奥氏体的形成、钢的热处理工艺

1、返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT金属热处理原理及工艺 第四章第四章 奥氏体的形成奥氏体的形成4.1、奥氏体的形成、奥氏体的形成4.2、奥氏体形成机理、奥氏体形成机理4.3、奥氏体转变动力学、奥氏体转变动力学4.4、奥氏体晶粒长大及其控制、奥氏体晶粒长大及其控制返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMTAB + L 是不是所有的金属材料都可以进行热处理呢？是不是所有的金属材料都可以进行热处理呢？只有固态相变发生的合金才能进行热处理。只有固态相变发生的合金才能进行热处理。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SM

2、SE,CUMTE EF FG 912 S SP PQ Q11481148727727A AF FA+FA+FA+ FeA+ Fe3 3C CF + FeF + Fe3 3C CK KFeFe3 3C CFeFeA A1 1A AcmcmA A3 3TT C% C%返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT奥氏体的形成是钢在加热过程中，由珠光体转变成奥氏体奥氏体的形成是钢在加热过程中，由珠光体转变成奥氏体的过程。的过程。 相转变：相转变： F + FeF + Fe3 3C A C A 碳含量：碳含量： 0.02% 6.69% 0.77%0.02% 6.69% 0.7

3、7% 点阵结构点阵结构: bcc : bcc 复杂斜方复杂斜方 fccfcc返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT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( (书图书图2.3)2.3)4.1、奥氏体的形成、奥氏体的形成返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT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

4、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4.1、奥氏体的形成、奥氏体的形成返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT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 AF FA+FA+FA+ FeA+ Fe3 3C CF + FeF + Fe3 3C CK KFeFe3 3C CFeFeA A1 1A Ac

5、mcmA A3 3TT C% C%4.1、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在在727时加热能形成时加热能形成A吗？吗？返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT1.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，AAFTCFeA1A3Acm返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMTACFeACFePcmAA331过共析钢的奥氏体化过共析

6、钢的奥氏体化 室温下组织为室温下组织为 P+Fe3C 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返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 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

7、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返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT转转 变变 温温 度度Ac1Ac3AccmA3AcmArcmAr3Ar1A1AGSEPQF7271148P+CmF+P2.110.770.0218FeC%返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMTG

8、状态状态状态状态gG(1)热力学形成条件热力学形成条件 克服克服g g势垒势垒 G0 3. A形成的条件形成的条件G=-Gv+Gs+GeA1）G=-Gv+Gs+Ge0返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT2-5Gv与与T的关系的关系GV=Gp-GA (1)GA=HA-TSA (2)Gp=Hp-TSp (3)Lv=HA-Hp (4)GV=LVT/T0过热度过热度 ，驱动力，驱动力 ，转变速度，转变速度 。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT(2)相变的结构条件相变的结构条件D DGe r2 r D DG 0 - - D DGV

9、 r3 D DG r*D DG * D DGs r3 2*-DVGrG=-Gv+Gs+Ge0返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT4.24.2、奥氏体形成机理、奥氏体形成机理 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

10、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）返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT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

11、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返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT45钢在钢在735加热加热10min的组织的组织15000返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT1.1.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

12、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. .4.2、奥氏体形成机理、奥氏体形成机理返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT原始组织原始组织5S8S15S球状球状P向向A的转变的转变返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT3. 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

13、 3C C没有转变为没有转变为A A，称为，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P返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT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 返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT02. 0/

14、-FAFACKG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. 6-当当A形成温度为形成温度为780时时02. 041. 0-KGFA89. 069. 63-KGCFeA8 .1402. 041. 089. 069. 63-CFeAFAGGBCdxdCKDGD-1 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 返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMTA3AcmA1AGSEPQF72

15、71148P+CmF+P2.110.770.0218FeC%7387808200.230.930.410.680.890.79返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT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4.3、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BCdxdCKDGD-1)exp()exp(KTQKTWCI-2、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

16、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 ，返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT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4.3、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

17、需要更长均匀化时间合金钢需要更长均匀化时间返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT四四.连续加热时连续加热时A形成动力学形成动力学4.3、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返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT四四. .连续加热时连续加热时A A形成动力学形成动力学4.3、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

18、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 。V1V1 V2 V3不均匀不均匀A均匀均匀AP+ AA+ Fe3CPt/sT/V3V2Ac1返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT一一. .奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度4.4、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

19、处理返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT58级的钢为本质细晶粒度的钢14级的钢为本质粗晶粒度钢返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT本质粗晶粒度：奥氏体随温度的升高迅速长大的钢。如经锰硅脱氧的钢、沸腾钢等本质细晶粒度：奥氏体晶粒长大倾向小，加热到较高温度时才显著长大的钢。如经铝脱氧的钢、镇静钢等返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT二二. .奥氏体晶粒长大机制奥氏体晶粒长大机制4.4、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力: 界面能的降低。界面能的降低。

20、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返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT二二. .奥氏体晶粒长大机制奥氏体晶粒长大机制4.4、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

21、阻力 返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT (1)加热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4.4、奥氏体晶粒长大及其控制、奥氏体晶粒长大及其控制返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 1 1、奥氏体晶粒大小控

22、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颗粒细化组织、颗粒细化组织、 碳化物碳化物(TiC(TiC、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、电子束加热等。如高频感应加热、激光加热、电子束加热等。 四四. .奥氏体大小控制及其应用奥氏体大小控制及其应用4.4、奥氏体晶粒长大及其控制、奥氏体晶粒长大及其控制返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 2 2、粗大奥氏体晶粒的遗传及其阻断、粗大奥氏体晶粒的遗传及其阻断 缺陷：缺陷： 组织遗传组织遗传过热的钢，再次正常加热后，过热的钢，再次正常加热后，A A仍保留原来仍保留原来粗大晶粒，甚至原来取向和晶界的现象。粗