材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件第三章 奥氏体的形成

1、第三章 奥氏体的形成,3.1、奥氏体的形成 3.2、奥氏体形成机理 3.3、奥氏体转变动力学 3.4、奥氏体晶粒长大及其控制,A,B, + ,L,是不是所有的金属材料都可以进行热处理呢？,只有固态相变发生的合金才能进行热处理。,E,F,G 912 ,S,P,Q,1148,727,A,F,A+F,A+ Fe3C,F + Fe3C,K,Fe3C,Fe,A1,Acm,A3,T , C%,奥氏体的形成是钢在加热过程中，由珠光体转变成奥氏体的过程。 相转变： F + Fe3C A 碳含量： 0.02% 6.69% 0.77% 点阵结构: bcc 复杂斜方 fcc,一、奥氏体的组织和结构 1.奥氏体组织

2、多边形的等轴晶粒 2.结构 碳在-Fe中的间隙固溶体(书图2.3),3.1、奥氏体的形成,二、奥氏体性能 室温不稳定相 高塑性、低屈服强度 利用奥氏体量改善材料塑性 顺磁性能 测残余奥氏体和相变点 线膨胀系数大 应用于仪表元件 导热性能差 耐热钢 比容最小 利用残余奥氏体量减少材料淬火变形,3.1、奥氏体的形成,三、奥氏体的形成与铁碳相图,E,F,G 912 ,S,P,Q,1148,727,A,F,A+F,A+ Fe3C,F + Fe3C,K,Fe3C,Fe,A1,Acm,A3,T , C%,3.1、奥氏体的形成,平衡加热状态 实际加热状态（非平衡态） A形成的条件过热,1.平衡加热状态,亚共

3、析钢的奥氏体化, 室温下组织为F+P。 A1以上，F+A A3以上，A,A,F,A1,A3,Acm,过共析钢的奥氏体化, 室温下组织为 P+Fe3C A1以上，Fe3C+A Acm以上，A 在A1Acm之间的奥氏体化， 称为不完全奥氏体化，热处 理工艺中常用。,A,F,1.平衡加热状态,A1,A3,Acm,2.实际加热状态（非平衡态） 实际加热或冷却都是在较快的速度下进行（非平衡过程），实际转变温度与相图中的临界温度存在一定的偏离，会出现滞后。 也即G= G A - Gp 0 才发生转变。,加热时： 实际转变温度移向高温，以Ac表示 Ac1、Ac3、Accm 冷却时： 实际转变温度移向低温，用

4、Ar表示 Ar1、Ar3、Arcm,转 变 温 度,Ac1,Ac3,Accm,A3,Acm,Arcm,Ar3,Ar1,A1,A,G,S,E,P,Q,F,727,1148,P+Cm,F+P,2.11,0.77,0.0218,Fe,C%,G,T,A1=727,GA, GV,3. A形成的条件 过热（TA1）,过热度，Ac1 ，驱动力，转变速度。,3.2、奥氏体形成机理 形核+长大 1.奥氏体的形核 球状珠光体中： 优先在F/Fe3C界面形核 片状珠光体中： 优先在珠光体团的界面形核 也在F/Fe3C片层界面形核,F,F + Fe3C A,球 状 P 形 核,片 状 P 形 核,(珠光体类组织向A转

5、变）,(以共析钢为例）,奥氏体在F/Fe3C界面形核原因： (1) 易获得形成A所需浓度起伏，结构起伏和能量起伏. (2) 在相界面形核使界面能和应变能的增加减少。 G = -Gv + Gs + Ge -Gd Gv体积自由能差， Gs 表面能， Ge 弹性应变能 相界面Gs 、Ge 较小，更易满足热力学条件G0.,A3,Acm,A1,A,G,S,E,P,Q,F,727,1148,P+Cm,F+P,2.11,0.77,0.0218,Fe,C%,0.23,0.93,0.41,0.68,0.89,0.79,1.奥氏体的形核 2.奥氏体的长大,3.2、奥氏体形成机理,A的长大是通过渗碳体的溶解，C原子

6、在A中的扩散以及A两侧界面向F和Fe3C推移来进行的。 A长大方向基本垂直于片层和平行于片层。,4s,6s,8s,15s,A,F,垂直于片层,长大受控于C在A中扩散，C在F中扩散起促进作用。,Fe3C,F,A,平行于片层,A平行于片层长大速度 垂直于片层长大速度,45钢在735加热10min的组织15000,1.奥氏体的形核 2.奥氏体的长大 片状珠光体 奥氏体向垂直于片层和平行于片层方向长大. 球状珠光体 奥氏体的长大首先包围渗碳体,把渗碳体和铁素体隔开,然后通过A/F界面向铁素体一侧推移, A / Fe3C界面向Fe3C一侧推移,使F和Fe3C逐渐消失来实现长大的.,3.2、奥氏体形成机理

7、,原始组织,5S,8S,15S,球状P向A的转变,3. 残余碳化物的溶解 残余碳化物: 当F完全转变为A时，仍有部分Fe3C没有转变为A，称为残余碳化物。 A/F界面向F推移速度 A/Fe3C界面向Fe3C推移速度 刚形成的A平均含碳量P含碳量 残余碳化物溶解: 由Fe3C中的C原子向A中扩散和铁原子向贫碳Fe3C扩散, Fe3C向A晶体点阵改组实现的.,1.奥氏体的形核 2.奥氏体的长大,3.2、奥氏体形成机理,3. 残余碳化物的溶解,1.奥氏体的形核 2.奥氏体的长大,3.2、奥氏体形成机理,4.奥氏体的均匀化 奥氏体的不均匀性： 即使Fe3C完全溶解转变为奥氏体，碳在奥氏体中的分布仍然不

8、均匀，表现为原Fe3C区域碳浓度高，原F区碳浓度低。 奥氏体的均匀化： 随着继续加热或继续保温，以便于碳原子不断扩散，最终使奥氏体中碳浓度均匀一致。,奥氏体的形成 （以共析钢为例）,奥氏体转变的类型 由珠光体类(平衡组织)向奥氏体转变 由马氏体类(非平衡组织)向奥氏体转变,0.12C-3.5Ni-0.35Mo钢720保温10s后形成的两种A,针状 球状,一.奥氏体等温形成动力学,3.3、奥氏体转变动力学,1、奥氏体转变量图,730,750,790,100,50,0,共析钢的奥氏体等温转变量与时间的关系,奥氏体转变量与温度，时间的关系,由图可见： （1）A转变有孕育期, （2） A转变速度先增后

9、减，转变量50时最大 （3） T，孕育期 ，转变速度 （4）此曲线仅表示PA转变刚结束。,730,750,790,奥氏体量（）,时间(S),100,50,0,共析钢的奥氏体等温转变量与时间的关系,一.奥氏体等温形成动力学,2、等温转变图(TTA) Time Temperature Austenitization,t/s,奥氏体转变开始线,奥氏体转变完成线,P,P+A,A,TTA图的说明,不均匀A,均匀A,P+ A,A+ Fe3C,P,T(s),T/,可见：残余A的溶解，特别是成分均匀化所需时间最长。,Ac1,1,2,3,4,1A转变开始线 2A转变终止线 3残余Fe3C溶解终止线 4A均匀化终

10、止线,0,101,102,103,104,二.奥氏体等温形成动力学分析 1、形核率,3.3、奥氏体转变动力学,新旧相间的比界面能 GV 体积自由能差 ES体积应变能,Q-扩散激活能,W-临界形核功,T，I，其原因： T ，A形核所需的浓度起伏减小, T，W, exp（W/KT） T，exp（Q/KT），即能克服能垒进行扩散的原子数,二.奥氏体等温形成动力学分析 2、A长大线速度 假设：忽略F和Fe3C中的浓度梯度 相界面处维持局部平衡 C在A中扩散达准稳态 导出，相界面推移速度为：,3.3、奥氏体转变动力学,1)T，G ,D C在A中扩散系数， dC/dxA中浓度梯度 CB 两相在界面上的浓度

11、差,讨论：,2) GAF GFA,综上所述，和过冷情况下的结晶过程不同，A形成时， T（或过热度T ），始终有利于A的形成。 T，A形成速度,公式应用：估算某一温度下A向F（或Fe3C）的移动速度。,当A形成温度为780时, F先消失，剩余碳化物,转变温度，残余碳化物量,三.影响奥氏体转变速度的因素 温度、成分、原始组织 1、温度的影响,3.3、奥氏体转变动力学,T，,I ，,G，,且I G,各种因素中，T的影响作用最强烈,2、原始组织的影响,片状P转变速度球状P 薄片较厚片转变快,3、碳含量的影响,C，,A形成速度，,三.影响奥氏体转变速度的因素 温度、成分、原始组织 4、合金元素的影响,3

12、.3、奥氏体转变动力学,（1）对A形成速度的影响 改变临界点位置， 影响碳在A 中的扩散系数 合金碳化物在A中溶解难易程度的牵制 对原始组织的影响 （2）对A均匀化的影响 合金钢需要更长均匀化时间,四.连续加热时A形成动力学,3.3、奥氏体转变动力学,连续转变图,V1 V2V3,不均匀A,均匀A,P+ A,A+ Fe3C,P,t/s,T/,Ac1,四.连续加热时A形成动力学,3.3、奥氏体转变动力学,特点： （1）加热速度 ，临界点 ， （2）转变在一个温度范围内完成， （3）形成速度随加热速度而， （4）A起始晶粒度随加热速度速度而细化， （5）A成分不均匀性随加热速度而。,V1,一.奥氏体

13、晶粒度,3.4、奥氏体晶粒长大及其控制,（见书表2.3）,其中n=2N-1 概念:起始晶粒度、n0=(I/G)1/2 实际晶粒度、 本质晶粒度 应用:晶粒细化处理,58级的钢为本质细晶粒度的钢,14级的钢为本质粗晶粒度钢,本质粗晶粒度：奥氏体随温度的升高迅速长大的钢。如经锰硅脱氧的钢、沸腾钢等,本质细晶粒度：奥氏体晶粒长大倾向小，加热到较高温度时才显著长大的钢。如经铝脱氧的钢、镇静钢等,二.奥氏体晶粒长大机制,3.4、奥氏体晶粒长大及其控制,晶粒长大驱动力: 界面能的降低。 驱动力大小:F驱=2/R 方向：指向曲率中心,c,-比界面能，R-晶界曲率半径,二.奥氏体晶粒长大机制,3.4、奥氏体晶

14、粒长大及其控制,晶粒长大阻力第二相质点的钉扎作用 F阻=3f/2r,r-粒子半径, f 粒子数, -比界面能,第二相质点越细小，分散，总阻力,(1)加热温度和保温时间 T,t ,A晶粒度 (2)加热速度 快速加热并短时保温可获得细小A晶粒。 (3)第二相颗粒 (4)合金元素 (5)原始组织,三.奥氏体晶粒长大影响因素,3.4、奥氏体晶粒长大及其控制,1、奥氏体晶粒大小控制 增加第二相颗粒起弥散分布: 如钢中加Al ,形成AlN颗粒细化组织、 碳化物(TiC、NbC等)细化组织 提高加热速度: 利用温度和时间对奥氏体晶粒长大影响来细化晶粒。 如高频感应加热、激光加热、电子束加热等。,四.奥氏体大

15、小控制及其应用,3.4、奥氏体晶粒长大及其控制,2、粗大奥氏体晶粒的遗传及其阻断 缺陷： 组织遗传过热的钢，再次正常加热后，A仍保留原来粗大晶粒，甚至原来取向和晶界的现象。 相遗传母相中的晶体缺陷和不均匀性被新相继承。 消除： 避免由不平衡相直接加热形成奥氏体； 避免以非扩散方式形成奥氏体； 多次加热破坏原有的晶体取向。,四.奥氏体大小控制及其应用,3.4、奥氏体晶粒长大及其控制,小 结,1. 介绍了一些重要的术语和基本概念 2. 共析钢平衡态组织（P）的加热时奥氏体的形成过程，非共析钢和共析钢奥氏体形成异同。奥氏体的形成是受扩散控制的。 3. 奥氏体长大机制（应用扩散观点说明） 4. 共析碳钢奥氏体等温形成动力学图分析、特点，非共析钢和共析钢奥氏体等温形成动力学图异同。奥氏体等温形成动力学（形核与长大）的经验公式及意义，影响奥氏体转变速度的因素。 5. 连续加热时奥氏体的形成特点 6. 奥氏体晶粒度的概念，晶粒度级别与晶粒大小的关系式。影响A晶粒长大的因素，A晶粒长大的控制