材料相變理論鋼中奧氏體的形成

1、材料相變理論鋼中奧氏體的形成2.1 奧氏體的組織結(jié)構(gòu)和性能奧氏體的組織結(jié)構(gòu)和性能奧氏體定義：鋼中的奧氏體是碳或各種化學(xué)元奧氏體定義：鋼中的奧氏體是碳或各種化學(xué)元素溶入素溶入 FeFe中所形成的固溶體。中所形成的固溶體。其中其中C C、N N等元素存在于奧氏體的間隙位置，或等元素存在于奧氏體的間隙位置，或者晶格缺陷處。而原子尺寸與者晶格缺陷處。而原子尺寸與FeFe原子相差不大原子相差不大的合金元素則固溶于替換位置。還有一些化學(xué)的合金元素則固溶于替換位置。還有一些化學(xué)元素吸附于奧氏體晶界等晶體缺陷處。元素吸附于奧氏體晶界等晶體缺陷處。（1）奧氏體組織奧氏體組織奧氏體晶粒一般為等軸狀多邊形，在奧氏體

2、晶粒內(nèi)有孿晶。灰白不同奧氏體晶粒一般為等軸狀多邊形，在奧氏體晶粒內(nèi)有孿晶?；野撞煌囊r度是由于各晶粒暴露在試樣表面上的晶面具有不同的取向的緣故。的襯度是由于各晶粒暴露在試樣表面上的晶面具有不同的取向的緣故。T8 鋼的奧氏體晶粒鋼的奧氏體晶粒(暗場像暗場像)1Cr18Ni9Ti鋼室溫的奧氏體組織鋼室溫的奧氏體組織（2）奧氏體的晶體結(jié)構(gòu)（）奧氏體的晶體結(jié)構(gòu)（）碳原子的間隙固溶碳原子的間隙固溶面心立方中的八面體間隙面心立方中的八面體間隙能容納的最大球半徑能容納的最大球半徑R 在在11471147時，碳在奧氏體中的最大溶解度時，碳在奧氏體中的最大溶解度僅為（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），這是由于僅為（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），這

3、是由于 FeFe的八的八面體中心的間隙半徑僅為，比碳原子的半徑面體中心的間隙半徑僅為，比碳原子的半徑小。碳原子溶入將使八面體發(fā)生較大的膨脹，小。碳原子溶入將使八面體發(fā)生較大的膨脹，產(chǎn)生畸變晶格不穩(wěn)定，因此溶解度是有限的。產(chǎn)生畸變晶格不穩(wěn)定，因此溶解度是有限的。 如果圖所示的間隙位置都被碳原子占據(jù)，如果圖所示的間隙位置都被碳原子占據(jù)，則一個晶胞中含有則一個晶胞中含有4 4個鐵原子和個鐵原子和4 4個碳原子，個碳原子，則原子分?jǐn)?shù)為則原子分?jǐn)?shù)為50%50%，折合，折合C C。 但是，實際上原子分?jǐn)?shù)為但是，實際上原子分?jǐn)?shù)為C C，即，即2525個個 FeFe晶胞中有晶胞中有9 9個碳原子。個碳原子。C

4、的奧氏體中的間隙碳原子分布的奧氏體中的間隙碳原子分布在奧氏體中，一部分碳原子固溶在在奧氏體中，一部分碳原子固溶在fccfcc的晶格間隙中，一部分偏聚的晶界、的晶格間隙中，一部分偏聚的晶界、位錯等晶體缺陷處。位錯等晶體缺陷處。碳含量分布實際上是不均勻的。碳含量分布實際上是不均勻的。（3）奧氏體的性能）奧氏體的性能1 1）奧氏體是最密排的點陣結(jié)構(gòu)，致密度高，故奧氏體的）奧氏體是最密排的點陣結(jié)構(gòu)，致密度高，故奧氏體的比容最小比容最小( (與與F F、MM比比較較) )。因此，鋼被加熱到奧氏體相區(qū)時，體積收縮，冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F。因此，鋼被加熱到奧氏體相區(qū)時，體積收縮，冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體珠

5、光體等組織時，體積膨脹，容易引起內(nèi)應(yīng)力。素體珠光體等組織時，體積膨脹，容易引起內(nèi)應(yīng)力。2 2）奧氏體的點陣滑移系多，故奧氏體的）奧氏體的點陣滑移系多，故奧氏體的塑性好塑性好，屈服強度低，易于加工塑，屈服強度低，易于加工塑性變形。鋼錠或鋼坯一般被加熱到性變形。鋼錠或鋼坯一般被加熱到11001100以上奧氏體化，然后進行鍛軋，塑以上奧氏體化，然后進行鍛軋，塑性加工成材。性加工成材。3 3）一般鋼中的奧氏體具有）一般鋼中的奧氏體具有順磁性順磁性，因此奧氏體鋼可以作為無磁性鋼。特殊，因此奧氏體鋼可以作為無磁性鋼。特殊的的FeFeNiNi軟磁合金，也是奧氏體組織，但具有鐵磁性。軟磁合金，也是奧氏體組織，

6、但具有鐵磁性。4 4）奧氏體的）奧氏體的導(dǎo)熱性差導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)最大線膨脹系數(shù)最大，比鐵素體和滲碳體的平均線膨脹，比鐵素體和滲碳體的平均線膨脹系數(shù)高約一倍。故奧氏體鋼可以用來制造熱膨脹靈敏的儀表元件。系數(shù)高約一倍。故奧氏體鋼可以用來制造熱膨脹靈敏的儀表元件。5 5）由于其導(dǎo)熱性差，大鋼件加熱時，熱透較慢，加熱速度應(yīng)當(dāng)慢一些，以）由于其導(dǎo)熱性差，大鋼件加熱時，熱透較慢，加熱速度應(yīng)當(dāng)慢一些，以減少溫差應(yīng)力，避免開裂。減少溫差應(yīng)力，避免開裂。2.2 奧氏體形成機理奧氏體形成機理 奧氏體形成是擴散性相變，轉(zhuǎn)變的全過程可以分為四個階段奧氏體形成是擴散性相變，轉(zhuǎn)變的全過程可以分為四個階段: :片狀珠光

7、體片狀珠光體奧氏體奧氏體珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，是擴散型相變，是形核長大的過程。（1）奧氏體形成的熱力學(xué)條件）奧氏體形成的熱力學(xué)條件相變驅(qū)動力相變驅(qū)動力Gv相變臨界點相變臨界點 實際生產(chǎn)中加熱速度一般較快，轉(zhuǎn)變發(fā)生實際生產(chǎn)中加熱速度一般較快，轉(zhuǎn)變發(fā)生滯后現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)變開始點隨著加熱速度的加快滯后現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)變開始點隨著加熱速度的加快而 升 高 。 習(xí) 慣 上 將 在 一 定 加 熱 速 度 下而 升 高 。 習(xí) 慣 上 將 在 一 定 加 熱 速 度 下（0.125/min0.125/min）實際測定的臨界點用）實際測定的臨界點用A AC1C1表示。表示。 臨界點臨界點A A3 3和和A Acmcm也

8、附加腳標(biāo)也附加腳標(biāo)c c，即：，即：ACAC3 3、ACACCmCm。 冷卻時的臨界點與冷卻速度有關(guān)。冷卻時冷卻時的臨界點與冷卻速度有關(guān)。冷卻時的臨界點以的臨界點以ArAr1 1 表示。表示。 臨界點臨界點A A3 3和和A Acmcm也附加腳標(biāo)也附加腳標(biāo)r r，表示為，表示為ArAr3 3、 ArArcmcm。（2）奧氏體晶核的形成）奧氏體晶核的形成形核點形核點p 一般認(rèn)為奧氏體在鐵素體和滲碳體交界面一般認(rèn)為奧氏體在鐵素體和滲碳體交界面上形成晶核。上形成晶核。 p 奧氏體晶核也可以在以往的粗大奧氏體晶奧氏體晶核也可以在以往的粗大奧氏體晶界上（原始奧氏體晶界）形核并且長大，由界上（原始奧氏體晶

9、界）形核并且長大，由于這樣的晶界處富集較多的碳原子和其他元于這樣的晶界處富集較多的碳原子和其他元素，給奧氏體形核提供了有利條件。素，給奧氏體形核提供了有利條件。0.1mm原 奧 氏 體晶 界 和 晶核c鋼的奧氏體的形核鋼的奧氏體的形核 1.5maSEM T8鋼奧氏體的形核鋼奧氏體的形核1.5mb奧氏體晶核在鐵素體片奧氏體晶核在鐵素體片/ /滲碳體片相界面處形成滲碳體片相界面處形成奧氏體晶核的尺度奧氏體晶核的尺度100nmo 奧氏體的形成是擴散型相變，因此奧氏體晶奧氏體的形成是擴散型相變，因此奧氏體晶核是通過擴散機制形成的。核是通過擴散機制形成的。o 也存在無擴散機制形核的觀點。也存在無擴散機制

10、形核的觀點。 奧氏體晶核與母相之間存在位向關(guān)系奧氏體晶核與母相之間存在位向關(guān)系011/111A111/110A（3）奧氏體晶核的長大）奧氏體晶核的長大當(dāng)在鐵素體和滲碳體交界面上形成奧氏體晶核時，則形成了當(dāng)在鐵素體和滲碳體交界面上形成奧氏體晶核時，則形成了 和和 FeFe3 3C C兩個相界面。兩個相界面。奧氏體晶核的長大過程實際上是兩個相界面向原有的鐵素體和滲碳體中推移的過程。奧氏體晶核的長大過程實際上是兩個相界面向原有的鐵素體和滲碳體中推移的過程。奧氏體晶核的長大奧氏體晶核的長大奧氏體同時吃掉鐵素體片奧氏體同時吃掉鐵素體片(a (a，b)b)和滲碳體片或只是吃掉鐵素體（和滲碳體片或只是吃掉鐵

11、素體（c c）長大速率：長大速率： 微米微米/ /秒秒剩余碳化物的溶解剩余碳化物的溶解SEM T8SEM T8奧氏體中存在剩余滲碳體奧氏體中存在剩余滲碳體奧氏體形成總結(jié)奧氏體形成總結(jié)加熱到臨界點以上，形成奧氏體，分為四個階段：加熱到臨界點以上，形成奧氏體，分為四個階段：晶界形核；晶界形核；晶核向鐵素體和滲碳體兩個方向長大；晶核向鐵素體和滲碳體兩個方向長大；剩余滲碳體或碳化物溶解；剩余滲碳體或碳化物溶解；奧氏體成分相對均勻化。奧氏體成分相對均勻化。2.3 奧氏體等溫形成動力學(xué)奧氏體等溫形成動力學(xué) 所謂形成動力學(xué)即指新相的形成所謂形成動力學(xué)即指新相的形成速度問題。速度問題。 鋼的成分、原始組織、加

12、熱溫度、鋼的成分、原始組織、加熱溫度、加熱速度等均影響轉(zhuǎn)變速度。加熱速度等均影響轉(zhuǎn)變速度。 為了使問題簡化，首先討論當(dāng)溫為了使問題簡化，首先討論當(dāng)溫度恒定時奧氏體形成的動力學(xué)問題。度恒定時奧氏體形成的動力學(xué)問題。 （1）共析碳素鋼的等溫）共析碳素鋼的等溫TTA曲線曲線（2）亞共析碳素鋼等溫TTA曲線Fe-0.1%C鋼Fe-0.6%C鋼原因不明原因不明（3）連續(xù)加熱時奧氏體形成的TTA曲線Fe-0.7%C鋼速度速度v下轉(zhuǎn)變開始點下轉(zhuǎn)變開始點速度速度v下轉(zhuǎn)變結(jié)束點下轉(zhuǎn)變結(jié)束點連續(xù)加熱時奧氏體的形成特點連續(xù)加熱時奧氏體的形成特點p 奧氏體形成是在一個溫度范圍內(nèi)完成的。奧氏體形成是在一個溫度范圍內(nèi)完成

13、的。p 隨加熱速度增大，轉(zhuǎn)變趨向高溫，且轉(zhuǎn)隨加熱速度增大，轉(zhuǎn)變趨向高溫，且轉(zhuǎn)變溫度范圍擴大，而轉(zhuǎn)變速度則增大。變溫度范圍擴大，而轉(zhuǎn)變速度則增大。p 隨加熱速度增大，隨加熱速度增大，C C，F(xiàn)eFe原子來不及擴原子來不及擴散，所形成的散，所形成的奧氏體成分不均勻性奧氏體成分不均勻性增大。增大。p 快速加熱時，奧氏體形成溫度升高，可快速加熱時，奧氏體形成溫度升高，可引起奧氏體起始晶粒細化；同時，剩余滲引起奧氏體起始晶粒細化；同時，剩余滲碳體量也增多，形成奧氏體的平均碳含量碳體量也增多，形成奧氏體的平均碳含量降低。降低。（4）奧氏體的形核率和長大速度32exp(),/vQWNCWAGkT形核率：形核

14、率：思考：思考：T升高，升高，N增大的原因有哪些？增大的原因有哪些？奧氏體晶核長大速度奧氏體晶核長大速度1()CBdCGKDdxC 一個珠光體片層間距內(nèi)，一個珠光體片層間距內(nèi)， T=780 C時，奧氏體向鐵素體的推移速度為：時，奧氏體向鐵素體的推移速度為： 奧氏體向滲碳體的推移速度為：奧氏體向滲碳體的推移速度為： 兩者之比為：兩者之比為： 思考：為什么鐵素體總是比滲碳體先轉(zhuǎn)化完畢？思考：為什么鐵素體總是比滲碳體先轉(zhuǎn)化完畢？（5）影響奧氏體形成速度的因素）影響奧氏體形成速度的因素 一切影響奧氏體的形核率和一切影響奧氏體的形核率和增大速度的因素都影響奧氏體的增大速度的因素都影響奧氏體的形成速度。形

15、成速度。 如：加熱溫度，鋼的原始組織，如：加熱溫度，鋼的原始組織，化學(xué)成分等。化學(xué)成分等。 1）加熱溫度的影響加熱溫度的影響 奧氏體形成速度隨著加熱溫度升高而迅速增大。轉(zhuǎn)變的孕育期變短，奧氏體形成速度隨著加熱溫度升高而迅速增大。轉(zhuǎn)變的孕育期變短，相應(yīng)的轉(zhuǎn)變終了時間也變短；相應(yīng)的轉(zhuǎn)變終了時間也變短； 隨著奧氏體形成溫度升高，形核率增長速率高于長大速度的增長速率。隨著奧氏體形成溫度升高，形核率增長速率高于長大速度的增長速率。如：轉(zhuǎn)變溫度從如：轉(zhuǎn)變溫度從740740升高到升高到800800時，形核率增加時，形核率增加270270倍，而長大速度只倍，而長大速度只增加增加8080倍。因此，奧氏體形成溫度

16、愈高，起始晶粒度愈小。倍。因此，奧氏體形成溫度愈高，起始晶粒度愈小。 隨著奧氏體形成溫度升高，奧氏體相界面向鐵素體的推移速度比向滲隨著奧氏體形成溫度升高，奧氏體相界面向鐵素體的推移速度比向滲碳體的推移速度之比增大。在碳體的推移速度之比增大。在780780其比值約為其比值約為1414，而在，而在800800，比值將增，比值將增大到約大到約1919。因此，當(dāng)奧氏體將鐵素體全部吃完時，剩下的滲碳體量增多。因此，當(dāng)奧氏體將鐵素體全部吃完時，剩下的滲碳體量增多。2）含碳量的影響含碳量的影響 珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變50%50%所需要所需要的時間與鋼中碳含量的關(guān)系的時間與鋼中碳含量的關(guān)系3）原

17、始組織的影響）原始組織的影響 鋼的原始組織愈細，奧氏體形成速度愈快。因為原始組織中的碳化鋼的原始組織愈細，奧氏體形成速度愈快。因為原始組織中的碳化物分散度越高，相界面越多，形核率越大。物分散度越高，相界面越多，形核率越大。珠光體的片間距愈小碳原子的擴散距離減小，奧氏體中的濃度梯度珠光體的片間距愈小碳原子的擴散距離減小，奧氏體中的濃度梯度增大，從而，奧氏體形成速度加快。如原始組織為托氏體時奧氏體的增大，從而，奧氏體形成速度加快。如原始組織為托氏體時奧氏體的形成速度比索氏體和珠光體都快。形成速度比索氏體和珠光體都快。奧氏體等溫形成時，片狀珠光體比粒狀的快奧氏體等溫形成時，片狀珠光體比粒狀的快。珠光

18、體中的碳化物有片狀的，也有粒狀珠光體中的碳化物有片狀的，也有粒狀的。試驗表明，碳化物呈片狀時，奧氏的。試驗表明，碳化物呈片狀時，奧氏體的等溫形成速度較粒狀的快。體的等溫形成速度較粒狀的快。在在760760，片狀珠光體的奧氏體化轉(zhuǎn)變完，片狀珠光體的奧氏體化轉(zhuǎn)變完了的時間不足了的時間不足1 1分鐘；而粒狀珠光體則分鐘；而粒狀珠光體則需需5 5分鐘以上。這是由于片狀珠光體中分鐘以上。這是由于片狀珠光體中的碳化物與鐵素體的相界面面積大，易的碳化物與鐵素體的相界面面積大，易于形核，也易于溶解。碳原子擴散距離于形核，也易于溶解。碳原子擴散距離也較短。也較短。4）合金元素的影響）合金元素的影響對擴散系數(shù)的影

19、響對擴散系數(shù)的影響 強碳化物形成元素，如強碳化物形成元素，如CrCr、V V、MoMo、WW等，降低碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，等，降低碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，因而減慢奧氏體的形成速度。因而減慢奧氏體的形成速度。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素CoCo、NiNi等增大碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，因而加速奧氏體等增大碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，因而加速奧氏體的形成。的形成。合金元素改變臨界點位置合金元素改變臨界點位置 合金元素改變了鋼的臨界點的位置，如升高合金元素改變了鋼的臨界點的位置，如升高AcAc1 1或降低或降低AcAc1 1； 使轉(zhuǎn)變在一個溫度范圍進行，如使轉(zhuǎn)變在一個溫度范圍進行，如AcAc1s1

20、sAcAc1f 1f，因而改變了過熱度，影響了奧氏，因而改變了過熱度，影響了奧氏體的形成速度。體的形成速度。 合金元素影響珠光體的片層間距，改變碳在奧氏體中的溶解度，從而影響奧氏合金元素影響珠光體的片層間距，改變碳在奧氏體中的溶解度，從而影響奧氏體的形成速度。珠光體的片層間距愈小，奧氏體形成速度愈快。體的形成速度。珠光體的片層間距愈小，奧氏體形成速度愈快。合金元素在奧氏體中分布不均勻合金元素在奧氏體中分布不均勻 合金元素的擴散系數(shù)僅僅為碳的合金元素的擴散系數(shù)僅僅為碳的1/10001/10001/100001/10000，因而，合金鋼的奧氏體形，因而，合金鋼的奧氏體形成速度慢，均勻化也慢，需要更

21、長的時間轉(zhuǎn)變完，均勻化時間也長。成速度慢，均勻化也慢，需要更長的時間轉(zhuǎn)變完，均勻化時間也長。2.5 奧氏體晶粒長大及控制奧氏體晶粒長大及控制 奧氏體晶粒度奧氏體晶粒度12Nn晶粒度定義晶粒度定義N：n n為放大為放大100100倍時平均每倍時平均每6.45 cm6.45 cm2 2視視野內(nèi)的晶粒數(shù)。野內(nèi)的晶粒數(shù)。本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度鋼加熱至鋼加熱至93093010 10 C C，保溫，保溫3-8 h3-8 h，冷卻后測得的晶，冷卻后測得的晶粒度，反應(yīng)鋼加熱時晶粒長大的粒度，反應(yīng)鋼加熱時晶粒長大的傾向。傾向。1-41-4級為本質(zhì)粗晶粒；級為本質(zhì)粗晶粒；5-85-8級級為本質(zhì)細晶粒。為本質(zhì)細晶粒。

22、奧氏體晶粒度影響其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能。受加奧氏體晶粒度影響其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能。受加熱溫度、加熱速度和鋼中合金元素的影響。熱溫度、加熱速度和鋼中合金元素的影響。（1）奧氏體晶粒長大現(xiàn)象）奧氏體晶粒長大現(xiàn)象加熱溫度、時間對加熱溫度、時間對0.48%C-0.82%Mn鋼奧氏體晶粒大小鋼奧氏體晶粒大小的影響的影響 1不含鋁的不含鋁的C-Mn鋼鋼 2含含Nb-N鋼鋼加熱溫度對奧氏體晶粒度的影響加熱溫度對奧氏體晶粒度的影響注意區(qū)分：注意區(qū)分：起始晶粒度起始晶粒度實際晶粒度實際晶粒度本質(zhì)晶粒度本質(zhì)晶粒度（2）奧氏體晶粒長大機理）奧氏體晶粒長大機理224dGPR dRR 長大驅(qū)動力長大驅(qū)動力正常長大速度正常長大速度

23、DK（3）影響奧氏體晶粒長大的因素）影響奧氏體晶粒長大的因素1 1）加熱溫度和保溫時間）加熱溫度和保溫時間2 2）加熱速度）加熱速度3 3）C C含量含量4 4）合金元素）合金元素5 5）冶煉方法）冶煉方法6 6）原始組織）原始組織10Ni5CrMoV鋼鋼硬相微粒對奧氏體晶界的扎釘作用硬相微粒對奧氏體晶界的扎釘作用p 用鋁脫氧的鋼及含有用鋁脫氧的鋼及含有NbNb、V V、TiTi等元素的鋼，鋼中存在等元素的鋼，鋼中存在AlNAlN、NbCNbC、VCVC、TiCTiC等微粒，這些析出相硬度很高，難以變形，存在于晶界上時，等微粒，這些析出相硬度很高，難以變形，存在于晶界上時，阻止奧氏體晶界移動，對晶界起了扎釘作用；阻止奧氏體晶界移動，對晶界起了扎釘作用；p 在一定溫度范圍內(nèi)保持奧氏體晶粒細小硬相微粒體積分?jǐn)?shù)在一定溫度范圍內(nèi)保持奧氏體晶粒細小硬相微粒體積分?jǐn)?shù) 一定時，一定時，微粒越細，半徑微粒越細，半徑r r越小，微粒數(shù)量越多，則對于晶界移動的阻力越小，微粒數(shù)量越多，則對于晶界移動的阻力F F越大：越大：F=3fF=3f