鋼中奧氏體的形成

關(guān)于鋼中奧氏體的形成“熱處理”加熱之目的？

熱處理工藝中除回火、少數(shù)去應(yīng)力退火，一般均需要加熱到臨界點(diǎn)以上溫度使鋼部分或全部形成奧氏體，經(jīng)過適當(dāng)?shù)睦鋮s使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰慕M織，從而獲得所需要的性能。奧氏體晶粒大小、形狀、空間取向以及亞結(jié)構(gòu)，奧氏體化學(xué)成分以及均勻性將直接影響轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以及材料性能。奧氏體晶粒的長大直接影響材料的力學(xué)性能特別是沖擊韌性。

綜上所述，熱處理加熱的主要目的就是“奧氏體化”，所以研究奧氏體相變具有十分重要的意義。第2頁,共47頁，星期六，2024年，5月熱處理工藝中，冷卻的方式有兩種：連續(xù)冷卻升溫保溫等溫處理第3頁,共47頁，星期六，2024年，5月第一節(jié)奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性能一、奧氏體的結(jié)構(gòu)定義：C溶于γ–Fe形成的間隙式固溶體。圖4-11.C原子位于γ–Fe點(diǎn)陣的中心和棱邊的中點(diǎn)(八面體間隙處)；2.C原子進(jìn)入γ–Fe點(diǎn)陣間隙位置引起γ–Fe點(diǎn)陣等稱膨脹；C%增加，奧氏體點(diǎn)陣常數(shù)增大，但奧氏體的最大溶C量(溶解度)為2.11%；3.C原子在奧氏體中分布是不均勻的，存在濃度起伏，有富碳區(qū)，貧碳區(qū)；4.合金元素原子(Mn、Si、Cr、Ni等)溶入奧氏體中取代Fe原子的位置，形成置換式固溶體，稱合金奧氏體。第4頁,共47頁，星期六，2024年，5月第一節(jié)奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性能二、奧氏體的組織奧氏體組織通常為等軸狀多邊形晶粒，這與：

(1)原始組織有關(guān)

(2)加熱速度有關(guān)

(3)轉(zhuǎn)變程度有關(guān)不平衡加熱奧氏體晶粒呈針狀或球狀。第5頁,共47頁，星期六，2024年，5月第一節(jié)奧氏體的結(jié)構(gòu)、組織與性能三、奧氏體的性能1.機(jī)械性能：(1)屈服強(qiáng)度、硬度低

(2)塑性、韌性高；

(3)熱強(qiáng)性高。易于變形加工成型；2.物理性能：(1)比容最小；(2)導(dǎo)熱性差；

(3)線膨脹系數(shù)大；(4)順磁性。3.應(yīng)用：(1)變形加工成型；(2)奧氏體不銹鋼耐蝕性；

(3)膨脹儀表靈敏元件。第6頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成一、鋼的臨界溫度奧氏體Ac1Ac3AccmAr1Ar3Arcm第7頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成

一、鋼的臨界溫度

鋼在加熱和冷卻時(shí)臨界溫度的意義如下：

Ac1：加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度；

Ar1：冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度；

Ac3：加熱時(shí)先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度；

Ar3：冷卻時(shí)奧氏體開始析出先共析鐵素體的溫度；

Accm：加熱時(shí)二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度；

Arcm：冷卻時(shí)奧氏體開始析出二次滲碳體的溫度。第8頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成

一、鋼的臨界溫度鋼的臨界溫度主要由其化學(xué)成分決定，同時(shí)還與加熱速率或冷卻速率有關(guān)。加熱速率越大，臨界溫度越高，冷卻速率越大，臨界溫度越低。第9頁,共47頁，星期六，2024年，5月

第二節(jié)奧氏體的形成

二、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響

合金元素加入鋼中，對(duì)鐵碳相圖的相區(qū)、相變溫度、共析點(diǎn)成分等有影響。合金元素會(huì)使奧氏體單相區(qū)擴(kuò)大或縮小。

C、N、Co、Ni、Mn、Cu都會(huì)使奧氏體相區(qū)擴(kuò)大，稱為奧氏體形成元素，以Ni、Mn影響最強(qiáng)。

Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等使奧氏體單相區(qū)縮小，稱為鐵素體形成元素。

鋼中的奧氏體形成元素如Mn、Ni含量增加，使鐵碳相圖的奧氏體相區(qū)范圍擴(kuò)大，A1、A3線下降，共析點(diǎn)S（E點(diǎn)）向左下方(低溫、低碳方向移動(dòng))。當(dāng)其含量較高時(shí)，由于奧氏體相區(qū)大大擴(kuò)大，使鋼在室溫時(shí)仍處于單相奧氏體狀態(tài)而獲得奧氏體鋼。Mn對(duì)鐵碳合金相圖的影響第10頁,共47頁，星期六，2024年，5月

第二節(jié)奧氏體的形成

二、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響

而對(duì)于鐵素體形成元素，如Cr含量增加，使奧氏體相區(qū)縮小，A1、A3線升高，共析點(diǎn)S點(diǎn)（E點(diǎn)）向左上方（高溫、低碳）移動(dòng)。當(dāng)其含量較高時(shí)可使奧氏體相區(qū)縮小至消失，使鋼在固態(tài)下沒有奧氏體，而成為所謂鐵素體鋼。

Cr對(duì)鐵碳合金相圖的影響第11頁,共47頁，星期六，2024年，5月

第二節(jié)奧氏體的形成

二、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響

上述元素都使得鐵碳相圖的S點(diǎn)、E點(diǎn)左移，使共析點(diǎn)含碳量及出現(xiàn)萊氏體的含碳量降低，會(huì)使鋼的組織發(fā)生很大變化，如圖所示。例如，含Cr12%,C0.4%的鋼已為過共析鋼。作刀具的高速鋼其含碳量只有0.7～0.8%，在鑄態(tài)下的組織中有萊氏體而變成為萊氏體鋼。第12頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成三、奧氏體核的形成鋼在加熱過程中奧氏體的形成是通過形核和長大方式進(jìn)行的。奧氏體的晶核究竟應(yīng)在什么位置形核？首先我們先回憶一下鋼在室溫時(shí)的平衡組織。第13頁,共47頁，星期六，2024年，5月F+P組織亞共析鋼室溫平衡組織第14頁,共47頁，星期六，2024年，5月含1.2％C的過共析鋼室溫平衡組織P+Fe3CII組織第15頁,共47頁，星期六，2024年，5月

珠光體組織P（FP+Fe3CP）0.77%C共析鋼室溫下的平衡組織第16頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成

三、奧氏體核的形成

根據(jù)熱力學(xué)分析：奧氏體晶核主要在F和Fe3C的相界面形核，其次在珠光體團(tuán)界或珠光體團(tuán)與先共析F。這樣能滿足：(1)能量起伏；

(2)結(jié)構(gòu)起伏；

(3)成分起伏三個(gè)條件。第17頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成四、奧氏體核的長大

α+Fe3Cγ

晶體結(jié)構(gòu)：體心立方復(fù)雜斜方面心立方含碳量：0.0218%6.67%0.77%

奧氏體長大過程是依靠原子擴(kuò)散完成的，原子擴(kuò)散包括：(1)Fe原子自擴(kuò)散完成晶格改組；

(2)C原子擴(kuò)散使奧氏體晶核向α相和Fe3C相兩側(cè)推移并長大。第18頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成四、奧氏體核的長大1、C原子擴(kuò)散：一旦奧氏體晶核出現(xiàn)，則在奧氏體內(nèi)部的C%分布就不均勻，由下圖可見：C1—與Fe3C相接的奧氏體的C%；C2—與F相接的奧氏體的C%；C3—與Fe3C相接的F的C%；C4—與奧氏體相接的F的C%；GESPC1C2C3C4T1在T1溫度下奧氏體C%第19頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成四、奧氏體核的長大

從上圖可以看出，在T1溫度下由于C1、C2、C3、C4不同導(dǎo)致奧氏體晶核形成時(shí)，C原子擴(kuò)散，如下圖，擴(kuò)散的結(jié)果破壞了T1溫度下C%的濃度平衡，迫使與奧氏體相接的F和Fe3C溶解恢復(fù)T1溫度下C%的濃度平衡，如此歷經(jīng)“破壞平衡”——“建立平衡”的反復(fù)，奧氏體晶核長大。C2C%AFe3CFC1C4C3珠光體片間距奧氏體晶核長大示意圖第20頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成

四、奧氏體核的長大

2、奧氏體晶格改組：

(1)一般認(rèn)為，平衡加熱過熱度很小時(shí)，通過Fe原子自擴(kuò)散完成晶格改組。

(2)也有人認(rèn)為，當(dāng)過熱度很大時(shí)，晶格改組通過Fe原子切變完成。第21頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成四、奧氏體核的長大3、奧氏體晶核的長大速度：奧氏體晶核向F和Fe3C兩側(cè)的推移速度是不同的。根據(jù)公式：第22頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成四、奧氏體核的長大

780℃時(shí):

表明相界面向F一側(cè)的推移速度比向Fe3C一側(cè)的推移速度快14.8倍，但通常片狀珠光體的F片厚度比Fe3C片厚度大7倍，所以奧氏體等溫形成時(shí)，總是F先消失，F(xiàn)e3C剩余。第23頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成五、殘余Fe3C和奧氏體均勻化

F→γ結(jié)束后，還有相當(dāng)數(shù)量的Fe3C尚未溶解，這些Fe3C被稱為殘余Fe3C。另外在原來Fe3C的部位，C%較高，而原來F部位C%較低，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋睾?，奧氏體中的C%才能趨于均勻。第24頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成（共析鋼加熱時(shí)奧氏體的形成過程）

由此可見，熱處理中的保溫階段，不僅是將工件熱透，更重要的是為獲得成分均勻的奧氏體。

綜上，奧氏體形成分四個(gè)階段：奧氏體形核；核長大；殘余Fe3C溶解；奧氏體均勻化。第25頁,共47頁，星期六，2024年，5月第二節(jié)奧氏體的形成

和共析鋼的奧氏體化對(duì)比，非共析鋼的奧氏體化過程分兩步進(jìn)行，首先完成P→A，這與共析鋼相同；然后是先析相的奧氏體化過程。這些都是靠原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的。值得指出的是，非共析鋼的奧氏體化碳化物溶解以及奧氏體均勻化的時(shí)間更長。第26頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

奧氏體相變動(dòng)力學(xué)是研究奧氏體形成快慢問題。動(dòng)力學(xué)研究分為等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)和連續(xù)轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)。等溫轉(zhuǎn)變由于溫度不變，所以各相的自由焓也不變，研究分析起來最方便，所以多采用等溫方法研究動(dòng)力學(xué)。連續(xù)轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)也稱為變溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)，是在不斷升溫或降溫過程中研究相變動(dòng)力學(xué)。了解奧氏體形成動(dòng)力學(xué)規(guī)律，為制定加熱工藝中的保溫時(shí)間提供依據(jù)。第27頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

1、等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)研究方法

第28頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

1、等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)研究方法

關(guān)于組織轉(zhuǎn)變量的測定有許多種方法：金相法、膨脹法、熱分析法。金相法是將冷卻到室溫的試樣制成金相試樣，通過對(duì)室溫下組織進(jìn)行定量分析確定組織轉(zhuǎn)變類型及其轉(zhuǎn)變量。在等溫加熱時(shí)，如圖4.10(a)形成的奧氏體在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，因而馬氏體的體積分?jǐn)?shù)就是等溫過程中轉(zhuǎn)變的奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。在等溫冷卻時(shí)，如圖4.10(b)室溫下的馬氏體就是等溫過程中未轉(zhuǎn)變的奧氏體。在等溫動(dòng)力學(xué)研究中多采用金相法。第29頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)2、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)曲線奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)曲線是指在一定溫度下等溫，奧氏體的體積分?jǐn)?shù)與等溫時(shí)間的關(guān)系曲線。在等溫條件下，奧氏體的形成符合一般相變規(guī)律，是通過形核、長大、殘余滲碳體的溶解和成分均勻化來完成的。第30頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

2、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)曲線從上圖可以看出，奧氏體等溫形成的主要特點(diǎn)是：（1）形成過程中，奧氏體形成速率不同。當(dāng)轉(zhuǎn)變量達(dá)到50%左右時(shí)轉(zhuǎn)變速率最大。（2）奧氏體形成有孕育期。（3）轉(zhuǎn)變溫度越高，奧氏體形成速率越快。第31頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

3、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)圖

等溫形成動(dòng)力學(xué)圖是在等溫溫度—時(shí)間坐標(biāo)上(時(shí)間坐標(biāo)用對(duì)數(shù)坐標(biāo))，將具有相同轉(zhuǎn)變量的溫度、時(shí)間點(diǎn)連接起來的曲線，如圖4.12所示。在圖中共有4條曲線，將整個(gè)平面分成5個(gè)區(qū)域。第32頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

3、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)圖第33頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

3、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)圖

由上圖可以看出，完成奧氏體轉(zhuǎn)變需要的時(shí)間并不長，而完成碳的均勻化需要的時(shí)間卻是非常長。例如在780℃等溫，完成奧氏體轉(zhuǎn)變只需要7～8s，而完成Fe3C的溶解需要約300s，而完成碳的均勻化需要約10，000s(約2.8h)。第34頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

4、奧氏體的形核率與長大速率奧氏體的形成速度取決于形核率I和線長大速度G，在等溫條件下，形核率I和線長大速度G均為常數(shù)。均勻形核條件下，形核率I與溫度的關(guān)系為：式中，C’—常數(shù)；T—絕對(duì)溫度；Q—擴(kuò)散激活能；△G—臨界形核功；k—玻耳茲曼常數(shù)?？梢?，奧氏體等溫形成時(shí)，等溫溫度T提高，(1)△T增大，相變驅(qū)動(dòng)力增大，△G降低，形核率I增大；(2)C原子的擴(kuò)散系數(shù)增大，C的擴(kuò)散速度增大，有利于點(diǎn)陣重構(gòu)，形核率I增大；(3)C2-C4=△C減小，奧氏體形核所需的C的濃度梯度減小，形核率I增大。第35頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

4、奧氏體的形核率與長大速率第36頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

4、奧氏體的形核率與長大速率第37頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

4、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素

1）加熱溫度的影響

(1)加熱溫度T升高，過熱度ΔT增大，相變驅(qū)動(dòng)力ΔG增大，原子擴(kuò)散速度增加，形核率I和長大速度G均增加；(2)從等溫轉(zhuǎn)變圖可知，加熱溫度T升高，奧氏體等溫形成的孕育期變小，相變完成時(shí)間變短；(3)加熱溫度T升高，由相圖可知C1-C2增大，dc/dx增加，奧氏體界面濃度差ΔCB減小，長大速度G均增加；(4)加熱溫度T升高，奧氏體向F一側(cè)推移速度比向Fe3C一側(cè)推移速度快，F(xiàn)消失瞬間殘余Fe3C量增加，奧氏體中C%降低，相變不平衡程度增加；(5)加熱溫度T升高，形核率I增加的速度比長大速度G增加的速度快，奧氏體晶粒細(xì)化(提高強(qiáng)韌性)。第38頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

4、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素

2）原始組織的影響

(1)原始組織越細(xì)，碳化物越分散，珠光體的層片間距S0越小，相界面越多，形核率I越大，同時(shí)碳的濃度梯度dc/dx增加，長大速度G均增加；(2)和粒狀珠光體比，片狀珠光體相界面大而薄，易于溶解，因此，原始組織為片狀珠光體形成速度比粒狀珠光體快。第39頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

4、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素

3)合金元素的影響

C%：(1)隨著含碳量的增加，碳化物量增加。珠光體中滲碳體量相對(duì)相界面增加形核率I增加。碳原子擴(kuò)散距離減小，擴(kuò)散速度提高，但滲碳體溶解及奧氏體均勻化時(shí)間增加。合金元素：(1)不影響珠光體轉(zhuǎn)變奧氏體機(jī)制。(2)影響碳化物穩(wěn)定性。(3)影響體中的擴(kuò)散系數(shù)減小。第40頁,共47頁，星期六，2024年，5月第三節(jié)奧氏體形成動(dòng)力學(xué)

一、奧氏體等溫形成動(dòng)力學(xué)

4、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素

3)合金元素的影響

(i)強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等降低，從而影響殘余碳化物溶解及奧氏體均勻化速度。非強(qiáng)碳化物形成元素Co、Ni等使提高，擴(kuò)散速度提高。

(ii)Ni、Mn、Cu可降低A1點(diǎn)使過熱度ΔT增加、相變驅(qū)動(dòng)力ΔG增大，形核率I增大、G增大；Cr、Mo、Ti、W可使A1提高，ΔT降低，ΔG降低，形核率I降低，G降低，合金元素在鋼中分布不均勻。第41頁,共47頁，星期六，2024年，5月第四節(jié)奧氏體晶粒長大及其控制

一、奧氏體晶粒度

奧氏體晶粒大小用晶粒度表示，通常分8級(jí)評(píng)定，1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。若晶粒度在10以上則稱“超細(xì)晶?！薄＞Я６燃?jí)別與晶粒大小的關(guān)系為：

n=2

式中，n—放大1