湖大固态相变课件第二章钢中奥氏体的形成

1、Yuxi ChenHunan Univ.1第二章第二章 钢中奥氏体的形成钢中奥氏体的形成第一节 奥氏体及其形成条件第二节 奥氏体的形成机理第三节 奥氏体形成动力学第四节 连续加热时奥氏体的形成第五节 奥氏体晶粒的长大及控制第六节 组织遗传和断口遗传第七节 奥氏体转变的应用举例Yuxi ChenHunan Univ.2第一节第一节 奥氏体及其形成条件奥氏体及其形成条件加热冷却保温Tt热处理周期V加热T，tV冷却典型的热处理过程Yuxi ChenHunan Univ.3通常，热处理包括三个阶段：加热、保温和冷却，但不同的热处理在这三个阶段中发生的固态相变的类型不同，因而对不同工艺阶段的参数要求不同

2、；钢铁热处理也一样，只是许多具体热处理，如退火、正火、淬火等，通常第一道工序就是加热，使之形成奥氏体组织（奥氏体化）。什么是热处理？奥氏体？Yuxi ChenHunan Univ.4热处理热处理：对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，以获得所需要的组织与性能的加工方法。热处理目的：提高钢的力学性能，改善钢的工艺性能。整体热处理表面热处理化学热处理Yuxi ChenHunan Univ.5整体热处理退火、正火、淬火、回火表面热处理表面淬火、气相沉积化学热处理渗碳、氮化、碳氮共渗Yuxi ChenHunan Univ.6退火：加热到适当温度，保温，在炉中缓慢 冷却。正火：加热到一定温度，保

3、温，在空气中冷却。淬火：加热到一定温度，保温，快速冷却。回火：加热到一定温度，保温，冷却到室温。 （淬火后的钢）Yuxi ChenHunan Univ.7奥氏体奥氏体：碳溶于-Fe所形成的固溶体。碳位于面心立方结构的-Fe 八面体间隙的位置。最大溶解度（理论上20%，实际上2.11%，质量比）八面体空隙半径0.052 nm，碳原子半径0.077 nm。碳含量的不同，奥氏体点阵参数变化。碳多，则参数大，且碳在奥氏体中分布不均匀，存在浓度梯度。碳、氮位于奥氏体八面体间隙位置；而锰、硅、铬、镍等则置换铁原子位于结点位置。1、奥氏体的组织结构Yuxi ChenHunan Univ.8Fe-C合金中普通

4、奥氏体在室温下一般不能稳定存在。添加扩大相区的元素（奥氏体稳定元素），可以在室温、甚至是低温下稳定存在。奥氏体钢由于其本身是面心立方，滑移系统多，塑性好。硬度和屈服强度不高热强性好高温用钢顺磁性无磁性钢导热性差2、奥氏体的性能Yuxi ChenHunan Univ.93、奥氏体形成条件通常与固态相变相关的反应线：ES从脱溶出Fe3CGS从脱溶出PSK+Fe3CPQ从脱溶出Fe3CKESGPQ FeFe3CYuxi ChenHunan Univ.10在加热和保温过程中，会发生伴随着Fe3C溶解（包括碳原子扩散均匀化），bcc结构的-Fe向fcc结构的-Fe转变，形成均匀奥氏体。后续冷却过程中控制

5、过冷奥氏体分解，来获得所需要的珠光体、贝氏体或马氏体等，进而控制最终热处理后的组织性能。钢铁热处理需同时注意两个过程：加热转变奥氏体化过程冷却转变过冷奥氏体分解过程Yuxi ChenHunan Univ.11Fe-Fe3C平衡状态图是热力学上达到平衡时的状态图，但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，且温度滞后的程度随加热或冷却速度的增大而增大。实际加热和冷却时的相变临界点不在同一温度上。为了区别， 通常把实际加热时的相变临界点标以字母 c（如 Acl、Ac3、Accm），把冷却时的相变临界点标以字母 r（如 Arl，Ar3，Arcm）。Yuxi ChenHun

6、an Univ.12Fe-Fe3C相图中的A0 A1 A2 A3 A4A0 渗碳体的磁性转变温度230CA1 共析温度727CA2 -Fe高温顺磁性转变为低温铁磁性770CA3 -Fe与-Fe转变温度912CA4 -Fe转变为-Fe 1394CAcm 过共析钢转变为单相奥氏体或奥氏体析出 渗碳体的温度Yuxi ChenHunan Univ.13共析钢原始组织：珠光体亚共析钢原始组织：珠光体+铁素体过共析钢原始组织：珠光体+渗碳体Yuxi ChenHunan Univ.14共析钢（原始组织：珠光体）共析温度727 C，珠光体等温转变为奥氏体亚共析钢（原始组织：珠光体+铁素体）共析温度，珠光体首先

7、转变为奥氏体；温度升高，进入两相区(+)；在Acl和Ac3之间，铁素体转变为奥氏体；在Ac3，全部转变为奥氏体。过共析钢（原始组织：珠光体+渗碳体）共析温度，珠光体首先转变为奥氏体；温度升高，进入两相区(Fe3C+)；在 Acl 和 Accm 之间，渗碳体转变为奥氏体；在Acm，全部转变为奥氏体。Yuxi ChenHunan Univ.15过共析钢（原始组织：珠光体+渗碳体）部分组织奥氏体化（组织局部奥氏体化）新旧两相的自由能差和新相自由能较低是旧相自发转变为新相的驱动力相变热力学条件。 G GpYuxi ChenHunan Univ.16过热度过热度实际加热和冷却时，相变在不平衡的条件下完成

8、。转变温度与临界点A1之差称为过热度。Yuxi ChenHunan Univ.17第二节第二节 奥氏体的形成机理奥氏体的形成机理共析钢平衡组织转变机理Yuxi ChenHunan Univ.181、奥氏体形核、奥氏体形核奥氏体晶核的形核位置通常首先（优先）在铁素体和渗碳体的两相界面上形成。为什么？因为在界面处能够满足奥氏体形核的成分条件结构条件能量条件Yuxi ChenHunan Univ.19成分条件：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；结构条件：在两相界面处，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， 从而促使奥氏体形核，即形核

9、所需的结构起伏较小；能量条件：在两相界面处，杂质及其他晶 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陷而使系统的自由能 降低。并且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。Yuxi ChenHunan Univ.202、奥氏体晶核的长大、奥氏体晶核的长大成分变化奥氏体在/ 、 Fe3C/ 相界上存在碳浓度差。形成扩散，扩散打破平衡， Fe3C 溶解， 改组，恢复平衡，在打破与恢复过程中， 不断长大。显然奥氏体晶核的长大过程受到碳在奥氏体中的扩散显然奥氏体晶核的长大过程受到碳在奥氏体中的扩散所控制所控制。奥氏体核的长大奥氏体核的长大Yuxi ChenHunan U

10、niv.213、剩余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化、剩余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化（碳原子在奥氏体中的扩散）（碳原子在奥氏体中的扩散）奥氏体化主要就是：奥氏体界面向铁素体和渗碳体的推移。奥氏体化的过程是/界面向内、Fe3C/界面向Fe3C内移动的过程。由长大速度决定，铁素体总是先消失。当残余Fe3C全部溶解后，达到珠光体成分。 Fe3C刚消失时，C浓度不均匀，经过一段时间扩散后，达到成分均匀分布的相。Yuxi ChenHunan Univ.224、非共析钢奥氏体的形成、非共析钢奥氏体的形成亚共析钢在两相区的等温转变过程可分为两个阶段：一，奥氏体核在铁素体珠光体交界面形成后，快速长进珠光体直至珠

11、光体全部转变为奥氏体；二，奥氏体向先共析铁素体慢速长进，直到碳达到平衡浓度为止。Yuxi ChenHunan Univ.235、非共平衡组织向奥氏体的转变、非共平衡组织向奥氏体的转变非平衡组织主要包括马氏体、贝氏体等。马氏体向奥氏体的转变同样要经过形核、长大、渗碳体溶解和奥氏体均匀化四个阶段。马氏体被加热到Ac1温度以上时，会同时形成针状和球状两种奥氏体，但一般最终形成球状奥氏体，针状奥氏体一般只是一种过渡组织形态。Yuxi ChenHunan Univ.24第三节第三节 奥氏体形成动力学奥氏体形成动力学1、共析钢奥氏体等温形成动力学、共析钢奥氏体等温形成动力学l形核率Il线长大速度 l等温形

12、成动力学曲线（实验）Yuxi ChenHunan Univ.25形核率形核率I均匀形核条件下)exp(*kTGQCIC:常数；Q:激活能；G*:临界晶核形核功23*VGAGA:常数；:奥氏体与珠光体的比界面能；GV:奥氏体与珠光体的单位体积自由能差Yuxi ChenHunan Univ.26线长大速度线长大速度vBcCdxdCKD1BCK奥氏体线长大速度等于相界面的推移速度K:常数；Dc:碳在奥氏体中扩散系数；dC/dx: 相界面处奥氏体中碳的浓度梯度；CB: 奥氏体/铁素体或奥氏体/渗碳体的相界面处两相浓度差。等温转变时的Dc 和dC/dx 为常数，故Yuxi ChenHunan Univ.

13、27奥氏体线长大速度随温度升高而增大：（1）原子扩撒系数Dc呈指数增大；奥氏体内部（C Fe3C C ）碳浓度差增大。（2）形核率增加，导致原子扩散距离缩短；（3）奥氏体分别与铁素体和渗碳体的两相界面浓度差（C C ）、 （C Fe3C CFe3C Fe3C ）均减小，加速奥氏体的相界面推进速度。奥氏体形成温度升高时，其形核率奥氏体形成温度升高时，其形核率I I 和长大速和长大速度度v v 均增大，因此奥氏体形成速度随形成温度均增大，因此奥氏体形成速度随形成温度升高单调增大升高单调增大。Yuxi ChenHunan Univ.28共析钢奥氏体等温形成动力学共析钢奥氏体等温形成动力学 利用金相方

14、法或者物理方法，可以做出一定温度下等温时，奥氏体形成量与等温时间的关系曲线，称为奥氏体等温形成动力学曲线。Yuxi ChenHunan Univ.292、亚共析钢奥氏体等温形成动力学、亚共析钢奥氏体等温形成动力学分为两个阶段：首先是奥氏体快速长进珠光体直至珠光体全部转变为奥氏体；然后是奥氏体向先共析铁素体的慢速长进。第一阶段与共析钢一样受碳在奥氏体中扩散控制，因珠光体量少，故转变速度极快。第二阶段的特点是不再形成奥氏体新晶核，只是奥氏体向铁素体的长大，受到碳在奥氏体中较长距离的扩散控制，因而奥氏体形成速度极慢。Yuxi ChenHunan Univ.303、奥氏体形成的影响因素、奥氏体形成的影

15、响因素 加热温度 碳含量 合金元素 原始组织Yuxi ChenHunan Univ.31加热温度的影响加热温度的影响 随加热温度升高，奥氏体的形核率I 和长大速度v 均增大，但I 的增大速度大于v 的增大速度，因此奥氏体形成温度越高，获得的起始晶粒度就越细小。同时，随加热温度升高，奥氏体向铁素体与奥氏体向渗碳体的相界面推移速度之比增大。Yuxi ChenHunan Univ.32碳含量的影响碳含量的影响 钢的碳含量越高，奥氏体形成速度越快。这是因为碳含量高时，碳化物数量增多，相界面面积增大，增加了奥氏体的形核部位，使得形核率增大。同时，碳化物数量增多，使得碳的扩散距离减小，且碳和铁原子的扩散系

16、数增大。以上因素加速了奥氏体的形成。Yuxi ChenHunan Univ.33合金元素合金元素合金元素影响碳化物的稳定性及碳在奥氏体中的扩散系数；合金元素在碳化物和基体之间的非均匀分布将影响奥氏体的形核、长大、碳化物溶解及奥氏体均匀化。Yuxi ChenHunan Univ.34影响碳化物的稳定性强碳化物形成元素如Cr，Mo， W等降低C的扩散速度，奥氏体化速率降低。Co，Ni等非碳化物形成元素增大C的扩散速度， 奥氏体化速率提高。Yuxi ChenHunan Univ.35改变奥氏体化温度扩大区的元素，如Ni，Mn，降低奥氏体化温度，相对地增大了过热度，使奥氏体形成速度增大；缩小区的元素，

17、如Cr，Mo, Ti， Si，提高奥氏体化温度，相对地减小了过热度，因此减慢了奥氏体形成速度。Yuxi ChenHunan Univ.36原始组织的影响原始组织的影响 钢的化学成分相同条件下，原始组织越细小，即珠光体片间距越小，碳化物越细，则相界面越多，奥氏体形成速度越快，同时，奥氏体长大速度也增加。Yuxi ChenHunan Univ.37第四节第四节 连续加热时奥氏体的形成连续加热时奥氏体的形成实际热处理过程中，奥氏体一般不是等温形成，而是在连续加热过程中形成的。II. 连续加热过程中，奥氏体同样经过了形核，长大，碳化物的溶解，奥氏体的均匀化。Yuxi ChenHunan Univ.38

18、特点特点1 1：奥氏体转变的：奥氏体转变的临界温度临界温度由一个固定由一个固定 的温度转变为一定的温度范围。的温度转变为一定的温度范围。0.85C钢在不同加热速度钢在不同加热速度时的加热曲线时的加热曲线随加热速度增加，平台逐渐变得倾斜，表明奥氏体是在一定的温度范围内完成的。奥氏体转变在斜平台的左拐点开始，到斜平台的右拐点结束，上下温度间距可达几十度。Yuxi ChenHunan Univ.39特点特点2：加热速度增大，奥氏体形成的临界：加热速度增大，奥氏体形成的临界 温度范围升高至更高的温度区间。温度范围升高至更高的温度区间。 由上图可以看出，加热速度越快，斜平台所对应的温度越高，表明奥氏体转

19、变的温度范围随加热速度的增大而升至更高的温度区间。Yuxi ChenHunan Univ.40特点特点3：加热速度增大，奥氏体转变的速：加热速度增大，奥氏体转变的速 度加快。度加快。 由上图可以看出，加热速度越快，斜平台的斜率越大，水平投影的长度越短，说明加热速度快，奥氏体转变所需的时间越短，转变速度越快。Yuxi ChenHunan Univ.41特点特点4：加热速度增大，奥氏体晶粒变细。：加热速度增大，奥氏体晶粒变细。 快速连续加热转变时，由于转变温度被推向高温，故而转变时的形核率及线长大速度均激增，其中尤以形核率增加的更快，故可使转变结束时所得的奥氏体晶粒显著细化。Yuxi ChenHu

20、nan Univ.42特点特点5：加热速度增大，奥氏体成分的不：加热速度增大，奥氏体成分的不 均匀性增加。均匀性增加。 随加热速度增加，奥氏体形成的温度被推向高温，由FeFe3C相图可知，C降低而CFe3C增加，使得奥氏体中碳含量差增大。快速加热条件下，碳化物来不及溶解，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不均匀。Yuxi ChenHunan Univ.43第五节第五节 奥氏体晶粒的长大及控制奥氏体晶粒的长大及控制1、奥氏体、奥氏体晶粒度晶粒度的概念的概念 设n为放大100倍时每645 mm2（1平方英寸）面积内的晶粒数，则下式中的 N 被用来表示晶粒大小的级别，称为晶粒

21、度。 n = 2N1 晶粒越细，则n越大，N也越大。 粗晶粒：N 8Yuxi ChenHunan Univ.44起始晶粒起始晶粒：加热转变终了时所得奥氏体晶粒称为奥氏体起始晶粒。实际晶粒实际晶粒：奥氏体形成后在高温停留期间将继续长大，奥氏体晶粒长大到冷却转变开始时的奥氏体晶粒称为实际晶粒。本质晶粒本质晶粒：冶金行业标准规定，以加热到（93010）oC，保温38小时后所得的实际晶粒称为本质晶粒。Yuxi ChenHunan Univ.45奥氏体起始晶粒特点奥氏体起始晶粒特点：细小，但不均匀，表面能高，不稳定。长大方式长大方式：晶界迁移、使弯曲晶界变直、大晶粒吞并小晶粒。晶界迁移驱动力晶界迁移驱动

22、力：奥氏体晶界面积的减少导致的界面能和自由能的下降。2、奥氏体晶粒长大的特点、奥氏体晶粒长大的特点Yuxi ChenHunan Univ.46奥氏体晶粒直径与加热温度奥氏体晶粒直径与加热温度的关系的关系C-Mn钢曲线1：正常晶粒长大；曲线2：异常晶粒长大，温度超过某一定值后晶粒随温度升高急剧长大。该温度称为奥氏体晶粒粗化温度。含Nb-N钢Yuxi ChenHunan Univ.47对本质细晶粒钢而言，奥氏体晶粒长大过程可分为三个阶段：1、孕育期：奥氏体起始晶粒不断长大；2、不均匀长大期：大晶粒吞并小晶粒，形成混晶期；3、均匀长大期：待小晶粒被吞并后，所有晶粒开始均匀长大。Yuxi ChenHu

23、nan Univ.483、奥氏体晶粒长大的影响因素、奥氏体晶粒长大的影响因素1 1）加热温度）加热温度 奥氏体晶粒随温度的增高而迅速长大。温度影响到原子扩散。2 2）保温时间）保温时间 一定加热温度下，奥氏体晶粒将随保温时间的延长而长大。Yuxi ChenHunan Univ.493 3）加热速度）加热速度 加热速度越大，过热度越大，形核率越高，奥氏体起始晶粒度越细。Yuxi ChenHunan Univ.504 4）化学成分）化学成分a a 含碳量含碳量 在一定加热温度和相同加热条件下，当钢中碳含量不超过一定限度时，奥氏体晶粒长大的倾向随钢中含碳量的增大而增大。 当钢中碳含量超过一定限度后，

24、奥氏体晶粒长大倾向又减小。Yuxi ChenHunan Univ.51b b 合金元素合金元素按照合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，可分为四类：1、 强烈阻止奥氏体晶粒长大的元素： Al, V, Ti, Zr 等；2、中等程度阻止奥氏体晶粒长大的元素： Mo, W等；3、稍微阻止奥氏体晶粒长大的元素： O, Ni, Co, Cu 等；4、促进奥氏体晶粒长大的元素：P, Mn等。Yuxi ChenHunan Univ.525 5）原始组织）原始组织 碳化物呈片状时，奥氏体晶粒长大速度较颗粒状快，片层越薄，奥氏体线长大速度越快。Yuxi ChenHunan Univ.534、细化奥氏体晶粒的措施、细

25、化奥氏体晶粒的措施1 1）合理选择加热温度和保温时间）合理选择加热温度和保温时间提高加热温度与延长保温时间都会造成奥氏体晶粒粗大，但加热温度对晶粒长大的影响要比保温时间的影响显著得多。2 2）合理选择钢的原始组织）合理选择钢的原始组织原始组织主要影响起始晶粒度。碳化物弥散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒就越细小。Yuxi ChenHunan Univ.543 3）加入一定量的合金元素）加入一定量的合金元素加入合金元素，通过使其在晶界上形成十分弥散的碳化物、氮化物、氧化物等，对晶界的迁移起“钉扎”作用，从而阻碍晶粒的长大。4 4）采用重结晶处理）采用重结晶处理所谓重结晶，就是将固态金属及合金在加热通过相变点时，从一种晶体结构转变成另外一种晶体结构的过程。Yuxi ChenHunan Univ.55第六节第六节 组织遗传和断口遗传组织遗传和断口遗