钢在加热时的转变

钢在加热时的转变第1页，课件共25页，创作于2023年2月7.2钢在加热时的转变奥氏体化过程：把钢加热获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。奥氏体化的作用：钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。为了使钢在热处理后获得所需要的组织和性能，首先必须先将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织。奥氏体化的意义：加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物等过剩相的数量、分布状况等都对钢的冷却转变过程及转变产物的组织和性能产生重要的影响。因此，研究钢在加热时奥氏体的形成过程具有重要的意义。第2页，课件共25页，创作于2023年2月一、奥氏体形成的热力学条件根据Fe-Fe3C相图，温度在A1以下钢的平衡相为铁素体和渗碳体。当温度超过A1时，原来的珠光体将转变为奥氏体，亚共析钢或过共析钢分别加热到A3或Acm温度以上，才能得到均匀的单相奥氏体组织。●奥氏体形成时系统总的自由能变化为ΔG：

ΔG=ΔGv+ΔGs+ΔGe式中：ΔGv为新相奥氏体与母相之间的体积自由能差（相变驱动力）；ΔGs为形成奥氏体时所增加的界面能（相变的主要阻力）

；ΔGe为形成奥氏体时所增加的应变能（较小可以忽略）。第3页，课件共25页，创作于2023年2月图7.4为珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系

由图可以看出，当温度等于A1时，珠光体与奥氏体的自由能相等。只有当温度高于A1时，珠光体向奥氏体转变的驱动力才能够克服界面能和应变能的相变阻力，使奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，奥氏体才能自发形成。TGvGpGrA1=727℃℃GΔG=Gγ－Gp＜0第4页，课件共25页，创作于2023年2月

二、奥氏体的形成过程以共析钢（含0.77%C）为例说明奥氏体的形成过程。若共析钢的原始组织为片状珠光体，当加热至Ac1以上温度保温，将全部转变为奥氏体，珠光体是由含碳量很高的渗碳体(Wc=6.69％,复杂晶格）和含碳量很低的铁素体(Wc=0.02％,体心立方晶格）组成的，要转变为含碳量介于二者之间、具有面心立方晶格的奥氏体，三者的含碳量和晶体结构都相差很大。因此，奥氏体的形成过程包括碳的扩散重新分布和铁素体向奥氏体的晶格重组。第5页，课件共25页，创作于2023年2月珠光体向奥氏体的转变包括四个阶段：奥氏体形核、奥氏体长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体均匀化。如图7.5所示。图7.5珠光体向奥氏体转变示意图第6页，课件共25页，创作于2023年2月图7.5-1珠光体向奥氏体转变过程示意图珠光体转变成奥氏体后，其成分从不均匀到均匀过程第7页，课件共25页，创作于2023年2月第一阶段：奥氏体晶核的形成由Fe-Fe3C状态图知：在A1温度铁素体含约0.0218%C，渗碳体含6.69%C，奥氏体含0.77%C。在珠光体转变为奥氏体过程中，原铁素体由体心立方晶格改组为奥氏体的面心立方晶格，原渗碳体由复杂斜方晶格转变为面心立方晶格。所以，钢的加热转变既有碳原子的扩散，也有晶体结构的变化。基于能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体的铁素体与渗碳体两相交界处产生，这两相交界面越多，奥氏体晶核越多。这是因为在相界面上碳浓度分布不均匀，位错密度较高、原子排列不规则，处于能量较高的状态，容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏、结构起伏和能量起伏。第8页，课件共25页，创作于2023年2月第二阶段：奥氏体的长大奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。

α+Fe3Cγ

晶体结构：体心立方+复杂斜方面心立方含碳量：0.0218%6.67%0.77%奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的，原子扩散包括(1)Fe原子自扩散完成晶格改组；(2)C原子扩散使奥氏体晶核向α相和Fe3C相两侧推移并长大。第9页，课件共25页，创作于2023年2月奥氏体的长大碳的扩散示意图注：难点，必须会叙述GESPC1C2C3C4T1图7.5aC2C%AFe3CFC1C4C3珠光体片间距图7.5bC1=Cr-cC2=Cr-aC3=Ca-cC4=Ca-r第10页，课件共25页，创作于2023年2月●奥氏体长大机理（重点和难点）

如图教材7.5所示，在Acl以上的某一温度t1形成一奥氏体晶核。奥氏体晶核形成之后，它的一面与渗碳体相邻，另一面与铁素体相邻。假定它与铁素体和渗碳体相邻的界面部是平直的，根据Fe-Fe3C相图可知，奥氏体与铁素体相邻的边界处的碳浓度为Cγ-α，奥氏体与渗碳体相邻的边界处的碳浓度为Cγ-c。此时，两个边界处于界面平衡状态，这是系统自由能最低的状态。由于Cγ-c>Cγ-α，因此，在奥氏体中出现碳的浓度梯度，并引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓度的扩散。第11页，课件共25页，创作于2023年2月扩散的结果，奥氏体与铁素体相邻的边界处碳浓度升高，而与渗碳体相邻的边界处碳浓度降低。从而破坏了相界面的平衡，使系统自由能升高。为了恢复平衡，渗碳体势必溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到Cγ-c，与此同时，另一个界面上，发生奥氏体碳原于向铁素体的扩散，促使铁素体转变为奥氏体，使它们之间的界面恢复到Cγ-α，从而恢复界面的平衡，降低系统的自由能。这样，奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。由于奥氏体中碳的扩散，不断打破相界面平衡，又通过渗碳体和铁素体向奥氏体转变而恢复平衡的过程循环往复地进行，奥氏体便不断地向铁素体和渗碳体中扩展，逐渐长大。第12页，课件共25页，创作于2023年2月图7.5共析钢加热时奥氏体碳浓度的分布第13页，课件共25页，创作于2023年2月第三阶段：残余渗碳体的溶解由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“残余渗碳体”存在，还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。铁素体消失以后，随着保温时间延长或继续升温，剩余在奥氏体中的渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使奥氏体的碳浓度逐渐趋于共析成分。一旦渗碳体全部消失，这一阶段便告结束。第14页，课件共25页，创作于2023年2月第四阶段：奥氏体成分的均匀化即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能均匀。第15页，课件共25页，创作于2023年2月

三、奥氏体的形成速度奥氏体的形成速度可从共析钢奥氏体等温形成图中反应出来，课本中图7.6为共析钢的奥氏体等温形成图。图中左起：第一条线表示珠光体向奥氏体转变开始；第二条线表示珠光体向奥氏体转变刚刚结束；第三条线表示剩余渗碳体溶解完毕；第四条线表示奥氏体均匀化完成。图7.6为共析钢的奥氏体等温形成图第16页，课件共25页，创作于2023年2月由图可以看出，共析钢加热到Ac1以上某一温度等温，奥氏体并不是立即出现，而是需要保温一定的孕育期才开始形成，这是因为形成奥氏体晶核需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间。随着等温温度的升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。例如在740℃等温转变时，经过10s转变才开始，而在800℃等温时，瞬间转变便开始。从图中还可以看出，奥氏体形成所需的时间较短，剩余渗碳体溶解所需的时间较长，而奥氏体均匀化所需时间更长。例如780℃等温时，形成奥氏体的时间不到10s，剩余碳化物完全溶解却需要几百秒，而实现奥氏体均匀化则需要104s。第17页，课件共25页，创作于2023年2月四、影响奥氏体形成速度的因素

奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制。因此，一切影响扩散、影响形核与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。主要因素如加热温度、原始组织和化学成分等。研究这些因素，对制订热处理工艺具有重要意义。1、加热温度的影响随着加热温度的升高，原子扩散系数增加，特别是碳在奥氏体中的扩散系数增加，加快了奥氏体的形核和长大速度，加热温度升高，奥氏体中的碳浓度梯度加大，原子扩散速度加快；加热温度升高，奥氏体与珠光体的自由能差增大，相变驱动力ΔGv增大，奥氏体的形核率和长大速度急剧增加，加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越短。在影响奥氏体形成速度的各种因素中，温度是一个最主要的因素。

第18页，课件共25页，创作于2023年2月2、原始组织的影响钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快。原始组织中碳化物分散度的增大，不仅铁素体和渗碳体相界面增多加大了奥氏体的形核率；而且由于珠光体片层间距减小，使奥氏体中的碳浓度梯度增大，使碳原子的扩散距离减小，这些都使奥氏体的长大速度增加。

3、化学成分的影响

1）含碳量的影响（1）钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。这是因为随含碳量增加，渗碳体的数量相应地增加，铁素体和渗碳体相界面的面积增加，因此增加了奥氏体形核的部位，增大奥氏体的形核率。同时，碳化物数量增加，又使碳的扩散距离减小，以及随奥氏体中含碳量增加，碳和铁原于的扩散系数将增大，从而增大奥氏体的长大速度。图7.9表示不同含碳量的钢中珠光体向奥氏体转变50％所需的时间。第19页，课件共25页，创作于2023年2月（2）合金元素的影响合金元素影响了碳在奥氏体中的扩散速度，碳化物形成元素(如Cr、Mo、W、V、Ti等)大大减小了碳在奥氏体中的扩散速度，故显著减慢了奥氏体的形成速度。①非碳化物形成元素（如Co、Ni等）能增加碳在奥氏体中的扩散速度，加快了奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散速度影响不大，故对奥氏体的形成速度无明显影响。②降低A1点的元素，如Ni、Mn、Cu等，相对增大过热度，将增大奥氏体的形成速度。提高A1点的元素，如Cr、Mo、W、V、S等，相对地降低过热度，将减慢奥氏体的形成速度。合金元素改变了钢的临界温度，故改变了奥氏体转变时的过热度，从而改变了奥氏体与珠光体的自由能差，因此改变了奥氏体的形成速度。第20页，课件共25页，创作于2023年2月③合金元素在珠光体中分布不均匀:在平衡组织中，如碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等主要集中于共析碳化物中，而非碳化物形成元素Ni、Si、Al等主要存在于共析铁素体中。碳化物完全溶解后，合金元素在钢中的分布仍是极不均匀的，因此，合金钢的奥氏体均匀化过程，除了碳在奥氏体中的均匀化外，还包括了合金元素的均匀化。但在相同条件下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳的扩散速度慢103~104倍。例如在100℃时，碳在奥氏体中的扩散系数为10-9m/s，而合金元素在奥氏体中的扩散系数只有10-12~10-13m/s。此外，碳化物形成元素，特别是强碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散。因此，合金钢奥氏体化要比碳钢缓慢得多。所以，合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要延长。特别是高合金钢(如W18Cr4V高速钢)的淬火温度需要提高到1270~1280℃，超过Ac1（820~840℃)数百度。第21页，课件共25页，创作于2023年2月五、奥氏体的晶粒大小及其影响因素奥氏体的晶粒大小是评定钢加热质量的重要指标之一。奥氏体的晶粒大小对钢的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要的影响。因此，需要了解奥氏体晶粒度的概念及影响奥氏体晶粒度的因素。1.奥氏体的晶粒度奥氏体的晶粒大小用晶粒度来表示。目前世界各国对钢铁产品几乎统一使用与标准金相图片相比较的方法来确定晶粒度的级别。通常把晶粒度分为8级，各级晶粒度的晶粒大小见课本如图7.10所示。1级最粗，8级最细。若晶粒度在10以上则称“超细晶粒”。第22页，课件共25页，创作于2023年2月

晶粒度级别N与晶粒大小有如下关系：

n＝2N-1

式中:n表示放大100倍时，每平方英寸(6.45cm2)视野中观察到的平均晶粒数。晶粒度级别N越小，单位面积中的晶粒数目越少，则晶粒尺寸越大。通常l~4级为粗晶粒，5~8级为细晶粒，8级以外的晶粒称为超粗或超细晶粒。

●奥氏体晶粒度的概念有以下三种：起始晶粒度——是指奥氏体转变刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为奥氏体起始晶粒度。起始晶粒总是十分细小均匀的。起始晶粒大小决定于形核率N和长大速度G，可用下式表示

n0＝1.01（N/G)1/2

式中：n0表示1mm2面积内的晶粒数。由上式可以看出，N/G值越大，则n0越大，即晶粒越细小。第23页，课件共25页，创作于2023年