第二章奥氏体形成

1、 1-1 热处理的条件热处理的条件 热处理的条件热处理的条件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 例：例： 纯金属：有无同素异构转变，纯金属：有无同素异构转变，Al、Cu等等不可热处理强化而只能依靠形变强化。不可热处理强化而只能依靠形变强化。 合金：根据合金相图判断，有无固态相变合金：根据合金相图判断，有无固态相变或溶解度变化。或溶解度变化。 注：不包括低温的去除应力等退火注：不包括低温的去除应力等退火第二章第二章 钢中奥氏体的形成钢中奥氏体的形成 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

2、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 TNJEFLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%6.69FeT JNHA1Fe3C铁碳相图铁碳相图热处理第一步热处理第一步 加热奥氏体化加热奥氏体化 1-2 奥氏体形成热力学奥氏体形成热力学 热力学要求热力学要求 G 0 GV 0 TA1系统自由能变系统自由能变化化A、P 的体积的体积自由能差自由能差表面能变表面能变化化弹性畸变能：弹性畸变能：相变时因体相变时因体积变化及界积变化及界面原子不匹面原子不匹配而消耗的配而消耗的能量能量相变驱动力相变驱动力相变阻力相变阻

3、力 G = - GV + GS + GE 1 热力学条件热力学条件: TA1 即即存在过热度存在过热度T : T实际转变实际转变- T理论转变理论转变FTFPFAA1TT实际实际原因：原因： 以珠光体与奥氏体的体积自由能之差来提供驱以珠光体与奥氏体的体积自由能之差来提供驱动力以克服新相晶核的表面能及弹性畸变能。动力以克服新相晶核的表面能及弹性畸变能。 影响过热度主要因素影响过热度主要因素 V加热加热 V加热加热 越大，偏离平衡温度越远，过热越大，偏离平衡温度越远，过热度度T 越大；越大； 同样，对同样，对冷却过程冷却过程的相变存在的相变存在过冷度过冷度： V冷却冷却 越大，过冷度越大，过冷度T

4、 亦越大。亦越大。原因：原因： 弹性应变能加大，相变阻力加大弹性应变能加大，相变阻力加大A1Ac1Ar1SAccmAcmArcmAc3A3Ar3实际中实际中 PA转变温度随加热速度不同而变化。转变温度随加热速度不同而变化。 钢的热处理中六个重要的温度参数：钢的热处理中六个重要的温度参数： A1 A3 Acm ； Ac1 Ac3 Accm 加热过程加热过程 Ar1 Ar3 Arcm 冷却过程冷却过程热处理常用的临界点及意义热处理常用的临界点及意义 1-3 奥氏体形成的机理奥氏体形成的机理 定义：定义：C 固溶于面心立方结构的固溶于面心立方结构的 -Fe 中形成的中形成的固溶体。固溶体。 结构：结

5、构：相中有八面体间隙，相中有八面体间隙， R间隙间隙 = 0.535 A R c=0.77A 晶格畸变，晶格畸变，并非所有晶胞均可溶碳，由并非所有晶胞均可溶碳，由C=2.11%（1148） 2.5个晶胞溶一个个晶胞溶一个C原子。原子。 性能：顺磁性；比容最小；性能：顺磁性；比容最小； 塑性好；线膨胀系数较大塑性好；线膨胀系数较大 奥氏体组织结构和性能奥氏体组织结构和性能 以共析钢为例以共析钢为例: F + Fe3C A (727 ) 成分成分(C%) 0.0218 6.69 0.77结构结构 体心立方体心立方 复杂斜方复杂斜方 面心立方面心立方 说明奥氏体化中须两个过程：说明奥氏体化中须两个过

6、程： 铁铁晶格改组晶格改组： Fe 扩散扩散 C 成分变化成分变化： C 的扩散的扩散 奥氏体化中成分组织结构的变化奥氏体化中成分组织结构的变化3 奥氏体形成机理奥氏体形成机理 奥氏体化为固态相变过程奥氏体化为固态相变过程: (1)任何固态相变均需形核与长大过程任何固态相变均需形核与长大过程 (2)形核需要：形核需要：过热度过热度 成分起伏、结构起伏、能量起伏成分起伏、结构起伏、能量起伏晶界或相界、位错等缺陷处易形核的原因晶界或相界、位错等缺陷处易形核的原因 要点：要点： （4）奥氏体中）奥氏体中 C 的扩散均匀化。的扩散均匀化。 （3） 剩余剩余 Fe3C 的溶解；的溶解； （2）奥氏体向）

7、奥氏体向 F 及及 Fe3C 两侧长大两侧长大 （1）奥氏体在）奥氏体在FFe3C 界面上形核界面上形核- 十秒十秒- 几百秒几百秒- 千秒千秒- 万秒万秒 两个平衡的打破与再平衡：两个平衡的打破与再平衡： A相内部平衡：成分均匀化相内部平衡：成分均匀化 A F两相界面之间、两相界面之间、A- Fe3C两相界面之间的平衡两相界面之间的平衡具体分析：具体分析：阶段（阶段（2）原因：）原因： A 形核后出现形核后出现、-Fe3C 界面，界面界面，界面 C% 由相由相图确定，分别为图确定，分别为 C-、C-K、C-、C-K A 内部存在内部存在 C 浓度梯度浓度梯度C 从从A-Fe3C界面附近向界面

8、附近向 A-F 界面附近扩散界面附近扩散C-K，C- A F、A- Fe3C 界面相平衡被破坏界面相平衡被破坏Fe3C中中C向向A中扩散，中扩散，A 中中C向向F中扩散中扩散Fe3C、F均转变为均转变为A。长大速度取决于长大速度取决于C 在在 A 中的扩散系数中的扩散系数 和和A 中中 C 的浓度差的浓度差长大速度取决于新相与母相结构与成分的差异长大速度取决于新相与母相结构与成分的差异F 先溶解而先溶解而Fe3C有剩余的原因：有剩余的原因：A 向向 F 侧侧长大速度长大速度G =D dcdx 1/ C（-） = D dcdx 1/(C - -C -) 长大的长大的 相界面处相界面处 C 浓度差

9、浓度差C（-） 或或C（-K）, 反比。反比。 A 中中 C 的浓度差的浓度差 dcdx , 正比；正比； C 在在 A 中的扩散系数中的扩散系数 D ，正比；，正比； 主要与主要与 A 向向 F 和和 Fe3C 的长大速度不同有关。的长大速度不同有关。 A 向向 F 和和 Fe3C 的长大速度主要与三个因素有关：的长大速度主要与三个因素有关：A 向向 Fe3C 侧侧长大速度长大速度G =D dcdx 1/ C（-K） = D dcdx 1/(6.69-C -K ) Fe3C A 晶体结构差别晶体结构差别 F A晶体结构差别晶体结构差别 结构转变难结构转变难 故故A 向向 F 侧长大速度侧长大

10、速度 A 向向 Fe3C 侧长大速度侧长大速度由于由于: 6.69- C -K C - -C -A; 成分转变难成分转变难F 先消失而先消失而 Fe3C 有剩余。有剩余。阶段阶段(4)原因原因： 原子扩散速度很慢，奥氏体中原是原子扩散速度很慢，奥氏体中原是 Fe3C 的位的位置置 C 浓度高，而原浓度高，而原 F 相的地方相的地方 C 浓度低。浓度低。 C 分分布的不均匀性布的不均匀性 4 亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程 亚共析钢：亚共析钢：F + P F + A A 过共析钢：过共析钢： Fe3C + P Fe3C + A A学习奥氏体化四过程的意义：学习奥

11、氏体化四过程的意义： 实际热处理中并不一定要求奥氏体的扩散实际热处理中并不一定要求奥氏体的扩散均匀化或均匀化或 Fe3C 的完全溶解，有时须保留一定的完全溶解，有时须保留一定量的量的Fe3C或非均匀或非均匀 A ，则可控制加热过程来达，则可控制加热过程来达到要求的奥氏体化程度。到要求的奥氏体化程度。亚共析钢的奥氏体化过程亚共析钢的奥氏体化过程过共析钢的奥氏体化过程过共析钢的奥氏体化过程 （2）工具钢（过共析、高碳）要求高硬度，）工具钢（过共析、高碳）要求高硬度，淬火时须保留一定淬火时须保留一定 Fe3C 控制淬火加热温度控制淬火加热温度Ac1 T Accm 。 使不完全奥氏体化使不完全奥氏体化

12、 例例（1）预备热处理中的球化退火工艺，要求）预备热处理中的球化退火工艺，要求获得粒状珠光体获得粒状珠光体 要求奥氏体化时要求奥氏体化时A 中中 C 不均匀不均匀 控制第四阶段控制第四阶段* 奥氏体化的目的：奥氏体化的目的： 获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒获成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒 * 实际热处理中实际热处理中 须控制奥氏体化程度。须控制奥氏体化程度。 *珠光体转变为奥氏体是面心立方铁晶格建珠光体转变为奥氏体是面心立方铁晶格建立过程和碳原子及其它元素由不均匀趋向均匀分立过程和碳原子及其它元素由不均匀趋向均匀分布的过程，布的过程，晶格的改组与成分的变化晶格的改组与成分的变化均是通过铁均是

13、通过铁原子、碳原子及其它元素的原子、碳原子及其它元素的长程扩散长程扩散实现的。这实现的。这种相变过程称为种相变过程称为扩散型相变扩散型相变。 珠光体转变为奥氏体的相变为纯扩散型相变珠光体转变为奥氏体的相变为纯扩散型相变完全奥氏体化与不完全奥氏体化完全奥氏体化与不完全奥氏体化FeFeCFe3Cn完全奥氏体化完全奥氏体化亚共析钢和亚共析钢和过共析钢必须加热到上临界点过共析钢必须加热到上临界点以上，才能全部完成奥氏体化，以上，才能全部完成奥氏体化，得到单相奥氏体组织。这种加得到单相奥氏体组织。这种加热称为热称为“完全奥氏体化完全奥氏体化”。TAc3 (或或Accm)Ac1TAc3Ac1TAccm不完

14、全奥氏体化不完全奥氏体化在上、下临在上、下临界点之间加热，便会得到两相界点之间加热，便会得到两相组织，除了奥氏体之外，还有组织，除了奥氏体之外，还有一部分尚未转变的先共析相。一部分尚未转变的先共析相。这种加热称为这种加热称为“不完全奥氏体不完全奥氏体化化”。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(112.2 奥氏体形成的动力学奥氏体形成的动力学2.2.1 形核率形核率n 为了满足形

15、核的热力学条件，需依靠能量起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得能量涨落的几率因子 exp(-G*/kT) 成正比。成正比。n为了达到奥氏体晶核对成分的要求，需要原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原子扩散的几率因子 exp(-Q/kT) 成正比。成正比。 N = C exp(-G*/kT)exp(-Q/kT) 式中式中: N - 形核率，单位形核率，单位 1/(mm3 s) C- 常数；常

16、数； T - 绝对温度绝对温度 k - 玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，1.38X10-23 J/K G* - 临界形核功；临界形核功； Q - 扩散激活能扩散激活能 驱动力因素项驱动力因素项扩散因素项扩散因素项PA的相变，是升高温度的相变，的相变，是升高温度的相变，温度升高时温度升高时，G*，Q，故，故形核率形核率 N 增大增大。2.2.2 奥氏体线长大速度奥氏体线长大速度) 22 ()11(KCCdxdCDG G 长大线速度，单位长大线速度，单位 mm/sn 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)当当 T时

17、，时，D, dC, C, Ck 从而从而线长大速度线长大速度G增大增大。2.2.3 奥氏体等温形成动力学曲线奥氏体等温形成动力学曲线n 设新形成的奥氏体为球状，则由约翰逊设新形成的奥氏体为球状，则由约翰逊-迈迈尔方程（尔方程（Johnson-Mehl方程方程)：) 42 ()3exp(143tNGVtVt - 新形成奥氏体的体积分数新形成奥氏体的体积分数 奥氏体等温形成动力学曲线奥氏体等温形成动力学曲线 动力学曲线特点：动力学曲线特点： n 转变量达转变量达50%左右时，左右时，转变速度最大。转变速度最大。n 转变温度越高，奥氏体转变温度越高，奥氏体形成的孕育期越短。形成的孕育期越短。n 转变

18、温度越高，完成转转变温度越高，完成转变所需的时间越短。变所需的时间越短。2.2.4 连续加热时奥氏体的形成特点连续加热时奥氏体的形成特点连续加热时珠光体向奥氏体转变动力学曲线连续加热时珠光体向奥氏体转变动力学曲线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。形成的奥氏体成分不均匀性增大。n 快速加热时，奥氏体形成温度升

19、高，可引起奥快速加热时，奥氏体形成温度升高，可引起奥氏体起始晶粒细化；同时，剩余渗碳体量也增多，氏体起始晶粒细化；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降低。2.2.5 奥氏体形成速度的影响因素奥氏体形成速度的影响因素n 除转变除转变温度温度和和加热速度加热速度外，还有：外，还有：（1）钢的原始组织状态钢的原始组织状态n 原始组织越细，晶体缺陷越多，奥氏原始组织越细，晶体缺陷越多，奥氏体转变过程越快。体转变过程越快。n 片状珠光体快于粒状珠光体。片状珠光体快于粒状珠光体。（2）钢的化学成分钢的化学成分n 含碳量含碳量越高，渗碳体与铁素体的总相界面积越高，渗

20、碳体与铁素体的总相界面积越大，越大，Fe、C原子扩散系数增大，从而增高原子扩散系数增大，从而增高N和和G，形成速度增大。，形成速度增大。n 碳化物形成元素碳化物形成元素Cr，W，Mo，V，阻碍碳的，阻碍碳的扩散，降低形成速度。扩散，降低形成速度。n 非碳化物形成元素非碳化物形成元素Ni，Co，加速碳的扩散，加速碳的扩散，增大形成速度。增大形成速度。n Mn，Ni降低钢的临界点，细化原珠光体组织，降低钢的临界点，细化原珠光体组织，增大形成速度。增大形成速度。2.3 奥氏体晶粒长大及其控制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

21、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。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 X100倍倍 晶粒度晶粒度n 奥氏体晶粒度有三种：奥氏体晶粒度有三种： 初始晶粒度初始晶粒度 - 奥氏体形成刚结束，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。初始晶粒一般很细小，大小不均，小。初始晶粒一般很细小，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

22、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倾向性。氏体晶粒长大的倾向性。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，晶粒容易长大。本质粗晶粒钢，晶粒容易长大。 58级级-本质细晶粒钢，晶粒不容易长大本质细晶粒钢，晶粒不容易长大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Ac19302.3.2 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0)2() 1 (2PRPRRRP，平直晶界时越大；越小，晶粒越细小

23、，球面曲率半径比界面能n 驱动力：驱动力：来自来自A总的晶界能的下降总的晶界能的下降 减少晶界方法：减少晶界方法：晶粒长大；晶界平直化晶粒长大；晶界平直化n 长大方式：通过界面迁移而长大。长大方式：通过界面迁移而长大。对球面晶界，有一指向曲率中心的驱动力对球面晶界，有一指向曲率中心的驱动力P作用于晶界作用于晶界RP实际金属由多晶粒构成，晶界由两侧晶粒共属：实际金属由多晶粒构成，晶界由两侧晶粒共属：发展趋势：发展趋势：n三晶界交会处的面角应为三晶界交会处的面角应为120o，晶界将弯曲成，晶界将弯曲成曲率中心在小晶粒一侧的曲面晶界；曲率中心在小晶粒一侧的曲面晶界；n大晶粒将吃掉小晶粒，使总晶界面积

24、减少，总大晶粒将吃掉小晶粒，使总晶界面积减少，总的界面能降低。的界面能降低。n三晶界交会处须保持界面张力平衡；三晶界交会处须保持界面张力平衡；n晶界尽可能平直化晶界尽可能平直化n尽可能减少总界面。尽可能减少总界面。大晶粒吃掉小晶粒示意图大晶粒吃掉小晶粒示意图(箭头表示晶界迁移方向箭头表示晶界迁移方向) 晶粒大小均匀一致时晶粒大小均匀一致时稳定的二维结构稳定的二维结构实际生长中与奥氏体晶粒不均匀程度有关实际生长中与奥氏体晶粒不均匀程度有关晶界向邻接晶粒数少的晶粒一侧推进，晶界向邻接晶粒数少的晶粒一侧推进， 最终二维结构向平直的六边形发展最终二维结构向平直的六边形发展(2) 晶界迁移阻力晶界迁移阻

25、力n 当晶界迁移遭遇第二相粒子时，晶界面积将增加，当晶界迁移遭遇第二相粒子时，晶界面积将增加，所受的最大阻力为：所受的最大阻力为：第二相微粒的半径第二相微粒的体积分数rfrfF23max 第二相微粒所占的体积分数第二相微粒所占的体积分数f一定时，一定时，第二相粒第二相粒子越细小子越细小(r越小越小)，提供的对，提供的对晶界迁移晶界迁移的总的总阻力越大阻力越大反之，当第二相微粒粗化时，对晶界迁移的总阻反之，当第二相微粒粗化时，对晶界迁移的总阻力将会变小。力将会变小。当第二相微粒分布很不均匀时，当第二相微粒分布很不均匀时，晶粒长大出现不均匀现象晶粒长大出现不均匀现象正常长大正常长大当晶界迁移阻力相

26、对均匀当晶界迁移阻力相对均匀时，晶粒通过大吃小正常长大时，晶粒通过大吃小正常长大是一种大吃小的不均匀长大过程，结果是一种大吃小的不均匀长大过程，结果获得长大的、均匀、稳定的晶粒获得长大的、均匀、稳定的晶粒异常长大异常长大当晶界迁移阻力极不均匀当晶界迁移阻力极不均匀时，少数晶粒通过大吃小异常长大时，少数晶粒通过大吃小异常长大常见原因常见原因（1）当加热温度高于）当加热温度高于某值时，某值时，第二相粒子第二相粒子发发生生溶解溶解；（2）原始组织中第二）原始组织中第二相分布极不均匀相分布极不均匀(3) 奥氏体晶粒长大过程奥氏体晶粒长大过程奥氏体晶粒长大过程奥氏体晶粒长大过程孕育期：温度愈高，孕育期：

27、温度愈高，孕育期愈短。孕育期愈短。 不不均匀长大均匀长大期：粗期：粗细晶粒共存。细晶粒共存。均匀长大均匀长大期：细小期：细小晶粒被吞并后，缓晶粒被吞并后，缓慢长大。慢长大。奥氏体晶粒长大涉及几个概念奥氏体晶粒长大涉及几个概念不均匀长大和均匀长大不均匀长大和均匀长大不均匀长大不均匀长大温度一定时温度一定时, 随时间随时间延长延长, 晶粒不断长大。晶粒不断长大。均匀长大均匀长大温度一定时温度一定时, 随时间随时间延长延长, 晶粒不再长大。晶粒不再长大。奥氏体晶粒长大涉及几个概念奥氏体晶粒长大涉及几个概念正常长大正常长大加热转变中加热转变中, 保温时间一定时保温时间一定时, 随保温随保温温度升高温度

28、升高, A晶粒不断长晶粒不断长大大, 称为正常长大称为正常长大异常长大异常长大加热转变中加热转变中, 保温时间一定时保温时间一定时,必须当必须当温度超过某定值后温度超过某定值后, 晶粒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，称为异常长大，混晶混晶现象现象正常长大和异常长大正常长大和异常长大正常长大和异常长大正常长大和异常长大异常长大异常长大2.3.3 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 表现为晶界的迁移，实质上是原子表现为晶界的迁移，实质上是原子在晶界附近的扩散过程。在晶界附近的扩散过程。n 晶粒长大速度与晶界迁移速率及晶晶粒长大速度与晶界迁移速率及晶粒长大驱动力成正比。粒长大驱动力成正比。晶界移动激活能常数 mmQKRRTQKVexp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 随加热温度升高，随加热温度升高，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，保温时间应相应缩保温时间应相应缩短，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