金屬材料鋼在加熱過(guò)程中的轉(zhuǎn)變

符彩濤（157692196）材料科學(xué)與工程鋼在加熱過(guò)程中的轉(zhuǎn)變概述鋼，是對(duì)含碳量質(zhì)量百分比介于0.02%至2.06%之間的鐵碳合金的統(tǒng)稱概述熱處理及其應(yīng)用熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定溫度，保溫一段時(shí)間，然后以預(yù)定的方式冷卻到室溫的一種熱加工工藝。為:熱處理工藝可以消除各種缺陷，細(xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力，使組織和性能更加均勻。

熱處理可以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善其工藝性能和使用性能。概述鋼為什么可以進(jìn)行熱處理？是不是所有金屬材料都能進(jìn)行熱處理？

鋼之所以能進(jìn)行熱處理，是由于鋼在，在固態(tài)下不發(fā)生相變的純金屬或某些合金則不能用熱處理的方法強(qiáng)化。概述固態(tài)下具有相變?cè)诩訜峄蚶鋮s時(shí)發(fā)生溶解度顯著變化或者類似純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變概述固態(tài)相變的特點(diǎn)相變阻力大新舊兩相比體積不同，母相γ轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪鄷r(shí)要產(chǎn)生體積變化，或者由于新舊兩相相界面不匹配而引起彈性畸變。存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系新固相與現(xiàn)存固相質(zhì)點(diǎn)之間必須符合結(jié)構(gòu)和大小相適應(yīng)原理，才能降低形核功，促進(jìn)晶核形成。概述易于出現(xiàn)過(guò)渡相過(guò)渡相是一種亞穩(wěn)定相，其成分和結(jié)構(gòu)介于新相和母相之間。晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用母相中各種晶體缺陷，如晶界、位錯(cuò)、空位等缺陷對(duì)相變有明顯的促進(jìn)作用。A1、A3、Acm是碳素鋼加熱或冷卻過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變的平衡臨界溫度，是碳鋼在極其緩慢加熱和冷卻條件下測(cè)定的組織轉(zhuǎn)變溫度概述鋼的臨界溫度鋼在加熱和冷卻時(shí)臨界溫度的意義如下:Ac1—加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度;Ar1—冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度;Ac3—加熱時(shí)先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度;Ar3—冷卻時(shí)奧氏體開(kāi)始析出先共析鐵素體的溫度;Accm—加熱時(shí)二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度;Arcm—冷卻時(shí)奧氏體開(kāi)始析出二次滲碳體的溫度。概述

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼加熱至Ac1以上溫度時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，稱為“奧氏體化”。

α+

Fe3C

→

γWc

=0.0218%體心立方Wc

=6.69%正交晶格Wc

=0.77%面心立方奧氏體的形成過(guò)程就是鐵晶格的改組和鐵、碳原子的擴(kuò)散過(guò)程。奧氏體的形成熱力學(xué)條件

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體核心形成時(shí)，系統(tǒng)總自由能變化△G：為:△G=△Gv+△GS+△Ge△Gv是奧氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力；△GS與△Ge是相變的阻力。動(dòng)力只△G≤0，即△Gv≥△GS+△Ge時(shí)，珠光體才能自發(fā)地向奧氏體轉(zhuǎn)變。奧氏體的形成過(guò)程

以共析鋼為例，當(dāng)加熱到AC1以上時(shí)，發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變（即奧氏體化）過(guò)程可分為四個(gè)階段：

1）奧氏體晶核的形成2）奧氏體長(zhǎng)大

3）剩余滲碳體的溶解

4）奧氏體均勻化

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1）奧氏體晶核的形成形核條件－能量、結(jié)構(gòu)和成分起伏；形核部位－鐵素體和滲碳體的相界面、珠光體團(tuán)的邊界，過(guò)冷度較大時(shí)在鐵素體內(nèi)的亞晶界等；奧氏體晶核是通過(guò)擴(kuò)散機(jī)制形成的。晶核是通過(guò)擴(kuò)散機(jī)制形成的。奧氏體的形成是擴(kuò)散型相變，因此奧氏體晶核是通過(guò)擴(kuò)散機(jī)制形成的。

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2）奧氏體的長(zhǎng)大滲碳體尚未溶解，剩余在奧氏體中，這時(shí)奧氏體的平均碳濃度低于共析成分。

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

3）剩余滲碳體的溶解

鐵素體消失以后，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)或繼續(xù)升溫，剩余在奧氏體中的滲碳體通過(guò)碳原子的擴(kuò)散，不斷溶人奧氏體中，使奧氏體的碳濃度逐漸趨子共析成分。4）奧氏體均勻化原是滲碳體的區(qū)域碳濃度較高，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間或繼續(xù)升溫，通過(guò)碳原子的擴(kuò)散，奧氏體碳濃度逐漸趨于勻勻化。最后得到均勻的單相奧氏體。

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體等溫形成圖加熱過(guò)程中，加熱速度越快，奧氏體開(kāi)始形成的溫度越高，完成轉(zhuǎn)變所需要的時(shí)間則越短。奧氏體形成速度

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

影響奧氏體形成速度的因素奧氏體的形成是通過(guò)形核和長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行的，整個(gè)過(guò)程受原子擴(kuò)散所控制。因此一切影響擴(kuò)散、影響形核與長(zhǎng)大的因素都影響奧氏體的形成速度。

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

加熱溫度隨著加熱溫度的升高，原子擴(kuò)散系數(shù)增加，特別是碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)增加，加快了奧氏體的形核和長(zhǎng)大速度。加熱溫度升高，奧氏體中的碳濃度梯度加大，故原子擴(kuò)散速度加快。隨溫度的升高，奧氏體的形核率和長(zhǎng)大速度急劇增加，轉(zhuǎn)變的孕育期和轉(zhuǎn)變所需時(shí)間顯著縮短；加熱溫度越高，轉(zhuǎn)變?cè)杏诤屯瓿赊D(zhuǎn)變的時(shí)間越短

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體的形核率和長(zhǎng)大速度與溫度的關(guān)系

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

原始組織隨原始組織中碳化物分散度的增大，不僅鐵素體和滲碳體相界面增多，加大了奧氏體的形核率珠光體片層間距減小，使奧氏體中的碳濃度梯度增大，使碳原子的擴(kuò)散距離減小這都使奧氏體的長(zhǎng)大速度增加。因此，鋼的原始組織越細(xì)，則奧氏體的形成速度越快。

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

化學(xué)成分鋼中含碳量越高，奧氏體的形成速度越快（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響（2）合金元素的影響對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響；合金元素改變臨界點(diǎn)：升高或降低Ac1；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；合金元素在奧氏體中分布不均勻。

鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體晶粒長(zhǎng)大及其控制奧氏體晶粒粗大，會(huì)影響熱處理后鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性較低。因此，加熱時(shí)獲得細(xì)小晶粒的奧氏體對(duì)提高熱處理效果和鋼的性能有重要的意義。晶粒度起始晶粒度實(shí)際晶粒度本質(zhì)晶粒度鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變晶粒度1-4級(jí)稱為本質(zhì)粗晶粒鋼；晶粒度為5-8級(jí)稱為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。

本質(zhì)粗晶粒鋼與本質(zhì)細(xì)晶粒鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大示意圖鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體晶粒的長(zhǎng)大主要依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行的。鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素（1）加熱溫度和保溫時(shí)間的影響（2）加熱速度的