增大，晶粒长大速度将减慢。大，晶粒长大速度将减慢。3. 影响奥氏体晶粒长大的因

27、素影响奥氏体晶粒长大的因素加热速度的影响加热速度的影响 加热速度越大，奥氏体的实际形成温度越高，加热速度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率与长大速度之比（形核率与长大速度之比（I/G）随之增大，可）随之增大，可以获得细小的起始晶粒度；以获得细小的起始晶粒度； 快速加热并且短时间保温可以获得细小的奥快速加热并且短时间保温可以获得细小的奥氏体晶粒度；氏体晶粒度； 如果此时长时间保温，由于起始晶粒细小，如果此时长时间保温，由于起始晶粒细小，加上实际形成温度高，奥氏体晶粒很容易长加上实际形成温度高，奥氏体晶粒很容易长大。大。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钢中碳含量的影响钢中碳含量的影响 碳在固溶于奥氏体的情况下，由于提高了铁的自扩散系数，将碳在固溶于奥氏体的情况下，由于提高了铁的自扩散系数，将促进晶界的迁移，使奥氏体晶粒长大。共析碳钢最容易长大。促进晶界的迁移，使奥氏体晶粒长大。共析碳钢最容易长大。 C C晶粒晶粒 （C C在在A A中扩散速度及中扩散速度及FeFe的自扩散速度均增加）；的自扩散速度均增加）； 当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，由于其阻碍晶界迁移，所当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，由于其阻碍晶界迁移，所以将阻碍奥氏体晶粒长大。过共析碳钢的加热温度一般选在以将阻碍奥氏体晶粒