热处理原理之加热转变PPT课件

1、1加热在临界点A1以下的加热在临界点A1以上的加热不发生组织变化奥氏体化钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织，从而得到钢的不同性能。奥氏体的形成和奥氏体晶粒的大小显著影响随后冷却时奥氏体的转变特点和转变产物的组织与性能。第1页/共65页2共析钢加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能获得单相奥氏体。第2页/共65页3在实际热处理条件下，相变是在不平衡条件下进行的，加热或冷却时的温度会出现滞后现象。把加热时的实际临界温度标以字母“c”把冷却时的实际临界温度标以字母“r”第3页/共65页4Ac1加热时珠光体

2、转变为奥氏体的温度Ar1冷却时奥氏体转变为珠光体的温度Ac3加热时F先全部转变为奥氏体的温度Ar3冷却时奥氏体开始析出F先的温度Accm加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的温度Arcm冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度第4页/共65页53.2 奥氏体的形成奥氏体是碳溶于-Fe的八面体间隙中的间隙固溶体 奥氏体的性能碳的最大溶解度为2.11如果-Fe的每个八面体间隙均溶一个碳原子，最多可溶20wt%的碳。碳原子半径0.077nm八面体间隙半径0.053nm第5页/共65页6第6页/共65页712CrNi3钢的原奥氏体晶粒组织第7页/共65页8奥氏体的面心立方结构奥氏体具有高的塑性和低的屈服强度在相

3、变过程中容易发生塑性变形产生大量的位错或出现孪晶相变硬化随后的再结晶、高温下晶粒的反常细化低温下M相变的系列特点第8页/共65页9比容奥氏体最小在钢中可能出现的各种组织中线膨胀系数奥氏体最大残余应力和一系列的相变特点在奥氏体形成或由奥氏体转变为其它组织时，都会发生体积变化第9页/共65页10奥氏体顺磁性铁素体马氏体铁磁性可以利用这个特点来研究钢中的相变铁碳合金奥氏体在A1温度以上才能稳定存在加入足量的A形成元素Mn、Ni、Co等奥氏体在室温下也可稳定存在奥氏体的成分对于它向其它组织转变的动力学影响很大，从而对钢的性能也有很大的影响。第10页/共65页11 奥氏体的形成条件根据铁碳相图，在极缓慢

4、加热时，珠光体向奥氏体的转变是在PSK线即A1温度开始的，而先共析铁素体和先共析渗碳体向奥氏体的转变则是始于A1，分别结束于A3(GS线)和Acm(ES线) 。第11页/共65页12珠光体（P）和奥氏体（）自由能随温度的变化曲线（示意图）然而当加热速度提高时，上述转变是在过热情况下发生的，即实际转变温度分别高于A1、A3和Acm。也就是说，奥氏体形成的热力学条件为存在一定的过热度。只有存在一定的过热度才存在转变动力（G=G-GP0）第12页/共65页13奥氏体的形成遵循相变的一般规律，即包括形核和长大两个基本过程。3.3 奥氏体的形成机理 共析碳钢（含0.77%C）加热前组织为珠光体，共析钢的

5、加热转变即为珠光体将转变为奥氏体。 共析钢的加热转变 奥氏体的等温形成过程对于不同的原始组织，奥氏体形成时在形核和长大方面都将表现出不同的特点。第13页/共65页14珠光体向奥氏体转变示意图 奥氏体晶核的形成奥氏体的长大残余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化珠光体奥氏体化过程第14页/共65页15第一阶段：奥氏体晶核的形成因此，由珠光体转变为奥氏体，既需要有碳原子的扩散，也需要有晶体结构的变化。0.0218%6.69%0.77%在A1温度下含碳量铁素体渗碳体奥氏体晶体结构体心立方面心立方复杂斜方第15页/共65页16对于不同的原始组织，奥氏体优先形核的位置是不一样的。球状珠光体 片状珠光体优先在与

6、晶界相连的/Fe3C界面形核其次在不与晶界相连的/Fe3C界面上形核优先在珠光体团的界面上形核其次在/Fe3C片层界面形核第16页/共65页17在/Fe3C界面处的浓度起伏较大，有利于达到奥氏体形核所需要的碳浓度；在/Fe3C界面界面处，原子排列不规则，有利于铁原子通过短程扩散实现晶体结构的转变；在/Fe3C界面处，存在着其它晶体缺陷及杂质等，能量起伏较大，有利于形核。两相交界面越多，奥氏体晶核越多奥氏体晶核在/Fe3C界面上优先形核的原因第17页/共65页18当奥氏体形成后，立即建立了Fe3C/与/两个相界由于在奥氏体的两个相界处的碳浓度不等，造成碳浓度差CC-cC-。第二阶段：奥氏体的长大

7、第18页/共65页19这个浓度差必然导致C从高浓度的/Fe3C相界向低浓度的/相界扩散。扩散的结果导致相界碳浓度平衡被破坏，为了保持相界碳浓度的局部相平衡，/相界必须向相一侧推进，同时/Fe3C相界向Fe3C相一侧推进。这种“相界扩散移动”的不断进行，晶体就不断长大。第19页/共65页20奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。奥氏体长大阶段的实质，就是铁素体与奥氏体之间的晶格重构、同时渗碳体不断溶入奥氏体中、以及碳在奥氏体中的扩散。奥氏体的长大方向：球化体、片状珠光体第20页/共65页21第三阶段：残余渗碳体的溶解在奥

8、氏体晶体长大过程中，/相界处的碳浓度差远远小于/Fe3C相界处的碳浓度差，在/Fe3C界面一侧只需溶解一小部分渗碳体，就足以维持/Fe3C的相界平衡。而在/界面另一侧必须溶解大量铁素体，才能维持/相间平衡。第21页/共65页22由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“残余渗碳体”存在，因此，还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。 第22页/共65页23在渗碳体全部溶解后，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需要保温足够时间，让碳原子充分扩散，才可能使奥氏体内的成分均匀。 第四阶段：奥

9、氏体成分的均匀化原铁素体一侧原渗碳体一侧第23页/共65页24上述分析表明，珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充分条件：一是温度条件，要在Ac1以上温度加热;二是时间条件，要在Ac1以上温度保持足够时间。 在一定加热速度条件下，超过Ac1的温度越高，奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短； 在一定的温度（高于Ac1）条件下，保温时间越长，奥氏体成分越均匀。 第24页/共65页25亚共析钢、过共析钢的珠光体奥氏体化过程与共析钢转变过程是一样的：即在Ac1温度以上加热，无论亚共析钢或是过共析钢中的珠光体均要转变为奥氏体。亚共析钢还存在铁素体的转变；过共析钢还存在二次渗碳体的溶解。

10、 非共析钢的加热转变与共析钢的加热转变相比相 同不 同第25页/共65页26具有相同的四个形成阶段 连续加热时奥氏体的形成过程连续加热时，奥氏体形成过程四个阶段的温度都随着加热速度的增大而向高温移动；连续加热时，奥氏体是在一个温度范围内形成的。与奥氏体等温形成相同的是：与奥氏体等温形成不同的是：第26页/共65页27 奥氏体等温形成动力学研究奥氏体等温形成动力学的方法通常是：将小试样迅速加热到Ac1以上不同温度；在各温度下保持不同时间；迅速淬冷；再用金相法测定奥氏体转变量与时间的关系（实际上是测定奥氏体淬冷后转变成马氏体的量与时间的关系）。3.4 奥氏体形成动力学 第27页/共65页28 奥氏

11、体形成需要一定的孕育期。孕育期的作用是等待临界晶核的形成，也就是等待出现适当的能量起伏和浓度起伏。从奥氏体等温形成动力学曲线可以看到：第28页/共65页29 等温转变开始阶段，转变速度逐渐增大，在转变量约为50时达到最快，然后逐渐减慢。在开始阶段，在已形成的晶核不断长大的同时，又有新的晶核不断形成并长大，因此单位时间内形成的奥氏体越来越多；当转变超过50后，未转变的珠光体越来越少，假定形核率保持不变，新形成的晶核也会越来越少；此外，不断长大的奥氏体会越来越多地彼此接触而停止长大，因此，单位时间内形成的奥氏体量越来越少。第29页/共65页30 温度越高，奥氏体的形成速度越快。这是因为，随着温度的

12、升高，过热度增大，使临界晶核的半径减少，.2cVrG3max2163()VWGG expQWInvkT0 x xdxDCGdCCx第30页/共65页31将不同温度下奥氏体等温形成的进程综合表示在一个图中，就得到奥氏体等温形成动力学图，又称为TTA图。Time-Temperature-Austenitization第31页/共65页32亚共析钢与过共析钢的奥氏体等温形成动力学与共析钢基本一样。过共析钢退火组织为珠光体和渗碳体，而且钢中渗碳体的数量比共析钢中多，因此残留渗碳体的溶解与奥氏体均匀化需要的时间更长。不同的是亚共析钢退火组织由珠光体和铁素体组成，当加热至Ac1以上温度时，除了有铁素体存在

13、外，还有残留渗碳体存在；加热至Ac3以上温度时，铁素体全部转变为奥氏体后仍可能有部分残留渗碳体存在，因此，也必须有足够的保温时间。第32页/共65页33 连续加热时奥氏体的形成动力学由于实际生产中奥氏体基本上都是在连续加热条件下形成的，因此，连续加热TTA图比等温TTA图具有更大的实用价值。近年来出现的激光热处理、电子束冲击、感应脉冲加热热处理等，都要求了解在快速加热条件下奥氏体形成的规律。因此，连续加热时TTA图的测定，显得越来越重要。第33页/共65页34钢在连续加热时的TTA图的测定：所用的一组试样分别以不同加热速度加热，加热到不同温度后迅速淬冷，然后观察其显微组织，配合膨胀试验结果确定

14、奥氏体的形成进程。钢的连续加热TTA图的使用：首先应该找到或作出所用的加热速度线，然后求此线与Ac1、Ac3或Accm线相交各点所对应的温度和时间。第34页/共65页35第35页/共65页36奥氏体的形成温度：连续加热时由于增大了加热速度，临界点Ac1及Ac3都要升高，因此奥氏体形成过程四个阶段的温度都随着加热速度的增大而向高温移动；当加热速度很大（如105106 /sec）时，奥氏体的形成温度就不再升高；奥氏体形成温度范围：连续加热时，奥氏体是在一个温度范围内形成的。加热速度越大，奥氏体形成温度范围越宽，而奥氏体形成速度越快。与奥氏体等温形成不同的是：但是，快速加热却增大了奥氏体成分的不均匀

15、性第36页/共65页37根据经典均匀形核理论，临界晶核通过原子碰撞再添加一个原子，就可以成为稳定的新相晶核。 奥氏体形成动力学的理论处理 奥氏体的形核率N因此，形核率N应正比于单位体积中的临界晶核数目Nexp(-G*/kTA)和单位时间内周围原子碰撞临界晶核的次数K，而K与原子的扩散能力有关，即正比于exp (-Q/kTA)。这样形核率就可以表示为：exp(*/)exp(/)AANCGkTQ kT第37页/共65页38exp(*/)exp(/)AANCGkTQ kT式中 C 比例常数； G*临界晶核形核功； kBoltzmann常数； TA奥氏体形成温度； Q原子的扩散激活能。对于固态相变33

16、24*/()27VSGGE 式中 与晶核形状和界面性质有关的常数； 新相母相间的比界面能； GV相变前后的体积自由能差； ES晶核中每个原子引起的应变能。第38页/共65页393324*/()27VSGGE exp(*/)exp(/)AANCGkTQ kT实验证明，T从740升高到800，N提高270倍。当奥氏体在较高温度下形成时奥氏体形成温度TA增大加热温度升高GV增大G*减小形核率随温度升高而大大增加第39页/共65页40 奥氏体的长大线速度CdcDdxVkCC 奥氏体向铁素体推进的线速度336.69CFe CFe CdcDdxVkC 奥氏体向渗碳体推进的线速度推导的前提条件：假定奥氏体的

17、长大完全受碳在奥氏体中的扩散所控制。目前已有的奥氏体形成动力学公式都还不能很好反映各种钢的实际情况，它们在定性上是正确的，但定量上还不能令人满意。第40页/共65页41 影响奥氏体形成速度的因素 温度的影响奥氏体的形成速度，既取决于新旧相的自由能差，又受铁、碳等原子扩散所控制。因此，提高奥氏体的形成温度，可以明显加速奥氏体化过程。生产实践表明，温度是影响奥氏体化进程最为强烈的因素。外因内因加热温度加热速度钢中的成分原始组织含碳量合金元素第41页/共65页42加热速度越大，奥氏体形成的温度范围越宽，而形成的时间缩短。也就是说，增大加热速度，加快了奥氏体形成速度。注意：快速加热增大了奥氏体成分的不

18、均匀性因此，对于要求快速加热的钢件，生产上希望原始组织中碳化物尽量要大小均匀、分布弥散。这是由于加热速度增大，碳化物溶解不充分、碳和合金元素扩散不充分，从而使A成分不均匀。 加热速度的影响第42页/共65页43 含碳量的影响钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。含碳量增高含碳量增高 / Fe3C的相界面积增加奥氏体的形核率提高碳、铁等原子的扩散系数增大渗碳体增多奥氏体形成速度增加第43页/共65页44不同碳含量钢中奥氏体形成50时所需要的时间第44页/共65页45 合金元素的影响影响碳在奥氏体中的扩散系数；改变碳化物的稳定性。 合金元素影响碳在奥氏体中的扩散系数碳化物形成元素如Cr、Mo、W等

19、，降低碳在奥氏体中的扩散系数，因而降低奥氏体形成速度。非碳化物形成元素Ni、Co等，增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而增大奥氏体形成速度。如：在钢中加入1W，可使碳在奥氏体中的扩散系数减小一半；而加入4Co，可以使碳在奥氏体中的扩散系数增大一倍。第45页/共65页46 合金元素加入改变碳化物的稳定性加入不同的合金元素及其数量，将形成不同稳定性的碳化物，通过影响碳化物的溶解而影响奥氏体的形成速度。如果在钢中加入了强碳化物形成元素，如W、Mo、V、Ti等，由于形成更为稳定的合金碳化物，它将使奥氏体的形成速度大大降低。奥氏体合金化后，成分的均匀化更困难，必须延长保温时间，甚至增高温度，以保证获得成分均

20、匀的奥氏体。第46页/共65页47 原始组织的影响渗碳体的分散度 渗碳体的形状在相同成分的钢中，渗碳体越分散，相界面积就越多，成核率便越大；渗碳体的片间距越小，碳的扩散距离越短，奥氏体的长大速度越大。因此，原始组织中渗碳体越分散，奥氏体的形成速度越大。原始组织中渗碳体一般两种形态：片状渗碳体与粒状渗碳体。由于片状比粒状的相界面更大些，它的形核率就高些，同时，片状渗碳体也比较容易溶于奥氏体。因此前者比后者的奥氏体形成速度大。第47页/共65页48是衡量钢件力学性能与工艺性能的重要指标；也是分析服役零件破断失效的主要参考数据。3.5 奥氏体晶粒度及其控制 奥氏体晶粒度的基本概念奥氏体起始晶粒度；奥

21、氏体实际晶粒度；奥氏体本质晶粒度。奥氏体晶粒度及其均匀性siKyd-1/2TCd-1/2第48页/共65页49将钢加热至临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成、其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小，称为奥氏体起始晶粒度。 奥氏体起始晶粒度起始晶粒度取决于奥氏体的成核率和长大速度可见，增大成核率或降低长大速度，是获得细小奥氏体起始晶粒的重要途径。在1mm2面积内的晶粒数目n与成核率N和长大速度G之间的关系可用下式表示:121.01(/)nN G第49页/共65页50 奥氏体实际晶粒度在一定热处理加热、焊接或热加工制度下，所获得的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体实际晶粒度。对于热轧(锻)钢材，它是指热轧(锻)终

22、了时钢中的奥氏体晶粒大小；对于实际零件，一般是指热处理加热状态下的奥氏体晶粒大小。奥氏体实际晶粒度基本决定钢件热处理后基体组成相的晶粒大小。在一般加热速度下，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体实际晶粒越粗大，冷却状态的实际组织也越粗大。第50页/共65页51 奥氏体本质晶粒度根据标准试验方法规定，允许采用渗碳法、氧化法及直接腐蚀法等，将钢材加热至93010，保温38小时，然后冷却至室温，测得的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体本质晶粒度。G：奥氏体晶粒度级别 ：放大倍数为1时，晶粒的平均截距直接用奥氏体晶粒尺寸来表示本质晶粒度非常不方便，因此工程上统一将不同晶粒尺寸换算成晶粒度级别，其换算公式为：G3

23、.28776.6439第51页/共65页52根据上式计算，奥氏体晶粒度评级标准有8级，1级晶粒最粗，8级晶粒最细。超过8级如913级以上者称为超细晶粒，还有比1级晶粒更粗的，如0、1、2级等。晶粒度的各种级别均有准图片供使用时查对。G3.28776.6439第52页/共65页53标准晶粒度等级（放大100倍） 第53页/共65页54标准晶粒度等级（放大100倍）第54页/共65页55在较低的奥氏体化温度时晶粒长大甚微或不长大，当加热至一定温度时晶粒骤然增大，然后长大速度又减小的一类长大过程。奥氏体本质晶粒度仅表示钢材加热时晶粒长大的倾向晶粒长大的倾向正常长大异常长大随着奥氏体化温度的升高或奥氏

24、体化时间的延长，奥氏体晶粒逐渐长大的一类过程一般用硅脱氧的钢一般用铝脱氧的钢第55页/共65页56A晶粒具有正常长大倾向的钢称为本质粗晶粒钢A晶粒具有异常长大倾向的钢称为本质细晶粒钢第56页/共65页57 奥氏体晶粒长大的影响因素奥氏体转变刚刚完成时，奥氏体晶粒大小是很不均匀的，先形核的晶粒长得较大，其晶面弯曲且能量较高，在随后的加热或保温过程中，它们会会继续长大，而较后形成的较小的晶粒可能会逐渐减小甚至消失。影响奥氏体晶粒长大的主要因素有： 加热温度 加热速度 保温时间 第二相颗粒第57页/共65页58 加热温度、加热速度和保温时间的影响加热温度的影响：加热温度越高，铁、碳原子的扩散越容易进

25、行，奥氏体晶粒长大越容易，得到的奥氏体晶粒越粗大；加热速度的影响：加热速度越快，铁、碳原子的扩散越不充分，在同一加热温度下奥氏体晶粒长大越不容易，最终得到的奥氏体晶粒越细小；保温时间的影响：保温时间越长，铁、碳原子的扩散进行越充分，奥氏体晶粒越容易长大，最终得到的奥氏体晶粒越粗大。第58页/共65页59第二相质点对奥氏体晶粒长大的影响，可以用Gladman的经验公式来进行说明：rc 能够有效钉扎晶界的第二相质点的临界半径;f 第二相质点的体积百分数；R0 奥氏体起始晶粒半径；Z 奥氏休起始晶粒的不均匀因子，即起始晶粒 最大尺寸与R0的比值。式中：106322cR frZ 第二相质点的的影响第59页/共65页60在相同的奥氏体起始晶粒度及均匀性时，钢中第二相质点数量越多、尺寸越小，即第二相质点的体积百分数越大，则能够有效钉扎