奧氏體的形成鋼的熱處理工藝

第四章奧氏體的形成4.1、奧氏體的形成4.2、奧氏體形成機(jī)理4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)4.4、奧氏體晶粒長大及其控制目前一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)AB+LⅠ是不是所有的金屬材料都可以進(jìn)行熱處理呢？只有固態(tài)相變發(fā)生的合金才能進(jìn)行熱處理。Ⅱ目前二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)EFG912℃SPQ1148℃727℃AFA+FA+Fe3CF+Fe3CKFe3CFeA1AcmA3T℃↑→C%δ目前三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)奧氏體的形成是鋼在加熱過程中，由珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體的過程。

相轉(zhuǎn)變：F+Fe3CA

碳含量：0.02%6.69%0.77%

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu):bcc復(fù)雜斜方fcc目前四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)一、奧氏體的組織和結(jié)構(gòu)

1.奧氏體組織

多邊形的等軸晶粒

2.結(jié)構(gòu)碳在γ-Fe中的間隙固溶體(書圖2.3)4.1、奧氏體的形成目前五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)二、奧氏體性能室溫不穩(wěn)定相高塑性、低屈服強(qiáng)度利用奧氏體量改善材料塑性順磁性能測殘余奧氏體和相變點(diǎn)線膨脹系數(shù)大應(yīng)用于儀表元件導(dǎo)熱性能差耐熱鋼比容最小利用殘余奧氏體量減少材料淬火變形4.1、奧氏體的形成目前六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)三、奧氏體的形成與鐵碳相圖EFG912℃SPQ1148℃727℃AFA+FA+Fe3CF+Fe3CKFe3CFeA1AcmA3T℃↑→C%δ4.1、奧氏體的形成平衡加熱狀態(tài)實(shí)際加熱狀態(tài)（非平衡態(tài)）A形成的條件——過熱在727時(shí)加熱能形成A嗎？？？？目前七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)1.平衡加熱狀態(tài)

亞共析鋼的奧氏體化?室溫下組織為F+P。?A1以上，F(xiàn)+A?A3以上，AAFT℃CFeA1A3Acm目前八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)過共析鋼的奧氏體化?室溫下組織為P+Fe3C?A1以上，F(xiàn)e3C+A?Acm以上，A?在A1?Acm之間的奧氏體化，稱為不完全奧氏體化，熱處理工藝中常用。AFT℃CFe1.平衡加熱狀態(tài)

A1A3Acm目前九頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)2.實(shí)際加熱狀態(tài)（非平衡態(tài)）實(shí)際加熱或冷卻都是在較快的速度下進(jìn)行（非平衡過程），實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度與相圖中的臨界溫度存在一定的偏離，會出現(xiàn)滯后。也即G=GA-Gp

＜0才發(fā)生轉(zhuǎn)變。加熱時(shí)：實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度移向高溫，以Ac表示Ac1、Ac3、Accm

冷卻時(shí)：實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度移向低溫，用Ar表示Ar1、Ar3、Arcm目前十頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度Ac1Ac3AccmA3AcmArcmAr3Ar1A1AGSEPQF727℃1148℃P+CmF+P2.110.770.0218FeC%→目前十一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)G狀態(tài)Ⅰ狀態(tài)ⅡΔgγαGα→γ(1)熱力學(xué)形成條件克服△g勢壘△G＜0

3.

A形成的條件ΔG=-ΔGv+ΔGs+ΔGe<0目前十二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)GT℃A1=727℃GPGA△

GV△TA形成的條件

過熱（T>A1）ΔG=-ΔGv+ΔGs+ΔGe<0目前十三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)ΔGv與ΔT的關(guān)系ΔGV=Gp-GA(1)GA=HA-TSA(2)Gp=Hp-TSp(3)Lv=HA-Hp(4)ΔGV=LVΔT/T0過熱度↗，驅(qū)動力↗，轉(zhuǎn)變速度↗。14目前十四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)(2)相變的結(jié)構(gòu)條件DGer2r

DG

0

+

-

DGV

r3DG

r*DG*DGs

r3ΔG=-ΔGv+ΔGs+ΔGe<0目前十五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)4.2、奧氏體形成機(jī)理形核+長大1.奧氏體的形核球狀珠光體中：優(yōu)先在F/Fe3C界面形核片狀珠光體中：優(yōu)先在珠光體團(tuán)的界面形核也在F/Fe3C片層界面形核Fe3CF珠光體團(tuán)界FFe3CAF+Fe3CA

Ac1以上加熱球狀P形核片狀P形核(珠光體類組織向A轉(zhuǎn)變）(以共析鋼為例）目前十六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)奧氏體在F/Fe3C界面形核原因：

(1)易獲得形成A所需濃度起伏，結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏.(2)在相界面形核使界面能和應(yīng)變能的增加減少?！鱃=-△Gv+△Gs+△Ge-△Gd

△Gv—體積自由能差，△Gs—表面能，△Ge—彈性應(yīng)變能相界面△Gs

、△Ge

較小，更易滿足熱力學(xué)條件△G<0.目前十七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)目前十八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)1.奧氏體的形核2.奧氏體的長大4.2、奧氏體形成機(jī)理A的長大是通過滲碳體的溶解，C原子在A中的擴(kuò)散以及A兩側(cè)界面向F和Fe3C推移來進(jìn)行的。

A長大方向基本垂直于片層和平行于片層。

4s6s8s15s目前十九頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)T1AFT℃CCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3CAFe3CFT1CA/Fe3CAAT℃FeCF/Fe3CCCA/FCF/A垂直于片層長大受控于C在A中擴(kuò)散，C在F中擴(kuò)散起促進(jìn)作用。目前二十頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)Fe3CFA奧氏體長大方向平行于片層A平行于片層長大速度>垂直于片層長大速度目前二十一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)45鋼在735℃加熱10min的組織15000×目前二十二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)1.奧氏體的形核2.奧氏體的長大片狀珠光體

奧氏體向垂直于片層和平行于片層方向長大.球狀珠光體

奧氏體的長大首先包圍滲碳體,把滲碳體和鐵素體隔開,然后通過A/F界面向鐵素體一側(cè)推移,A/Fe3C界面向Fe3C一側(cè)推移,使F和Fe3C逐漸消失來實(shí)現(xiàn)長大的.4.2、奧氏體形成機(jī)理目前二十三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)原始組織5S8S15S球狀P向A的轉(zhuǎn)變目前二十四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)3.殘余碳化物的溶解

殘余碳化物:

當(dāng)F完全轉(zhuǎn)變?yōu)锳時(shí)，仍有部分Fe3C沒有轉(zhuǎn)變?yōu)锳，稱為殘余碳化物?！撷貯/F界面向F推移速度>A/Fe3C界面向Fe3C推移速度②剛形成的A平均含碳量<P含碳量

殘余碳化物溶解:

由Fe3C中的C原子向A中擴(kuò)散和鐵原子向貧碳Fe3C擴(kuò)散,Fe3C向A晶體點(diǎn)陣改組實(shí)現(xiàn)的.1.奧氏體的形核2.奧氏體的長大4.2、奧氏體形成機(jī)理目前二十五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)3.殘余碳化物的溶解

1.奧氏體的形核2.奧氏體的長大4.2、奧氏體形成機(jī)理4.奧氏體的均勻化奧氏體的不均勻性：即使Fe3C完全溶解轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，碳在奧氏體中的分布仍然不均勻，表現(xiàn)為原Fe3C區(qū)域碳濃度高，原F區(qū)碳濃度低。奧氏體的均勻化：隨著繼續(xù)加熱或繼續(xù)保溫，以便于碳原子不斷擴(kuò)散，最終使奧氏體中碳濃度均勻一致。目前二十六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)奧氏體的形成（以共析鋼為例）奧氏體形核奧氏體長大殘余Fe3C溶解奧氏體均勻化目前二十七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)奧氏體轉(zhuǎn)變的類型由珠光體類(平衡組織)向奧氏體轉(zhuǎn)變由馬氏體類(非平衡組織)向奧氏體轉(zhuǎn)變0.12C-3.5Ni-0.35Mo鋼720℃保溫10s后形成的兩種A針狀球狀目前二十八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)目前二十九頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)一.奧氏體等溫形成動力學(xué)4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)1、奧氏體轉(zhuǎn)變量圖730℃750℃790℃

奧氏體量（％）時(shí)間(S)100500共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變量與時(shí)間的關(guān)系——奧氏體轉(zhuǎn)變量與溫度，時(shí)間的關(guān)系目前三十頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)由圖可見：（1）A轉(zhuǎn)變有孕育期,（2）A轉(zhuǎn)變速度先增后減，轉(zhuǎn)變量50％時(shí)最大（3）T↗，孕育期↘，轉(zhuǎn)變速度↗730℃750℃790℃

奧氏體量（％）時(shí)間(S)100500共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變量與時(shí)間的關(guān)系目前三十一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)一.奧氏體等溫形成動力學(xué)

2、等溫轉(zhuǎn)變圖(TTA)—TimeTemperatureAustenitization800750700溫度/℃t/s730750790T/℃

奧氏體量（％）100500——奧氏體轉(zhuǎn)變開始線——奧氏體轉(zhuǎn)變完成線PP+AA目前三十二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)TTA圖的說明不均勻A均勻AP+AA+Fe3CPT(s)T/℃可見：殘余Fe3C的溶解，特別是成分均勻化所需時(shí)間最長。Ac112341—A轉(zhuǎn)變開始線2—A轉(zhuǎn)變終止線3—?dú)堄郌e3C溶解終止線4—A均勻化終止線0101102103104目前三十三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)二.奧氏體等溫形成動力學(xué)分析

1、形核率

4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)σ－新舊相間的比界面能△GV－體積自由能差

ES－體積應(yīng)變能Q-擴(kuò)散激活能,W-臨界形核功T↗，I↗，其原因：T↗，A形核所需的濃度起伏減小,T↗，W↘,exp（－W/KT）↗T↗，exp（－Q/KT）↗，即能克服能壘進(jìn)行擴(kuò)散的原子數(shù)↗T1AFT℃CCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3CT2目前三十四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)二.奧氏體等溫形成動力學(xué)分析

2、A長大線速度假設(shè)：①忽略F和Fe3C中的濃度梯度②相界面處維持局部平衡③C在A中擴(kuò)散達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)出，相界面推移速度為：4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)1)T↗，G↗FFe3CAT1AFT℃CCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3CD—C在A中擴(kuò)散系數(shù)，dC/dx—A中濃度梯度△CB—兩相在界面上的濃度差討論：2)GA→FGA→Fe3C>目前三十五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)☆綜上所述，和過冷情況下的結(jié)晶過程不同，A形成時(shí)，

T↗（或過熱度△T↗），始終有利于A的形成。∴T↗，A形成速度↗目前三十六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)公式應(yīng)用：估算某一溫度下A向F（或Fe3C）的移動速度。當(dāng)A形成溫度為780℃時(shí)∴F先消失，剩余碳化物T1AFT℃CCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3C轉(zhuǎn)變溫度↗，殘余碳化物量↗目前三十七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)A3AcmA1AGSEPQF727℃1148℃P+CmF+P2.110.770.0218FeC%→℃7387808200.230.930.410.680.890.79目前三十八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)三.影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素溫度、成分、原始組織1、溫度的影響4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)T↗，I↗，G↗，且I↗>G↗各種因素中，T的影響作用最強(qiáng)烈2、原始組織的影響片狀P轉(zhuǎn)變速度>球狀P薄片較厚片轉(zhuǎn)變快3、碳含量的影響C％↗，A形成速度↗，目前三十九頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)三.影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素溫度、成分、原始組織4、合金元素的影響4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)（1）對A形成速度的影響改變臨界點(diǎn)位置，影響碳在A中的擴(kuò)散系數(shù)合金碳化物在A中溶解難易程度的牽制對原始組織的影響（2）對A均勻化的影響

合金鋼需要更長均勻化時(shí)間目前四十頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)四.連續(xù)加熱時(shí)A形成動力學(xué)4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)

連續(xù)轉(zhuǎn)變圖

V1

＜V2＜V3不均勻A均勻AP+AA+Fe3CPt/sT/℃V3V2V1Ac1目前四十一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)四.連續(xù)加熱時(shí)A形成動力學(xué)4.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)特點(diǎn)：（1）加熱速度↗，臨界點(diǎn)↗，（2）轉(zhuǎn)變在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成，（3）形成速度隨加熱速度↗而↗，（4）A起始晶粒度隨加熱速度速度↗而細(xì)化，（5）A成分不均勻性隨加熱速度↗而↗。V1V1＜V2

＜V3不均勻A均勻AP+AA+Fe3CPt/sT/℃V3V2Ac1目前四十二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)一.奧氏體晶粒度4.4、奧氏體晶粒長大及其控制n=2N-1

概念:起始晶粒度、n0=(I/G)1/2

實(shí)際晶粒度、本質(zhì)晶粒度應(yīng)用:晶粒細(xì)化處理目前四十三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)5～8級的鋼為本質(zhì)細(xì)晶粒度的鋼1～4級的鋼為本質(zhì)粗晶粒度鋼目前四十四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)本質(zhì)粗晶粒度：奧氏體隨溫度的升高迅速長大的鋼。如經(jīng)錳硅脫氧的鋼、沸騰鋼等本質(zhì)細(xì)晶粒度：奧氏體晶粒長大傾向小，加熱到較高溫度時(shí)才顯著長大的鋼。如經(jīng)鋁脫氧的鋼、鎮(zhèn)靜鋼等目前四十五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)二.奧氏體晶粒長大機(jī)制4.4、奧氏體晶粒長大及其控制晶粒長大驅(qū)動力:——界面能的降低。驅(qū)動力大小:F驅(qū)=2σ/R

方向：指向曲率中心abc120°120°σ-比界面能，R-晶界曲率半徑目前四十六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)目前四十七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)二.奧氏體晶粒長大機(jī)制4.4、奧氏體晶粒長大及其控制晶粒長大阻力——第二相質(zhì)點(diǎn)的釘扎作用

F阻=3fσ/2r

r-粒子半徑,f–粒子數(shù),σ-比界面能界面θrσσ第二相質(zhì)點(diǎn)越細(xì)小，分散，總阻力↗目前四十八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十二點(diǎn)(1)加熱溫度和保溫時(shí)間

T↗,t↗,A晶粒度↗

(2)加熱速度快速加熱并短時(shí)保溫可獲得細(xì)小A晶粒。

(3)第二相顆粒

(4)合金元素

(5)原始組織三.奧氏體晶粒長大影響因素