《钢的加热转变》PPT课件.ppt

,引言 一、何谓热处理？ 热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，其目的是为了改变金属或合金的内部组织结构，使材料满足使用性能的要求。,最终热处理 预备热处理,加热,保温,0,时间/min,温度/,冷却,二、热处理的条件？,1、有固态相变发生的金属或合金 2、加热时溶解度有显著变化的合金,纯金属：有无同素异构转变，如Al、Cu等金属不能热处理强化只能形变强化。 合金：根据合金相图判断，有无固体相变或溶解度变化。,Note：不包括低温的去应力退火等,例如,为什么钢可以进行热处理？,1、固态相变 可以发生相变重结晶过程。 2、C（碳）溶解度发生显著变化 可以固溶强化。,钢的热处理第一步？,奥氏体晶粒大小、形状、空间取向、亚结构，奥氏体化学成分以及均匀性,直接影响,转变过程、转变产物、材料性能,如：奥氏体晶粒的长大直接影响材料的力学性能特别是冲击韧性。,研究奥氏体相变十分重要！,除回火、少数去应力退火，热处理一般均需要加热到临界温度点以上温度使钢部分或全部形成奥氏体，经过适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织，从而获得所需的性能。,钢在加热和冷却时的转变,第一部分 钢在加热时的转变,第二部分 钢在冷却时的转变,第三部分 珠光体转变,第四部分 马氏体转变,第五部分 贝氏体转变,第一部分 钢在加热时的转变 -奥氏体（A）的形成,A的结构 A的性能 A的显微组织 A的形成条件 A的形成机理 A的形成动力学 A的晶粒长大及控制,一、奥氏体的结构,1）-Fe的面心立方晶格 2）碳溶解于-Fe面心立方晶格的八面体间隙（有效间隙半径 0.053nm,碳原子半径0.077nm）；,3）溶碳能力较大：在727时溶碳为wt% =0.77，1148时 wt% =2.11；,碳原子在-Fe中 可能的间隙位置,3）C原子在奥氏体中分布是不均匀的，存在浓度起伏； 4）合金元素原子（Mn、Si、Cr、Ni等）溶入奥氏体中取代Fe原子的位置，形成置换式固溶体，称合金奥氏体。,（1）磁性： 奥氏体具有顺磁性。可作为无磁钢，如：奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti、OCr25Ni20等是无磁钢。 铁素体、马氏体则具有铁磁性。,（2）比容： 在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。可利用这一点调整残余奥氏体的量，以达到减少淬火工件体积变大的目的。,二、奥氏体的性能,（3）膨胀系数： 奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故奥氏体钢也可被用来制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。,（4）导热性： 除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。因此，为避免热应力引起的工件变形，奥氏体钢不可采用过大的加热速度加热。,（5）力学性能：具有高的塑性、低的屈服强度。,容易进行塑性变形把钢件加工成形，也由于奥氏体的面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故奥氏体钢可作为高温用钢。,奥氏体高强耐热钢金相组织 500X,奥氏体,合金碳化物,其组织形态与原始组织、加热速度、加热转变的程度有关。主要有三种组织状态：,三、奥氏体的显微组织,一般的情况下奥氏体的组织是由多边形的等轴晶粒所组成，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶。,奥氏体显微组织 （晶内有孪晶） 1000,四、奥氏体形成的条件,1.铁碳平衡相图中奥氏体 形成的形成温度,它是在极缓慢小于0.125/min加热条件下，达到A1（727）时，由珠光体（P）转变为奥氏体,钢由加热前的组织转变为奥氏体被称为 钢的加热转变或奥氏体化过程。,无论是退火、正火、淬火、渗碳等，都首先要把钢件加热到奥氏体状态。,铁-碳平衡相图,2.实际加热（冷却）条件下的临界温度,在加热（冷却）速度大于0.125/min时，对临界点A1，A3，Acm产生的影响：,加热时的临界温度 用脚标C表示： AC1、 AC3、ACcm； 冷却时的临界温度 用脚标r表示： Ar1、Ar3、Arcm。,Ac1-加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度； Ar1-冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度； Ac3-加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度； Ar3-冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度； Accm-加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度； Arcm-冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。,合金元素对Ac3和Ac1影响的经验公式,稳定奥氏体的元素降低Ac3、Ac1，在公式中为负号。 稳定铁素体或碳化物的元素提高Ac3、Ac1，在公式中为正号。,珠光体被加热到A1以上而转变为奥氏体驱动力,珠光体与奥氏体的自由能均随温度的升高而降低，但是下降的速度不同，相交于某一温度，该交点所对应的温度即A1（727）。右图是珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系。,奥氏体形成的热力学条件是： 必须在A1温度以上（即在一定的过热条件下）奥氏体才能形成。,奥氏体形成时系统的总自由能变化,G= -Gv+ Gs+ Ge,驱动力：体积自由能差,阻力： 界面能+ 应变能,五、奥氏体形成机理,-0.02%C + Fe3C-6.69% C,珠光体P,奥氏体A,+ Fe3C,-0.77% C,奥氏体核的形成 奥氏体核的长大 剩余渗C体的溶解 奥氏体成分的均匀化。,加热过程中，珠光体向奥氏体转变的四个过程,形核条件：系统的能量、结构和成分起伏。 形核位置：（a）F/Fe3C界面处（优先位置、通过扩散机制）；,奥氏体形核,（b）珠光体团交界处；,（c）先共析F/珠光体团交界处。,优先在F/Fe3C界面处形核的原因,界面上存在碳的浓度起伏、结构起伏；易满足形成奥氏体所需的碳浓度； 界面存在缺陷，能量高，提供能量起伏，此处原子排列紊乱，位错、空位浓度高，易满足奥氏体形成所需能量； 有Fe3C溶解后的补充碳原子。,有时在铁素体内部也能形核 需满足：,温度高，提供足够的相变驱动力； 有嵌镶块，提供足够的浓度条件和晶核尺寸。,奥氏体的形核有铁原子和碳原子扩散机制,（1）是通过Fe3C的溶解 （2）C原子在A中的扩散 （3）A两侧的界面向F及Fe3C推移来进行的,奥氏体的长大,奥氏体晶核形成后便开始长大，长大过程是受C在奥氏体中扩散所控制。, A核的长大的通过以下三个途径进行：,原子扩散包括：Fe原子自扩散完成晶格改组、C原子扩散使奥氏体晶核向相和Fe3C相两侧推移并长大。,根据Fe-Fe3C 相图,在AC1以上某一温度t1形成一奥氏体晶核。奥氏体晶核形成之后，将产生两个新的相界面，一个是奥氏体与渗碳体相界面： / Fe3C，另一个是奥氏体与铁素体相界面/ 。,奥氏体长大的机制解释,界面处的平衡浓度为：,C/Fe3c C/ ， C/Fe3c C/,随着C扩散的进行， C/ 浓度增高，而C/Fe3c的浓度降低，破坏了平衡，为了恢复平衡，Fe3C势必不断地溶解，又有碳原子溶入奥氏体，使其含C量升高而恢复到C/Fe3c ；与此同时，发生奥氏体的C原子向F的扩散，促进这部分F转变为奥氏体，并使其自身的含C量降低而恢复到C/。这样，C浓度失去平衡和恢复平衡的反复循环过程，就使奥氏体逐步地向Fe3C、F两边长大、推进，直至F消失而全部转变为奥氏体。,图2-5 共析钢加热时奥氏体碳浓度的分布,奥氏体核的长大过程中存在三个问题： （1）奥氏体核的长大过程中,铁素体向奥氏体转变速度远大于渗碳体的转变速度，因为： C/C /Fe3c, F与A的晶体结构差异较小； Fe3C 与A的晶体结构（Fe3C：复杂的正交晶格，A：面心立方） 差异较大；, 渗碳体的溶解,（2）铁素体完全实现晶格点阵重建时，即认为奥氏体刚刚基本形成，此时奥氏体的平均碳浓度低于共析成分C0。,奥氏体晶核向F和Fe3C两侧的推移速度是不同的。,780时,（3）奥氏体刚刚形成时，尚有一部分残留Fe3C。 PA刚结束时，钢中还残留一些未溶解的碳化物（Fe3C）。此时A中的平均含碳量低于共析含碳量，这种现象是随着A形成温度的增高而加剧，当P中的铁素体F刚刚全部转变为A时，实测A的平均含C量随形成温度的增加而降低。如共析钢：,因此与Fe3C接壤的A中的C继续向A内部扩散，未溶Fe3C继续溶入A中，直到Fe3C 完全溶解为止。,奥氏体的均匀化 当上述残余Fe3C全部溶解时，A中的C浓度仍不均匀： （1）原来碳化物区域，含C量较高 （2）在原来F的中心地带，含C量较低 这就是有时在淬火钢的金相组织中，发现有类似P的痕迹原因。继续延长保温时间，通过C的扩散，可使A的含C量逐渐趋于均匀。 共析钢中奥氏体形成过程示意图如下图：,注解：亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同，但其完全奥氏体化的过程有所不同,过共析钢则只有加热到Accm以上时，才能获得单一的奥氏体组织。,亚共析钢加热到Ac1以上时，还存在自由铁素体，这部分铁素体只有继续加热到Ac3以上时，才能全部转变为奥氏体；,相变的动力学研究的是：转变温度、转变量和转变时间的 关系。 （一）奥氏体等温形成动力学 等温形成动力学TTA图（Time-Temperature- Austenize ） 等温形成动力学即在一定温度下的转变量和转变时间的关系（即在一定温度下的转变速度）。 研究表明，奥氏体的形成速度决定于奥氏体的形核率和晶核的线长大速度，它受钢的成分、原始组织状态、等温温度等条件的影响。,六、 奥氏体形成动力学（即奥氏体的形成速度）,（1）共析碳钢奥氏体等温形成图建立 试样：厚2mm左右，直径约为10mm的小圆片； 原始状态：每个试样均有相同的原始组织状态； 温度：在AC1以上设定不同的温度，如730、745、765、 时间：在每个温度下保持一系列时间，如1S、5S、10S、20S 冷却：在盐水中急冷到室温； 观察：在显微镜下测出试样中马氏体的数量（相当于高温下奥氏体的 数量）； 做图：做出每个温度下奥氏体形成量和保温时间的关系曲线，即得到 了奥氏体等温形成的动力学曲线。,1、奥氏体等温形成动力学曲线,为方便，通常把不同温度下转变转变相同数量所需时间，综合在温度和时间坐标系内，这样就得到了奥氏体等温形成图。,共析碳钢奥氏体等温形成图,存在孕育期（从保温开始到转变开始的这段时间称为孕育期）。 在高于AC1温度保温时，奥氏体并不立即形成，而是需要经过一定时间后，才开始形成。温度越高，所需时间越短，通常称为孕育期。孕育期的实质是相变的准备阶段，是所有扩散型相变的共同特点。 奥氏体形成速度不同 开始时速度较慢，以后逐渐加快；在转变量达到50%时，转变速度达到极大值，以后转变速度又开始逐渐减慢。,（2）奥氏体等温形成的特点,温度越高，形成速度越快。 奥氏体刚形成时成分不均匀。,（a）过共析钢（WC1.2%）奥氏体等温形成图,（b）亚共析钢（WC0.45%） 奥氏体等温形成图,（3）过共析和亚共析碳钢奥氏体等温形成图,有人做过试验，把奥氏体的形成温度从740提高到800时，奥氏体的形核率N增加270倍，而长大速度G增加了80倍。因此，随着温度升高，奥氏体形成速度迅速增加。,2、奥氏体等温形成动力学的分析,是由于随着温度升高奥氏体的形核率和长大速度均增加的缘故,为什么等温转变温度升高奥氏体形成速度加快？,C-常数； Q-扩散激活能； TA-奥氏体形成温度； K-波尔茨曼常数；G*-临界形核功，在固态相变时：,（1）奥氏体的形核率,均匀形核条件下，奥氏体形核率N和温度之间的关系式,-常数；-奥氏体与旧相的界面能；Es-每个原子引起的应变能，GV-奥氏体与旧相之间单位体积自由能之差；,1）形核率N迅速,升高转变温度使奥氏体形成速度迅速增加的原因,2）GV随温度升高而增大,3）随温度升高原子扩散速度加快,有利于铁素体向奥氏体点阵改组，也促进渗碳体溶解，加速奥氏体的形核,使N进一步增大,以指数关系迅速增加,4）减小了奥氏体形核所需要的碳的浓度起伏，促进奥氏体的形核。,界面向中推移的速度表达式：,碳在铁素体和奥氏体中的扩散系数；, 铁素体和奥氏体界面处碳在铁素体和奥氏体中的浓度梯度；,奥氏体与铁素体相界面间的碳浓度差 负号表示下坡扩散。,（2）奥氏体晶体的长大速度G,由于碳在铁素体中的浓度梯度很小，可近似看作是0。上式可以改写为：,界面向渗碳体中推移的速度表达式：,渗碳体与奥氏体相界面间的碳浓度差,碳在奥氏体中的浓度梯度,1）温度升高，扩散系数D=D0e-Q/RT增大，同时奥氏体的两相界面之间碳浓度差C/Fe3c- C/增加，增大了碳在奥氏体中的浓度梯度，从而使奥氏体的长大速度加快；,2）温度升高，在铁素体中有利于奥氏体形核的部位增加，原子的扩散距离相对缩短了，同样有利于奥氏体的长大；,3）温度升高，奥氏体与铁素体相界面处的碳浓度差C/- C/以及渗碳体与奥氏体相界面处的碳浓度差CFe3c/- C/Fe3c均减小，因此也会加速奥氏体晶体长大。,综上所述：奥氏体形成时，升高温度（或增加过热度）始终是有利于奥氏体形成的，所以加热温度越高，奥氏体形成的孕育期以及整个相变过程所需时间越短，即奥形成速度越快。换言之：随温度的升高（或过热度的增大）奥氏体的形成是加速的。,（1）温度 在各种影响因素中，温度的作用最为强烈，因此控制奥氏体的形成温度十分重要。 （2）碳含量 钢中碳含量越高，奥氏体的形成速度越快。增加了奥氏体的形核部位，同时碳的扩散距离相对减小。 （3）原始组织的影响 如果钢的化学成分相同，原始组织中碳化物的分散度越大，相界面越多，形核率便越大；珠光体片间距离越小，奥氏体中碳浓度梯度越大，扩散速度便越快；碳化物分散度越大，使得碳原子扩散距离缩短，奥氏体晶体长大速度增加。,3、影响奥氏体形成速度的因素,通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度,（4）合金元素的影响,强碳化物形成元素Cr、Mo、W等，降低碳在奥氏体中扩散系数，推迟珠光体转变为奥氏体； 非碳化物形成元素Co、Ni等增大碳在奥氏体中的扩散系数，使奥氏体形成速度加快；Si、Al等对碳原子的扩散系数影响不大，因此对奥氏体的形成无明显的影响。,合金元素通过改变碳化物稳定性影响奥氏体的形成速度,通常使碳化物稳定提高的元素，将延缓奥氏体的形成。钢中加入W、Mo和其它强碳化物形成元素，由于在钢中可以形成稳定性极高的特殊类型的碳化物，加热时不易溶解，将使奥氏体形成速度减慢。,原始组织中合金元素的影响,对临界点的影响,Ni、Mn、Cu等降低A1温度；Cr、Mo、 Ti、 Si、Al、W、 V等升高A1温度。,原始组织中Ni、Mn等使珠光体细化，有利于奥氏体的形成。,（5）合金钢中奥氏体均匀化,合金元素在原始组织各相中（F和Fe3C）分布是不均匀的，在退火状态下，碳化物形成元素主要集中在碳化物中，而非碳化物形成元素则主要集中在铁素体中，合金元素这种不均匀分布，一直到碳化物溶解完毕后，还显著地保留在钢中，致使合金钢奥氏体形成后，除了碳的均匀化外，还要进行合金元素的均匀化。,在其它条件相同的情况下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳在奥氏体中的扩散速度小10010000倍。此外，碳化物形成元素还会减小碳在奥氏体中的扩散速度，这将降低碳的均匀化速度，因此，合金钢均匀化所需时间常常比碳钢长得多。,但是 由于奥氏体的形成是在连续加热条件下进行的，所以在相变动力学及相变机理上常会出现若干等温转变所没有的特点。,（二）连续加热时奥氏体的形成,感应加热、火焰加热,连续加热时奥氏体形成的基本过程和等温转变相似，也是由奥氏体的形核、长大、残留碳化物溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段组成。,形成晶核,长大,残余Fe3C溶解,A成份均匀化,1、在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度增大而升高,连续加热时奥氏体的形成特点,2、相变是在一个温度范围内完成的,奥氏体形成的开始温度和终了温度均随加热速度增大而升高。当钢的加热速度大到某一范围时，所有亚共析钢的转变温度均相同，加热速度约在105-106/S范围内时含碳在0.20.9%的钢的转变温度均约在1130。,加热速度越快奥氏体的温度范围越宽，但形成速度加快，奥氏体形成时间缩短。,3、可以获得超细晶粒； 4、钢中原始组织的不均匀使连续加热时的奥氏体化温 度升高； 5、快速连续加热时形成的奥氏体成分不均匀性增大： C/， C/Fe3c 6、在超快速加热条件下，铁素体转变为奥氏体的点阵改组属于无扩散型相变。,改变奥氏体的形成温度； 合金碳化物形成元素通过影响碳的扩散系数而影响奥 氏体的长大； 合金碳化物稳定而使得碳化物溶解时间和奥氏体成分 均匀化延长； 合金元素扩散慢而影响奥氏体成分均匀化延长。,影响奥氏体形成速度的因素,七、 奥氏体晶粒长大及其控制,1、研究奥氏体晶粒的意义,钢的P、B、M等组织都是由A组织转变过来的，因此，A的晶粒大小必然影响到它们的转变产物的组织和性能。例如用高碳工具钢制造的工具，如果在加热过程中，A晶粒粗大了，则淬火后M也粗大，这种粗大M组织的刀具脆性大，使用时易崩刃，又如高速钢制作的冷变形模具，采用低温淬火（亚温淬火），A晶粒变细，M含C量较低，韧性较高，使用寿命 提高。（见下表）,高速钢模具的淬火温度对使用寿命的影响,晶粒细化可以提高钢的强度、韧性和使用寿命，所以研究A晶粒长大问题，具有重要的实际意义。,2、奥氏体晶粒度的概念,奥氏体的晶粒大小用晶粒度表示，通常分为8级评定，1级最粗，8级最细。若晶粒度在10以上则称为“超细晶粒”。晶粒度级别与晶粒大小的关系为：,钢中晶粒度标准级别图,三种奥氏体晶粒度概念,起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度,起始晶粒度：,这种晶粒比较细小，它决定于钢加热转变时奥氏体的形核率和长大速度。N愈大，起始晶粒度愈细小，V愈大，起始晶粒愈粗大,奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。,实际晶粒度：,是指钢在具体的热处理或加热条件下，实际获得的A晶粒度。 它一般总比起始晶粒大，其大小直接影响钢件的性能。,本质晶粒度：,用于表征钢的奥氏体晶粒长大的倾向。 晶粒长大倾向大的称“本质粗晶粒”，晶粒长大倾向小的称“本质细晶粒”,根据标准试验方法（YB27-64）经93010，保温3-8h后测得的奥氏体晶粒的大小。,在该温度后，本 质细晶粒钢的长大 倾向更大，晶粒更 粗，力学性能更差,奥氏体晶粒尺寸 与加热温度关系,3、晶粒长大现象,1）长大的总趋势 晶粒：由细小大 晶粒大小：由不均匀相对均匀 界面：由弯曲平直 界面积：由大小 界面能：高低 加热转变后，如果温度进一步升高，时间继续延 长，则A晶粒将不断长大。,温度一定，时间延长，A晶粒也将长大。 正常长大，随T，晶粒不断长大 异常长大，随T，晶粒在某一温度值后急剧长大 晶粒长大到一定程度后，即使继续延长保温时间，也不 会再有明显的长大,2）长大过程 孕育期：奥氏体刚刚完成转变，经过一定时间（孕 育）后开始长大。 不均匀长大期：个别晶粒吞食周围小晶粒而长大。 均匀长大期：细小晶粒被吞并后，所有晶粒开始缓慢均匀长大。,本质细晶粒钢可以明显看出三个阶段，本质粗晶粒钢，一般只能看到奥氏体的均匀长大，不均匀长大期不明显。,3）A晶粒长大的机制,（1）A晶粒长大的驱动力推动晶界迁移的驱动力来 自于A晶界的界面能。 （2）A晶粒的长大将导致界面的减少使能量降低。 A晶粒的长大基本上是晶界移动的过程。 A晶粒向大晶粒演变，这是一个能量降低的过程。 A晶粒晶界多，晶界是高能地区。晶粒长大后，晶界总面积减少，体系的能量降低，所以高温下，A晶粒长大是一个自发过程。,球面晶界的驱动力P： P2 /R 球面晶界的界面能； R球面曲率半径。 设界面能一定时,当R，则P； R时，驱动力P0。,4）影响A晶粒长大的因素 有：加热温度、加热时间、加热速度、第二相颗粒等影响因素,加热温度越高、保温时间越长，形核率越大，长大速度越大，奥氏体晶界迁移速度越大，其晶粒越粗大。,加热速度快，奥氏体实际形成温度高，形核率增高，由于时间短奥氏体晶粒来不及长大，可获得细小的起始晶粒度。,过热现象：晶粒过分长大。正火、退火可以消除。 过烧现象：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,C%的影响：C%高，C在奥氏体中的扩散速度以及Fe的自扩散速度均增加，奥氏体晶粒长大倾向增加，但C%超过一定量时，由于形成Fe3C，阻碍奥氏体晶粒长大。 合金元素的影响 能够阻止晶粒长大的元素有：Ti、Zr、V、W、Nb 阻止晶粒长大作用较弱的元素有：Si、Ni、Cu 但促进晶粒长大的元素有