第2章钢在高温加热时的奥氏体转变

1、第2章 钢在高温加热时的奥氏体转变研究奥氏体转变的目的本章主要内容C (4.3)E (2.11)S (0.77)P (0.0218)FDABC%6.69FeH JNA1 (727C)Fe3C铁碳相图铁碳相图+L+L+ Fe3C+ Fe3C+ Fe3CLGQKA3Accm珠光体(P)+ PP+ Fe3C2.1 奥氏体及其特点1. 奥氏体的晶体结构 碳原子溶于碳原子溶于Fe形成的间隙固形成的间隙固溶体；溶体； 表示：表示：A或或碳原子处于八面体中心间隙位置碳原子处于八面体中心间隙位置(面心立方晶胞的中心或棱边中点面心立方晶胞的中心或棱边中点)但奥氏体的最大溶但奥氏体的最大溶C量量(溶解度溶解度)仅

2、为仅为2.11% C原子进入原子进入Fe点阵间隙位置点阵间隙位置引起引起Fe点阵膨胀；点阵膨胀；C%增加，增加，奥氏体点阵常数增大奥氏体点阵常数增大2.1 奥氏体及其特点1. 奥氏体的晶体结构 C原子在原子在A当中分布是不均匀当中分布是不均匀的，存在浓度起伏的，存在浓度起伏 合金元素合金元素(Mn, Si, Cr, Ni, Co)等在等在Fe中取代中取代Fe原子的位置原子的位置而形成置换式固溶体而形成置换式固溶体2. 奥氏体的组织形态 奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度、加热转奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度、加热转变的程度有关。一般由变的程度有关。一般由多边形等轴晶粒多边形等轴晶粒组成

3、。组成。这种形态这种形态也称为也称为颗粒颗粒状，在晶粒内部有时可以看到状，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶相变孪晶 。3. 奥氏体的性能 奥氏体是钢中的奥氏体是钢中的高温稳定相高温稳定相，但若钢中加入足够量，但若钢中加入足够量的能够扩大的能够扩大 相区的元素，则可使奥氏体在室温成为相区的元素，则可使奥氏体在室温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态，以奥氏体状态使用的钢成为态，以奥氏体状态使用的钢成为奥氏体钢奥氏体钢。 FccFcc结构结构 塑性塑性 加工成形性好加工成形性好 最密排的点阵结构最密排的点阵结构 比体积小比体积小 铁原

4、子的铁原子的扩散系数小扩散系数小 热强性好热强性好 高温用钢高温用钢 线膨胀系数大线膨胀系数大 制作热膨胀灵敏的仪表元件制作热膨胀灵敏的仪表元件 导热性能差导热性能差 不宜采用过大的加热速度，以免引不宜采用过大的加热速度，以免引 起工件变形起工件变形 顺磁性顺磁性 无磁性钢，相变点和残留奥氏体的测定无磁性钢，相变点和残留奥氏体的测定2.2 钢的奥氏体等温转变 根据根据Fe-Fe3CFe-Fe3C相图，当把钢缓慢加热到共析温度以上时，相图，当把钢缓慢加热到共析温度以上时，珠珠光体光体将向将向奥氏体奥氏体转变。钢在热处理时，通常第一道工序就是把转变。钢在热处理时，通常第一道工序就是把钢加热，使之形

5、成奥氏体组织。钢加热，使之形成奥氏体组织。 通常把钢加热到临界温度以上获得奥氏体的转变过程称为通常把钢加热到临界温度以上获得奥氏体的转变过程称为奥奥氏体化过程氏体化过程。 加热时钢中奥氏体的转变过程与条件，对最终形成的奥氏加热时钢中奥氏体的转变过程与条件，对最终形成的奥氏体体晶粒尺寸、形态、转变完善程度晶粒尺寸、形态、转变完善程度( (如元素的均匀化程度如元素的均匀化程度) )等有等有重要影响，而所有这些又都必然影响到热处理后钢的最终组织重要影响，而所有这些又都必然影响到热处理后钢的最终组织和性能。和性能。原始组织原始组织加热方式加热方式u平衡组织平衡组织u非平衡组织非平衡组织u等温加热等温加

6、热u连续加热连续加热1. 奥氏体转变热力学相变驱动力奥氏体形成的热力学条件：必奥氏体形成的热力学条件：必须在一定的过热度（须在一定的过热度（T A1）条件下才能发生。条件下才能发生。实际生产 加热和冷却时的相变是在不平衡的条件下进行的；加热和冷却时的相变是在不平衡的条件下进行的； 相变温度与平衡临界温度之间有一定差异；相变温度与平衡临界温度之间有一定差异； 加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温；加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温； 加热和冷却速度越快偏差越大。加热和冷却速度越快偏差越大。加热时：加热时：实际转变温度移向高温，以实际转变温度移向高温，以Ac表示表示Ac1、Ac3、Accm冷

7、却时：冷却时：实际转变温度移向低温，以实际转变温度移向低温，以Ar表示表示Ar1、Ar3、Arcm0.125 C/min钢在加热和冷却时临界温度的意义钢在加热和冷却时临界温度的意义Ac1加热时珠光体向奥氏体转变的开加热时珠光体向奥氏体转变的开 始温度；始温度； Ar1冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；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；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；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加热时二次渗碳体全部溶

8、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。冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。 2. 奥氏体转变机制以共析钢为例(1) 奥氏体的形核形核的成分、结构条件形核的成分、结构条件点阵结构：点阵结构： 体心立方体心立方 复杂正交复杂正交 面心立方面心立方奥氏体形核必须依靠系统内的能量起伏、浓度起伏和结构起伏来实现形核位置形核位置通常在铁素体和渗碳体的相界面处(1) 在两相界面处，碳原子的浓度差较大，有利于获在两相界面处，碳原子的浓度差较大，有利于获得形成奥氏体晶核所需的碳浓度；得形成奥氏体晶核所需的碳浓度；(2) 两相界面处，原子排列不规则，铁原子有可能通两相界面处，原子排

9、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，从而促过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，从而促使奥氏体形核，即形核所需的结构起伏较小；使奥氏体形核，即形核所需的结构起伏较小；(3) 在两相界面处，杂质及其它晶体缺陷较多，具有在两相界面处，杂质及其它晶体缺陷较多，具有较高的畸变能，新相形核时可能消除部分晶体缺较高的畸变能，新相形核时可能消除部分晶体缺陷而使系统的自由能降低。陷而使系统的自由能降低。两相界面处形核，容易满足奥氏体晶核形成所需的能量起伏、浓度起伏和结构起伏，有利于晶核的形成。珠光体团的边界珠光体团的边界先共析铁素体镶嵌块边界先共析铁素体镶嵌块边界通过渗碳体的溶解、碳原子

10、在奥氏体中的扩散，以及奥氏体两侧的界面向铁素体和渗碳体推移来实现的。(2) 奥氏体晶核长大当铁素体完全转变为奥氏体时，仍有部分渗碳体没有当铁素体完全转变为奥氏体时，仍有部分渗碳体没有转变为奥氏体，转变为奥氏体，称为残余碳化物称为残余碳化物。(1)A/F界面向F推移速度A/Fe3C界面向Fe3C推移速度(2) 刚形成的A平均碳含量v，所以奥氏体形成温度越高，所以奥氏体形成温度越高，获得的起始晶粒度就越细小获得的起始晶粒度就越细小 T ， 相变的不平衡程度增大，在铁相变的不平衡程度增大，在铁素体相消失的瞬间，剩余渗碳体量增多，素体相消失的瞬间，剩余渗碳体量增多，因而奥氏体基体的平均碳含量降低。因而

11、奥氏体基体的平均碳含量降低。有利于改善淬火钢尤其是淬火高碳工具钢的韧性奥氏体形成温度奥氏体形成温度/ C735760780850900基体碳含量(相消失时)/%0.770.690.610.510.46奥氏体转变的影响因素(2) 碳含量碳含量(3) 原始组织的影响原始组织的影响(4) 合金元素合金元素通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度 强碳化物形成元素强碳化物形成元素Cr、Mo、W等等，降低碳在奥氏体中扩，降低碳在奥氏体中扩散系数，散系数，推迟珠光体转变为奥氏体推迟珠光体转变为奥氏体；非碳化物形成元素非碳化物形成元素Co、Ni等等增大碳在奥氏体中的扩散系数，

12、使奥氏体形成速度加快；增大碳在奥氏体中的扩散系数，使奥氏体形成速度加快；Si、Al等对碳原子的扩散系数影响不大，因此对奥氏体的形等对碳原子的扩散系数影响不大，因此对奥氏体的形成无明显的影响。成无明显的影响。合金元素通过改变碳化物稳定性影响奥氏体的形成速合金元素通过改变碳化物稳定性影响奥氏体的形成速度度 通常使碳化物稳定提高的元素，将延缓奥氏体的形成。通常使碳化物稳定提高的元素，将延缓奥氏体的形成。钢中加入钢中加入W、Mo和其它强碳化物形成元素，由于在钢中可以和其它强碳化物形成元素，由于在钢中可以形成稳定性极高的特殊类型的碳化物，加热时不易溶解，将形成稳定性极高的特殊类型的碳化物，加热时不易溶解

13、，将使奥氏体形成速度减慢。使奥氏体形成速度减慢。 对临界点的影响 合金元素的加入改变了临界点A1、A3、Acm的位置，并使它们成为一个温度范围，当温度一定时，临界点的变化相当于过热度的改变。 Ni、Mn、Cu等降低A1温度；Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等升高A1温度。合金元素通过对原始组织的影响也影响奥氏体的形成速度 Ni、Mn等往往使珠光体细化，有利于奥氏体的形成。2.3 钢的奥氏体的连续加热转变1. 连续加热转变动力学图连续加热时珠光体向连续加热时珠光体向奥氏体转变动力学曲线奥氏体转变动力学曲线n 相变临界点随加热速度增相变临界点随加热速度增大而升高大而升高n 转变在一个温度范围内

14、进转变在一个温度范围内进行行n 奥氏体形成速度随加热速奥氏体形成速度随加热速度增加而加快度增加而加快n 奥氏体成分不均匀性随加奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大热速度增大而增大n 奥氏体起始晶粒度随加热奥氏体起始晶粒度随加热速度增大而细化速度增大而细化2. 连续加热时奥氏体形成特点连续加热时珠光体向连续加热时珠光体向奥氏体转变动力学曲线奥氏体转变动力学曲线n 相变临界点随加热速度增相变临界点随加热速度增大而升高大而升高n 转变在一个温度范围内进转变在一个温度范围内进行行n 奥氏体形成速度随加热速奥氏体形成速度随加热速度增加而加快度增加而加快n 奥氏体成分不均匀性随加奥氏体成分不均匀性随加热

15、速度增大而增大热速度增大而增大n 奥氏体起始晶粒度随加热奥氏体起始晶粒度随加热速度增大而细化速度增大而细化连续加热时奥氏体形成特点连续加热时，随加热速度增大，奥氏体的形成温度升高，使奥氏体的起始晶粒细化；同时，剩余碳化物数量增多，使奥氏体基体的平均碳含量降低。这两个因素都可以使淬火马氏体获得韧化和强化。近年发展起来的快速加热、超快速加热和脉冲加热淬火等强韧化处理新工艺均是建立在这个理论基础上的。2.4 奥氏体晶粒长大及控制1. 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度一般指奥氏体化后的奥氏体实际晶粒奥氏体晶粒度一般指奥氏体化后的奥氏体实际晶粒大小，可以用奥氏体晶粒直径或单位面积中奥氏体大小，可以用奥氏体晶粒直

16、径或单位面积中奥氏体晶粒的数目等方法来表示。晶粒的数目等方法来表示。晶粒度级别与晶粒大小的关系晶粒度级别与晶粒大小的关系 N= 2G-1 N - 100倍时，晶粒数倍时，晶粒数 / in2 G - 晶粒度级别晶粒度级别 100倍倍 晶粒度晶粒度Nd (m)125021773125488562644731822 起始晶粒度起始晶粒度 奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。互接触时的晶粒大小。其大小取决于形核率其大小取决于形核率和长大速度。和长大速度。 实际晶粒度实际晶粒度 钢经热处理后所获得的实际奥氏体晶粒大钢经热处理后所获得的实际奥氏体晶粒大小

17、。小。取决于具体的加热温度和保温时间。取决于具体的加热温度和保温时间。实实际晶粒度对钢热处理后的性能有直接影响。际晶粒度对钢热处理后的性能有直接影响。奥氏体晶粒度有三种奥氏体晶粒度有三种 本质晶粒度本质晶粒度 表示钢在一定加热条件下奥氏体晶粒长表示钢在一定加热条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。注意：本质晶粒度并不是指具大的倾向性。注意：本质晶粒度并不是指具体的晶粒大小。体的晶粒大小。根据标准试验方法，在根据标准试验方法，在 93010，保温，保温38 h后测得的奥氏体晶粒大小。后测得的奥氏体晶粒大小。 14级级-本质粗晶粒钢，晶粒容易长大。本质粗晶粒钢，晶粒容易长大。 58级级-本质细晶粒钢，晶粒

18、不容易长大本质细晶粒钢，晶粒不容易长大2. 奥氏体晶粒长大机理与控制方法奥氏体晶粒长大现象奥氏体晶粒长大现象正常长大：正常长大： 随保温温度的升高，奥氏体晶粒不随保温温度的升高，奥氏体晶粒不 断长大，称为正常长大。断长大，称为正常长大。异常长大：异常长大： 在加热转变中，保温时间一定时，在加热转变中，保温时间一定时， 随着保温温度的升高，奥氏体晶粒随着保温温度的升高，奥氏体晶粒 长大不明显，当温度超过某一定值长大不明显，当温度超过某一定值 后，晶粒才随温度的升高而急剧长后，晶粒才随温度的升高而急剧长 大，称为异常长大。大，称为异常长大。奥氏体晶粒长大机理奥氏体晶粒长大机理(1) (1) 奥氏体

19、晶粒长大驱动力奥氏体晶粒长大驱动力n 驱动力：驱动力：来自来自A总的晶界能的下降总的晶界能的下降 减少晶界方法：减少晶界方法：晶粒长大；晶界平直化晶粒长大；晶界平直化n 长大方式：通过界面迁移而长大。长大方式：通过界面迁移而长大。0)2() 1 (2FRFRRRF，平直晶界时越大；越小，晶粒越细小，界面曲率半径比界面能(2) (2) 晶界推移阻力晶界推移阻力n 实际材料中，在晶界或晶内往往存在很多细小难溶实际材料中，在晶界或晶内往往存在很多细小难溶的第二相沉淀析出粒子。推移中的晶界如遇到第二的第二相沉淀析出粒子。推移中的晶界如遇到第二相粒子时将发生弯曲，导致晶界面积增大，界面能相粒子时将发生弯

20、曲，导致晶界面积增大，界面能升高，因此这些第二相粒子将阻碍晶界迁移，起着升高，因此这些第二相粒子将阻碍晶界迁移，起着钉扎晶界的作用。钉扎晶界的作用。第二相颗粒半径单位体积中粒子数目比界面能23rfrfFm单位面积晶界上的最大阻力单位面积晶界上的最大阻力(3) (3) 正常长大正常长大 晶界在驱动力晶界在驱动力F推动下匀速前进，由经典力学可导出：推动下匀速前进，由经典力学可导出： DA2 = K exp(-Q/KT) 其中，其中，DA 为长大中为长大中A晶粒平均直径，晶粒平均直径，K为常数，为常数，为时间，为时间，Q为为Fe的自扩散激活能。的自扩散激活能。 随温度随温度T， DA；在一定温度；在

21、一定温度T，随时间，随时间，DA。 (4) (4) 异常长大异常长大 a.a.异常长大的原因异常长大的原因 由于温度由于温度T升高，第二相颗粒的发生聚集长大或溶解于奥升高，第二相颗粒的发生聚集长大或溶解于奥氏体中，使阻力氏体中，使阻力F =0，而此时驱动力，而此时驱动力F却很大，故晶粒急剧长大。却很大，故晶粒急剧长大。 b. 异常长大的特点异常长大的特点 在长大过程中出现混晶现象。在长大过程中出现混晶现象。 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。影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素n 加热温度和保温时间加热温度和保温时间在每一温度下都有一个加速长大期，当奥氏体晶粒长到一定尺寸后，长大过程将减慢直至停止生长。加热温度越高，奥氏体晶