第2章鋼在高溫加熱時的奧氏體轉變

1、第2章 鋼在高溫加熱時的奧氏體轉變研究奧氏體轉變的目的本章主要內容C (4.3)E (2.11)S (0.77)P (0.0218)FDABC%6.69FeH JNA1 (727C)Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖+L+L+ Fe3C+ Fe3C+ Fe3CLGQKA3Accm珠光體(P)+ PP+ Fe3C2.1 奧氏體及其特點1. 奧氏體的晶體結構 碳原子溶于碳原子溶于Fe形成的間隙固形成的間隙固溶體；溶體； 表示：表示：A或或碳原子處于八面體中心間隙位置碳原子處于八面體中心間隙位置(面心立方晶胞的中心或棱邊中點面心立方晶胞的中心或棱邊中點)但奧氏體的最大溶但奧氏體的最大溶C量量(溶解度溶解度)僅

2、為僅為2.11% C原子進入原子進入Fe點陣間隙位置點陣間隙位置引起引起Fe點陣膨脹；點陣膨脹；C%增加，增加，奧氏體點陣常數增大奧氏體點陣常數增大2.1 奧氏體及其特點1. 奧氏體的晶體結構 C原子在原子在A當中分布是不均勻當中分布是不均勻的，存在濃度起伏的，存在濃度起伏 合金元素合金元素(Mn, Si, Cr, Ni, Co)等在等在Fe中取代中取代Fe原子的位置原子的位置而形成置換式固溶體而形成置換式固溶體2. 奧氏體的組織形態(tài) 奧氏體的組織形態(tài)與原始組織、加熱速度、加熱轉奧氏體的組織形態(tài)與原始組織、加熱速度、加熱轉變的程度有關。一般由變的程度有關。一般由多邊形等軸晶粒多邊形等軸晶粒組成

3、。組成。這種形態(tài)這種形態(tài)也稱為也稱為顆粒顆粒狀，在晶粒內部有時可以看到狀，在晶粒內部有時可以看到相變孿晶相變孿晶 。3. 奧氏體的性能 奧氏體是鋼中的奧氏體是鋼中的高溫穩(wěn)定相高溫穩(wěn)定相，但若鋼中加入足夠量，但若鋼中加入足夠量的能夠擴大的能夠擴大 相區(qū)的元素，則可使奧氏體在室溫成為相區(qū)的元素，則可使奧氏體在室溫成為穩(wěn)定相。因此，奧氏體可以是鋼在使用時的一種組織狀穩(wěn)定相。因此，奧氏體可以是鋼在使用時的一種組織狀態(tài)，以奧氏體狀態(tài)使用的鋼成為態(tài)，以奧氏體狀態(tài)使用的鋼成為奧氏體鋼奧氏體鋼。 FccFcc結構結構 塑性塑性 加工成形性好加工成形性好 最密排的點陣結構最密排的點陣結構 比體積小比體積小 鐵原

4、子的鐵原子的擴散系數小擴散系數小 熱強性好熱強性好 高溫用鋼高溫用鋼 線膨脹系數大線膨脹系數大 制作熱膨脹靈敏的儀表元件制作熱膨脹靈敏的儀表元件 導熱性能差導熱性能差 不宜采用過大的加熱速度，以免引不宜采用過大的加熱速度，以免引 起工件變形起工件變形 順磁性順磁性 無磁性鋼，相變點和殘留奧氏體的測定無磁性鋼，相變點和殘留奧氏體的測定2.2 鋼的奧氏體等溫轉變 根據根據Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖，當把鋼緩慢加熱到共析溫度以上時，相圖，當把鋼緩慢加熱到共析溫度以上時，珠珠光體光體將向將向奧氏體奧氏體轉變。鋼在熱處理時，通常第一道工序就是把轉變。鋼在熱處理時，通常第一道工序就是把鋼加熱，使之形

5、成奧氏體組織。鋼加熱，使之形成奧氏體組織。 通常把鋼加熱到臨界溫度以上獲得奧氏體的轉變過程稱為通常把鋼加熱到臨界溫度以上獲得奧氏體的轉變過程稱為奧奧氏體化過程氏體化過程。 加熱時鋼中奧氏體的轉變過程與條件，對最終形成的奧氏加熱時鋼中奧氏體的轉變過程與條件，對最終形成的奧氏體體晶粒尺寸、形態(tài)、轉變完善程度晶粒尺寸、形態(tài)、轉變完善程度( (如元素的均勻化程度如元素的均勻化程度) )等有等有重要影響，而所有這些又都必然影響到熱處理后鋼的最終組織重要影響，而所有這些又都必然影響到熱處理后鋼的最終組織和性能。和性能。原始組織原始組織加熱方式加熱方式u平衡組織平衡組織u非平衡組織非平衡組織u等溫加熱等溫加

6、熱u連續(xù)加熱連續(xù)加熱1. 奧氏體轉變熱力學相變驅動力奧氏體形成的熱力學條件：必奧氏體形成的熱力學條件：必須在一定的過熱度（須在一定的過熱度（T A1）條件下才能發(fā)生。條件下才能發(fā)生。實際生產 加熱和冷卻時的相變是在不平衡的條件下進行的；加熱和冷卻時的相變是在不平衡的條件下進行的； 相變溫度與平衡臨界溫度之間有一定差異；相變溫度與平衡臨界溫度之間有一定差異； 加熱時相變溫度偏向高溫，冷卻時偏向低溫；加熱時相變溫度偏向高溫，冷卻時偏向低溫； 加熱和冷卻速度越快偏差越大。加熱和冷卻速度越快偏差越大。加熱時：加熱時：實際轉變溫度移向高溫，以實際轉變溫度移向高溫，以Ac表示表示Ac1、Ac3、Accm冷

7、卻時：冷卻時：實際轉變溫度移向低溫，以實際轉變溫度移向低溫，以Ar表示表示Ar1、Ar3、Arcm0.125 C/min鋼在加熱和冷卻時臨界溫度的意義鋼在加熱和冷卻時臨界溫度的意義Ac1加熱時珠光體向奧氏體轉變的開加熱時珠光體向奧氏體轉變的開 始溫度；始溫度； Ar1冷卻時奧氏體向珠光體轉變的開始溫度；冷卻時奧氏體向珠光體轉變的開始溫度； Ac3加熱時先共析鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體的終了溫度；加熱時先共析鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體的終了溫度；Ar3冷卻時奧氏體開始析出先共析鐵素體的溫度；冷卻時奧氏體開始析出先共析鐵素體的溫度； Accm 加熱時二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度加熱時二次滲碳體全部溶

8、入奧氏體的終了溫度; Arcm冷卻時奧氏體開始析出二次滲碳體的溫度。冷卻時奧氏體開始析出二次滲碳體的溫度。 2. 奧氏體轉變機制以共析鋼為例(1) 奧氏體的形核形核的成分、結構條件形核的成分、結構條件點陣結構：點陣結構： 體心立方體心立方 復雜正交復雜正交 面心立方面心立方奧氏體形核必須依靠系統內的能量起伏、濃度起伏和結構起伏來實現形核位置形核位置通常在鐵素體和滲碳體的相界面處(1) 在兩相界面處，碳原子的濃度差較大，有利于獲在兩相界面處，碳原子的濃度差較大，有利于獲得形成奧氏體晶核所需的碳濃度；得形成奧氏體晶核所需的碳濃度；(2) 兩相界面處，原子排列不規(guī)則，鐵原子有可能通兩相界面處，原子排

9、列不規(guī)則，鐵原子有可能通過短程擴散由母相點陣向新相點陣轉移，從而促過短程擴散由母相點陣向新相點陣轉移，從而促使奧氏體形核，即形核所需的結構起伏較?。皇箠W氏體形核，即形核所需的結構起伏較小；(3) 在兩相界面處，雜質及其它晶體缺陷較多，具有在兩相界面處，雜質及其它晶體缺陷較多，具有較高的畸變能，新相形核時可能消除部分晶體缺較高的畸變能，新相形核時可能消除部分晶體缺陷而使系統的自由能降低。陷而使系統的自由能降低。兩相界面處形核，容易滿足奧氏體晶核形成所需的能量起伏、濃度起伏和結構起伏，有利于晶核的形成。珠光體團的邊界珠光體團的邊界先共析鐵素體鑲嵌塊邊界先共析鐵素體鑲嵌塊邊界通過滲碳體的溶解、碳原子

10、在奧氏體中的擴散，以及奧氏體兩側的界面向鐵素體和滲碳體推移來實現的。(2) 奧氏體晶核長大當鐵素體完全轉變?yōu)閵W氏體時，仍有部分滲碳體沒有當鐵素體完全轉變?yōu)閵W氏體時，仍有部分滲碳體沒有轉變?yōu)閵W氏體，轉變?yōu)閵W氏體，稱為殘余碳化物稱為殘余碳化物。(1)A/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平均碳含量v，所以奧氏體形成溫度越高，所以奧氏體形成溫度越高，獲得的起始晶粒度就越細小獲得的起始晶粒度就越細小 T ， 相變的不平衡程度增大，在鐵相變的不平衡程度增大，在鐵素體相消失的瞬間，剩余滲碳體量增多，素體相消失的瞬間，剩余滲碳體量增多，因而奧氏體基體的平均碳含量降低。因而

11、奧氏體基體的平均碳含量降低。有利于改善淬火鋼尤其是淬火高碳工具鋼的韌性奧氏體形成溫度奧氏體形成溫度/ C735760780850900基體碳含量(相消失時)/%0.770.690.610.510.46奧氏體轉變的影響因素(2) 碳含量碳含量(3) 原始組織的影響原始組織的影響(4) 合金元素合金元素通過對碳擴散速度影響奧氏體的形成速度通過對碳擴散速度影響奧氏體的形成速度 強碳化物形成元素強碳化物形成元素Cr、Mo、W等等，降低碳在奧氏體中擴，降低碳在奧氏體中擴散系數，散系數，推遲珠光體轉變?yōu)閵W氏體推遲珠光體轉變?yōu)閵W氏體；非碳化物形成元素非碳化物形成元素Co、Ni等等增大碳在奧氏體中的擴散系數，

12、使奧氏體形成速度加快；增大碳在奧氏體中的擴散系數，使奧氏體形成速度加快；Si、Al等對碳原子的擴散系數影響不大，因此對奧氏體的形等對碳原子的擴散系數影響不大，因此對奧氏體的形成無明顯的影響。成無明顯的影響。合金元素通過改變碳化物穩(wěn)定性影響奧氏體的形成速合金元素通過改變碳化物穩(wěn)定性影響奧氏體的形成速度度 通常使碳化物穩(wěn)定提高的元素，將延緩奧氏體的形成。通常使碳化物穩(wěn)定提高的元素，將延緩奧氏體的形成。鋼中加入鋼中加入W、Mo和其它強碳化物形成元素，由于在鋼中可以和其它強碳化物形成元素，由于在鋼中可以形成穩(wěn)定性極高的特殊類型的碳化物，加熱時不易溶解，將形成穩(wěn)定性極高的特殊類型的碳化物，加熱時不易溶解

13、，將使奧氏體形成速度減慢。使奧氏體形成速度減慢。 對臨界點的影響 合金元素的加入改變了臨界點A1、A3、Acm的位置，并使它們成為一個溫度范圍，當溫度一定時，臨界點的變化相當于過熱度的改變。 Ni、Mn、Cu等降低A1溫度；Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等升高A1溫度。合金元素通過對原始組織的影響也影響奧氏體的形成速度 Ni、Mn等往往使珠光體細化，有利于奧氏體的形成。2.3 鋼的奧氏體的連續(xù)加熱轉變1. 連續(xù)加熱轉變動力學圖連續(xù)加熱時珠光體向連續(xù)加熱時珠光體向奧氏體轉變動力學曲線奧氏體轉變動力學曲線n 相變臨界點隨加熱速度增相變臨界點隨加熱速度增大而升高大而升高n 轉變在一個溫度范圍內

14、進轉變在一個溫度范圍內進行行n 奧氏體形成速度隨加熱速奧氏體形成速度隨加熱速度增加而加快度增加而加快n 奧氏體成分不均勻性隨加奧氏體成分不均勻性隨加熱速度增大而增大熱速度增大而增大n 奧氏體起始晶粒度隨加熱奧氏體起始晶粒度隨加熱速度增大而細化速度增大而細化2. 連續(xù)加熱時奧氏體形成特點連續(xù)加熱時珠光體向連續(xù)加熱時珠光體向奧氏體轉變動力學曲線奧氏體轉變動力學曲線n 相變臨界點隨加熱速度增相變臨界點隨加熱速度增大而升高大而升高n 轉變在一個溫度范圍內進轉變在一個溫度范圍內進行行n 奧氏體形成速度隨加熱速奧氏體形成速度隨加熱速度增加而加快度增加而加快n 奧氏體成分不均勻性隨加奧氏體成分不均勻性隨加熱

15、速度增大而增大熱速度增大而增大n 奧氏體起始晶粒度隨加熱奧氏體起始晶粒度隨加熱速度增大而細化速度增大而細化連續(xù)加熱時奧氏體形成特點連續(xù)加熱時，隨加熱速度增大，奧氏體的形成溫度升高，使奧氏體的起始晶粒細化；同時，剩余碳化物數量增多，使奧氏體基體的平均碳含量降低。這兩個因素都可以使淬火馬氏體獲得韌化和強化。近年發(fā)展起來的快速加熱、超快速加熱和脈沖加熱淬火等強韌化處理新工藝均是建立在這個理論基礎上的。2.4 奧氏體晶粒長大及控制1. 奧氏體晶粒度奧氏體晶粒度一般指奧氏體化后的奧氏體實際晶粒奧氏體晶粒度一般指奧氏體化后的奧氏體實際晶粒大小，可以用奧氏體晶粒直徑或單位面積中奧氏體大小，可以用奧氏體晶粒直

16、徑或單位面積中奧氏體晶粒的數目等方法來表示。晶粒的數目等方法來表示。晶粒度級別與晶粒大小的關系晶粒度級別與晶粒大小的關系 N= 2G-1 N - 100倍時，晶粒數倍時，晶粒數 / in2 G - 晶粒度級別晶粒度級別 100倍倍 晶粒度晶粒度Nd (m)125021773125488562644731822 起始晶粒度起始晶粒度 奧氏體形成剛結束，其晶粒邊界剛剛相奧氏體形成剛結束，其晶粒邊界剛剛相互接觸時的晶粒大小?；ソ佑|時的晶粒大小。其大小取決于形核率其大小取決于形核率和長大速度。和長大速度。 實際晶粒度實際晶粒度 鋼經熱處理后所獲得的實際奧氏體晶粒大鋼經熱處理后所獲得的實際奧氏體晶粒大小

17、。小。取決于具體的加熱溫度和保溫時間。取決于具體的加熱溫度和保溫時間。實實際晶粒度對鋼熱處理后的性能有直接影響。際晶粒度對鋼熱處理后的性能有直接影響。奧氏體晶粒度有三種奧氏體晶粒度有三種 本質晶粒度本質晶粒度 表示鋼在一定加熱條件下奧氏體晶粒長表示鋼在一定加熱條件下奧氏體晶粒長大的傾向性。注意：本質晶粒度并不是指具大的傾向性。注意：本質晶粒度并不是指具體的晶粒大小。體的晶粒大小。根據標準試驗方法，在根據標準試驗方法，在 93010，保溫，保溫38 h后測得的奧氏體晶粒大小。后測得的奧氏體晶粒大小。 14級級-本質粗晶粒鋼，晶粒容易長大。本質粗晶粒鋼，晶粒容易長大。 58級級-本質細晶粒鋼，晶粒

18、不容易長大本質細晶粒鋼，晶粒不容易長大2. 奧氏體晶粒長大機理與控制方法奧氏體晶粒長大現象奧氏體晶粒長大現象正常長大：正常長大： 隨保溫溫度的升高，奧氏體晶粒不隨保溫溫度的升高，奧氏體晶粒不 斷長大，稱為正常長大。斷長大，稱為正常長大。異常長大：異常長大： 在加熱轉變中，保溫時間一定時，在加熱轉變中，保溫時間一定時， 隨著保溫溫度的升高，奧氏體晶粒隨著保溫溫度的升高，奧氏體晶粒 長大不明顯，當溫度超過某一定值長大不明顯，當溫度超過某一定值 后，晶粒才隨溫度的升高而急劇長后，晶粒才隨溫度的升高而急劇長 大，稱為異常長大。大，稱為異常長大。奧氏體晶粒長大機理奧氏體晶粒長大機理(1) (1) 奧氏體

19、晶粒長大驅動力奧氏體晶粒長大驅動力n 驅動力：驅動力：來自來自A總的晶界能的下降總的晶界能的下降 減少晶界方法：減少晶界方法：晶粒長大；晶界平直化晶粒長大；晶界平直化n 長大方式：通過界面遷移而長大。長大方式：通過界面遷移而長大。0)2() 1 (2FRFRRRF，平直晶界時越大；越小，晶粒越細小，界面曲率半徑比界面能(2) (2) 晶界推移阻力晶界推移阻力n 實際材料中，在晶界或晶內往往存在很多細小難溶實際材料中，在晶界或晶內往往存在很多細小難溶的第二相沉淀析出粒子。推移中的晶界如遇到第二的第二相沉淀析出粒子。推移中的晶界如遇到第二相粒子時將發(fā)生彎曲，導致晶界面積增大，界面能相粒子時將發(fā)生彎

20、曲，導致晶界面積增大，界面能升高，因此這些第二相粒子將阻礙晶界遷移，起著升高，因此這些第二相粒子將阻礙晶界遷移，起著釘扎晶界的作用。釘扎晶界的作用。第二相顆粒半徑單位體積中粒子數目比界面能23rfrfFm單位面積晶界上的最大阻力單位面積晶界上的最大阻力(3) (3) 正常長大正常長大 晶界在驅動力晶界在驅動力F推動下勻速前進，由經典力學可導出：推動下勻速前進，由經典力學可導出： DA2 = K exp(-Q/KT) 其中，其中，DA 為長大中為長大中A晶粒平均直徑，晶粒平均直徑，K為常數，為常數，為時間，為時間，Q為為Fe的自擴散激活能。的自擴散激活能。 隨溫度隨溫度T， DA；在一定溫度；在

21、一定溫度T，隨時間，隨時間，DA。 (4) (4) 異常長大異常長大 a.a.異常長大的原因異常長大的原因 由于溫度由于溫度T升高，第二相顆粒的發(fā)生聚集長大或溶解于奧升高，第二相顆粒的發(fā)生聚集長大或溶解于奧氏體中，使阻力氏體中，使阻力F =0，而此時驅動力，而此時驅動力F卻很大，故晶粒急劇長大。卻很大，故晶粒急劇長大。 b. 異常長大的特點異常長大的特點 在長大過程中出現混晶現象。在長大過程中出現混晶現象。 奧氏體晶粒長大是一種自發(fā)過程，其主要表現為晶界的推移，高度彌散的難溶第二相粒子對晶粒長大起很大的抑制作用。為了獲得細小的奧氏體晶粒，必須保證鋼中含有足夠數量和足夠細小的難溶第二相粒子。影響奧氏體晶粒長大的因素影響奧氏體晶粒長大的因素n 加熱溫度和保溫時間加熱溫度和保溫時間在每一溫度下都有一個加速長大期，當奧氏體晶粒長到一定尺寸后，長大過程將減慢直至停止生長。加熱溫度越高，奧氏體晶