第二章__奥氏体的形成

1、第二章第二章 钢中奥氏体的形成钢中奥氏体的形成3.1、奥氏体的组织特征、奥氏体的组织特征3.2、奥氏体形成机理、奥氏体形成机理3.3、奥氏体转变动力学、奥氏体转变动力学3.4、奥氏体晶粒长大及其控制、奥氏体晶粒长大及其控制n 热处理过程一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，热处理过程一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，其目的在于改变金属内部组织结构使其满足服役条件所提其目的在于改变金属内部组织结构使其满足服役条件所提出的性能要求。出的性能要求。n 欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获得欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获得A组织（奥氏体化），然后再以不同的方式冷却，发生不同组织（奥氏

2、体化），然后再以不同的方式冷却，发生不同转变，以获得不同的组织。转变，以获得不同的组织。n 可以控制可以控制A转变的条件获得理想的转变的条件获得理想的A组织，为后续处组织，为后续处理做好组织准备。理做好组织准备。n1、热处理的条件、热处理的条件n（1）有固态相变发生的金属或合金）有固态相变发生的金属或合金n（2）加热时溶解度有显著变化的合金）加热时溶解度有显著变化的合金n例例（1）纯金属：有无同素异构转变。）纯金属：有无同素异构转变。Al、Cu等金属等金属不能热处理强化只能形变强化。不能热处理强化只能形变强化。n（2）合金：根据合金相图判断，有无固体相变或溶）合金：根据合金相图判断，有无固体相

3、变或溶解度变化。解度变化。n注：不包括低温的去应力退火等注：不包括低温的去应力退火等 为什么钢能热处理为什么钢能热处理? 固态相变固态相变 有相变重结晶有相变重结晶 C溶解度显著变化溶解度显著变化 可固溶强化可固溶强化热处理温度区间：热处理温度区间： A1 T TNJEF 热处理第一步热处理第一步 加热奥氏体化加热奥氏体化LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%6.69FeT JNHA1Fe3C铁碳相图铁碳相图n 奥氏体（奥氏体（Austenite）是碳溶于）是碳溶于-Fe所形成的固溶体，所形成的固溶体，存在于共析温度以上，最大碳含量为存在于共析温度以上，最大碳含量

4、为2.11%n 奥氏体的组织形态多为多边形等轴晶粒，在晶粒内奥氏体的组织形态多为多边形等轴晶粒，在晶粒内部往往存在孪晶亚结构部往往存在孪晶亚结构2.1、奥氏体的组织特征、奥氏体的组织特征一、奥氏体的组织和结构一、奥氏体的组织和结构 1.1.奥氏体组织奥氏体组织 多边形的等轴晶粒多边形的等轴晶粒 2.2.结构结构 碳在碳在-Fe-Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体n C在在-Fe最大溶解度为最大溶解度为2.11wt%，远小于理论值，远小于理论值20wt%。（八面体间隙半径。（八面体间隙半径5.210-2nm，C原子半径原子半径7.710-2nm)n C的溶入使晶格发生点阵畸变，使晶格常数增大。的溶

5、入使晶格发生点阵畸变，使晶格常数增大。n C在奥氏体中分布不均，有浓度起伏。在奥氏体中分布不均，有浓度起伏。二、奥氏体性能二、奥氏体性能室温不稳定相室温不稳定相高塑性、低屈服强度高塑性、低屈服强度 利用奥氏体量改善材料塑性利用奥氏体量改善材料塑性顺磁性能顺磁性能 测残余奥氏体和相变点测残余奥氏体和相变点线膨胀系数大线膨胀系数大 应用于仪表元件应用于仪表元件导热性能差导热性能差 耐热钢耐热钢比容最小比容最小 利用残余奥氏体量减少材料淬火变形利用残余奥氏体量减少材料淬火变形三、奥氏体的形成与铁碳相图三、奥氏体的形成与铁碳相图E EF FG 912 S SP PQ Q11481148727727A

6、AF FA+FA+FA+ FeA+ Fe3 3C CF + FeF + Fe3 3C CK KFeFe3 3C CFeFeA A1 1A AcmcmA A3 3TT C% C%2.1、奥氏体的形成、奥氏体的形成平衡加热状态平衡加热状态实际加热状态（非平衡态实际加热状态（非平衡态）A形成的条件形成的条件过热过热1.平衡加热状态平衡加热状态 AAFPFAA31亚共析钢的奥氏体化亚共析钢的奥氏体化 室温下组织为室温下组织为F+P。 A1以上，以上，F+A A3以上，以上，AAFTCFeA1A3AcmACFeACFePcmAA331过共析钢的奥氏体化过共析钢的奥氏体化 室温下组织为室温下组织为 P+F

7、e3C A1以上，以上，Fe3C+A Acm以上，以上，A 在在A1Acm之间的奥氏体化，之间的奥氏体化， 称为称为不完全奥氏体化不完全奥氏体化，热处，热处 理工艺中常用。理工艺中常用。AFTCFe1.平衡加热状态平衡加热状态 A1A3Acm 2.实际加热状态（非平衡态）实际加热状态（非平衡态） 实际加热或冷却都是在较快的速度下进行（非平衡过实际加热或冷却都是在较快的速度下进行（非平衡过程），实际转变温度与相图中的临界温度存在一定的偏离，程），实际转变温度与相图中的临界温度存在一定的偏离，会出现滞后。会出现滞后。 也即也即G= G A - Gp 0 才发生转变。才发生转变。加热时：加热时：实际

8、转变温度移向高温，以实际转变温度移向高温，以Ac表示表示Ac1、Ac3、Accm 冷却时：冷却时：实际转变温度移向低温，用实际转变温度移向低温，用Ar表示表示Ar1、Ar3、Arcm转转 变变 温温 度度Ac1Ac3AccmA3AcmArcmAr3Ar1A1AGSEPQF7271148P+CmF+P2.110.770.0218FeC%钢在加热和冷却时临界温度的意义钢在加热和冷却时临界温度的意义nAcAc1 1加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度；加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度； nArAr1 1冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度； nAc3Ac3加热时先共

9、析铁素体全部转变为奥氏体的终加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；了温度；nAr3 Ar3 冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度；冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度； nAccmAccm加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度 nArcmArcm冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。 GTA1=727GPGA GVT3. A形成的条件形成的条件 过热（过热（TA1）过热度过热度 ，Ac1 ，驱动力，驱动力 ，转变速度，转变速度 。n加热工序的目的：得到奥氏体加热工序的目的：得到奥氏体 P ( F + F

10、e3C ) A结构结构 体心体心 复杂复杂 面心面心含碳量含碳量 0.77 0.0218 6.69 0.77二、奥氏体的形成过程二、奥氏体的形成过程(以共析钢为例以共析钢为例)n可见可见: :珠光体向奥氏体转变珠光体向奥氏体转变, ,是由成分相差悬殊、晶格截然是由成分相差悬殊、晶格截然不同的不同的两相混合物两相混合物转变成转变成单相固溶体单相固溶体的过程。因此在奥氏的过程。因此在奥氏体的形成过程必定发生体的形成过程必定发生晶格重构晶格重构和铁、碳原子的扩散。和铁、碳原子的扩散。2.22.2、奥氏体形成机制、奥氏体形成机制 形核形核+ +长大长大1.1.奥氏体的形核奥氏体的形核球状珠光体中：球状

11、珠光体中： 优先在优先在F/FeF/Fe3 3C C界面形核界面形核片状珠光体中：片状珠光体中： 优先在珠光体团的界面形核优先在珠光体团的界面形核 也在也在F/FeF/Fe3 3C C片层界面形核片层界面形核Fe3CF珠光体团界珠光体团界FFe3CAF + FeF + Fe3 3C A C A Ac1以上以上 加热加热球球状状P形形核核片片状状P形形核核(珠光体类组织向珠光体类组织向A转变）转变）(以共析钢为例）以共析钢为例）奥氏体在奥氏体在F/Fe3C界面形核原因：界面形核原因： (1) 易获得形成易获得形成A所需浓度起伏，结构起伏和能量起伏所需浓度起伏，结构起伏和能量起伏. (2) 在相界

12、面形核使界面能和应变能的增加减少。在相界面形核使界面能和应变能的增加减少。 G = -Gv + Gs + Ge -Gd Gv体积自由能差，体积自由能差， Gs 表面能，表面能， Ge 弹性应变能弹性应变能 相界面相界面Gs 、Ge 较小，更易满足热力学条件较小，更易满足热力学条件G 垂直于片层长大速度垂直于片层长大速度45钢在钢在735加热加热10min的组织的组织150001.1.奥氏体的形核奥氏体的形核2.2.奥氏体的长大奥氏体的长大片状珠光体片状珠光体 奥氏体向垂直于片层和平行于片层方向长大奥氏体向垂直于片层和平行于片层方向长大. .球状珠光体球状珠光体 奥氏体的长大首先包围渗碳体奥氏体

13、的长大首先包围渗碳体, ,把渗碳体和铁素体把渗碳体和铁素体隔开隔开, ,然后通过然后通过A/FA/F界面向铁素体一侧推移界面向铁素体一侧推移, A / , A / FeFe3 3C C界面向界面向FeFe3 3C C一侧推移一侧推移, ,使使F F和和FeFe3 3C C逐渐消失来实现逐渐消失来实现长大的长大的. .2.2、奥氏体形成机理、奥氏体形成机理原始组织原始组织5S8S15S球状球状P向向A的转变的转变3. 3. 残余碳化物的溶解残余碳化物的溶解 残余碳化物残余碳化物: : 当当F F完全转变为完全转变为A A时，仍有部分时，仍有部分FeFe3 3C C没有转变为没有转变为A A，称为

14、，称为残余碳化物。残余碳化物。 A/FA/F界面向界面向F F推移速度推移速度 A/Fe A/Fe3 3C C界面向界面向FeFe3 3C C推移速度推移速度 刚形成的刚形成的A A平均含碳量平均含碳量PCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3C综上所述，和过冷情况下的结晶过程不同，综上所述，和过冷情况下的结晶过程不同，A形成时，形成时， T （或过热度（或过热度T ），始终有利于），始终有利于A的形成。的形成。 T ，A形成速度形成速度 AFFAFACCKG/公式应用：估算某一温度下公式应用：估算某一温度下A向向F（或（或Fe3C）的移动速度。）的移动速度。CFeACFeACKG33/69

15、. 6当当A形成温度为形成温度为780时时02. 041. 0KGFA89. 069. 63KGCFeA8 .1402. 041. 089. 069. 63CFeAFAGGBCdxdCKDG1 F先消失，剩余碳化物先消失，剩余碳化物T1AFTCCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3C转变温度转变温度 ，残余碳化物量，残余碳化物量 三三. .影响奥氏体转变速度的因素影响奥氏体转变速度的因素 温度、成分、原始组织温度、成分、原始组织1 1、温度的影响温度的影响3.3、奥氏体转变动力学、奥氏体转变动力学T ， I ， G ，且且I G 各种因素中，各种因素中，T的影响作用最强烈的影响作用最强烈B

16、CdxdCKDG1)exp()exp(KTQKTWCI2、原始组织的影响原始组织的影响片状片状P转变速度转变速度球状球状P薄片较厚片转变快薄片较厚片转变快3、碳含量的影响碳含量的影响C ， A形成速度形成速度 ，三三. .影响奥氏体转变速度的因素影响奥氏体转变速度的因素 温度、成分、原始组织温度、成分、原始组织4 4、合金元素的影响合金元素的影响2.3、奥氏体转变动力学、奥氏体转变动力学（1）对）对A形成速度的影响形成速度的影响 改变临界点位置，改变临界点位置， 影响碳在影响碳在A 中的扩散系数中的扩散系数 合金碳化物在合金碳化物在A中溶解难易程度的牵制中溶解难易程度的牵制 对原始组织的影响对

17、原始组织的影响（2）对）对A均匀化的影响均匀化的影响 合金钢需要更长均匀化时间合金钢需要更长均匀化时间四四.连续加热时连续加热时A形成动力学形成动力学2.3、奥氏体转变动力学、奥氏体转变动力学 连续转变图连续转变图 V1 V2V3不均匀不均匀A均匀均匀AP+ AA+ Fe3CPt/sT/V3V2V1Ac1四四. .连续加热时连续加热时A A形成动力学形成动力学3.3、奥氏体转变动力学、奥氏体转变动力学特点：特点：（1）加热速度）加热速度 ，临界点，临界点 ，（2）转变在一个温度范围内完成，）转变在一个温度范围内完成，（3）形成速度随加热速度）形成速度随加热速度 而而 ，（4）A起始晶粒度随加热

18、速度速度起始晶粒度随加热速度速度 而细化，而细化，（5）A成分不均匀性随加热速度成分不均匀性随加热速度 而而 。V1V3 V2 V1不均匀不均匀A均匀均匀AP+ AA+ Fe3CPt/sT/V3V2Ac1一一. .奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度2.4、奥氏体晶粒长大及其控制、奥氏体晶粒长大及其控制 n=2N-1 概念概念:起始晶粒度、起始晶粒度、n0=(I/G)1/2 实际晶粒度、实际晶粒度、 本质晶粒度本质晶粒度 应用应用:晶粒细化处理晶粒细化处理58级的钢为本质细晶粒度的钢14级的钢为本质粗晶粒度钢本质粗晶粒度：奥氏体本质粗晶粒度：奥氏体随温度的升高迅速长大随温度的升高迅速长大的钢。如经锰硅脱氧

19、的的钢。如经锰硅脱氧的钢、沸腾钢等钢、沸腾钢等本质细晶粒度：奥氏体本质细晶粒度：奥氏体晶粒长大倾向小，加热晶粒长大倾向小，加热到较高温度时才显著长到较高温度时才显著长大的钢。如经铝脱氧的大的钢。如经铝脱氧的钢、镇静钢等钢、镇静钢等关于本质晶粒度概念的要点：关于本质晶粒度概念的要点：n（1）表征该钢种在通常热处理条件下）表征该钢种在通常热处理条件下A晶粒长大的趋势，晶粒长大的趋势，不代表真实，实际晶粒大小。不代表真实，实际晶粒大小。n（2）本质粗晶粒度钢实际晶粒度并不一定粗大，本质细）本质粗晶粒度钢实际晶粒度并不一定粗大，本质细晶粒度钢实际晶粒度并不一定细小，取决于具体的热处理晶粒度钢实际晶粒度

20、并不一定细小，取决于具体的热处理工艺有关。工艺有关。n（3）本质晶粒度主要与成分和冶炼条件有关。）本质晶粒度主要与成分和冶炼条件有关。n铝脱氧的钢一般为本质细晶粒钢；含有铝脱氧的钢一般为本质细晶粒钢；含有Ti，V、Zr、Nb等。等。n（4）是确定热处理工艺参数的重要依据。）是确定热处理工艺参数的重要依据。n本质细晶粒钢加热范围较宽，可以在本质细晶粒钢加热范围较宽，可以在930度高温下渗碳后度高温下渗碳后直接淬火，不致引起奥氏体晶粒粗大。直接淬火，不致引起奥氏体晶粒粗大。二二. .奥氏体晶粒长大机制奥氏体晶粒长大机制3.4、奥氏体晶粒长大及其控制、奥氏体晶粒长大及其控制晶粒长大驱动力晶粒长大驱动

21、力: 界面能的降低。界面能的降低。 驱动力大小驱动力大小:F驱驱=2/R 方向：方向：指向曲率中心指向曲率中心abc120120-比界面能，比界面能，R-晶界曲率半径晶界曲率半径理想界面形态：界面平直，界面间夹角理想界面形态：界面平直，界面间夹角120，如，如b图图晶粒长大方式：大吃小晶粒长大方式：大吃小n 公式公式(2-6)的推导的推导:图图2-13 双晶体中的双晶体中的A、B两晶粒，其中两晶粒，其中B晶粒呈球晶粒呈球状存在于状存在于A晶粒中。晶粒中。n 面积为面积为A的晶界如果移动的晶界如果移动dx距离时，体系总的距离时，体系总的Gibbs自由自由能变化为能变化为dGt ，则沿则沿x方向有

22、力方向有力P作用于晶界上，构成晶界移作用于晶界上，构成晶界移动的驱动力。动的驱动力。n 图图2-13中中A、B晶粒间的晶界晶粒间的晶界构成一曲率半径为构成一曲率半径为R的球面。的球面。RdRRdRdxdGAPt2)4(41122二二. .奥氏体晶粒长大机制奥氏体晶粒长大机制3.4、奥氏体晶粒长大及其控制、奥氏体晶粒长大及其控制晶粒长大阻力晶粒长大阻力第二相质点的钉扎作用第二相质点的钉扎作用 F阻阻=3f/2r r-粒子半径粒子半径, f 粒子数粒子数, -比界面能比界面能界界面面r第二相质点越细小，分散，总阻力第二相质点越细小，分散，总阻力 在加热转变中，保温在加热转变中，保温时间一定时，随保

23、温温度升时间一定时，随保温温度升高，高，A A晶粒不断长大，称为晶粒不断长大，称为正常长大。如图中曲线正常长大。如图中曲线1 1。 在加热转变中，保温时在加热转变中，保温时间一定时，随保温温度升高，间一定时，随保温温度升高，A晶粒长大不明显，必须当晶粒长大不明显，必须当温度超过某一定值后，晶粒温度超过某一定值后，晶粒才随温度升高而急剧长大，才随温度升高而急剧长大，称为异常长大，如图中曲线称为异常长大，如图中曲线2。长大方式长大方式1. 正常长大正常长大 晶界在驱动力晶界在驱动力P推动下匀速前进，由经典力学可导出：推动下匀速前进，由经典力学可导出： DA2 = K exp(-Q/KT) 其中，其

24、中，DA 为长大中为长大中A晶粒平均直径，晶粒平均直径，K为常数，为常数，为时间，为时间，Q为为Fe的自扩散激活能。的自扩散激活能。 可见在一定温度可见在一定温度T，随时间随时间，DA。 2. 异常长大异常长大 ( (1)1)异常长大的原因异常长大的原因 由于温度由于温度T升高，第二相颗粒升高，第二相颗粒(碳氮化合物碳氮化合物)的溶解，使阻力的溶解，使阻力F =0，而此时驱动力而此时驱动力P却很大，故晶粒急剧长大。却很大，故晶粒急剧长大。 ( (2)2)异常长大的特点异常长大的特点 长大到一定程度不在长大；在长大过程中出现混晶现象。长大到一定程度不在长大；在长大过程中出现混晶现象。 (1)加热

25、温度和保温时间加热温度和保温时间 T ,t ,A晶粒度晶粒度 (2)加热速度加热速度 快速加热并短时保温可获得细小快速加热并短时保温可获得细小A晶粒。晶粒。 (3)第二相颗粒第二相颗粒 (4)合金元素合金元素 (5)原始组织原始组织三三. .奥氏体晶粒长大影响因素奥氏体晶粒长大影响因素3.4、奥氏体晶粒长大及其控制、奥氏体晶粒长大及其控制 影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素 (1) 加热温度和保温时间加热温度和保温时间n 表现为表现为晶界的迁移晶界的迁移，实质上是原子，实质上是原子在晶界附近的在晶界附近的扩散扩散过程。过程。n 晶粒长大速度与晶粒长大速度与晶界迁移速率晶界迁移速率

26、及晶及晶粒长大粒长大驱动力驱动力成正比。成正比。晶界移动激活能常数 mmQKRRTQKV)82(exp 奥氏体晶粒大小与加热温度、奥氏体晶粒大小与加热温度、保温时间的关系保温时间的关系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。n（2）加热速度：）加热速度：n 加热速度快，奥氏体实际形成温度高，形核率增加热速度快，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，可获得细小高，

27、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的起始晶粒度加热方法加热方法加热速度加热速度 / /秒秒 加热温度（淬火后铁素体消加热温度（淬火后铁素体消失的温度）失的温度）/ 起始奥氏体晶粒的起始奥氏体晶粒的平均面积平均面积 / m2 炉内加热炉内加热0.03 82560282540883030感应加热感应加热20087028100090029（3）钢的碳含量的影响）钢的碳含量的影响n 碳在固溶于奥氏体的情况下，由于提高了铁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。粒长大。共析碳

28、钢最容易长大。n 当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，由于其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共析碳钢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：促进奥氏体晶粒长大： Mn - 在奥氏体晶界偏聚，提高晶界能；在奥氏体晶界偏聚，提高晶界能； P - 在奥氏体晶界偏聚，提高铁的自扩散在奥氏体晶界偏聚，提高铁的自扩散系数。系数。n 强碳氮化物形成元素

29、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 主要影响主要影响A的起始晶粒。原始组织越细，起始的起始

30、晶粒。原始组织越细，起始晶粒越细小。晶粒越细小。 但晶粒长大倾向大，即过热敏感性增大，不但晶粒长大倾向大，即过热敏感性增大，不可采用过高的加热温度和长时间保温，宜采用可采用过高的加热温度和长时间保温，宜采用快快速加热、短时保温速加热、短时保温的工艺方法。的工艺方法。（6）原始组织）原始组织 1 1、奥氏体晶粒大小控制、奥氏体晶粒大小控制 增加第二相颗粒起弥散分布增加第二相颗粒起弥散分布: : 如钢中加如钢中加Al ,Al ,形成形成AlNAlN颗粒、颗粒、 碳化物碳化物( (TiCTiC、NbCNbC等等) )细化组织细化组织 提高加热速度提高加热速度: : 利用温度和时间对奥氏体晶粒长大影响来细化晶粒。利用温度和时间对奥氏体晶粒长大影响来细化晶粒。 如高频感应加热、激光加热、电子