第二章钢中奥氏体的形成

1、钢中奥氏体的组织特征一、奥氏体的形成温度范围一、奥氏体的形成温度范围G钢中奥氏体的组织特征二、奥氏体的组织和结构二、奥氏体的组织和结构钢中奥氏体的组织特征钢中奥氏体的组织特征三、奥氏体的晶体结构和性能三、奥氏体的晶体结构和性能面心立方结构面心立方结构八面体间隙八面体间隙性能特点：性能特点：l滑移系较多，奥氏体的硬度和屈服强度不高；滑移系较多，奥氏体的硬度和屈服强度不高；l原子排列紧密，致密度高，比容小；原子排列紧密，致密度高，比容小；lFeFe原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体的热原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体的热强性好；强性好；l顺磁性顺磁性; ;l线膨胀系数大；线膨

2、胀系数大；l导热性能差，不易采用过大的加热速度。导热性能差，不易采用过大的加热速度。理论上，单位晶胞中含有理论上，单位晶胞中含有4个个Fe原子和原子和4个碳原子，个碳原子，其原子百分比为其原子百分比为50%，重量百分比为，重量百分比为10%。实际上，奥氏体中最大含碳量为实际上，奥氏体中最大含碳量为2.11%（重量），（重量），原子百分比为原子百分比为10%，即，即2.5个晶胞中有一个碳原子。个晶胞中有一个碳原子。原因：原因：rcr间隙间隙，碳原子进入间隙后引起点阵畸变，碳原子进入间隙后引起点阵畸变，使其周围的间隙位置不可能都填满碳原子。使其周围的间隙位置不可能都填满碳原子。钢中奥氏体的组织特征

3、新旧两相的体积自由能差仍为相变新旧两相的体积自由能差仍为相变的驱动力，必须要有过热度。的驱动力，必须要有过热度。奥氏体的形成机制一、奥氏体形成热力学一、奥氏体形成热力学 相组成：相组成：（ + Fe3C） 碳含量：碳含量：0.02% 6.69% 2.11%点阵结构：点阵结构：bcc 复杂正交复杂正交 fcc到到的点阵重构、渗碳体的溶解、的点阵重构、渗碳体的溶解、C在奥氏体中的扩散重新分布在奥氏体中的扩散重新分布珠光体团边界、铁素体内的亚晶珠光体团边界、铁素体内的亚晶界也是形核的主要位置。界也是形核的主要位置。奥氏体的形成机制二、奥氏体形核二、奥氏体形核形核位置部位：通常在铁素体和渗碳体的两相界

4、面上。形核位置部位：通常在铁素体和渗碳体的两相界面上。l相界面处碳原子的浓度差较大，易于获得形核所需的碳相界面处碳原子的浓度差较大，易于获得形核所需的碳浓度；浓度；l相界面处原子排列不规则，相界面处原子排列不规则，Fe原子可通过短程扩散发生原子可通过短程扩散发生晶格改组，形核所需结构起伏较小；晶格改组，形核所需结构起伏较小；l相界面处杂质和其它晶体缺陷较多，有高的畸变能。相界面处杂质和其它晶体缺陷较多，有高的畸变能。 三、奥氏体的晶核长大三、奥氏体的晶核长大 奥氏体的长大是通过奥氏体的长大是通过渗碳体的溶解渗碳体的溶解、碳原子在奥氏体中碳原子在奥氏体中扩散扩散以及以及/、/Fe3C相界面的相界

5、面的推移推移来进行的。来进行的。奥氏体的形成机制相界面推移的驱动力：奥氏体中的碳浓度差；相界面推移的驱动力：奥氏体中的碳浓度差；相界面推移的结果：相界面推移的结果：Fe3C不断溶解，不断溶解，相逐渐转变为相逐渐转变为相。相。三、剩余碳化物溶解三、剩余碳化物溶解 在奥氏体晶核长大的过程中，珠光体中的铁素体全部消在奥氏体晶核长大的过程中，珠光体中的铁素体全部消失时，渗碳体还未完全溶解。失时，渗碳体还未完全溶解。l原因原因：奥氏体与渗碳体相界面处的碳浓度差远远大于奥氏：奥氏体与渗碳体相界面处的碳浓度差远远大于奥氏体与铁素体相界面处的碳浓度差，只需要溶解一小部分碳化体与铁素体相界面处的碳浓度差，只需要

6、溶解一小部分碳化物就能使其相界面处的奥氏体达到饱和，而必须溶解大量的物就能使其相界面处的奥氏体达到饱和，而必须溶解大量的铁素体才能使其相界面处奥氏体的碳浓度趋于平衡。铁素体才能使其相界面处奥氏体的碳浓度趋于平衡。四、奥氏体均匀化四、奥氏体均匀化 当碳化物完全溶解于奥氏体中时，奥氏体的碳浓度是不当碳化物完全溶解于奥氏体中时，奥氏体的碳浓度是不均匀的，还需要继续加热或保温，使碳原子扩散均匀。均匀的，还需要继续加热或保温，使碳原子扩散均匀。奥氏体的形成机制奥氏体的形成机制奥氏体形核奥氏体形核奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大剩余碳化物的溶解剩余碳化物的溶解奥氏体均匀化奥氏体均匀化奥氏体形成动力学一、奥氏体

7、等温形成动力学一、奥氏体等温形成动力学 奥氏体形成速度取决于形核率奥氏体形成速度取决于形核率I和长大速度和长大速度G，在等温条件，在等温条件下，下，I和和G均为常数。随温度升高，奥氏体的形核率均为常数。随温度升高，奥氏体的形核率I和长大速和长大速度度G均增大。均增大。转变温度转变温度/形核率形核率长大速度长大速度转变一半所需要时间转变一半所需要时间/s74022800.0005100760110000.0109780515000.02638006160000.0411奥氏体形成动力学expQWICkT32WAGvl随着奥氏体形成温度升高，形核率随着奥氏体形成温度升高，形核率 迅速增大；迅速增大

8、；l温度升高，相变驱动力增大，形温度升高，相变驱动力增大，形 核功减小，形核率增大核功减小，形核率增大；l温度升高，扩散系数增大；温度升高，扩散系数增大；l温度升高，温度升高，C/与与C/之差减小，之差减小， 奥氏体形核所需的碳浓度起伏减小；奥氏体形核所需的碳浓度起伏减小；奥氏体形成温度升高，对于形成细奥氏体形成温度升高，对于形成细 小的奥氏体晶粒是有利的。小的奥氏体晶粒是有利的。1. 形核率形核率I忽略应变能时：奥氏体形成动力学在等温转变时，上式可简化为：在等温转变时，上式可简化为：BKGC当当T780时：时：通常情况下，在奥氏体通常情况下，在奥氏体转变中，总是铁素体先转变中，总是铁素体先消

9、失，而还有相当数量消失，而还有相当数量的渗碳体未溶解。的渗碳体未溶解。2. 长大速度长大速度G： 根据扩散定律可以导出奥氏体形成过程中相界面的推移速度根据扩散定律可以导出奥氏体形成过程中相界面的推移速度为：为： 1rBdCGKDcdxC 02. 041. 0KG89. 069. 6KGcem9 .14cemGG奥氏体形成动力学 总之，奥氏体的长大速度总之，奥氏体的长大速度G 随温度随温度T 的升高而升高，这是的升高而升高，这是因为温度升高时：因为温度升高时： 扩散系数扩散系数D 增大；增大； 铁素体中有利于奥氏体形核的部位增多，原子扩散距离相铁素体中有利于奥氏体形核的部位增多，原子扩散距离相对

10、缩短；对缩短； 奥氏体与铁素体的相界面浓度差（奥氏体与铁素体的相界面浓度差（C/C/）以及奥氏体）以及奥氏体与渗碳体的相界面浓度差（与渗碳体的相界面浓度差（ Ccem/ C/cem）减小，加速了）减小，加速了奥氏体长大时的相界面推移速度。奥氏体长大时的相界面推移速度。奥氏体形成温度升高时，奥氏体形成温度升高时，I和和G均增大，因此，奥氏体形成速度均增大，因此，奥氏体形成速度随形成温度的升高而单调增大。随形成温度的升高而单调增大。奥氏体形成动力学共析碳钢奥氏体等温形成动力学曲线共析碳钢奥氏体等温形成动力学曲线奥氏体形成动力学从上两图可以看出：从上两图可以看出：l 在高于在高于Ac1温度加热保温时

11、，奥氏体并不是立即形成，而是温度加热保温时，奥氏体并不是立即形成，而是经过一定的孕育期后才开始形成，且温度越高，孕育期越短；经过一定的孕育期后才开始形成，且温度越高，孕育期越短；l奥氏体开始形成速度较慢，当奥氏体量为奥氏体开始形成速度较慢，当奥氏体量为50%时最快，以后又时最快，以后又逐渐减慢；逐渐减慢；l加热温度越高，奥氏体形成速度越快；加热温度越高，奥氏体形成速度越快；l在珠光体中铁素体全部转变为奥氏体后，还需要一段时间来溶在珠光体中铁素体全部转变为奥氏体后，还需要一段时间来溶 解碳化物和奥氏体均匀化；解碳化物和奥氏体均匀化；奥氏体形成动力学影响奥氏体形成速度的因素：影响奥氏体形成速度的因

12、素：P A加热温度加热温度钢中碳含量钢中碳含量原始组织原始组织合金元素合金元素 加热温度越高，加热温度越高，奥氏体起始晶粒细化。奥氏体起始晶粒细化。在铁素体消失的瞬间，在铁素体消失的瞬间，剩余碳化物量增多。剩余碳化物量增多。 钢中碳含量越高，碳钢中碳含量越高，碳化物数量越多，奥氏体化物数量越多，奥氏体形核部位越多，且碳的形核部位越多，且碳的扩散距离减小，加速奥扩散距离减小，加速奥氏体的形成。但碳化物氏体的形成。但碳化物过多，将增加剩余碳化过多，将增加剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化物溶解和奥氏体均匀化的时间。的时间。 原始组织越细，奥氏体原始组织越细，奥氏体形核部位增多，碳原子扩形核部位增多，碳原

13、子扩散距离减小，加速奥氏体散距离减小，加速奥氏体的形成。的形成。 片状珠光体比粒状珠光片状珠光体比粒状珠光体的相界面大，渗碳体呈体的相界面大，渗碳体呈薄片状，易于溶解，加速薄片状，易于溶解，加速奥氏体形成。奥氏体形成。 影响碳化物的稳定影响碳化物的稳定性及碳在奥氏体中的性及碳在奥氏体中的扩散；扩散； 改变相变临界点；改变相变临界点； 影响片层间距和碳在影响片层间距和碳在奥氏体中的溶解度；奥氏体中的溶解度； 合金元素自身的扩散合金元素自身的扩散可很困难。可很困难。奥氏体形成动力学 在连续加热条件下，奥氏体的转变与等温转变过程几乎在连续加热条件下，奥氏体的转变与等温转变过程几乎相同，但也有其自身的

14、特点：相同，但也有其自身的特点：l在一定加热速度范围内，相变临界点随加热速度增大而升在一定加热速度范围内，相变临界点随加热速度增大而升高；高； l相变是在一个温度范围内完成的；相变是在一个温度范围内完成的；l奥氏体的形成速度随加热速度增大而增大；奥氏体的形成速度随加热速度增大而增大；l奥氏体成分的不均匀性随加热速度增大而增大；奥氏体成分的不均匀性随加热速度增大而增大；l奥氏体起始晶粒大小随加热速度增大而细化；奥氏体起始晶粒大小随加热速度增大而细化；二、连续加热时奥氏体的形成二、连续加热时奥氏体的形成 连续加热时，随加热速度的增大，奥氏体的形成温度升高，连续加热时，随加热速度的增大，奥氏体的形成

15、温度升高，使奥氏体的起始晶粒细化；剩余碳化物数量增多，奥氏体基使奥氏体的起始晶粒细化；剩余碳化物数量增多，奥氏体基体的平均碳含量降低。从而使淬火马氏体获得韧化和强化。体的平均碳含量降低。从而使淬火马氏体获得韧化和强化。奥氏体化的目的是获得成分均匀和一定晶粒大小的奥氏体组织。奥氏体化的目的是获得成分均匀和一定晶粒大小的奥氏体组织。奥氏体晶粒长大及控制一、奥氏体晶粒度一、奥氏体晶粒度 奥氏体晶粒度一般是指奥氏体化后的实际奥氏体晶粒大小。奥氏体晶粒度一般是指奥氏体化后的实际奥氏体晶粒大小。一般可用奥氏体晶粒直径或单位面积中奥氏体晶粒数目来表一般可用奥氏体晶粒直径或单位面积中奥氏体晶粒数目来表示。奥氏

16、体晶粒度通常分为示。奥氏体晶粒度通常分为8级标准评定，级标准评定，1级最粗，级最粗，8级最细，级最细，超过超过8以上者称为超细晶粒。以上者称为超细晶粒。12Nn奥氏体晶粒度级别奥氏体晶粒度级别N与单位面积中奥氏体晶粒数与单位面积中奥氏体晶粒数n之间的关系：之间的关系：奥氏体晶粒长大及控制Nd (m)125021773125488562644731822915.61011 奥氏体晶粒的起始晶粒大小取决于形核率和长大速度，且增大奥氏体晶粒的起始晶粒大小取决于形核率和长大速度，且增大形核率或降低长大速度是获得细小奥氏体晶粒的重要途径。形核率或降低长大速度是获得细小奥氏体晶粒的重要途径。奥氏体实际晶粒

17、度取决于钢材的本质晶粒度和实际加热条件。奥氏体实际晶粒度取决于钢材的本质晶粒度和实际加热条件。奥氏体晶粒长大及控制l起始晶粒度起始晶粒度：在相变临界温度以：在相变临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒上，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；边界刚刚相互接触时的晶粒大小；l实际晶粒度实际晶粒度：在某一加热条件下：在某一加热条件下所得到的实际奥氏体晶粒大小；所得到的实际奥氏体晶粒大小；l本质晶粒度本质晶粒度：根据实验标准，在：根据实验标准，在93010保温足够时间（保温足够时间（3 8小时）小时）后测得的奥氏体晶粒大小。表示钢后测得的奥氏体晶粒大小。表示钢在一定条件下奥氏体晶

18、粒长大的倾在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。向性。奥氏体晶粒长大及控制奥氏体晶奥氏体晶粒的长大粒的长大动力是奥动力是奥氏体晶粒氏体晶粒大小的不大小的不均匀性。均匀性。理想状态理想状态的晶界的晶界二、奥氏体晶粒长大原理二、奥氏体晶粒长大原理此状态下的此状态下的奥氏体晶粒奥氏体晶粒不易长大不易长大奥氏体晶粒长大及控制 直径小于平均晶粒直径的晶粒，其邻近的晶粒数直径小于平均晶粒直径的晶粒，其邻近的晶粒数小于小于6，为，为保持界面张力平衡，相交于一点的三条晶界应互成保持界面张力平衡，相交于一点的三条晶界应互成120角，角，晶界将弯曲成晶界将弯曲成正曲率弧正曲率弧，使晶界的面积增大，界面能升高；，使晶

19、界的面积增大，界面能升高； 反之其邻近的晶粒数反之其邻近的晶粒数大于大于6的晶粒的晶界将弯曲成的晶粒的晶界将弯曲成负曲率弧负曲率弧。同样使得晶界的面积增大，界面能升高。同样使得晶界的面积增大，界面能升高。 为了减少界面面积，降低界面能，曲弧总有变为直线的趋势，为了减少界面面积，降低界面能，曲弧总有变为直线的趋势，使得小晶粒消失，大晶粒长大。使得小晶粒消失，大晶粒长大。大晶粒吃掉小晶粒的示意图大晶粒吃掉小晶粒的示意图顶角为顶角为120的多边形晶粒的多边形晶粒奥氏体晶粒长大及控制奥氏体晶粒的长大驱动力奥氏体晶粒的长大驱动力F与晶粒大小与晶粒大小和界面能大小有关，用下式表示：和界面能大小有关，用下式

20、表示：2FR奥氏体晶粒长大及控制晶界推移阻力：晶界推移阻力： 沉淀析出的第二相粒子的存在是晶沉淀析出的第二相粒子的存在是晶界推移的阻力。界推移的阻力。 第二相粒子越细小，粒子附近晶界的弯曲曲率越大，界面能第二相粒子越细小，粒子附近晶界的弯曲曲率越大，界面能的增大越多的增大越多该过程不能自发进行该过程不能自发进行第二相粒子的存在是晶界第二相粒子的存在是晶界推移的阻力。推移的阻力。 晶粒晶粒A和晶粒和晶粒B的晶界平行于的晶界平行于y轴，运轴，运动方向与动方向与x轴一致。轴一致。 当该晶界移至位置当该晶界移至位置I时，晶界面积减时，晶界面积减少，界面能达最低；少，界面能达最低； 移至移至II位置时，

21、晶界将逐渐脱离第二位置时，晶界将逐渐脱离第二相粒子，晶界面积逐渐增大，为保持界相粒子，晶界面积逐渐增大，为保持界面张力平衡，必须使与第二相粒子相交面张力平衡，必须使与第二相粒子相交处的晶界与第二相粒子界面始终保持垂处的晶界与第二相粒子界面始终保持垂直（直（=），使第二相粒子附近的晶），使第二相粒子附近的晶界发生弯曲，界面能升高。界发生弯曲，界面能升高。 奥氏体晶粒长大及控制 第二相粒子对晶界推移的最大阻力第二相粒子对晶界推移的最大阻力Fm与粒子半径与粒子半径r及单及单位体积粒子的数目位体积粒子的数目f 之间有：之间有：32fFmr当晶粒长大动力和第二相弥散析出粒子的阻力当晶粒长大动力和第二相弥

22、散析出粒子的阻力相平衡时奥氏体晶粒停止长大相平衡时奥氏体晶粒停止长大frR34lim奥氏体晶粒长大是一种自发过程，要想得到细小的奥氏奥氏体晶粒长大是一种自发过程，要想得到细小的奥氏体晶粒，必须保证钢中有一定数量和足够细小的体晶粒，必须保证钢中有一定数量和足够细小的难溶第二相粒子。难溶第二相粒子。在一定温度下，奥氏体的平均极限半径：在一定温度下，奥氏体的平均极限半径：奥氏体晶粒长大及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：l加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响DRTQKum)exp( 当当T升高时，升高时，u 呈指数关系迅速增大；呈指数关系迅速增大； 奥氏体晶粒直径奥

23、氏体晶粒直径D越小，越小，u 越大。但当越大。但当D增大到一定增大到一定程度后，程度后，u 将减慢。长大过程将减慢直至停止。将减慢。长大过程将减慢直至停止。奥氏体晶粒长大及控制l加热速度的影响加热速度的影响 加热速度越快，越易得到细小加热速度越快，越易得到细小的奥氏体起始晶粒。的奥氏体起始晶粒。 但由于晶粒细小，若在高温长但由于晶粒细小，若在高温长时间保温，则奥氏体晶粒很容易时间保温，则奥氏体晶粒很容易长大。长大。过热：如果晶粒长过热：如果晶粒长大而在晶界上并未大而在晶界上并未发生晶界弱化的现发生晶界弱化的现象。象。过烧：奥氏体晶粒长过烧：奥氏体晶粒长大后，且在奥氏体晶大后，且在奥氏体晶界上发生了弱化的现界上发生了弱化的现象。象。奥氏体晶粒长大及控制l钢中碳含量的影响钢中碳含量的影响 当碳含量超过一定限度时，可形成未溶碳化物，将阻碍奥当碳含量超过一定