第2章_钢中奥氏体的形成

1、第二章第二章 钢中奥氏体的形成钢中奥氏体的形成 为了使钢件经热处理后能够获得所需的组织为了使钢件经热处理后能够获得所需的组织和性能，大多数热处理工艺（如淬火、正火和普和性能，大多数热处理工艺（如淬火、正火和普通退火）都需先将钢件加热至临界点以上，使之通退火）都需先将钢件加热至临界点以上，使之转变为奥氏体（称为奥氏体化），然后再以一定转变为奥氏体（称为奥氏体化），然后再以一定的方式冷却使之转变为所需组织。钢加热时形成的方式冷却使之转变为所需组织。钢加热时形成的奥氏体组织形态对热处理后的组织和性能有很的奥氏体组织形态对热处理后的组织和性能有很大的影响。大的影响。1第一节第一节 奥氏体的结构、组织和

2、性能奥氏体的结构、组织和性能奥氏体的结构奥氏体组织奥氏体的性能2一、奥氏体的结构一、奥氏体的结构 奥氏体是奥氏体是C在在-Fe中中的固溶体。的固溶体。 C原子在原子在-Fe点阵中处点阵中处于面心立方晶胞的中心或于面心立方晶胞的中心或棱边中点。棱边中点。一个面心立方晶胞中含有一个面心立方晶胞中含有 个个Fe原子。原子。如果所有间隙位置都填满如果所有间隙位置都填满C原子的话，一个晶胞中原子的话，一个晶胞中含有含有 个个C原子。原子。443 但实际上，奥氏体的最大碳含量原子百分比为但实际上，奥氏体的最大碳含量原子百分比为10，说明，说明C原子不可能是填满的状态。这是因为原子不可能是填满的状态。这是因

3、为C原子进入间隙位置后将引起原子进入间隙位置后将引起点阵畸变点阵畸变，使其周围，使其周围的间隙位置不可能都填满的间隙位置不可能都填满C原子。原子。同时同时C原子的加入会增加奥氏体的晶格参数。原子的加入会增加奥氏体的晶格参数。45 二、奥氏体的组织二、奥氏体的组织 奥氏体的组织通常是由等轴状的多边形晶粒奥氏体的组织通常是由等轴状的多边形晶粒所组成，晶内常可出现孪晶组织。所组成，晶内常可出现孪晶组织。6 三、奥氏体的性能三、奥氏体的性能 奥氏体是钢中的高温稳定相，但若钢中加奥氏体是钢中的高温稳定相，但若钢中加入足够量的能够扩大入足够量的能够扩大相区相区的元素，则可使奥氏的元素，则可使奥氏体在室温成

4、为稳定相。因此，奥氏体可以是钢体在室温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态，以奥氏体状态使用在使用时的一种组织状态，以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。的钢称为奥氏体钢。7Fcc结构结构塑性塑性加工成形性好加工成形性好。最密排的点阵结构最密排的点阵结构比体积小比体积小。铁原子的铁原子的扩散系数小扩散系数小热强性好热强性好高温用钢。高温用钢。线膨胀系数大线膨胀系数大制作热膨胀灵敏的仪表元件；制作热膨胀灵敏的仪表元件；导热性能差导热性能差不宜采用过大的加热速度，以免引起不宜采用过大的加热速度，以免引起工件变形。工件变形。8第二节第二节 奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件当

5、温度升高到当温度升高到GSE线以上时，线以上时，都将得到单相奥都将得到单相奥氏体。氏体。C在在PS之间之间C浓度在浓度在SE之间之间9奥氏体转变的驱动力是新相奥氏体和母相之间的奥氏体转变的驱动力是新相奥氏体和母相之间的体积自由能差体积自由能差。相变阻力是界面能和弹性应变能。相变阻力是界面能和弹性应变能。相变过程中系统自由能变化相变过程中系统自由能变化 G =V GV + S + V Gs 奥氏体是在高温下形成，其弹性应变能很小，因奥氏体是在高温下形成，其弹性应变能很小，因此其相变阻力主要是界面能。此其相变阻力主要是界面能。10共析钢奥氏体和珠光体的体积自由能随温度的变化曲线：交于1点（727C

6、）珠光体（珠光体（P）和奥氏体（）和奥氏体（）自）自由能和温度的关系示意图由能和温度的关系示意图 727C时，两相自由能时，两相自由能相等，相变不会发生相等，相变不会发生 高于高于A1时，时，Gv为负值，为负值，珠光体将转变为奥氏体。珠光体将转变为奥氏体。 低于低于A1时，奥氏体将转时，奥氏体将转变为珠光体。变为珠光体。 相变必须在有过热（过冷）相变必须在有过热（过冷）的条件下才能进行的条件下才能进行原因？原因？阻力阻力11 加热（冷却）速度加热（冷却）速度越大，过热（过冷）越大，过热（过冷）程度也越大。程度也越大。 加热和冷却时发生加热和冷却时发生转变的温度（即临界转变的温度（即临界点）不在

7、同一温度。点）不在同一温度。加 热 时 的 临 界 点 ：加 热 时 的 临 界 点 ：Ac1，Ac3，Accm, 冷 却 时 的 临 界 点 ：冷 却 时 的 临 界 点 ：Ar1，Ar3，Arcm加热速度和冷却速度为加热速度和冷却速度为0.125/min时，临界点的移动时，临界点的移动加热加热( (冷却冷却) )速度对临界点影响速度对临界点影响扩散来扩散来不及不及12面心立方点阵复杂斜方点阵体心立方点阵以上加热至C%77. 0AcC%67. 6CFeC%02. 013第三节第三节 奥氏体的形成机制奥氏体的形成机制点阵结构相差很大点阵结构相差很大碳含量不一样碳含量不一样扩散、重新分扩散、重新

8、分布及点阵重构布及点阵重构13奥氏体转变过程：奥氏体转变过程：奥氏体晶核形成奥氏体晶核形成奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化奥氏体晶核长大奥氏体晶核长大渗碳体溶解渗碳体溶解14一、奥氏体形核一、奥氏体形核形核位置？形核位置？ 珠光体团珠光体团边界边界 铁素体和铁素体和渗碳体交渗碳体交界面界面 珠光体团珠光体团与先共析与先共析铁素体之铁素体之间的界面间的界面过冷度较小：珠光体团边界、铁素体过冷度较小：珠光体团边界、铁素体/珠光体珠光体界面界面过冷度较大：珠光体团内部铁素体过冷度较大：珠光体团内部铁素体/珠光体界珠光体界面面15 另外，在快速加热时，因为相变过热度大，另外，在快速加热时，因为相变过热

9、度大，奥氏体临界晶核半径小，奥氏体成分范围大，所奥氏体临界晶核半径小，奥氏体成分范围大，所以它也可以在铁素体内部的以它也可以在铁素体内部的亚晶界亚晶界上形核。上形核。16二、奥氏体晶核的长大二、奥氏体晶核的长大实质实质/界面界面和和/Fe3C界面向界面向铁素体和渗碳体铁素体和渗碳体推移的过程。推移的过程。17C C铁素体转变成奥氏体降铁素体转变成奥氏体降低低C含量含量C-c C-C原子从原子从/c界面向界面向/界界面扩散，使渗碳体溶解，面扩散，使渗碳体溶解，界面推进界面推进18 在奥氏体晶体长大过程中，由于在奥氏体晶体长大过程中，由于/Fe3C相界面相界面处的碳浓度差（处的碳浓度差（Ccem/

10、C/cem）远远大于）远远大于/相界相界面处的碳浓度差（面处的碳浓度差（C/C/），所以只需溶解一），所以只需溶解一小部分渗碳体就可以使其相界面处的奥氏体达到小部分渗碳体就可以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。处奥氏体的碳浓度趋于平衡。 所以，所以，长大中的奥氏体溶解铁素体的速度始终长大中的奥氏体溶解铁素体的速度始终大于溶解渗碳体的速度大于溶解渗碳体的速度，故在共析钢中总是铁素，故在共析钢中总是铁素体先消失，有剩余渗碳体残留下来。体先消失，有剩余渗碳体残留下来。三、渗碳体的溶解三、渗碳体的溶解1

11、920 一般认为渗碳体的溶解是通过一般认为渗碳体的溶解是通过Fe3C中的碳原子中的碳原子向向中扩散和铁原子向贫碳中扩散和铁原子向贫碳Fe3C扩散以及扩散以及Fe3C向向晶晶体点阵改组来完成的。体点阵改组来完成的。21四、奥氏体的均匀化四、奥氏体的均匀化渗碳体溶解后，渗碳体溶解后，C原子不均匀原子不均匀继续加继续加热或保热或保温温C原子原子扩散扩散C原子趋原子趋于均匀于均匀22形核形核长大长大渗碳体溶解渗碳体溶解奥氏体均匀化奥氏体均匀化奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程23形核率形核率N第四节第四节 奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学线生长速度线生长速度v有核相变的有核相变的形成速度形成速度

12、奥氏体奥氏体相变相变等温条件下，等温条件下，N和和v均可近似为常数均可近似为常数243216*3()VsGGG2*vsrGG一、形核率一、形核率临界形核半径临界形核半径临界形核功临界形核功kTGkTGeeCNm*均匀形核率均匀形核率25 共析碳钢奥氏体形核率共析碳钢奥氏体形核率N与加热温度的关系与加热温度的关系奥氏体形成温度奥氏体形成温度T升高时升高时T N原因26形核急剧增加，有利于形成细小的奥氏体晶粒形核急剧增加，有利于形成细小的奥氏体晶粒TGv形核功形核功G*形核率形核率N扩散系数扩散系数促进点阵重构促进点阵重构渗碳体的溶解渗碳体的溶解形核形核(C/-C/)所需的碳浓度起伏所需的碳浓度起

13、伏3216*3()VsGGGkTGkTGeeCNm*形核形核27二、线生长速度二、线生长速度奥氏体的线生长速度与奥氏体的长大机制有关。奥氏体的线生长速度与奥氏体的长大机制有关。奥氏体的线生长奥氏体的线生长速度包括向两侧速度包括向两侧的推移速度的推移速度长大速度长大速度碳在奥氏体中的扩散碳在奥氏体中的扩散碳在铁素体中的扩散碳在铁素体中的扩散奥氏体位于奥氏体位于铁素体和渗铁素体和渗碳体之间碳体之间28CCdxdCDKvrCCrCCCdxdCDKv67. 6 如果忽略铁素体与渗碳体的浓度梯度，则奥如果忽略铁素体与渗碳体的浓度梯度，则奥氏体长大时的界面推移速度为氏体长大时的界面推移速度为A界面向两侧推

14、移速度与界面向两侧推移速度与扩散系数扩散系数DC 以及以及C含量的含量的浓度梯度浓度梯度dC/dX成成正正比，与界面两侧碳比，与界面两侧碳浓度差浓度差CC 成成反反比。比。29三、奥氏体等温形成动力学曲线三、奥氏体等温形成动力学曲线 将一组共析碳钢试样迅速加将一组共析碳钢试样迅速加热至热至AC1点以上不同温度，保点以上不同温度，保温不同时间后在盐水中急冷至温不同时间后在盐水中急冷至室温，测出每个试样中的马氏室温，测出每个试样中的马氏体转变量（即高温加热保温时体转变量（即高温加热保温时的奥氏体形成量），作出各温的奥氏体形成量），作出各温度下奥氏体形成量与保温时间度下奥氏体形成量与保温时间的关系曲

15、线，即为奥氏体等温的关系曲线，即为奥氏体等温形成动力学曲线，如图形成动力学曲线，如图 (a)所示。所示。30共析碳钢奥氏体等温形成图的全部过程共析碳钢奥氏体等温形成图的全部过程渗碳体渗碳体的溶解的溶解均化均化“终了终了”线线剩余碳化物剩余碳化物继续保温继续保温不均匀不均匀均匀化均匀化31 在高于在高于AC1温度加热保温时，奥氏体并不立即形成，温度加热保温时，奥氏体并不立即形成，而是经过一定的孕育期后才开始形成。而是经过一定的孕育期后才开始形成。 加热温度愈高，孕育期就愈短；（鼻尖温度）加热温度愈高，孕育期就愈短；（鼻尖温度） 奥氏体形成速度在开始时较慢，以后逐渐增大，当奥奥氏体形成速度在开始时

16、较慢，以后逐渐增大，当奥氏体形成量约为氏体形成量约为50时最大，以后又逐渐减慢；时最大，以后又逐渐减慢； 加热温度愈高，形成奥氏体所需的全部时间就愈短，加热温度愈高，形成奥氏体所需的全部时间就愈短，即奥氏体形成速度就愈快；即奥氏体形成速度就愈快；奥氏体转变特点奥氏体转变特点32 在珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，还需要一在珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，还需要一段时间使剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化。而在整个段时间使剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化。而在整个奥氏体形成过程中，剩余碳化物溶解，特别是奥氏体奥氏体形成过程中，剩余碳化物溶解，特别是奥氏体成分均匀化所需的时间最长。成分均匀化所需的时

17、间最长。 对于亚共析钢或过共析钢，当珠光体全部转变为对于亚共析钢或过共析钢，当珠光体全部转变为奥氏体后，还有过剩相铁素体或过剩相渗碳体的转变。奥氏体后，还有过剩相铁素体或过剩相渗碳体的转变。这些转变也需要通过碳原子在奥氏体中扩散以及奥氏这些转变也需要通过碳原子在奥氏体中扩散以及奥氏体与过剩相之间的相界面推移来实现。体与过剩相之间的相界面推移来实现。33四、影响奥氏体形成速度的因素四、影响奥氏体形成速度的因素l加热温度加热温度l碳含量碳含量l原始组织原始组织l合金元素合金元素34 加热温度愈高，加热温度愈高，奥氏体形成速度就愈快奥氏体形成速度就愈快。随加热温度的升高，。随加热温度的升高，奥氏体的

18、形核率及长大速度均增大，但形核率的增大速率高奥氏体的形核率及长大速度均增大，但形核率的增大速率高于线生长速度的增大速率。因此，奥氏体形成温度越高，获于线生长速度的增大速率。因此，奥氏体形成温度越高，获得的起始晶粒就越细小。得的起始晶粒就越细小。 随着奥氏体形成温度的升高，奥氏体的随着奥氏体形成温度的升高，奥氏体的起始晶粒尺寸减小起始晶粒尺寸减小；同时，相变的不平衡程度增大，在铁素体相消失的瞬间，剩同时，相变的不平衡程度增大，在铁素体相消失的瞬间，剩余渗碳体量增多，因而奥氏体基体的余渗碳体量增多，因而奥氏体基体的平均碳含量降低平均碳含量降低。 加热温度的影响加热温度的影响35碳含量增高时，碳碳含

19、量增高时，碳化物数量增多，铁化物数量增多，铁素体与渗碳体的相素体与渗碳体的相界面面积增大，因界面面积增大，因而增加了奥氏体的而增加了奥氏体的形核部位，使形核形核部位，使形核率增大率增大碳含量增高时，碳碳含量增高时，碳化物数量增多后，化物数量增多后，使碳的扩散距离减使碳的扩散距离减小小碳和铁原子的扩散碳和铁原子的扩散系数随奥氏体中碳系数随奥氏体中碳含量增加含量增加 碳含量的影响碳含量的影响碳含量增加碳含量增加增大形核率增大形核率减小减小C C扩散距离扩散距离增大扩散系数增大扩散系数延长碳化物溶解和均化时间延长碳化物溶解和均化时间加速了奥氏体转变加速了奥氏体转变36 原始组织的影响原始组织的影响组

20、织细小，分散度大组织细小，分散度大相界面就愈多相界面就愈多浓度梯度增大浓度梯度增大扩散速度加快扩散速度加快扩散距离也减小扩散距离也减小增大奥氏体的长大速度增大奥氏体的长大速度片状珠光体片状珠光体片层间距减小，dC/dx片层间距减小相界面较大，渗碳体相界面较大，渗碳体呈薄片状，易于溶解呈薄片状，易于溶解37 钢中加入合金元素钢中加入合金元素并不影响并不影响珠光体向奥氏体珠光体向奥氏体的的转变机制转变机制，但影响碳化物的，但影响碳化物的稳定性稳定性及碳在奥氏及碳在奥氏体中的体中的扩散系数扩散系数，并且多数合金元素在碳化物和，并且多数合金元素在碳化物和基体之间的基体之间的分布是不均匀分布是不均匀的，

21、所以合金元素将影的，所以合金元素将影响奥氏体的形核和长大、碳化物溶解、奥氏体均响奥氏体的形核和长大、碳化物溶解、奥氏体均匀化的匀化的速度速度。 合金元素的影响合金元素的影响38合金元素的影响合金元素的影响改变改变奥氏奥氏体化体化温度温度扩大扩大 区的元素区的元素Ni，Mn，Cu缩小缩小 区的元素区的元素Cr，Mo，Ti提高速度提高速度减慢速度减慢速度改变改变奥氏奥氏体化体化速率速率强碳化物形成元素强碳化物形成元素Cr、Mo、 W 、Ti减慢速度减慢速度非碳化物形成元素非碳化物形成元素Co，Ni提高速度提高速度C的扩散速度的扩散速度C的扩散速度的扩散速度Al、Si等等不明显不明显C的扩散速度的扩

22、散速度A1 过热度过热度A1 过热度过热度元素性质元素性质39第五节第五节 连续加热时奥氏体的形连续加热时奥氏体的形成成 在生产实际中，奥氏体往往是在连续加热过程中在生产实际中，奥氏体往往是在连续加热过程中形成的。形成的。 这是因为在生产条件下，加热速度比较快，奥氏这是因为在生产条件下，加热速度比较快，奥氏体形成过程开始后，由于工件能够吸收的热量超过体形成过程开始后，由于工件能够吸收的热量超过转变所需的热量，所以温度仍将继续升高。转变所需的热量，所以温度仍将继续升高。40连续加热特点连续加热特点（1 1）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。（2 2）相变临界点随加热速

23、度增大而升高。）相变临界点随加热速度增大而升高。（3 3）奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。）奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。（4 4）成分的不均匀性随加热速度增大而增大。）成分的不均匀性随加热速度增大而增大。（5 5）起始晶粒大小随加热速度增大而细化。）起始晶粒大小随加热速度增大而细化。41（1 1）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。 连续加热时奥氏体形成的各个阶段分别在一个温度范连续加热时奥氏体形成的各个阶段分别在一个温度范围内完成，而且随加热速度增大，各个阶段的转变温度范围内完成，而且随加热速度增大，各个阶段的转变温度范围均向高温推移并扩大。围均向高温推

24、移并扩大。 连续加热条件下连续加热条件下A形成的热形成的热分析曲线分析曲线 加热速度不大时加热速度不大时：转变速度小，：转变速度小，吸收的热量（相变潜热）吸收的热量（相变潜热）q亦很小，亦很小，外界提供热量外界提供热量Q等于转变消耗热等于转变消耗热量量q，全部热量用于形成，全部热量用于形成A，温度，温度不再上升，出现平台，转变在等不再上升，出现平台，转变在等温下进行。温下进行。加热速度快时加热速度快时：此时：此时Qq，供给热，供给热量除用于转变外尚有剩余，将使量除用于转变外尚有剩余，将使温度继续上升，但升温速度减慢，温度继续上升，但升温速度减慢，因而偏离直线，如图中因而偏离直线，如图中aa1段

25、。段。随转变温度升高，转变速度加快，随转变温度升高，转变速度加快，转变所需热量增加，当达到转变所需热量增加，当达到q=Q时，时，将出现平台。随转变速度进一步将出现平台。随转变速度进一步加快，加快，A大量形成，消耗大量热量，大量形成，消耗大量热量，导致导致qQ，温度开始下降，出现，温度开始下降，出现a1c段；最后，转变速度逐渐降低，段；最后，转变速度逐渐降低，当当Qq时，温度复又上升。时，温度复又上升。42（2 2）在一定的加热速度范围内，相变临界点随加热速度增）在一定的加热速度范围内，相变临界点随加热速度增大而升高。大而升高。 奥氏体形成的开始温度及终了温度均随加热速度增大而奥氏体形成的开始温

26、度及终了温度均随加热速度增大而升高。所有相变临界点（升高。所有相变临界点（AC1、AC3、ACcm）在快速加热条件）在快速加热条件下均向高温移动。下均向高温移动。43（3 3）奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。）奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。共析碳钢连续加热时的奥氏体形成图共析碳钢连续加热时的奥氏体形成图（V1V2V3V4） 各个阶段的转变各个阶段的转变温度越高；温度越高； 转变所需的时间转变所需的时间越短，即奥氏体越短，即奥氏体的形成速度越快；的形成速度越快； 奥氏体转变温度奥氏体转变温度范围越大。范围越大。加热速度越快：加热速度越快：T1T2t2t144（4 4）奥氏体成分的不均匀

27、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。 连续加热时，随加热速度增大，奥氏体形成温度升高，连续加热时，随加热速度增大，奥氏体形成温度升高，与铁素体相平衡的奥氏体碳浓度与铁素体相平衡的奥氏体碳浓度C C/减小，而与渗碳体相平减小，而与渗碳体相平衡的奥氏体碳浓度衡的奥氏体碳浓度C C/cem/cem则增大。在快速加热条件下，碳化则增大。在快速加热条件下，碳化物来不及充分溶解，碳和合金元素来不及充分扩散，所以会物来不及充分溶解，碳和合金元素来不及充分扩散，所以会造成奥氏体中碳和合金元素的浓度很不均匀。造成奥氏体中碳和合金元素的浓度很不均匀。45（5 5）奥氏体起始晶粒大小

28、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。 超快速加热时相变过热度很大，除铁素体和碳化物的相超快速加热时相变过热度很大，除铁素体和碳化物的相界面以外，奥氏体也可在铁素体内的界面以外，奥氏体也可在铁素体内的亚晶界上形核亚晶界上形核。 据测定，铁素体亚晶界处的碳浓度可达据测定，铁素体亚晶界处的碳浓度可达0.20.20.3%0.3%，在，在800800840840以上可能形成奥氏体晶核。所以，超快速加热时以上可能形成奥氏体晶核。所以，超快速加热时奥氏体的奥氏体的形核率急剧增大形核率急剧增大，并且由于加热时间极短，奥氏体，并且由于加热时间极短，奥氏体晶粒晶粒来不及长大来不及长大，

29、经适时淬火后可获得超细化的原始奥氏体，经适时淬火后可获得超细化的原始奥氏体晶粒，并获得超细化的淬火马氏体组织。晶粒，并获得超细化的淬火马氏体组织。46 综上所述，在连续加热时，综上所述，在连续加热时，随加热速度增大随加热速度增大，奥氏体的形成温度升高，使奥氏体的起始晶粒细化；奥氏体的形成温度升高，使奥氏体的起始晶粒细化；同时，剩余碳化物数量增多，使奥氏体基体的平均同时，剩余碳化物数量增多，使奥氏体基体的平均碳含量降低。这两个因素都可以碳含量降低。这两个因素都可以使淬火马氏体得到使淬火马氏体得到强化和韧化强化和韧化。近年发展起来的快速加热、超快速加。近年发展起来的快速加热、超快速加热和脉冲加热淬

30、火等强韧化处理新工艺均是建立在热和脉冲加热淬火等强韧化处理新工艺均是建立在这个理论基础上的。这个理论基础上的。47第六节第六节 奥氏体晶粒长大及其控制奥氏体晶粒长大及其控制 奥氏体晶粒大小对材料最终的组织和性能奥氏体晶粒大小对材料最终的组织和性能影响非常大，因此了解奥氏体晶粒长大规律及影响非常大，因此了解奥氏体晶粒长大规律及其控制奥氏体晶粒大小的方法，对材料的强韧其控制奥氏体晶粒大小的方法，对材料的强韧化有重要意义。化有重要意义。48一、奥氏体晶粒度一、奥氏体晶粒度晶粒度晶粒度是用来衡量晶粒大小的一个量度。是用来衡量晶粒大小的一个量度。 奥氏体晶粒度级别奥氏体晶粒度级别N与奥氏体晶粒大小的关系

31、为：与奥氏体晶粒大小的关系为： n = 2 N -1 式中，式中，n为放大为放大100倍的视野中每平方英寸（倍的视野中每平方英寸（6.45cm2）所）所含的含的平均平均奥氏体晶粒数目。奥氏体晶粒愈细小，奥氏体晶粒数目。奥氏体晶粒愈细小，n就愈大，就愈大，N也就愈大。也就愈大。方法比较繁琐方法比较繁琐直接测量平均晶粒的直径大小对照晶粒度表直接测量平均晶粒的直径大小对照晶粒度表49晶粒度级别对照表晶粒度级别对照表晶粒度级别晶粒度级别N：14级称为级称为粗晶粒粗晶粒58级称为级称为细晶粒细晶粒8级以上称为级以上称为超细超细晶粒晶粒。50奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度 起始晶粒度：起始晶粒度： 奥氏体化结束

32、时的晶粒度奥氏体化结束时的晶粒度 实际晶粒度：实际晶粒度： 材料的最终晶粒度材料的最终晶粒度 本质晶粒度：本质晶粒度：按规定方法获得的晶粒度按规定方法获得的晶粒度反应晶粒反应晶粒长大的趋长大的趋势势决定材决定材料性能料性能热处理条件热处理条件2101. 1vNn形核率形核率线生长速度线生长速度51两种不同钢种的奥氏体晶粒尺寸随加热温度的变化两种不同钢种的奥氏体晶粒尺寸随加热温度的变化 本质细晶粒钢淬本质细晶粒钢淬火加热温度范围较火加热温度范围较宽，在生产上易于宽，在生产上易于掌握。掌握。 本质粗晶粒钢淬本质粗晶粒钢淬火加热温度范围较火加热温度范围较窄，必须严格控制窄，必须严格控制加热温度。加热

33、温度。52二、影响奥氏体晶粒长大的因素二、影响奥氏体晶粒长大的因素影响因素影响因素1.加热温度和保温时间：加热温度和保温时间：2.加热速度加热速度3.碳含量碳含量4.合金元素合金元素加热温度越高，保温时间越加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。长，奥氏体晶粒越粗大。快速加热细快速加热细化晶粒化晶粒速度速度过热度过热度 N/v起始晶粒起始晶粒碳含量较低时，碳含量较低时，C扩散速度扩散速度长大长大碳含量较高时，碳含量较高时， C二次渗碳二次渗碳晶粒细化晶粒细化先增后减先增后减形成难溶化合物的形成难溶化合物的Nb、Ti、Zr等等 晶粒长大晶粒长大形成易溶化合物的形成易溶化合物的W、Mo、Cr

34、等等晶粒的长大晶粒的长大不形成化合物的不形成化合物的Si和和Ni晶粒长大晶粒长大Mn、P、O晶粒长大晶粒长大视情况视情况53三、三、 钢在加热时的过热现象钢在加热时的过热现象 钢在热处理时，由于加热不当（如加热温度过高或钢在热处理时，由于加热不当（如加热温度过高或保温时间过长）而引起奥氏体实际晶粒粗大，以致在随保温时间过长）而引起奥氏体实际晶粒粗大，以致在随后淬火或正火时得到十分粗大的组织，从而使钢的力学后淬火或正火时得到十分粗大的组织，从而使钢的力学性能显著恶化的现象称为性能显著恶化的现象称为过热过热。危害危害 降低钢件的性能（如冲击韧性下降，断口呈粗晶状等）降低钢件的性能（如冲击韧性下降，

35、断口呈粗晶状等） 淬火时钢件容易发生变形和开裂淬火时钢件容易发生变形和开裂54钢件过热时采取措施钢件过热时采取措施 在冷却过程中转变为珠光体时，可以用一在冷却过程中转变为珠光体时，可以用一次重新加热奥氏体化来消除过热。次重新加热奥氏体化来消除过热。 如果过热的奥氏体在冷却过程中转变为马如果过热的奥氏体在冷却过程中转变为马氏体等非平衡组织，则很难用上述方法来氏体等非平衡组织，则很难用上述方法来消除过热。消除过热。55第七节第七节 非平衡组织加热时奥氏体的形成非平衡组织加热时奥氏体的形成 钢以非平衡组织（包括淬火马氏体、贝氏体、钢以非平衡组织（包括淬火马氏体、贝氏体、回火马氏体、魏氏体组织等）作为

36、原始组织进行加回火马氏体、魏氏体组织等）作为原始组织进行加热时，可在奥氏体形成初期获得针状和颗粒状两种热时，可在奥氏体形成初期获得针状和颗粒状两种形态的奥氏体晶粒。它们的形成规律与钢的成分、形态的奥氏体晶粒。它们的形成规律与钢的成分、原始组织和加热条件等因素有关。以板条状马氏体原始组织和加热条件等因素有关。以板条状马氏体为例，讨论非平衡组织加热时奥氏体的形成。为例，讨论非平衡组织加热时奥氏体的形成。56一、针状奥氏体的形成一、针状奥氏体的形成 低、中碳合金钢，以板条状马氏体为原始组织在低、中碳合金钢，以板条状马氏体为原始组织在AC1-AC3之间进行之间进行慢速和极快速加热慢速和极快速加热时，在

37、马氏体板条间可形成时，在马氏体板条间可形成针状奥氏体针状奥氏体。而在原奥氏体晶界、马氏体束界及块界形成。而在原奥氏体晶界、马氏体束界及块界形成颗粒状奥氏体颗粒状奥氏体。 在慢速加热时，针状奥氏体常在马氏体板条边界上的在慢速加热时，针状奥氏体常在马氏体板条边界上的渗碳体处形核，沿板条界长成针状奥氏体。渗碳体处形核，沿板条界长成针状奥氏体。 针状奥氏体与马氏体保持针状奥氏体与马氏体保持K-S关系关系(111) /(011)；011 /111 57 非平衡组织加热时形成的针状非平衡组织加热时形成的针状奥氏体奥氏体58形成针状形成针状A条件：条件：原始组织中的原始组织中的M板条加板条加热到热到Ac1以

38、上时未再结晶，保留板条特征以上时未再结晶，保留板条特征部分部分M已分解，已分解，沿 板 条 界 析 出沿 板 条 界 析 出Fe3C，但，但M基体基体并未再结晶并未再结晶A核一般在有核一般在有Fe3C的板条界形成，沿的板条界形成，沿板条界长成针状奥板条界长成针状奥氏体。新形成的氏体。新形成的A核与核与F及及Ce都保持都保持晶体晶体学位向关系学位向关系，故只可能只有一种故只可能只有一种取向，可能合并。取向，可能合并。延长时间、提高温延长时间、提高温度，同一板条束内度，同一板条束内的针状的针状A可长大合可长大合并为一个并为一个等轴等轴A晶晶粒粒，但仍可在观察，但仍可在观察到针状到针状A的痕迹。的痕

39、迹。不同点：不同点：（1）在）在原原A晶界上存在部晶界上存在部分细小的等轴分细小的等轴A晶晶粒；（粒；（2）在原始）在原始A晶粒内也存在与周晶粒内也存在与周围围A向不同的孤立向不同的孤立的等轴的等轴A晶粒，它晶粒，它们可能是在们可能是在M束界束界、块界或夹杂物边、块界或夹杂物边界上形成的；（界上形成的；（3）有针状）有针状A的痕迹的痕迹淬火后从新得到淬火后从新得到板条状的板条状的M59二、颗粒状奥氏体的形成二、颗粒状奥氏体的形成当以当以中等的加热速度中等的加热速度将非平衡态组织将非平衡态组织加热到加热到AC1-AC3之间或之间或直接直接加热到加热到AC3以上以上时，将在原奥氏体晶界、时，将在原

40、奥氏体晶界、马氏体束界、块界，甚至在板条界，通过扩散型相马氏体束界、块界，甚至在板条界，通过扩散型相变变形成颗粒状奥氏体形成颗粒状奥氏体。由于淬火马氏体中的马氏体。由于淬火马氏体中的马氏体束界、块界和板条界等束界、块界和板条界等形核位置较多形核位置较多，故形成的颗，故形成的颗粒状奥氏体往往具有粒状奥氏体往往具有非常细的晶粒组织非常细的晶粒组织。60三、粗大奥氏体晶粒的遗传性三、粗大奥氏体晶粒的遗传性钢的组织遗传性钢的组织遗传性 粗大非平衡组织加热，一定条件下，新奥氏体粗大非平衡组织加热，一定条件下，新奥氏体晶粒可能继承和恢复原粗大奥氏体晶粒。晶粒可能继承和恢复原粗大奥氏体晶粒。结果：结果： 粗

41、大组织遗传，钢的韧性得不到恢复，断口仍粗大组织遗传，钢的韧性得不到恢复，断口仍呈粗晶状，过热组织的影响在重新奥氏体化后未能呈粗晶状，过热组织的影响在重新奥氏体化后未能消除。消除。611、影响钢的组织遗传的因素、影响钢的组织遗传的因素（1）原始组织）原始组织 珠光体钢一般不存在遗传性珠光体钢一般不存在遗传性普遍存在于原始组织为普遍存在于原始组织为非平衡组织非平衡组织的合金钢中；的合金钢中；同种钢原始组织为同种钢原始组织为贝氏体比马氏体的遗传性强贝氏体比马氏体的遗传性强；（2）加热速度）加热速度采用快速或慢速加热时，均易出现组织遗传；采用快速或慢速加热时，均易出现组织遗传；只有采用中等速度加热时才

42、有可能避免组织遗传。只有采用中等速度加热时才有可能避免组织遗传。62加热速度对组织遗传的影响加热速度对组织遗传的影响632.断口遗传性断口遗传性 有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口，这种现象称为晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口，这种现象称为断口遗传断口遗传。分类分类（1）石状断口）石状断口（2）伪断口遗传）伪断口遗传（3）与晶粒内织构有关的伪断口遗传）与晶粒内织构有关的伪断口遗传（4）与回火脆性有关的断口遗传）与回火脆性有关的断口遗传64（1）石状断口）石状断口 由于过热，钢中由于过热，钢中MnS

43、等将溶入奥氏体中，因等将溶入奥氏体中，因Mn与与S是是内表面活性物质，溶入奥氏体后将向奥氏体晶界偏聚。内表面活性物质，溶入奥氏体后将向奥氏体晶界偏聚。 如果在过热后缓慢冷却，溶入奥氏体中的如果在过热后缓慢冷却，溶入奥氏体中的MnS将沿奥将沿奥氏体晶界析出，再次以正常温度加热时虽然粗大组织得到氏体晶界析出，再次以正常温度加热时虽然粗大组织得到了细化，但这些沿原粗大奥氏体晶界分布的了细化，但这些沿原粗大奥氏体晶界分布的MnS不能溶解，不能溶解，仍分布在原奥氏体晶界，使奥氏体晶界弱化，故断裂将沿仍分布在原奥氏体晶界，使奥氏体晶界弱化，故断裂将沿原奥氏体晶界发生，形成粗大断口，称为原奥氏体晶界发生，形

44、成粗大断口，称为石状断口石状断口。65（2）伪断口遗传）伪断口遗传 过热不太严重时，在沿原粗大奥氏体晶界未析出过热不太严重时，在沿原粗大奥氏体晶界未析出MnS等等的情况下，仍有可能出现断口遗传。的情况下，仍有可能出现断口遗传。 出现这种断口遗传的原因是过热淬火组织中速加热时，出现这种断口遗传的原因是过热淬火组织中速加热时，在原粗大奥氏体晶界形成的新的奥氏体的核只能往一侧长成在原粗大奥氏体晶界形成的新的奥氏体的核只能往一侧长成球冠状，故原粗大奥氏体晶界边界将成为新形成的小奥氏体球冠状，故原粗大奥氏体晶界边界将成为新形成的小奥氏体晶界边界而被保留。晶界边界而被保留。 类似于粗晶的断口，但实际上则是

45、沿新形成的小晶粒边类似于粗晶的断口，但实际上则是沿新形成的小晶粒边界断裂的细晶断口，故不会降低钢的韧性，可以认为这是一界断裂的细晶断口，故不会降低钢的韧性，可以认为这是一种伪断口遗传。种伪断口遗传。 66（3）与晶粒内织构有关的伪断口遗传）与晶粒内织构有关的伪断口遗传 在发生穿晶准解理断裂时也可能出现一种伪在发生穿晶准解理断裂时也可能出现一种伪断口遗传。断口遗传。 晶内织构晶内织构：一个粗大奥氏体晶粒衍生出来的：一个粗大奥氏体晶粒衍生出来的空间取向不同的众多的细小奥氏体晶粒的低指数空间取向不同的众多的细小奥氏体晶粒的低指数晶面很可能是平行的。晶面很可能是平行的。 如果穿晶准解理断裂是沿这样的低

46、指数晶面如果穿晶准解理断裂是沿这样的低指数晶面发展将呈现出粗晶穿晶断口。发展将呈现出粗晶穿晶断口。67（4）与回火脆性有关的断口遗传）与回火脆性有关的断口遗传 当第二次正常温度加热淬火得到细小马氏体组织后，当第二次正常温度加热淬火得到细小马氏体组织后，如果在发生低温回火脆性或高温回火脆性区域回火，则伴如果在发生低温回火脆性或高温回火脆性区域回火，则伴随着回火脆性的发生，将出现沿原粗大奥氏体晶界的断裂，随着回火脆性的发生，将出现沿原粗大奥氏体晶界的断裂，出现断口遗传。出现断口遗传。出现这种断口遗传的出现这种断口遗传的原因是原因是： 第一次过热时，在原奥氏体晶界发生了第一次过热时，在原奥氏体晶界发

47、生了Cr、Ni、S、P等等能促进回火脆性的元素的偏聚。第二次正常温度加热时，能促进回火脆性的元素的偏聚。第二次正常温度加热时，这些偏聚未能消除，因此在低温回火时，与在晶界上析这些偏聚未能消除，因此在低温回火时，与在晶界上析出的碳化物一起，使晶界弱化，发生沿原粗大奥氏体晶出的碳化物一起，使晶界弱化，发生沿原粗大奥氏体晶界的断裂，出现断口遗传。界的断裂，出现断口遗传。也有可能偏聚在原粗大奥氏体晶界上的也有可能偏聚在原粗大奥氏体晶界上的Cr等元素促进了等元素促进了回火碳化物在晶界上的析出，使晶界弱化出现回火脆性，回火碳化物在晶界上的析出，使晶界弱化出现回火脆性，导致断口遗传。导致断口遗传。683.奥

48、氏体晶粒的反常细化奥氏体晶粒的反常细化 过热形成粗大奥氏体组织后就很有可能出现组织遗过热形成粗大奥氏体组织后就很有可能出现组织遗传。但如果快速加热到传。但如果快速加热到比正常温度（略高于比正常温度（略高于AC3温度）更温度）更高温度（高温度（AC3+100200），），则奥氏体晶粒可能不仅不则奥氏体晶粒可能不仅不粗化，反而形成了细小的、晶体学位相不同的奥氏体晶粒。粗化，反而形成了细小的、晶体学位相不同的奥氏体晶粒。这种现象称为这种现象称为奥氏体晶粒的反常细化奥氏体晶粒的反常细化。 由于奥氏体晶粒的反常细化发生在奥氏体单相区内，由于奥氏体晶粒的反常细化发生在奥氏体单相区内，故不可能是相变引起的，

49、可能是由于发生了再结晶导致晶故不可能是相变引起的，可能是由于发生了再结晶导致晶粒细化，这种再结晶可称为奥氏体的粒细化，这种再结晶可称为奥氏体的自发再结晶自发再结晶。 如果此时在提高加热温度，细化的奥氏体晶粒又会如果此时在提高加热温度，细化的奥氏体晶粒又会重新正常长大重新正常长大694、控制粗大奥氏体晶粒遗传的方法、控制粗大奥氏体晶粒遗传的方法 导致粗大奥氏体晶粒遗传的主要原因是针状奥氏体的导致粗大奥氏体晶粒遗传的主要原因是针状奥氏体的形成及其长大合并。因此可以用一些方法来控制粗大晶粒形成及其长大合并。因此可以用一些方法来控制粗大晶粒的遗传性的遗传性 采用适当的采用适当的加热速度加热速度可避免组织遗传。对于非平衡组织的过可避免组织遗传。对于非平衡组织的过热钢，可以采用中速加热，得到细小的奥氏体晶粒。热钢，可以采用中速加热，得到细小的奥氏体晶粒。 消除非平衡组织消除非平衡组织：采用退火、正火，或高温回火等，使非平：采用退火、正火，或高温回火等，使非平衡组织转变为平衡组织，可避免组织遗传。衡组织转变为平衡组织，可避免组织遗传。 利用奥氏体的利用奥氏体的自发再结晶自发再结晶，快速加热（大于，快速加热