材料相变理论钢中奥氏体的形成

材料相变理论钢中奥氏体的形成第1页，共43页，2023年，2月20日，星期五引言钢被加热到奥氏体相区，得到奥氏体组织。奥氏体状态，包括奥氏体晶粒大小、亚结构、成分、均匀性以及是否存在其他相、夹杂物等，对于在随后冷却过程中得到的组织和性能有直接的影响。熟悉钢中的奥氏体的形成机理，掌握获得奥氏体状态的方法，具有重要的实际意义和理论价值。第2页，共43页，2023年，2月20日，星期五2.1奥氏体的组织结构和性能奥氏体定义：钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入γ－Fe中所形成的固溶体。其中C、N等元素存在于奥氏体的间隙位置，或者晶格缺陷处。而原子尺寸与Fe原子相差不大的合金元素则固溶于替换位置。还有一些化学元素吸附于奥氏体晶界等晶体缺陷处。第3页，共43页，2023年，2月20日，星期五（1）奥氏体组织奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥氏体晶粒内有孪晶。灰白不同的衬度是由于各晶粒暴露在试样表面上的晶面具有不同的取向的缘故。T8钢的奥氏体晶粒(暗场像)1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织第4页，共43页，2023年，2月20日，星期五（2）奥氏体的晶体结构（f.c.c）第5页，共43页，2023年，2月20日，星期五碳原子的间隙固溶面心立方中的八面体间隙能容纳的最大球半径=0.414R

在1147℃时，碳在奥氏体中的最大溶解度仅为2.11％（质量百分数），这是由于γ－Fe的八面体中心的间隙半径仅为0.52Å，比碳原子的半径0.86Å小。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变晶格不稳定，因此溶解度是有限的。如果图所示的间隙位置都被碳原子占据，则一个晶胞中含有4个铁原子和4个碳原子，则原子分数为50%，折合17.6wt％C。但是，实际上原子分数为8.7at％C，即25个γ－Fe晶胞中有9个碳原子。第6页，共43页，2023年，2月20日，星期五0.2％C的奥氏体中的间隙碳原子分布在奥氏体中，一部分碳原子固溶在fcc的晶格间隙中，一部分偏聚的晶界、位错等晶体缺陷处。碳含量分布实际上是不均匀的。第7页，共43页，2023年，2月20日，星期五（3）奥氏体的性能1）奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的比容最小(与F、M比较)。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体－珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力。2）奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好，屈服强度低，易于加工塑性变形。钢锭或钢坯一般被加热到1100℃以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材。3）一般钢中的奥氏体具有顺磁性，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。特殊的Fe－Ni软磁合金，也是奥氏体组织，但具有铁磁性。4）奥氏体的导热性差，线膨胀系数最大，比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高约一倍。故奥氏体钢可以用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。5）由于其导热性差，大钢件加热时，热透较慢，加热速度应当慢一些，以减少温差应力，避免开裂。第8页，共43页，2023年，2月20日，星期五2.2奥氏体形成机理

奥氏体形成是扩散性相变，转变的全过程可以分为四个阶段:第9页，共43页，2023年，2月20日，星期五片状珠光体奥氏体珠光体转变为奥氏体，是扩散型相变，是形核－长大的过程。第10页，共43页，2023年，2月20日，星期五（1）奥氏体形成的热力学条件相变驱动力ΔGv第11页，共43页，2023年，2月20日，星期五相变临界点

实际生产中加热速度一般较快，转变发生滞后现象，即转变开始点随着加热速度的加快而升高。习惯上将在一定加热速度下（0.125℃/min）实际测定的临界点用AC1表示。临界点A3和Acm也附加脚标c，即：AC3、ACCm。冷却时的临界点与冷却速度有关。冷却时的临界点以Ar1

表示。临界点A3和Acm也附加脚标r，表示为Ar3、Arcm。第12页，共43页，2023年，2月20日，星期五（2）奥氏体晶核的形成形核点一般认为奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形成晶核。奥氏体晶核也可以在以往的粗大奥氏体晶界上（原始奥氏体晶界）形核并且长大，由于这样的晶界处富集较多的碳原子和其他元素，给奥氏体形核提供了有利条件。0.1mm原奥氏体晶界和晶核第13页，共43页，2023年，2月20日，星期五cTEMFe-2.6Cr-1C钢的奥氏体的形核1.5μmaSEMT8钢奥氏体的形核1.5μmb奥氏体晶核在铁素体片/渗碳体片相界面处形成第14页，共43页，2023年，2月20日，星期五奥氏体晶核的尺度～100nm第15页，共43页，2023年，2月20日，星期五

奥氏体的形成是扩散型相变，因此奥氏体晶核是通过扩散机制形成的。也存在无扩散机制形核的观点。奥氏体晶核与母相之间存在位向关系第16页，共43页，2023年，2月20日，星期五（3）奥氏体晶核的长大当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体晶核时，则形成了γ－α和γ－Fe3C两个相界面。奥氏体晶核的长大过程实际上是两个相界面向原有的铁素体和渗碳体中推移的过程。第17页，共43页，2023年，2月20日，星期五奥氏体晶核的长大奥氏体同时吃掉铁素体片(a，b)和渗碳体片或只是吃掉铁素体（c）长大速率：0.65～1.375微米/秒第18页，共43页，2023年，2月20日，星期五剩余碳化物的溶解SEMT8奥氏体中存在剩余渗碳体第19页，共43页，2023年，2月20日，星期五奥氏体形成总结加热到临界点以上，形成奥氏体，分为四个阶段：①晶界形核；②晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大；③剩余渗碳体或碳化物溶解；④奥氏体成分相对均匀化。第20页，共43页，2023年，2月20日，星期五2.3奥氏体等温形成动力学

所谓形成动力学即指新相的形成速度问题。钢的成分、原始组织、加热温度、加热速度等均影响转变速度。为了使问题简化，首先讨论当温度恒定时奥氏体形成的动力学问题。

第21页，共43页，2023年，2月20日，星期五（1）共析碳素钢的等温TTA曲线第22页，共43页，2023年，2月20日，星期五（2）亚共析碳素钢等温TTA曲线Fe-0.1%C钢Fe-0.6%C钢原因不明第23页，共43页，2023年，2月20日，星期五（3）连续加热时奥氏体形成的TTA曲线Fe-0.7%C钢第24页，共43页，2023年，2月20日，星期五速度v下转变开始点速度v下转变结束点第25页，共43页，2023年，2月20日，星期五连续加热时奥氏体的形成特点

奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。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。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。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26页，共43页，2023年，2月20日，星期五（4）奥氏体的形核率和长大速度形核率：思考：T升高，N增大的原因有哪些？第27页，共43页，2023年，2月20日，星期五奥氏体晶核长大速度一个珠光体片层间距内，T=780ºC时，奥氏体向铁素体的推移速度为：奥氏体向渗碳体的推移速度为：两者之比为：思考：为什么铁素体总是比渗碳体先转化完毕？第28页，共43页，2023年，2月20日，星期五（5）影响奥氏体形成速度的因素

一切影响奥氏体的形核率和增大速度的因素都影响奥氏体的形成速度。如：加热温度，钢的原始组织，化学成分等。

第29页，共43页，2023年，2月20日，星期五1）加热温度的影响①奥氏体形成速度随着加热温度升高而迅速增大。转变的孕育期变短，相应的转变终了时间也变短；②随着奥氏体形成温度升高，形核率增长速率高于长大速度的增长速率。如：转变温度从740℃升高到800℃时，形核率增加270倍，而长大速度只增加80倍。因此，奥氏体形成温度愈高，起始晶粒度愈小。③随着奥氏体形成温度升高，奥氏体相界面向铁素体的推移速度比向渗碳体的推移速度之比增大。在780℃其比值约为14，而在800℃，比值将增大到约19。因此，当奥氏体将铁素体全部吃完时，剩下的渗碳体量增多。第30页，共43页，2023年，2月20日，星期五2）含碳量的影响

珠光体向奥氏体转变50%所需要的时间与钢中碳含量的关系第31页，共43页，2023年，2月20日，星期五3）原始组织的影响

①钢的原始组织愈细，奥氏体形成速度愈快。因为原始组织中的碳化物分散度越高，相界面越多，形核率越大。②珠光体的片间距愈小碳原子的扩散距离减小，奥氏体中的浓度梯度增大，从而，奥氏体形成速度加快。如原始组织为托氏体时奥氏体的形成速度比索氏体和珠光体都快。第32页，共43页，2023年，2月20日，星期五奥氏体等温形成时，片状珠光体比粒状的快。珠光体中的碳化物有片状的，也有粒状的。试验表明，碳化物呈片状时，奥氏体的等温形成速度较粒状的快。在760℃，片状珠光体的奥氏体化转变完了的时间不足1分钟；而粒状珠光体则需5分钟以上。这是由于片状珠光体中的碳化物与铁素体的相界面面积大，易于形核，也易于溶解。碳原子扩散距离也较短。第33页，共43页，2023年，2月20日，星期五4）合金元素的影响①对扩散系数的影响强碳化物形成元素，如Cr、V、Mo、W等，降低碳在奥氏体中的扩散系数，因而减慢奥氏体的形成速度。非碳化物形成元素Co、Ni等增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而加速奥氏体的形成。②合金元素改变临界点位置合金元素改变了钢的临界点的位置，如升高Ac1或降低Ac1；使转变在一个温度范围进行，如Ac1s～Ac1f，因而改变了过热度，影响了奥氏体的形成速度。③

合金元素影响珠光体的片层间距，改变碳在奥氏体中的溶解度，从而影响奥氏体的形成速度。珠光体的片层间距愈小，奥氏体形成速度愈快。④合金元素在奥氏体中分布不均匀合金元素的扩散系数仅仅为碳的1/1000～1/10000，因而，合金钢的奥氏体形成速度慢，均匀化也慢，需要更长的时间转变完，均匀化时间也长。第34页，共43页，2023年，2月20日，星期五2.5奥氏体晶粒长大及控制

第35页，共43页，2023年，2月20日，星期五奥氏体晶粒度晶粒度定义N：n为放大100倍时平均每6.45cm2视野内的晶粒数。本质晶粒度——钢加热至930±10C，保温3-8h，冷却后测得的晶粒度，反应钢加热时晶粒长大的倾向。1-4级为本质粗晶粒；5-8级为本质细晶粒。奥氏体晶粒度影响其转变产物的性能。受加热温度、加热速度和钢中合金元素的影响。第36页，共43页，2023年，2月20日，星期五（1）奥氏体晶粒长大现象加热温度、时间对0.48%C-0.82%Mn钢奥氏体晶粒大小的影响

1－不含铝的C-Mn钢2－含Nb-N钢第37页，共43页，2023年，2月20日，星期五加热温度对奥氏体晶粒度的影响注意区分：起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度第38页，共43页，2023年，2月20日，星期五（2）奥氏体晶粒长大机理长大驱动力正常长大速度第39页，共43页，2023年，2月20日，星期五（3）影响奥氏体晶粒长大的因素1）加热温度和保温时间2）加热速度3）C含量4）合金元素5）冶炼方法6）原始组织10Ni5CrMoV钢第40页，共43页，2023年，2月20日，星期五硬相微粒对奥氏体晶界的扎钉作用

用铝脱氧的钢及含有Nb、V、Ti等元素的钢，钢中存在AlN、NbC、VC、TiC等微粒，这些析出相硬度很高，难以变形，存在于晶界上时，阻止奥氏体晶界移动，对晶界起了扎钉作用；在一定温度范围内保持奥氏体晶粒细小硬相微粒体积分数ƒ一定时，微粒越细，半径r越小，微粒数量越多，则对于晶界移动的阻力F越大：F=3f/2r。一定温度下，奥氏体晶粒平均半径极限Rlim=4r/3f。第41页，共43页，2023年，2月20日，星期五（4）奥氏体的组织遗传性钢奥氏体化时的一种晶粒组织传递现