奥氏体的形成

1、奥氏体是碳溶于YFe中的间第二章奥氏体的形成2.1奥氏体及其形成机理2.1.1奥氏体的结构及其存在范围隙固溶体碳原子位于八面体间隙中心， 即FCC晶胞的中心或棱边的中点八面体间隙半径0.52 A碳原子半径0.77 A 点阵畸变图2-1奥氏体的单胞45-1奥氏体相区：NJESGN包围的区域GS线-"-A3线ES线-Acm线PSK线A线碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11wt% (10at%)碳原子的溶入使Y- Fe的点阵畸变，点阵常数随碳含量的增加而增图22 Fe-C相图45-22.1.2奥氏体的性能奥氏体的比容最小，线膨胀系数最大，且为顺 磁性（无磁性）。利用这一特性可以定量分析奥 氏

2、体含量，测定相变开始点，制作要求热膨胀灵 敏的仪表元件。奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避 免工件的变形，不宜采用过大的加热速度。奥氏体塑性很好，Os较低，易于塑性变形。 故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。2.1-3奥氏体形成的热力学条件AG = AGv + AGs+ AGve(2-1)-AGd -在晶体缺陷处形核1 引起的自由能降低相变必须在一定的过热 度AT下，使得AGv <0,才 能得到AG<0o所以相变必7亠(小 727© Ti 温度，°C0理誥须在高于A1的某一温度下才能发生，奥氏体才能开始形核。图23自由能和温度关系图45-5加热时临界点

3、 加注C :ccm冷却时临界点 加注I:rem940860O820780740700碳含秋，/Ari11145-545-#图24以0.125 °C/min加热和冷却 时，FeC相图中临界点的移动45-#2.1.4奥氏体的形成机理奥氏体的形成为形核长大、扩散型相变 奥氏体的形成过程可分成四个阶段:(1) 奥氏体的形核(2) 奥氏体的长大(3) 渗碳体的溶解(4)奥氏体的均匀化45-745-#45-#图25奥氏体形成的四个阶段45-#(1) 奥氏体的形核形核的成分、结构条件在A】温度(727°C):45-945-#C% 0.02186-690.77结构BCC复杂斜方FCC45-

4、#形核位置 鉴于相变对成分、结构以及能量的要求，晶核将在 a /Fe3C相界面上优先形成，这是由于： 相界面形核，可以消除部分晶体缺陷而使体系的 自由能降低，有利于相变对能量的要求。 相界面两边的碳浓度差大，较易获得与新相奥氏 体相适配的碳浓度，况且碳原子沿界面扩散较晶内 为快，从而加速了奥氏体的形核。相界面处，原子排列较不规则，易于产生结构起 伏，从而由BCC改组成FCCo45-11(2)奥氏体的长大图26相界面上的碳浓度及扩散45-13图27相界面上的碳浓度及扩散45-# 奥氏体在a /Fe3C相界面上形核后，将产生三相平衡, 产生y /Fe3C和i7 a两个相界面。 C.k > C

5、r.a ,浓度差 dC = Cr.k - Cr.a将在奥氏体内产生扩散5 a f 5 a '；% I 相界面上的平衡浓度被打破 为了恢复并维持相界面上的平衡浓度a点阵重构-Y,向a方向长大，Cr.aU -Cr.aFesC向y中溶解，向FesC方向长大，Cr.kJ t Cr.k皿丄 dx A J奥氏体晶核的长大速度G =D 77山 A j=D (1 + )(2-2)dx A j Ak其中：D-碳在/中的扩散系数竽-碳在y中的浓度梯度dxdC = Cr_K -Cr_a ; dx为生成的y小晶粒厚度= c_ cAC/<=>a y-a a-yy / a界而上的碳浓度差45-1745

6、-#CyoK = Cy - Cy_K Y /屁3C界而上的碳浓度差45-#45-#45-#由式(2-2)可知，奥氏体晶核的长大速度 与碳在奥氏体中的浓度梯度成正比，而与相 界面上的碳浓度差成反比。由于y/Fe3C相界面的碳浓度差人5屮较 大，FesC本身复杂的晶体结构，使得奥氏体 向渗碳体方向的长大速度远比向铁素体方向 为小，所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体 的溶解要快得多，铁素体先消失，而渗碳体 有剩余。45-19(3)剩余渗碳体的溶解剩余渗碳体借助于Fe、C原子的扩散进 一步溶解。(4)奥氏体成分的均匀化原渗碳体部位的碳浓度高，原铁素体部 位的碳浓度低。通过Fe、C原子在新形成奥氏体中的扩

7、散，实现奥氏体成分的均匀化。2.2奥氏体形成的动力学2.2.1形核率为了满足形核的热力学条件，需依靠能量起 伏，补偿临界晶核形核功，所以形核率应与获 得能量涨落的几率因子exp(-AG7kT)成正比。为了达到奥氏体晶核对成分的要求，需要原 子越过能垒，经扩散富集到形核区，所以应与 原子扩散的几率因子exp(Q/kT)成正比。(2-3)N = C5 exp(-AG7kT)exp(-Q/kT)式中：C5 -常数ag* -临界形核功Q扩散激活能-玻尔兹曼常数，=1.38X1(h23 j/k45-2345-#T -绝对温度N “形核率,单位i/(mm3 s)与结晶不同的是，P-A的相变，是在升高温度下

8、进 行的相变。温度升高时，AG* ! , Q I ,从而形核率N增大。2.2.2奥氏体线长大速度-哙(亡+上)(2-2)碳在奥氏体中的扩散系数D=Doexp(-Q/RT)阿累尼乌斯方程(Arrhenius)长大线速度，单位mm/s温度升高时，D仁dC t 5 ACyaI5 AC丫一k从而线长大速度G增大。2.2.3奥氏体等温形成动力学曲线设新形成的奥氏体为球状，则由约翰逊迈尔方 程(JohnsonMehl方程)：=l-exp(-AG3?)(2-4)vt -新形成奥氏体的体积分数转变量达50%左右时，转变速度最大。转变温度越高，奥氏体形成的孕育期越短。转变温度越高，完成转变所需的时间越短。45-

9、25形成温度升高，N的 增长速率高于G的增长 速率，N/G增大，可获 得细小的起始晶粒度。形成温度升高， Gy_a/Gy_k 增大,铁 素体消失时，剩余渗碳 体量增大，形成奥氏体 的平均碳含量降低。T；诂乙时间一*图28奥氏体等温形 成动力学曲线45-212.2.4连续加热时奥氏体的形成特点图29珠光体向奥氏体转变动力学曲线奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。随加热速度增大，转变趋向高温，且转变温度 范围扩大，而转变速度则增大。随加热速度增大，c, Fe原子来不及扩散，所 形成的奥氏体成分不均匀性增大。快速加热时，奥氏体形成温度升高，可引起奥 氏体起始晶粒细化；同时，剩余渗碳体量也增 多，形成

10、奥氏体的平均碳含量降低。2.2.5奥氏体形成速度的影响因素除转变温度和加热速度外，还有:(1)钢的原始组织状态原始组织越细，晶体缺陷越多，奥氏体转变过程越快。片状珠光体快于粒状珠光体。（2）钢的化学成分含碳量越高，渗碳体与铁素体的总相界面积越大，Fe、C原子扩散系数增大，从而增高N和G,形成速度增大。碳化物形成元素Cr, W, Mo, V,阻碍碳的 扩散，降低形成速度。非碳化物形成元素Ni, Co,加速碳的扩散,增大形成速度。 Mn, Ni降低钢的临界点，细化原珠光体组织，增大形成速度。2.3奥氏体晶粒长大及其控制 2.3.1奥氏体晶粒度奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分为8 级，1级最粗，8

11、级最细，8级以上为超细晶粒。晶粒度级别与晶粒大小的关系n = 2N-1(2-5)n- X100倍时,晶粒数/in2N -晶粒度级别45-2902-106级2级3级8级7级X100倍晶粒度45-27奥氏体晶粒度有三种： 初始晶粒度-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。初始晶粒一般很细小，大小不 均，晶界弯曲。 实际晶粒度-钢经热处理后所获得 的实际奥氏体晶粒大小。 本质晶粒度表示钢在一定加热条件下奥 氏体晶粒长大的倾向性。在930±10°C,保温38小时后测定：14级-本质粗晶粒钢，晶粒容易长大。58级-本质细晶粒钢，晶粒不容易长大。45-2945-31

12、加热温度，«o 1 2 3 4 5 6 7 8Es45-#45-#®2-11加热温度对奥氏体晶粒大小的影响a2.3.2奥氏体晶粒长大机制(1)晶粒长大的驱动力驱动力来自总的晶界能的下降。对于球面晶界，有一指向曲率中 心的驱动力P作用于晶界。(2-6)P巨RCT-比界面能图2-12球面晶界长 大驱动力示意图R-球面曲率半径，如为平 直晶界，R = g, P = Oo公式(26)的推导:面积为A的晶界如果移动(k 距离时，体系总的Gibbs自由 能变化为(IGt ,则沿玉方向有力 P作用于晶界上，构成晶界移图2-13双晶体中的A、B 两晶粒，其中B晶粒呈球 状存在于A晶粒中。动

13、的驱动力图213中A、B晶粒间的晶界 构成一曲率半径为R的球面。45-3545-#丄如_丄A dx4 兀R2- d（4兀R'q） _ 2adRR45-#图2寸4大晶粒吃掉小晶粒示意图（箭头表示晶界迁移方向）图215晶粒大小均匀一致 时稳定的二维结构45-33120°12丄20"120°106120°12120°12图216顶角均为120。的多边形晶粒图2寸7三维晶粒的稳定形 状-Kelvin正十四面体为保持三晶界交 会处的界面张力平 衡，交会处的面角 应为120°,晶界将 弯曲成曲率中心在 小晶粒一侧的曲面 晶界。大晶粒将吃掉

14、小 晶粒，使总晶界面 积减少，总的界面 能降低。图218大晶粒和小晶粒 的几何关系45-35(2)晶界迁移阻力晶界向右迁移时，奥氏体晶界面积将增加,的最大阻力为:所受P奥氏体晶界ft)3衍2r(2-7)/* -第二相微粒的体积分数 厂-第二相微粒的半径图219 Zener微粒钉扎晶界模型45-36由式（2-7）可知：A当第二相微粒所占的体积分数f 一定时，第二相粒子越细小（越 小），提供的对晶界迁移的总阻力 越大。A反之，当第二相微粒粗化时，对 晶界迁移的总阻力将会变小。(3) 奥氏体晶粒长大过程 孕育期：温度愈 高，孕育期愈短。 不均匀长大期：粗 细晶粒共存。细晶粒尺寸11 組晶粒尺寸/-晶

15、粒平彳尺寸I吋间不均匀长大期均匀长大期02-20奥氏体晶粒长大过程45-38 均匀长大期：细小 晶粒被吞并后，缓 慢长大。2.3.3影响奥氏体晶粒长大的因素(1)加热温度和保温时间表现为晶界的迁移，实质上是原子 在晶界附近的扩散过程。晶粒长大速度与晶界迁移速率及晶 粒长大驱动力成正比。(2-8)K常数Qm -晶界移动激活能随加热温度升 高，奥氏体晶粒长大 速度成指数关系迅速 增大。加热温度升高时，保温时间应相应 缩短，这样才能获得 细小的奥氏体晶粒。0100200300保温时间/ming>去蠡图221奥氏体晶粒大小与加热 温度、保温时间的关系45-40(2)加热速度的影响加热速度越大，奥

16、氏体的实际形成温度 越高，形核率与长大速度之比(N/G)随 之增大，可以获得细小的起始晶粒度。快速加热并且短时间保温可以获得细小 的奥氏体晶粒度。如果此时长时间保温，由于起始晶粒细 小，加上实际形成温度高，奥氏体晶粒很 容易长大。45-41(3)钢的碳含量的影响碳在固溶于奥氏体的情况下，由于提高了铁 的自扩散系数，将促进晶界的迁移，使奥氏体晶 粒长大。共析碳钢最容易长大。当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，由于其 阻碍晶界迁移，所以将阻碍奥氏体晶粒长大。过 共析碳钢的加热温度一般选在AC1 - Accm两相 区，为的就是保留一定的残留渗碳体。43-41（4）合金元素的影响 Mn, P促进奥氏体晶粒长大：J" Mn -在奥氏体晶界偏聚，提高晶界能；Ip -在奥氏体晶界偏聚，提高铁的自扩散 系数。强碳氮化物形成元素Ti, Nb, v形成高熔 点难溶碳氮化物（如TiC, NbN）,阻碍晶界