奥氏体的形成学习教案

1、会计学1奥氏体的形成奥氏体的形成第一页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.1 奥氏体及其形成机理2.1.1 奥氏体的结构及其存在范围图2-1 奥氏体的单胞n 奥氏体是碳溶于-Fe 中的间隙固溶体n 碳原子位于八面体间隙中心，即FCC晶胞的中心或棱边的中点n 八面体间隙半径 0.52 碳原子半径 0.77 点阵畸变第1页/共56页第二页，编辑于星期日：十三点 四十九分。图2-2 Fe-C 相图n 奥 氏 体 相 区 ： NJESGN包围的区域 GS线 - A3线 ES线 - Acm线 PSK线 - A1线n 碳在奥氏体中的最大溶 解 度 为 2 . 1 1 w t % (10at%)n 碳原子

2、的溶入使 -Fe的点阵畸变，点阵常数随碳含量的增加而增大第2页/共56页第三页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.1.2 奥氏体的性能n 奥氏体的比容最小，线膨胀系数最大，且为顺磁性（无磁性）。利用这一特性可以定量分析奥氏体含量，测定相变开始点，制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。n 奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避免工件的变形，不宜采用过大的加热速度。n 奥氏体塑性很好，S 较低，易于塑性变形。故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。第3页/共56页第四页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.1.3 奥氏体形成的热力学条件图2-3 自由能和温度关系图G = V Gv + S + V -

3、Gd (2-1) - Gd - 在晶体缺陷处形核引起的自由能降低n 相变必须在一定的过热度T下，使得GV 0，才能得到G Cr- ，浓度差 dC = Cr-k - Cr- 将在奥氏体内产生扩散 Cr- Cr- ； Cr-k Cr-k 相界面上的平衡浓度被打破 为了恢复并维持相界面上的平衡浓度 点阵重构，向方向长大，Cr- Cr- Fe3C向中溶解，向Fe3C方向长大， Cr-k Cr-k 第14页/共56页第十五页，编辑于星期日：十三点 四十九分。n 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：CFeCCCCCCdxCCdCdxd

4、CDCCdxdCDCdxdCDCdxdCDGGGKKKrKrKkk3/;)22()11(11第15页/共56页第十六页，编辑于星期日：十三点 四十九分。n 由式（2-2）可知，奥氏体晶核的长大速度与碳在奥氏体中的浓度梯度成正比，而与相界面上的碳浓度差成反比。n 由于 /Fe3C相界面的碳浓度差 Ck 较大，Fe3C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，所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体的溶解要快得多，铁素体先消失，而渗碳体有剩余。第16页/共56页第十七页，编辑于星期日：十三点 四十九分。第17页/共56页第十八页，编辑于星期日：十三点 四十九分。（3）剩余渗

5、碳体的溶解n 剩余渗碳体借助于Fe、C原子的扩散进一步溶解。（4）奥氏体成分的均匀化n 原渗碳体部位的碳浓度高，原铁素体部位的碳浓度低。n 通过Fe、C原子在新形成奥氏体中的扩散，实现奥氏体成分的均匀化。第18页/共56页第十九页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.2 奥氏体形成的动力学2.2.1 形核率n 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，所以形核率应与获得能量涨落的几率因子 exp(-G*/kT) 成正比。n 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，所以应与原子扩散的几率因子 exp(-Q/kT) 成正比。 第19页/共56页第二

6、十页，编辑于星期日：十三点 四十九分。N = C exp(-G*/kT)exp(-Q/kT) (2-3)式中: C - 常数 G* - 临界形核功 Q - 扩散激活能 k - 玻尔兹曼常数，-23 J/K T - 绝对温度 N - 形核率，单位 1/(mm3 s)n 与结晶不同的是，PA的相变，是在升高温度下进行的相变。n 温度升高时， G* ，Q ，从而形核率 N 增大。第20页/共56页第二十一页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.2.2 奥氏体线长大速度)22()11(KCCdxdCDGn 碳在奥氏体中的扩散系数 D=D0exp(-Q/RT) 阿累尼乌斯方程(Arrhenius)G -

7、 长大线速度，单位 mm/sn 温度升高时，D , dC , C , Ck 从而线长大速度G增大。第21页/共56页第二十二页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.2.3 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-迈尔方程（Johnson-Mehl方程)：)42()3exp(143tNGVtVt - 新形成奥氏体的体积分数n 转变量达50%左右时，转变速度最大。n 转变温度越高，奥氏体形成的孕育期越短。n 转变温度越高，完成转变所需的时间越短。第22页/共56页第二十三页，编辑于星期日：十三点 四十九分。图2-8 奥氏体等温形成动力学曲线 n 形成温度升高，N的增长速率高

8、于G的增长速率，N/G增大，可获得细小的起始晶粒度。n 形成温度升高，G/Gk 增大，铁素体消失时，剩余渗碳体量增大，形成奥氏体的平均碳含量降低。第23页/共56页第二十四页，编辑于星期日：十三点 四十九分。第24页/共56页第二十五页，编辑于星期日：十三点 四十九分。第25页/共56页第二十六页，编辑于星期日：十三点 四十九分。第26页/共56页第二十七页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.2.4 连续加热时奥氏体的形成特点图2-9 珠光体向奥氏体转变动力学曲线第27页/共56页第二十八页，编辑于星期日：十三点 四十九分。n 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

9、高温，且转变温度范围扩大，而转变速度则增大。n 随加热速度增大，C，Fe原子来不及扩散，所形成的奥氏体成分不均匀性增大。n 快速加热时，奥氏体形成温度升高，可引起奥氏体起始晶粒细化；同时，剩余渗碳体量也增多，形成奥氏体的平均碳含量降低。第28页/共56页第二十九页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.3 奥氏体晶粒长大及其控制2.3.1 奥氏体晶粒度n 奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分为8级，1级最粗，8级最细，8级以上为超细晶粒。n 晶粒度级别与晶粒大小的关系 n = 2N-1 (2-5) n - X100倍时，晶粒数 / in2 N - 晶粒度级别第29页/共56页第三十页，编辑于星期日

10、：十三点 四十九分。图2-10 X100倍 晶粒度Nd (m)125021773125488562644731822915.61011第30页/共56页第三十一页，编辑于星期日：十三点 四十九分。n 奥氏体晶粒度有三种： 初始晶粒度 - 奥氏体形成刚结束，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，晶界弯曲。 实际晶粒度 - 钢经热处理后所获得的实际奥氏体晶粒大小。第31页/共56页第三十二页，编辑于星期日：十三点 四十九分。 本质晶粒度 - 表示钢在一定加热条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。 在 93010，保温38小时后测定： 14级-本质粗晶粒钢，晶粒容易长大。 58级

11、-本质细晶粒钢，晶粒不容易长大。第32页/共56页第三十三页，编辑于星期日：十三点 四十九分。图2-11 加热温度对奥氏体晶粒大小的影响Ac1930第33页/共56页第三十四页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.3.2 奥氏体晶粒长大机制 晶粒长大的驱动力n驱动力来自总的晶界能的下降。(1)对于球面晶界，有一指向曲率中心的驱动力P作用于晶界。RP图2-12 球面晶界长大驱动力示意图。，直晶界，球面曲率半径，如为平比界面能0)62(2PRRRP第34页/共56页第三十五页，编辑于星期日：十三点 四十九分。n 公式(2-6)的推导:图2-13 双晶体中的A、B两晶粒，其中B晶粒呈球状存在于A晶粒

12、中。n 面积为A的晶界如果移动dx距离时，体系总的Gibbs自由能变化为dGt ，则沿x方向有力P作用于晶界上，构成晶界移动的驱动力。n 图2-13中A、B晶粒间的晶界构成一曲率半径为R的球面。RdRRdRdxdGAPt2)4(41122第35页/共56页第三十六页，编辑于星期日：十三点 四十九分。图2-14 大晶粒吃掉小晶粒示意图(箭头表示晶界迁移方向)图2-15 晶粒大小均匀一致时稳定的二维结构第36页/共56页第三十七页，编辑于星期日：十三点 四十九分。图2-16 顶角均为1200 的多边形晶粒图2-17 三维晶粒的稳定形状 - Kelvin正十四面体第37页/共56页第三十八页，编辑于

13、星期日：十三点 四十九分。图2-18 大晶粒和小晶粒的几何关系n 为保持三晶界交会处的界面张力平衡，交会处的面角应为120o，晶界将弯曲成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，使总晶界面积减少，总的界面能降低。大晶粒将吃掉小晶粒 第38页/共56页第三十九页，编辑于星期日：十三点 四十九分。(2) 晶界迁移阻力图2-19 Zener微粒钉扎晶界模型 n 晶界向右迁移时，奥氏体晶界面积将增加，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rfrfF)72(23max第39页/共56页第四十页，编辑于星期日：十三点 四十九分。n 由式（2-7）可知： 当第二相微粒所占的体

14、积分数 f 一定时，第二相粒子越细小（r越小），提供的对晶界迁移的总阻力越大。 反之，当第二相微粒粗化时，对晶界迁移的总阻力将会变小。第40页/共56页第四十一页，编辑于星期日：十三点 四十九分。(3) 奥氏体晶粒长大过程图2-20 奥氏体晶粒长大过程孕育期：温度愈高，孕育期愈短。不均匀长大期：粗细晶粒共存。均匀长大期：细小晶粒被吞并后，缓慢长大。第41页/共56页第四十二页，编辑于星期日：十三点 四十九分。2.3.3 影响奥氏体晶粒长大的因素 (1) 加热温度和保温时间n 表现为晶界的迁移，实质上是原子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粒长大驱动力成正比。晶界移动激活能

15、常数 mmQKRRTQKV)82(exp第42页/共56页第四十三页，编辑于星期日：十三点 四十九分。图2-21 奥氏体晶粒大小与加热温度、保温时间的关系n 随加热温度升高，奥氏体晶粒长大速度成指数关系迅速增大。n 加热温度升高时，保温时间应相应缩短，这样才能获得细小的奥氏体晶粒。第43页/共56页第四十四页，编辑于星期日：十三点 四十九分。（2）加热速度的影响n 加热速度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率与长大速度之比（N/G）随之增大，可以获得细小的起始晶粒度。n 快速加热并且短时间保温可以获得细小的奥氏体晶粒度。n 如果此时长时间保温，由于起始晶粒细小，加上实际形成温度高，奥氏体晶粒

16、很容易长大。第44页/共56页第四十五页，编辑于星期日：十三点 四十九分。（3）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。n 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。过共析碳钢的加热温度一般选在 Ac1 - Accm 两相区，为的就是保留一定的残留渗碳体。第45页/共56页第四十六页，编辑于星期日：十三点 四十九分。（4）合金元素的影响n Mn，P 促进奥氏体晶粒长大： Mn - 在奥氏体晶界偏聚，提高晶界能； P - 在奥氏体晶界偏聚，提高铁的自扩散系数。n 强碳氮化物

17、形成元素 Ti，Nb，V 形成高熔点难溶碳氮化物（如TiC，NbN），阻碍晶界迁移，细化奥氏体晶粒。 Nb Ti Zr V W Mo Cr Si Ni Cu 阻碍作用强 阻碍作用弱 第46页/共56页第四十七页，编辑于星期日：十三点 四十九分。图2-22 奥氏体晶粒直径与加热温度的关系1 - 不含铝的C-Mn钢 2 - 含Nb-N钢（5）冶炼方法（原始组织）n 用Al脱氧，可形成 AlN - 本质细晶粒钢n 用Si、Mn脱氧- 本质粗晶粒钢第47页/共56页第四十八页，编辑于星期日：十三点 四十九分。第48页/共56页第四十九页，编辑于星期日：十三点 四十九分。第49页/共56页第五十页，编辑于星期日：十三点 四十九分。过热、过烧及其校正 一、过热及其校正 、过热： 加热转变终了时所得奥氏体晶粒一般均较细小。但如果在转变终了继续升高温度，则如前所述，奥氏体晶粒将继续长大。如果仅仅是晶粒长大而在晶界上并未发生能使晶界弱化的某些变化，则