《金属热处理原理与工艺》课件 第3章 钢的奥氏体转变

第三章钢的奥氏体转变

主要内容奥氏体：结构、组织、性能奥氏体如何形成的奥氏体等温形成动力学（速度、影响因素）连续加热时奥氏体的形成非平衡组织加热时奥氏体的形成（加热速度、原始组织）A晶粒长大及控制非平衡组织的奥氏体转变研究A转变的目的热处理过程:一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，其目的在于改变金属内部组织结构使其满足服役条件所提出的性能要求。钢加热获得A组织（奥氏体化），然后再以不同的方式冷却，发生不同转变，以获得不同的组织和性能可以控制A转变的条件获得理想的A组织，为后续处理做好组织准备。4共析钢过冷奥氏体等温转变曲线奥氏体珠光体贝氏体马氏体奥氏体稳定存在区域珠光体转变区贝氏体转变区马氏体转变区共晶白口铁亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁

过共晶白口铁工业纯铁共析钢奥氏体（Austenite）碳溶于γ-Fe形成的固溶体存在于共析温度727℃以上最大碳含量为:2.11wt%(1148℃)3.1.1奥氏体的定义2.110.77727℃γ3.1.2奥氏体的晶体结构、、、、、、、、、、C在γ-Fe（0.364nm）中的固溶体，C处于八面体中心位置。C的理论溶解度晶胞原子数八面体间隙尺寸3.1.3奥氏体的组织奥氏体的组织形态多为多边形等轴晶粒，在晶粒内部往往存在孪晶亚结构。与原始组织、加热速度以及加热转变程度有关颗粒状－经高温保温后，晶粒长大、边界变得平直化，呈等轴多边形，有些内部有孪晶针状－非平衡态含C量低的钢在两相区以适当速度加热原始组织：加热之前的组织塑性好（面心立方，滑移系多），易加工成形。比容小（fcc是最密排的点阵结构），利用此特性，可用膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。扩散系数小，使热强性好，可用作高温用钢顺磁性，可作为无磁性钢导热性差，线膨胀系数较F和Fe3C高一倍硬度、屈服强度均不高3.1.4奥氏体钢的性能3.2.1A形成的热力学条件Fe-C合金珠光体与奥氏体的自由能与温度的关系A形成热力学条件驱动力，两相体自由能差：ΔGv=Gγ-Gp<0P

A条件是：将P加热到A1以上过热度：转变温度与临界点A1之差（ΔT）过热度越大，驱动力越大，转变速度越快加热速度极慢时：过热度＞0即可发生转变，即A1加热速度较快时：在较大的过热度下才能发生相变，好象临界点提高了。Ac1－在一定加热速度下（0.125ºC/min)实际测得的临界点

3.2.2转变机制共析钢的A形成：加热至Ac1稍上温度时，由铁素体＋渗碳体两相组成的珠光体转变为单相奥氏体（

α

＋

Fe3C

）γAc1以上

加热0.77％C面心立方奥氏体的形成是一个渗碳体的溶解，铁素体到奥氏体的点阵重构以及碳在奥氏体中的扩散的过程碳含量：

0.02％C

6.69％C空间点阵：体心立方

复杂斜方

转变过程共析钢奥氏体转变四个阶段：A形核长大Fe3C溶解A均匀化（1）奥氏体的形核固态相变的形核均匀形核非均匀形核晶界位错空位形成位置：在F和Fe3C交界面上通过扩散机制形成原因：1）成分上：在相界面上容易形成A所需的浓度起伏(C%)F＝0.02%，

(C%

)Fe3C=6.69%,(C%

)A=2.11%

（居于F和Fe3C之间）2）能量上：在相界上形核使界面能减小，应变能减小，使热力学条件更容易满足ΔG＝－ΔGv+

ΔGs+

ΔGE奥氏体的形核对于球状珠光体，奥氏体优先在三叉晶界处的F/Fe3C界面上形核，其次在晶界上的F/Fe3C界面处形核，再次在铁素体晶粒内的F/Fe3C界面处形核。而片状珠光体中，奥氏体优先在珠光体团边界的F/Fe3C界面处形核，其次是珠光体内的F/Fe3C界面处形核（2）A核的长大通过渗碳体的溶解、碳原子的扩散（在A或F中）、A两侧的界面推移（向F和Fe3C）来进行的。碳原子的扩散根据原始组织的不同可能取两种形式：1）C在A中扩散2）C在F中扩散渗碳体的溶解：通过C向A中扩散，Fe向贫碳的Fe3C扩散，Fe3C向A晶格点阵的改组来完成。1.实验现象：1)

F消失时，组织中的Fe3C还未完全转变2)

测定后发现A中含碳量低于共析成分0.77%2.原因：Fe-Fe3C相图上ES线斜度大于GS线，S点不在CA-F

与CA-Fe3C中点，而稍偏右。所以A中平均碳浓度，

即(CA-F

+

CA-Fe3C)/2低于S点成分。当F全部转变为

A后，多余的碳即以Fe3C形式存在。继续保温，能使未溶碳渗体溶入A中!（3）残留渗碳体的溶解(4)A均匀化渗碳体溶解完后，A成分是不均匀的，原来为渗碳体区域C含量高；原来为铁素体的区域C含量低，保温通过C的扩散使A中C分布均匀。3.3.3转变动力学形成动力学－形成速度即奥氏体的转变量与温度和时间的关系共析钢和亚共析钢的等温形成动力学一、共析钢A等温形成动力学1.等温形成动力学曲线TTT时间－转变量－温度

关系曲线2.等温形成动力学图时间－温度－转变量

关系图动力学曲线TTA图共析钢TTA图2.共析钢等温转变动力学图特点1）转变需要孕育期2）曲线呈S型初期：速度随时间加快；50%后：速度下降3）随温度升高，孕育期缩短，速度加快等温转变动力学曲线3.影响P转变为A的因素温度:形核率与线长大速度随温度升高而增加碳含量：A形成速度随C%增加而增加原始组织:P中Fe3C片厚度和颗粒大小影响A形成过程及形成速度.片状大于颗粒状；片层越小，速度越大合金元素：改变临界点位置、影响C扩散速度；形成各种碳化物（K）二、亚共析钢A等温形成动力学共析钢临界点以上为单相区加热前组织为P临界点以上为两相区加热前组织为F＋P亚共析钢亚共析钢两相区等温转变过程示意图1.两相区转变的三个阶段A核在F与P交界面形成后，快速长进P直到P全部转变为A为止。A向先共析F慢速长进。转变停止时为两相组织，等温温度越高，未转变的F量越少。A与F间的最后平衡。结论：亚共析钢在两相区的转变与共析钢相比在相同温度下的转变要慢得多。2.亚共析钢A转变的特点珠光体首先转变为A

受C在A中扩散控制，速度较快A向F界面推移，使F慢慢转变为A。受C在F中扩散所控制。C原子作较长距离的扩散，形成速度极慢。转变速度与碳含量有关，碳含量越高，转变速度越快wC=0.45%的亚共析钢wC=1.2%的过共析钢3.4连续加热时奥氏体的形成钢件在实际加热时，A是在连续加热过程中形成。即在A形成过程中，温度还将不断升高。－叫做非等温转变,

或连续加热转变快速加热时的非平衡Fe－C状态图3.4.1连续转变动力学图共析钢连续加热时A的形成曲线加热速度v1<v2<v3<v4共析碳钢连续加热时奥氏体形成图3.4.2转变特点A形成速度随加热速度增加而加快相变是在一个温度范围内完成的（速度越快，范围越宽）快速连续加热时形成的A成分不均匀性增大,可以获得超细晶粒（形核率和形核位置）在一定的加热范围内，临界点随加热速度增大而升高碳化物来不及充分溶解，碳及合金元素来不及充分扩散。3.5A晶粒长大及其控制A晶粒大小将影响冷却时的转变和转变所得的组织与性能。细小的A晶粒将有利于获得优良的性能。Hall-Petch关系：σs=σi+Kd-1/2σs

－屈服强度，σi－抵抗位错在晶粒中运动的摩擦阻力，

K－常数，d－晶粒直径3.5.1晶粒度概念及晶粒长大现象一）晶粒度设n为放大100倍时每平方英寸in2面积内的晶粒数，则下式中N即为晶粒度。n=2N-1晶粒越细，N越大。起始晶粒：加热转变终了时所得的A晶粒实际晶粒：一定加热条件下获得的实际奥氏体晶粒大小本质晶粒：930ºC±10ºC保温3~8小时所得的晶粒1－4级：本质粗晶粒钢，5－8本质细晶粒钢晶粒度级别图1-8级二）晶粒长大现象加热转变终了后，随温度进一步升高，时间继续延长，A晶粒将不断长大的现象。晶粒长大是一自发过程。因为晶粒越大，单位体积内晶粒数越少，晶界面积越小，界面能越小。正常长大：随温度升高，A不断长大异常长大：当温度升高到超过某一定值后晶粒随温度升高急剧长大。晶粒尺寸与加热温度关系3.5.2A晶粒长大机理长大方式：通过界面迁移而长大驱动力：来自A晶界的界面能。A晶粒的长大将导致界面能降低F＝2σ/RF－驱动力，R－球面晶界曲率半径，

σ－界面能晶粒越小，界面能越大，长大驱动力越大3.5.3影响A长大的因素一、温度、时间、加热速度D＝kt1/2D－晶粒平均直径，k－与材料和温度有关的常数，t

－加热时间A晶粒长大速度与晶界迁移率和驱动力成正比.过热：晶粒过分长大（在晶界上未发生晶界弱化）的现象过烧：温度过高，A晶粒长大而且在晶界上发生了某些使晶界弱化的变化温度高，u长大速度呈指数增加；温度高；晶粒更细小，σ大，u大；长大到一定程度，D增加，u减小；加热速度大，形核率/长大速度，增加，晶粒细小C含量增加，扩散快，更易长大；C过高形成二次渗碳体，阻碍晶粒长大；难溶化合物合金元素阻碍晶粒长大，NbC，NbN不形成化合物的元素影响小，Si、Ni第二相粒子对晶界迁移的影响示意图影响A长大的因素二、第二相颗粒晶界推移遇到第二相颗粒，发生弯曲，导致界面增大，界面能升高，阻碍晶界移动。界面张力平衡，晶界与第二相粒子表面垂直。颗粒越小,粒子附近的晶界弯曲的曲率越大，晶界面积增大。在实际材料中，晶界或晶内往往存在很多细小、难溶的第二相沉淀析出颗粒，会阻止A晶粒长大，对晶界起钉扎作用。Fmax＝3f

γ/2rFmax

－单位面积的最大阻力,

f－单位体积粒子数目,r－粒子半径，

γ－界面能当

f

增大，阻力越大；f

一定时，粒子越细，阻力越大非平衡组织主要是指经过非平衡相变形成的组织，在钢中主要是指淬火组织或者淬火后回火不充分的组织，包括马氏体、贝氏体、回火马氏体及魏氏组织等。相对于平衡组织的奥氏体转变，非平衡组织的奥氏体转变更加复杂，不仅与热处理规范有关，也与原始的非平衡组织息息相关。非平衡组织经加热后可以发生奥氏体转变，根据初始组织以及加热条件的不同，可能形成针状和粒状两种形态的奥氏体晶粒。3.5非平衡组织的奥氏体转变1.原始组织：马氏体、贝氏体、魏氏组织2.加热速度：慢速