1-奥氏体转变

1、第一章 奥氏体相变1、A形成概述形成概述返回 一一. 奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件G = V Gv + S + V - GdS新相表面积；新相表面积；新相单位表面积界面能；新相单位表面积界面能；V新相体积；新相体积；新相单位体积的应变能新相单位体积的应变能 - Gd - 在在晶体缺陷晶体缺陷处形核处形核引起的自由能降低引起的自由能降低n 相变必须在一定的相变必须在一定的过热度过热度T下，使得下，使得GV 0，才能得到，才能得到G Cr- ，浓度差，浓度差 dC = Cr-k - Cr- 将在奥氏体内产生扩散将在奥氏体内产生扩散 Cr- Cr- ； Cr-k Cr-k 相界面上的

2、平衡浓度被相界面上的平衡浓度被打破打破 为了为了恢复恢复并维持相界面上的平衡浓度并维持相界面上的平衡浓度 点阵重构点阵重构，向，向方向长大，方向长大，Cr- Cr- Fe3C向向中溶解，向中溶解，向Fe3C方向长大，方向长大， Cr-k Cr-k n 奥氏体晶核的长大速度奥氏体晶核的长大速度界面上的碳浓度差界面上的碳浓度差小晶粒厚度为生成的中的浓度梯度碳在中的扩散系数碳在其中：CFeCCCCCCdxCCdCdxdCDCCdxdCDCdxdCDCdxdCDGGGKKKrKrKkk3/;)22()11(11相图n 由式（由式（2-2）可知，奥氏体晶核的长大速度）可知，奥氏体晶核的长大速度与与碳碳在

3、奥氏体中的在奥氏体中的浓度梯度成正比浓度梯度成正比，而与相，而与相界面上的界面上的碳浓度差成反比。碳浓度差成反比。n 由于由于 /Fe3C相界面的碳浓度差相界面的碳浓度差 Ck 较大，较大，Fe3C本身复杂的晶体结构，使得奥氏体向渗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，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所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体的溶解要快得多，要快得多，铁素体先消失，铁素体先消失，n而渗碳体有剩余。而渗碳体有剩余。（3）剩余渗碳体的溶解）剩余渗碳体的溶解n 剩余渗碳体借助于剩余渗碳体借助于Fe、C原子的扩散进

4、原子的扩散进一步溶解。一步溶解。（4）奥氏体成分的均匀化）奥氏体成分的均匀化n 原渗碳体部位的碳浓度高，原铁素体部原渗碳体部位的碳浓度高，原铁素体部位的碳浓度低。位的碳浓度低。n 通过通过Fe、C原子在新形成奥氏体中的扩原子在新形成奥氏体中的扩散，实现奥氏体成分的均匀化。散，实现奥氏体成分的均匀化。 3 奥氏体奥氏体等温形成等温形成动力学曲线动力学曲线N = C exp(-G*/kT)exp(-Q/kT) = (2-3)式中式中: C - 常数常数 G* - 临界形核功临界形核功 Q - 扩散激活能扩散激活能 k - 玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，= 1.38X10-23 J/K T - 绝对温

5、度绝对温度 N - 形核率，单位形核率，单位 1/(mm3 s)n 与结晶不同的是，与结晶不同的是，PA的相变，是在的相变，是在升高温度升高温度下进下进行的相变。行的相变。n 温度升高时，温度升高时， G* ，从而形核率，从而形核率 N 增大。增大。*AAQGKTKTIC ee 奥氏体形核率奥氏体形核率 奥氏体线长大速度奥氏体线长大速度)22()11(KCCdxdCDG 碳在奥氏体中的扩散系数碳在奥氏体中的扩散系数 D=D0exp(-Q/RT) 阿累尼乌斯方程阿累尼乌斯方程(Arrhenius)G - 长大线速度，单位长大线速度，单位 mm/sdC/dxA中中C的浓度梯度的浓度梯度 温度升高时

6、，温度升高时，D , dC/dx , C , Ck 从而线长大速度从而线长大速度G增大。增大。0.41 0.02Kv36.690.89Fe CKv由（2-2）两式可计算A向F与Fe3C两相推移速度的比值。例如，当A形成温度为780时A向F的推移速度A向Fe3C中的推移速度36.690.8914.80.41 0.02Fe Cvv表2-1 转变温度对奥氏体形核率与长大速度的影响 温 度 () 740 760 78O 800形核率(1毫米2秒) 2280 11000 51500 616000长大速度(毫米秒) O.OO1 O.OlO 0.026 0.041 4 连续加热时奥氏体的形成连续加热时奥氏体

7、的形成特点特点n 奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。n 随加热速度增大，转变趋向高温，且转变温度随加热速度增大，转变趋向高温，且转变温度范围扩大，而转变速度则增大。范围扩大，而转变速度则增大。n 随加热速度增大，随加热速度增大，C，Fe原子来不及扩散，所原子来不及扩散，所形成的奥氏体成分不均匀性增大。见图形成的奥氏体成分不均匀性增大。见图n 快速加热时，奥氏体形成温度升高，可引起奥快速加热时，奥氏体形成温度升高，可引起奥氏体氏体起始晶粒细化起始晶粒细化；同时，剩余渗碳体量也增多，；同时，剩余渗碳体量也增多，形成奥氏体的平均碳含量降低。形成奥氏体的平均碳含量

8、降低。 5 奥氏体晶粒长大及其控制奥氏体晶粒长大及其控制一一 . 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度n 奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分为奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分为8级，级，1级最粗，级最粗，8级最细，级最细，8级以上为超细晶粒。级以上为超细晶粒。n 晶粒度级别与晶粒大小的关系晶粒度级别与晶粒大小的关系 n = 2N-1 n - X100倍时，晶粒数倍时，晶粒数 / in2 N - 晶粒度级别晶粒度级别图图2-10 X100倍倍 晶粒度晶粒度Nd (m)125021773125488562644731822915.61011n 奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒度： 起始晶粒度起始晶粒度 - 奥氏体形

9、成刚结束，奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。起始晶粒一般很细小，大小不均，小。起始晶粒一般很细小，大小不均，晶界弯曲。晶界弯曲。 实际晶粒度实际晶粒度 - 钢经热处理后所获得钢经热处理后所获得的实际奥氏体晶粒大小。的实际奥氏体晶粒大小。 本质晶粒度本质晶粒度 - 表示钢在一定加热条件下奥表示钢在一定加热条件下奥氏体晶粒长大的氏体晶粒长大的倾向性倾向性。 在在 93010，保温，保温38小时后测定：小时后测定： 14级级-本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢，晶粒容易长大。，晶粒容易长大。 58级级-本质细晶粒钢，本质细晶粒钢，晶粒不容易长大。晶粒不容易长

10、大。图图2-11 加热温度对奥氏体晶粒大小的影响加热温度对奥氏体晶粒大小的影响Ac1930二二. 奥氏体晶粒长大机制奥氏体晶粒长大机制(1) 晶粒长大的驱动力晶粒长大的驱动力n 驱动力来自驱动力来自总的晶界能的下降总的晶界能的下降。n 对于对于球面晶界球面晶界，有一，有一指向曲率中指向曲率中心心的驱动力的驱动力P作用于晶界。作用于晶界。RP图图2-12 球面晶界长球面晶界长大驱动力示意图大驱动力示意图。，直晶界，球面曲率半径，如为平比界面能0)62(2PRRRP(2) 晶界迁移阻力晶界迁移阻力图图2-19 Zener微粒钉微粒钉扎晶界模型扎晶界模型 n 第二相粒子第二相粒子晶界迁移阻力晶界迁移

11、阻力 晶界向右迁移时，奥氏晶界向右迁移时，奥氏体晶界面积将增加，所受体晶界面积将增加，所受的最大阻力为：的最大阻力为：第二相微粒的半径第二相微粒的体积分数rfrfF)72(23maxn 由式（由式（2-7）可知：）可知： 当第二相微粒所占的体积分数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（一定时，第二相粒子越细小（r越越小），提供的对晶界迁移的总阻力小），提供的对晶界迁移的总阻力越大。越大。 反之，当第二相微粒粗化时，对反之，当第二相微粒粗化时，对晶界迁移的总阻力将会变小。晶界迁移的总阻力将会变小。(3) 奥氏体晶粒长大过程奥氏体晶粒长大过程图图2-20 奥氏体晶粒长大过程奥氏

12、体晶粒长大过程孕育期：温度愈高，孕育期：温度愈高，孕育期愈短。孕育期愈短。不均匀长大期：粗不均匀长大期：粗细晶粒共存。细晶粒共存。均匀长大期：细小均匀长大期：细小晶粒被吞并后，缓晶粒被吞并后，缓慢长大。慢长大。图图2-21 奥氏体晶粒大小与加热奥氏体晶粒大小与加热温度、保温时间的关系温度、保温时间的关系n 随随加热温度加热温度升高，升高，奥氏体晶粒长大速奥氏体晶粒长大速度成指数关系迅速度成指数关系迅速增大。增大。n 加热温度升高时，加热温度升高时，保温时间保温时间应相应缩应相应缩短，这样才能获得短，这样才能获得细小的奥氏体晶粒细小的奥氏体晶粒。三三. 影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大

13、的因素 (1) 加热温度和保温时间加热温度和保温时间（2）加热速度的影响）加热速度的影响n 加热速度越大，奥氏体的实际形成温加热速度越大，奥氏体的实际形成温度越高，度越高，形核率与长大速度之比（形核率与长大速度之比（N/G）随之增大，可以获得细小的随之增大，可以获得细小的起始晶粒度起始晶粒度。快速加热并且快速加热并且短时间保温短时间保温可以获得细小可以获得细小的奥氏体晶粒度。的奥氏体晶粒度。n 如果长时间保温，由于起始晶粒细小，如果长时间保温，由于起始晶粒细小，及实际形成温度高，及实际形成温度高，奥氏体晶粒很容易长大。奥氏体晶粒很容易长大。（3）钢的碳含量的影响）钢的碳含量的影响n 碳在固溶于

14、奥氏体的情况下，碳在固溶于奥氏体的情况下，由于由于提高了铁提高了铁的自扩散系数，将促进晶界的迁移，使奥氏体晶的自扩散系数，将促进晶界的迁移，使奥氏体晶粒长大。粒长大。共析碳钢最容易长大共析碳钢最容易长大。n 当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，由于由于其其阻碍晶界迁移，所以将阻碍奥氏体晶粒长大。阻碍晶界迁移，所以将阻碍奥氏体晶粒长大。过过共析碳钢共析碳钢的加热温度一般选在的加热温度一般选在 Ac1 - Accm 两相两相区，为的就是保留一定的残留渗碳体。区，为的就是保留一定的残留渗碳体。（4）合金元素的影响）合金元素的影响n Mn，P 促进奥氏体晶粒长大：促进奥氏体

15、晶粒长大： Mn - 在奥氏体晶界偏聚，提高在奥氏体晶界偏聚，提高晶界能晶界能； P - 在奥氏体晶界偏聚，提高在奥氏体晶界偏聚，提高铁的自扩散铁的自扩散系数系数。n 强碳氮化物形成元素强碳氮化物形成元素 Ti，Nb，V 形成高熔形成高熔点难溶碳氮化物（如点难溶碳氮化物（如TiC，NbN），阻碍晶界），阻碍晶界迁移，细化奥氏体晶粒。迁移，细化奥氏体晶粒。 Al Ti Zr V W Mo Cr Si Ni Cu 阻碍作用强阻碍作用强 阻碍作用弱阻碍作用弱 奥氏体晶粒直径与加热温度的关系奥氏体晶粒直径与加热温度的关系1 - 不含铝的不含铝的C-Mn钢钢 2 - 含含Nb-N钢钢（5）冶炼方法冶炼方

16、法n 用用Al脱氧，可脱氧，可形成形成 AlN - 本质细晶粒钢本质细晶粒钢n 用用Si、Mn脱氧脱氧- 本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢6 钢的组织遗传钢的组织遗传 断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。口。 钢的组织遗传性：原始为钢的组织遗传性：原始为过热过热非平衡组织非平衡组织(马氏马氏体体,贝氏体贝氏体,魏氏组织魏氏组织),经一定的加热和冷却后经一定的加热和冷却后,所形成所形成的晶粒组织恢复了原始粗大晶粒组织的晶粒组织恢复了原始粗大晶粒组织. 这种恢

17、复包括晶粒尺寸这种恢复包括晶粒尺寸,形状及位向形状及位向.组织遗传性是否出现和以下几个因素有关组织遗传性是否出现和以下几个因素有关:1. 和加热前原始组织的类型有关：和加热前原始组织的类型有关： 铁素体和珠光体等平衡组织不会出现组织遗传性；铁素体和珠光体等平衡组织不会出现组织遗传性；马氏体或贝氏体等非平衡组织则有出现组织遗传的可马氏体或贝氏体等非平衡组织则有出现组织遗传的可能。能。2.和加热速度以及加热温度有关和加热速度以及加热温度有关 马氏体等非平衡组织加热速度较慢时马氏体等非平衡组织加热速度较慢时, 易使易使奥氏体晶粒与原始组织晶粒大小成遗传关系奥氏体晶粒与原始组织晶粒大小成遗传关系, 较

18、快的加热速度较快的加热速度(100150 / min) , 以及超以及超过临界点较高的加热温度均可改变粗晶粒的过临界点较高的加热温度均可改变粗晶粒的组织遗传组织遗传, 生成晶粒细小的奥氏体组织。生成晶粒细小的奥氏体组织。3. 有些经过某种处理后的零件有些经过某种处理后的零件, 提高加热温度和速度提高加热温度和速度, 增加保温时间可以消除组织遗传性的不利影响增加保温时间可以消除组织遗传性的不利影响, 增增加其有利作用加其有利作用, 使晶粒更为细小使晶粒更为细小,性能更为优良。性能更为优良。 在热处理过程中在热处理过程中, 可以利用这些规律可以利用这些规律对于一般的钢材对于一般的钢材, 控制加热温度在临界点上控制加热温度在临界点上30-50 , 获得细小的奥氏体组织获得细小的奥氏体组织, 根据要求适当冷却根据要求适当冷却, 以保证晶粒细小以保证晶粒细小; 对一些有特殊要求的合金钢对一些有特殊要求的合金钢, 可以提高加热温度可以提高加热温度, 并进行二次淬火并进行二次淬火,以获得更为细小的马氏