第3章 奧氏體與鋼在加熱過程中轉(zhuǎn)變

1、1第三章奧氏體與鋼在加熱過程奧氏體與鋼在加熱過程中的轉(zhuǎn)變中的轉(zhuǎn)變2本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容p什么是鋼中的奧氏體：結(jié)構、組織、性能什么是鋼中的奧氏體：結(jié)構、組織、性能p奧氏體如何形成的奧氏體如何形成的p奧氏體等溫形成動力學（速度、影響因素）奧氏體等溫形成動力學（速度、影響因素）p連續(xù)加熱時奧氏體的形成連續(xù)加熱時奧氏體的形成p非平衡組織加熱時奧氏體的形成（加熱速度、非平衡組織加熱時奧氏體的形成（加熱速度、原始組織）原始組織）pA晶粒長大及控制晶粒長大及控制3研究研究A A轉(zhuǎn)變的目的轉(zhuǎn)變的目的p熱處理過程一般由熱處理過程一般由加熱加熱、保溫保溫和和冷卻冷卻三個階段組三個階段組成，其目的在于改變金屬內(nèi)

2、部組織結(jié)構使其滿足成，其目的在于改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構使其滿足服役條件所提出的性能要求。服役條件所提出的性能要求。p欲使材料獲得要求的性能，首先要把鋼欲使材料獲得要求的性能，首先要把鋼加熱加熱，獲，獲得得A A組織組織（奧氏體化），然后再以不同的方式（奧氏體化），然后再以不同的方式冷卻冷卻，發(fā)生不同轉(zhuǎn)變，以獲得發(fā)生不同轉(zhuǎn)變，以獲得不同的組織不同的組織。p可以可以控制控制A轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變的條件獲得理想的的條件獲得理想的A A組織，為后續(xù)組織，為后續(xù)處理做好組織準備。處理做好組織準備。4第一節(jié)第一節(jié)奧氏體及其特點奧氏體及其特點5奧奧氏氏體體形形成成溫溫度度范范圍圍6p奧氏體奧氏體（Austenite）是碳

3、溶于）是碳溶于-Fe所形成的固溶所形成的固溶體，存在于共析溫度以上，最大碳含量為體，存在于共析溫度以上，最大碳含量為2.11% 1、奧氏體定義、奧氏體定義7、2、奧氏體的晶體結(jié)構奧氏體的晶體結(jié)構面心立方晶格，面心立方晶格，碳占據(jù)八面體間隙碳占據(jù)八面體間隙奧氏體穩(wěn)定存在的溫度與合金元素有關8pC在在-Fe最大溶解度為最大溶解度為2.11wt%，遠小于理論值，遠小于理論值20wt%。（八面體間隙半徑。（八面體間隙半徑5.2x10-2nm，C原子半原子半徑徑7.7x10-2nm)pC的溶入使晶格發(fā)生的溶入使晶格發(fā)生點陣畸變點陣畸變，使晶格常數(shù)增大。，使晶格常數(shù)增大。pC在奧氏體中在奧氏體中分布不均分

4、布不均，有濃度起伏。，有濃度起伏。碳原子的分布特點：碳原子的分布特點：93、奧氏體微觀組織、奧氏體微觀組織與原始組織、加熱速度以及加熱轉(zhuǎn)變程度有關與原始組織、加熱速度以及加熱轉(zhuǎn)變程度有關p顆粒狀顆粒狀經(jīng)高溫保溫后，晶粒長大、邊界變得平經(jīng)高溫保溫后，晶粒長大、邊界變得平 直化，直化，呈等軸多邊形呈等軸多邊形，有些，有些內(nèi)部有孿晶內(nèi)部有孿晶p針狀針狀非平衡態(tài)含非平衡態(tài)含C量低的鋼在兩相區(qū)以適當速量低的鋼在兩相區(qū)以適當速度加熱度加熱10p硬度、屈服強度均不高硬度、屈服強度均不高p塑性好塑性好（面心立方，滑移系多），易鍛造加工。（面心立方，滑移系多），易鍛造加工。p比容小比容小（fcc是最密排的點陣結(jié)

5、構），利用此特性是最密排的點陣結(jié)構），利用此特性可用膨脹儀來測定奧氏體的轉(zhuǎn)變情況?？捎门蛎泝x來測定奧氏體的轉(zhuǎn)變情況。p擴散系數(shù)小擴散系數(shù)小，使熱強性好，可用作高溫用鋼，使熱強性好，可用作高溫用鋼p導熱性差導熱性差，線膨脹系數(shù)較線膨脹系數(shù)較F和和Fe3C高一倍高一倍p順磁性順磁性，可作為無磁性鋼，可作為無磁性鋼4、奧氏體的性能、奧氏體的性能1112第二節(jié)鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變（討論由平衡組織（討論由平衡組織轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)锳的的過程）過程）問題：鋼的平衡組織是什么？問題：鋼的平衡組織是什么？13基本概念基本概念p原始組織原始組織p碳鋼的平衡態(tài)組織碳鋼的平衡態(tài)組織p碳鋼的非平衡態(tài)組織碳鋼

6、的非平衡態(tài)組織原始組織：加熱之前的組織原始組織：加熱之前的組織14 通過通過緩慢冷卻緩慢冷卻所得到所得到的珠光體以及先共析的珠光體以及先共析鐵素體與滲碳體等組鐵素體與滲碳體等組織織pP (pearlite)pPF (Ferrite)pP Fe3C (Cementite)平衡組織平衡組織15p通過通過較快的速度較快的速度進行冷卻時獲得的組織進行冷卻時獲得的組織 如馬氏體，貝氏體等。如馬氏體，貝氏體等。不平衡組織不平衡組織馬氏體貝氏體163.2.1 奧氏體形成的熱力學條件兩奧氏體形成的熱力學條件兩相自由能隨溫度變化曲線相自由能隨溫度變化曲線 G兩相自由能隨溫度變化曲線兩相自由能隨溫度變化曲線 17

7、p兩相自由能差兩相自由能差：Gv=G-Gp 0 PA條件是：將條件是：將P加熱到加熱到A1以上以上p過熱度過熱度：轉(zhuǎn)變溫度與臨界點轉(zhuǎn)變溫度與臨界點A1之差（之差（T） 過熱度越大，驅(qū)動力越大，轉(zhuǎn)變速度越快過熱度越大，驅(qū)動力越大，轉(zhuǎn)變速度越快 加熱速度極慢加熱速度極慢時：過熱度時：過熱度T 0即可發(fā)生轉(zhuǎn)變，即即可發(fā)生轉(zhuǎn)變，即A1 加熱速度較快加熱速度較快時：在較大的過熱度下才能發(fā)生相變，時：在較大的過熱度下才能發(fā)生相變，好象臨界點提高了。好象臨界點提高了。 Ac1在一定加熱速度下（在一定加熱速度下（0.125C/min)實際測得的實際測得的臨界點臨界點3.2.1 奧氏體形成的熱力學條件奧氏體形成

8、的熱力學條件 18c: Calefactionr: Refrigeration加熱與冷卻速度為加熱與冷卻速度為0.125C/min對奧氏體轉(zhuǎn)變臨界點的影響對奧氏體轉(zhuǎn)變臨界點的影響193.2.2 轉(zhuǎn)變機制轉(zhuǎn)變機制共析鋼的奧氏體形成 當加熱至當加熱至Ac1稍上溫度時，由鐵素體滲碳體兩稍上溫度時，由鐵素體滲碳體兩相組成的珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體，即：相組成的珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體，即： （ Fe3C ） Ac1以上以上 加熱加熱0.02C 6.69C 0.77C 體心立方 復雜斜方 面心立方碳含量：碳含量：奧氏體的形成是一個奧氏體的形成是一個滲碳體的溶解滲碳體的溶解，鐵素體到奧，鐵素體到奧氏體的氏體的

9、點陣重構點陣重構以及碳在奧氏體中的以及碳在奧氏體中的擴散擴散的過程的過程空間點陣：空間點陣：20轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)變過程共析鋼轉(zhuǎn)變四個階段：共析鋼轉(zhuǎn)變四個階段： A形核形核 長大長大 Fe3C溶解溶解 A均勻化均勻化21共析鋼奧氏體的形核（a）20s（b）25s（c）26s（d）30s 22（1）奧氏體的形核）奧氏體的形核1. 均勻形核SiiiVGVAGVGSVGrrGrG32334434均勻0rG均勻SVGGr2*23*)(316SVGGG均勻臨界晶核半徑新相核胚的半徑必須大于臨界半徑系統(tǒng)才能克服勢壘的阻礙，新相才能長大23 （、相界、相界 ）2.非均勻形核24p形成位置：在形成位置：在F和和Fe3

10、C相界面相界面上通過擴散機制形成。上通過擴散機制形成。p原因：原因：1）成分上：在相界面上容易形成）成分上：在相界面上容易形成A所需的所需的濃度起伏濃度起伏(C%)F0.02%， (C% )Fe3C=6.69%, (C% )A=2.11% （居于（居于F和和Fe3C之間）之間）2）能量上：在相界上形核使界面能減小，應變能減小，使）能量上：在相界上形核使界面能減小，應變能減小，使熱力學條件更容易滿足熱力學條件更容易滿足GGv+ Gs+ GE 能量起伏能量起伏3）結(jié)構上：相界處原子排列不規(guī)則）結(jié)構上：相界處原子排列不規(guī)則結(jié)構起伏結(jié)構起伏奧氏體的形核奧氏體的形核25（2）A核的長大核的長大p通過滲碳

11、體的通過滲碳體的溶解溶解、碳原子的、碳原子的擴散擴散（在（在A或或F中）、中）、A兩側(cè)的兩側(cè)的界面推移界面推移（向向F和和Fe3C）來進行的。）來進行的。p注：碳原子的擴散根據(jù)原始組織的不同可能取兩注：碳原子的擴散根據(jù)原始組織的不同可能取兩種形式：種形式： 1）C在在A中擴散中擴散 2）C在在F中擴散中擴散26 A長大是通過長大是通過/界面界面和和/Fe3C界面分別向界面分別向和和Fe3C遷移遷移來實現(xiàn)的。由于來實現(xiàn)的。由于/界面向界面向的遷移遠比的遷移遠比/Fe3C界面向界面向Fe3C界面遷界面遷移來得快，因此當移來得快，因此當已完已完全轉(zhuǎn)變?yōu)槿D(zhuǎn)變?yōu)楹螅匀挥幸缓?，仍然有一部分部分Fe3C

12、沒有溶解，稱為沒有溶解，稱為殘留殘留Fe3C。271.實驗現(xiàn)象：實驗現(xiàn)象： 1) F消失時，組織中的Fe3C還未完全轉(zhuǎn)變 2) 測定后發(fā)現(xiàn)A中含碳量低于共析成分0.77%2.原因：原因： Fe-Fe3C相圖上ES線斜度大于GS線，S點不在CA-F與CA-Fe3C中點，而稍偏右。所以A中平均碳濃度，即(CA-F + CA-Fe3C)/2低于S點成分。當F全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳后，多余的碳即以Fe3C形式存在。繼續(xù)保溫，能使未溶碳滲體溶入繼續(xù)保溫，能使未溶碳滲體溶入A中中! （3 3）殘留滲碳體的溶解）殘留滲碳體的溶解28 (4)(4)A均勻化均勻化 滲碳體溶解完后，滲碳體溶解完后，A成分是不均勻的，原成分

13、是不均勻的，原來為滲碳體區(qū)域來為滲碳體區(qū)域C含量高；原來為鐵素體的區(qū)含量高；原來為鐵素體的區(qū)域含量低，保溫通過域含量低，保溫通過C的擴散使的擴散使A中中C分布均勻。分布均勻。293.2.3 轉(zhuǎn)變動力學p形成動力學形成速度 即奧氏體的轉(zhuǎn)變量與溫度和時間的關系本節(jié)討論共析鋼和亞共析鋼的等溫形成動力學30一、共析鋼A等溫形成動力學1. 等溫形成動力學圖時間時間溫度溫度轉(zhuǎn)變量轉(zhuǎn)變量關系圖關系圖31動力學曲線共析鋼等溫形成動力學圖322. 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變動力學圖特點1）轉(zhuǎn)變需要孕育期）轉(zhuǎn)變需要孕育期2）曲線呈）曲線呈S型型初期：速度隨時間加快；初期：速度隨時間加快；50%后：速度下降后：速度下降3）隨溫

14、度升高，孕育期縮短，速度加快）隨溫度升高，孕育期縮短，速度加快333.影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素p溫度溫度:形核率與線長大速度隨溫度升高而增加形核率與線長大速度隨溫度升高而增加p碳含量碳含量：奧氏體形成速度隨：奧氏體形成速度隨C%增加而增加增加而增加p原始組織原始組織: P中中Fe3C片厚度和顆粒大小影響片厚度和顆粒大小影響A形成形成過程及形成速度過程及形成速度. 片狀大于顆粒狀；片層越小，速度越大片狀大于顆粒狀；片層越小，速度越大p合金元素：合金元素：改變臨界點位置、影響改變臨界點位置、影響C擴散速度；擴散速度；形成各種碳化物（形成各種碳化物（K）34二、亞共析鋼A等溫形成動力學共析鋼臨界

15、點以上為單相區(qū)加熱前組織為P亞共析鋼臨界點以上為兩相區(qū)加熱前組織為FP351.兩相區(qū)轉(zhuǎn)變的三個階段pA在在F與與P交界面交界面形核后，形核后，快速快速長進長進P,直到直到P全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿哭D(zhuǎn)變?yōu)锳為為止。止。pA向向先共析先共析F慢速慢速長進。轉(zhuǎn)變停止時為兩相組織，等溫溫長進。轉(zhuǎn)變停止時為兩相組織，等溫溫度越高，未轉(zhuǎn)變的度越高，未轉(zhuǎn)變的F量越少。量越少。pA與與F間的最后平衡。間的最后平衡。結(jié)論：亞共析鋼在兩相區(qū)的轉(zhuǎn)變與共析鋼相比結(jié)論：亞共析鋼在兩相區(qū)的轉(zhuǎn)變與共析鋼相比 在相同溫度下在相同溫度下的轉(zhuǎn)變要慢得多。的轉(zhuǎn)變要慢得多。362.亞共析鋼A轉(zhuǎn)變的特點p珠光體先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。受C原子在奧氏體中

16、擴散控制，速度較快。p奧氏體向鐵素體界面推移，使F慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)锳。受C在鐵素體中擴散所控制。C原子作較長距離的擴散，形成速度極慢。p轉(zhuǎn)變速度與碳含量有關，碳含量越高，轉(zhuǎn)變速度越快（因為先共析鐵素體含量越少）。370.1%C鋼奧氏體等溫形成圖鋼奧氏體等溫形成圖 共析鋼的等溫形成圖共析鋼的等溫形成圖383.3 連續(xù)加熱時奧氏體的形成p鋼件在實際加熱時，鋼件在實際加熱時，A是在連續(xù)加熱過程中形是在連續(xù)加熱過程中形成。即在成。即在A形成過程中，溫度還將不斷升高。形成過程中，溫度還將不斷升高。 叫做叫做非等溫轉(zhuǎn)變非等溫轉(zhuǎn)變或或連續(xù)加熱轉(zhuǎn)變連續(xù)加熱轉(zhuǎn)變T1T2393.3.1 連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學圖共析鋼共析鋼連續(xù)

17、加熱連續(xù)加熱A轉(zhuǎn)變動力學圖轉(zhuǎn)變動力學圖 共析鋼共析鋼A等溫等溫轉(zhuǎn)變動力學圖轉(zhuǎn)變動力學圖v1v2v3v2v3v4v5組織遺傳現(xiàn)象及控制l組織遺傳：非平衡粗晶有序組織（馬氏體，貝氏體等）在一定加熱條件下所形成的奧氏體晶粒繼承或恢復原始粗大晶粒的現(xiàn)象l形成條件：出現(xiàn)在非平衡組織的鋼中。慢速或快速加熱會導致組織遺傳l控制途徑：較快速或中速加熱；退火或高溫回火消除非平衡組織 淬火馬氏體 回火馬氏體71本章重點pA的結(jié)構、組織、性能pA形成過程的四個階段pA等溫形成動力學的特點，共析鋼與亞共析鋼對比。p晶粒長大及其影響因素72 作業(yè)作業(yè)p2，4，6，10p補充：1、平衡組織奧氏體與非平衡組織奧氏體的形成有何不同，其形成機