奧氏體的形成、鋼的熱處理工藝

1、第四章第四章 奧氏體的形成奧氏體的形成4.1、奧氏體的形成、奧氏體的形成4.2、奧氏體形成機(jī)理、奧氏體形成機(jī)理4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)4.4、奧氏體晶粒長大及其控制、奧氏體晶粒長大及其控制AB + L 是不是所有的金屬材料都可以進(jìn)行熱處理呢？是不是所有的金屬材料都可以進(jìn)行熱處理呢？只有固態(tài)相變發(fā)生的合金才能進(jìn)行熱處理。只有固態(tài)相變發(fā)生的合金才能進(jìn)行熱處理。E EF FG 912 S SP PQ Q11481148727727A AF FA+FA+FA+ FeA+ Fe3 3C CF + FeF + Fe3 3C CK KFeFe3 3C CFeFeA A1 1A AcmcmA

2、 A3 3TT C% C%奧氏體的形成是鋼在加熱過程中，由珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體奧氏體的形成是鋼在加熱過程中，由珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體的過程。的過程。 相轉(zhuǎn)變：相轉(zhuǎn)變： F + FeF + Fe3 3C A C A 碳含量：碳含量： 0.02% 6.69% 0.77%0.02% 6.69% 0.77% 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu): bcc : bcc 復(fù)雜斜方復(fù)雜斜方 fccfcc一、奧氏體的組織和結(jié)構(gòu)一、奧氏體的組織和結(jié)構(gòu) 1.1.奧氏體組織奧氏體組織 多邊形的等軸晶粒多邊形的等軸晶粒 2.2.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 碳在碳在-Fe-Fe中的間隙固溶體中的間隙固溶體( (書圖書圖2.3)2.3)4.1、奧氏體的形成、奧氏體

3、的形成二、奧氏體性能二、奧氏體性能n室溫不穩(wěn)定相室溫不穩(wěn)定相n高塑性、低屈服強(qiáng)度高塑性、低屈服強(qiáng)度 利用奧氏體量改善材料塑性利用奧氏體量改善材料塑性n順磁性能順磁性能 測殘余奧氏體和相變點(diǎn)測殘余奧氏體和相變點(diǎn)n線膨脹系數(shù)大線膨脹系數(shù)大 應(yīng)用于儀表元件應(yīng)用于儀表元件n導(dǎo)熱性能差導(dǎo)熱性能差 耐熱鋼耐熱鋼n比容最小比容最小 利用殘余奧氏體量減少材料淬火變形利用殘余奧氏體量減少材料淬火變形4.1、奧氏體的形成、奧氏體的形成三、奧氏體的形成與鐵碳相圖三、奧氏體的形成與鐵碳相圖E EF FG 912 S SP PQ Q11481148727727A AF FA+FA+FA+ FeA+ Fe3 3C CF

4、+ FeF + Fe3 3C CK KFeFe3 3C CFeFeA A1 1A AcmcmA A3 3TT C% C%4.1、奧氏體的形成、奧氏體的形成平衡加熱狀態(tài)平衡加熱狀態(tài)實(shí)際加熱狀態(tài)（非平衡態(tài)）實(shí)際加熱狀態(tài)（非平衡態(tài)）A形成的條件形成的條件過熱過熱在在727時(shí)加熱能形成時(shí)加熱能形成A嗎？嗎？1.平衡加熱狀態(tài)平衡加熱狀態(tài) AAFPFAA31亞共析鋼的奧氏體化亞共析鋼的奧氏體化 室溫下組織為室溫下組織為F+P。 A1以上，以上，F(xiàn)+A A3以上，以上，AAFTCFeA1A3AcmACFeACFePcmAA331過共析鋼的奧氏體化過共析鋼的奧氏體化 室溫下組織為室溫下組織為 P+Fe3C A

5、1以上，以上，F(xiàn)e3C+A Acm以上，以上，A 在在A1Acm之間的奧氏體化，之間的奧氏體化， 稱為稱為不完全奧氏體化不完全奧氏體化，熱處，熱處 理工藝中常用。理工藝中常用。AFTCFe1.平衡加熱狀態(tài)平衡加熱狀態(tài) A1A3Acm 2.實(shí)際加熱狀態(tài)（非平衡態(tài)）實(shí)際加熱狀態(tài)（非平衡態(tài)） 實(shí)際加熱或冷卻都是在較快的速度下進(jìn)行（非平衡過實(shí)際加熱或冷卻都是在較快的速度下進(jìn)行（非平衡過程），實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度與相圖中的臨界溫度存在一定的偏離，程），實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度與相圖中的臨界溫度存在一定的偏離，會出現(xiàn)滯后。會出現(xiàn)滯后。 也即也即G= G A - Gp 0 才發(fā)生轉(zhuǎn)變。才發(fā)生轉(zhuǎn)變。加熱時(shí)：加熱時(shí)：實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度移

6、向高溫，以實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度移向高溫，以Ac表示表示Ac1、Ac3、Accm 冷卻時(shí)：冷卻時(shí)：實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度移向低溫，用實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度移向低溫，用Ar表示表示Ar1、Ar3、Arcm轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 變變 溫溫 度度Ac1Ac3AccmA3AcmArcmAr3Ar1A1AGSEPQF7271148P+CmF+P2.110.770.0218FeC%G狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)gG(1)熱力學(xué)形成條件熱力學(xué)形成條件 克服克服g g勢壘勢壘 G0 3. A形成的條件形成的條件G=-Gv+Gs+GeA1）G=-Gv+Gs+Ge02-5Gv與與T的關(guān)系的關(guān)系GV=Gp-GA (1)GA=HA-TSA (2)Gp=Hp-TSp (3)L

7、v=HA-Hp (4)GV=LVT/T0過熱度過熱度 ，驅(qū)動力，驅(qū)動力 ，轉(zhuǎn)變速度，轉(zhuǎn)變速度 。(2)相變的結(jié)構(gòu)條件相變的結(jié)構(gòu)條件D DGe r2 r D DG 0 - - D DGV r3 D DG r*D DG * D DGs r3 2*-DVGrG=-Gv+Gs+Ge04.24.2、奧氏體形成機(jī)理、奧氏體形成機(jī)理 形核形核+ +長大長大1.1.奧氏體的形核奧氏體的形核球狀珠光體中：球狀珠光體中： 優(yōu)先在優(yōu)先在F/FeF/Fe3 3C C界面形核界面形核片狀珠光體中：片狀珠光體中： 優(yōu)先在珠光體團(tuán)的界面形核優(yōu)先在珠光體團(tuán)的界面形核 也在也在F/FeF/Fe3 3C C片層界面形核片層界面形

8、核Fe3CF珠光體團(tuán)界珠光體團(tuán)界FFe3CAF + FeF + Fe3 3C A C A Ac1以上以上 加熱加熱球球狀狀P形形核核片片狀狀P形形核核(珠光體類組織向珠光體類組織向A轉(zhuǎn)變）轉(zhuǎn)變）(以共析鋼為例）以共析鋼為例）奧氏體在奧氏體在F/Fe3C界面形核原因：界面形核原因： (1) 易獲得形成易獲得形成A所需濃度起伏，結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏所需濃度起伏，結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏. (2) 在相界面形核使界面能和應(yīng)變能的增加減少。在相界面形核使界面能和應(yīng)變能的增加減少。 G = -Gv + Gs + Ge -Gd Gv體積自由能差，體積自由能差， Gs 表面能，表面能， Ge 彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能

9、相界面相界面Gs 、Ge 較小，更易滿足熱力學(xué)條件較小，更易滿足熱力學(xué)條件G 垂直于片層長大速度垂直于片層長大速度45鋼在鋼在735加熱加熱10min的組織的組織150001.1.奧氏體的形核奧氏體的形核2.2.奧氏體的長大奧氏體的長大片狀珠光體片狀珠光體 奧氏體向垂直于片層和平行于片層方向長大奧氏體向垂直于片層和平行于片層方向長大. .球狀珠光體球狀珠光體 奧氏體的長大首先包圍滲碳體奧氏體的長大首先包圍滲碳體, ,把滲碳體和鐵素體把滲碳體和鐵素體隔開隔開, ,然后通過然后通過A/FA/F界面向鐵素體一側(cè)推移界面向鐵素體一側(cè)推移, A / , A / FeFe3 3C C界面向界面向FeFe3

10、 3C C一側(cè)推移一側(cè)推移, ,使使F F和和FeFe3 3C C逐漸消失來實(shí)現(xiàn)逐漸消失來實(shí)現(xiàn)長大的長大的. .4.2、奧氏體形成機(jī)理、奧氏體形成機(jī)理原始組織原始組織5S8S15S球狀球狀P向向A的轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變3. 3. 殘余碳化物的溶解殘余碳化物的溶解 殘余碳化物殘余碳化物: : 當(dāng)當(dāng)F F完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆D(zhuǎn)變?yōu)锳 A時(shí)，仍有部分時(shí)，仍有部分FeFe3 3C C沒有轉(zhuǎn)變?yōu)闆]有轉(zhuǎn)變?yōu)锳 A，稱為，稱為殘余碳化物。殘余碳化物。 A/FA/F界面向界面向F F推移速度推移速度 A/Fe A/Fe3 3C C界面向界面向FeFe3 3C C推移速度推移速度 剛形成的剛形成的A A平均含碳量平均含碳量P綜

11、上所述，和過冷情況下的結(jié)晶過程不同，綜上所述，和過冷情況下的結(jié)晶過程不同，A形成時(shí)，形成時(shí)， T （或過熱度（或過熱度T ），始終有利于），始終有利于A的形成。的形成。 T ，A形成速度形成速度 02. 0/-FAFACKG公式應(yīng)用：估算某一溫度下公式應(yīng)用：估算某一溫度下A向向F（或（或Fe3C）的移動速度。）的移動速度。CFeACFeACKG33/69. 6-當(dāng)當(dāng)A形成溫度為形成溫度為780時(shí)時(shí)02. 041. 0-KGFA89. 069. 63-KGCFeA8 .1402. 041. 089. 069. 63-CFeAFAGGBCdxdCKDGD-1 F先消失，剩余碳化物先消失，剩余碳化物

12、T1AFTCCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3C轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度 ，殘余碳化物量，殘余碳化物量 A3AcmA1AGSEPQF7271148P+CmF+P2.110.770.0218FeC%7387808200.230.930.410.680.890.79三三. .影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素 溫度、成分、原始組織溫度、成分、原始組織1 1、溫度的影響溫度的影響4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)T ， I ， G ，且且I G 各種因素中，各種因素中，T的影響作用最強(qiáng)烈的影響作用最強(qiáng)烈BCdxdCKDGD-1)exp()exp(KTQKTWCI-2、原始組織的

13、影響原始組織的影響片狀片狀P轉(zhuǎn)變速度轉(zhuǎn)變速度球狀球狀P薄片較厚片轉(zhuǎn)變快薄片較厚片轉(zhuǎn)變快3、碳含量的影響碳含量的影響C ， A形成速度形成速度 ，三三. .影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素 溫度、成分、原始組織溫度、成分、原始組織4 4、合金元素的影響合金元素的影響4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)（1）對）對A形成速度的影響形成速度的影響 改變臨界點(diǎn)位置，改變臨界點(diǎn)位置， 影響碳在影響碳在A 中的擴(kuò)散系數(shù)中的擴(kuò)散系數(shù) 合金碳化物在合金碳化物在A中溶解難易程度的牽制中溶解難易程度的牽制 對原始組織的影響對原始組織的影響（2）對）對A均勻化的影響均勻化的影響 合金鋼需要更長

14、均勻化時(shí)間合金鋼需要更長均勻化時(shí)間四四.連續(xù)加熱時(shí)連續(xù)加熱時(shí)A形成動力學(xué)形成動力學(xué)4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué) 連續(xù)轉(zhuǎn)變圖連續(xù)轉(zhuǎn)變圖 V1 V2V3不均勻不均勻A均勻均勻AP+ AA+ Fe3CPt/sT/V3V2V1Ac1四四. .連續(xù)加熱時(shí)連續(xù)加熱時(shí)A A形成動力學(xué)形成動力學(xué)4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）加熱速度）加熱速度 ，臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn) ，（2）轉(zhuǎn)變在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成，）轉(zhuǎn)變在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成，（3）形成速度隨加熱速度）形成速度隨加熱速度 而而 ，（4）A起始晶粒度隨加熱速度速度起始晶粒度隨加熱速度速度 而細(xì)化，而細(xì)化，（5）A成分不均勻

15、性隨加熱速度成分不均勻性隨加熱速度 而而 。V1V1 V2 V3不均勻不均勻A均勻均勻AP+ AA+ Fe3CPt/sT/V3V2Ac1一一. .奧氏體晶粒度奧氏體晶粒度4.4、奧氏體晶粒長大及其控制、奧氏體晶粒長大及其控制 n=2N-1 概念概念:起始晶粒度、起始晶粒度、n0=(I/G)1/2 實(shí)際晶粒度、實(shí)際晶粒度、 本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度 應(yīng)用應(yīng)用:晶粒細(xì)化處理晶粒細(xì)化處理58級的鋼為本質(zhì)細(xì)晶粒度的鋼14級的鋼為本質(zhì)粗晶粒度鋼本質(zhì)粗晶粒度：奧氏體隨溫度的升高迅速長大的鋼。如經(jīng)錳硅脫氧的鋼、沸騰鋼等本質(zhì)細(xì)晶粒度：奧氏體晶粒長大傾向小，加熱到較高溫度時(shí)才顯著長大的鋼。如經(jīng)鋁脫氧的鋼、鎮(zhèn)靜鋼等二

16、二. .奧氏體晶粒長大機(jī)制奧氏體晶粒長大機(jī)制4.4、奧氏體晶粒長大及其控制、奧氏體晶粒長大及其控制晶粒長大驅(qū)動力晶粒長大驅(qū)動力: 界面能的降低。界面能的降低。 驅(qū)動力大小驅(qū)動力大小:F驅(qū)驅(qū)=2/R 方向：方向：指向曲率中心指向曲率中心abc120120-比界面能，比界面能，R-晶界曲率半徑晶界曲率半徑二二. .奧氏體晶粒長大機(jī)制奧氏體晶粒長大機(jī)制4.4、奧氏體晶粒長大及其控制、奧氏體晶粒長大及其控制晶粒長大阻力晶粒長大阻力第二相質(zhì)點(diǎn)的釘扎作用第二相質(zhì)點(diǎn)的釘扎作用 F阻阻=3f/2r r-粒子半徑粒子半徑, f 粒子數(shù)粒子數(shù), -比界面能比界面能界界面面r第二相質(zhì)點(diǎn)越細(xì)小，分散，總阻力第二相質(zhì)點(diǎn)

17、越細(xì)小，分散，總阻力 (1)加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度和保溫時(shí)間 T ,t ,A晶粒度晶粒度 (2)加熱速度加熱速度 快速加熱并短時(shí)保溫可獲得細(xì)小快速加熱并短時(shí)保溫可獲得細(xì)小A晶粒。晶粒。 (3)第二相顆粒第二相顆粒 (4)合金元素合金元素 (5)原始組織原始組織三三. .奧氏體晶粒長大影響因素奧氏體晶粒長大影響因素4.4、奧氏體晶粒長大及其控制、奧氏體晶粒長大及其控制 1 1、奧氏體晶粒大小控制、奧氏體晶粒大小控制 增加第二相顆粒起彌散分布增加第二相顆粒起彌散分布: : 如鋼中加如鋼中加Al ,Al ,形成形成AlNAlN顆粒細(xì)化組織、顆粒細(xì)化組織、 碳化物碳化物(TiC(TiC、NbCNb

18、C等等) )細(xì)化組織細(xì)化組織 提高加熱速度提高加熱速度: : 利用溫度和時(shí)間對奧氏體晶粒長大影響來細(xì)化晶粒。利用溫度和時(shí)間對奧氏體晶粒長大影響來細(xì)化晶粒。 如高頻感應(yīng)加熱、激光加熱、電子束加熱等。如高頻感應(yīng)加熱、激光加熱、電子束加熱等。 四四. .奧氏體大小控制及其應(yīng)用奧氏體大小控制及其應(yīng)用4.4、奧氏體晶粒長大及其控制、奧氏體晶粒長大及其控制 2 2、粗大奧氏體晶粒的遺傳及其阻斷、粗大奧氏體晶粒的遺傳及其阻斷 缺陷：缺陷： 組織遺傳組織遺傳過熱的鋼，再次正常加熱后，過熱的鋼，再次正常加熱后，A A仍保留原來仍保留原來粗大晶粒，甚至原來取向和晶界的現(xiàn)象。粗大晶粒，甚至原來取向和晶界的現(xiàn)象。 相遺傳相遺傳母相中的晶體缺陷和不均勻性被新相繼承。母相中的晶體缺陷和不均勻性被新相繼承。 消除：消除：