第三章 J奧氏體的形成

第三章奧氏體的形成3.1、奧氏體及其形成3.2、奧氏體形成機理3.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)3.4、奧氏體晶粒長大及其控制AB+LⅠ是不是所有的金屬材料都可以進行熱處理呢？只有固態(tài)相變發(fā)生的合金才能進行熱處理。Ⅱ鋼中固態(tài)相變種類最多，其熱處理工藝種類也最多，性能變化最為豐富，應(yīng)用也最為廣泛。其他金屬材料的熱處理均是在鋼的熱處理基礎(chǔ)上發(fā)展而來EFG912℃SPQ1148℃727℃AFA+FA+Fe3CF+Fe3CKFe3CFeA1AcmA3T℃↑→C%δ奧氏體的形成——指鋼在加熱過程中，由加熱前的組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程。例如：珠光體加熱形成奧氏體

相轉(zhuǎn)變：F+Fe3CA

碳含量：0.02%6.69%0.77%

點陣結(jié)構(gòu):bcc復(fù)雜斜方fcc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，孿晶

2.結(jié)構(gòu)碳在γ-Fe中的間隙固溶體(書圖2.3)3.1、奧氏體及其形成二、奧氏體性能高溫相，加入一定的合金元素可在室溫存在高塑性、低屈服強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3.1、奧氏體及其形成三、奧氏體的形成與鐵碳相圖EFG912℃SPQ1148℃727℃AFA+FA+Fe3CF+Fe3CKFe3CFeA1AcmA3T℃↑→C%δ3.1、奧氏體及其形成平衡加熱狀態(tài)實際加熱狀態(tài)（非平衡態(tài)）A形成的條件——過熱1.平衡加熱狀態(tài)

亞共析鋼的奧氏體化?室溫下組織為?A1以上，?A3以上，AFT℃CFeA1A3AcmF+P。F+AA過共析鋼的奧氏體化?室溫下組織為?A1以上，?Acm以上，?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)

A1A3AcmP+Fe3CFe3C+AA2.實際加熱狀態(tài)（非平衡態(tài)）實際加熱或冷卻都是在較快的速度下進行（非平衡過程），實際轉(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：實際轉(zhuǎn)變溫度移向高溫，以Ac表示Ac1、Ac3、Accm

冷卻時：實際轉(zhuǎn)變溫度移向低溫，用Ar表示Ar1、Ar3、Arcm轉(zhuǎn)變溫度Ac1Ac3AccmA3AcmArcmAr3Ar1A1AGSEPQF727℃1148℃P+CmF+P2.110.770.0218FeC%→GT℃A1=727℃GPGA△

GV△T3.

A形成的條件

過熱（T>A1）過熱度△T↗，Ac1↗，驅(qū)動力↗，轉(zhuǎn)變速度↗。Ac13.2、奧氏體形成機理形核+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)先在珠光體團的界面形核也在F/Fe3C片層界面形核Fe3CF珠光體團界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）0.02%6.69%0.77%bcc復(fù)雜斜方fcc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)在相界面形核阻力?。ń缑婺芎蛻?yīng)變能的增加減少）。△G=-△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.奧氏體在片狀珠光體相界面形核（a）SEM；（b）TEMA3AcmA1AGSEPQF727℃1148℃P+CmF+P2.110.770.0218FeC%→℃7387808200.230.930.410.680.890.791.奧氏體的形核2.奧氏體的長大3.2、奧氏體形成機理A的長大是通過A兩側(cè)界面向F和Fe3C推移來進行的。長大包括了下列過程：滲碳體的溶解，

α→γ的晶格改組，C原子在A中的擴散。

A長大方向分為垂直于片層和平行于片層。

4s6s8s15sT1AFT℃CCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3CAFe3CFT1CA/Fe3CAAT℃FeCF/Fe3CCCA/FCF/A垂直于片層方向長大長大受控于C在A中擴散，C在F中擴散起促進作用。相界面上兩相濃度符合平衡濃度Fe3CFA奧氏體長大方向平行于片層方向長大A平行于片層長大速度>垂直于片層長大速度45鋼在735℃加熱10min的組織15000×奧氏體晶核在片狀珠光體內(nèi)長大（a）SEM；（b）TEM1.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逐漸消失來實現(xiàn)長大的.3.2、奧氏體形成機理小結(jié)：奧氏體的長大受控于C在奧氏體中的擴散C在F中擴散起促進作用。原始組織5S8S15S球狀P向A的轉(zhuǎn)變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，仍有部分Fe3C沒有轉(zhuǎn)變?yōu)锳，稱為殘余碳化物?！逜/F界面向F推移速度>A/Fe3C界面向Fe3C推移速度

殘余碳化物溶解:

由Fe3C中的C原子向A中擴散和鐵原子向貧碳Fe3C擴散,Fe3C向A晶體點陣改組實現(xiàn)的.1.奧氏體的形核2.奧氏體的長大3.2、奧氏體形成機理AFe3CFT1CA/Fe3CAFT℃FeCF/Fe3CCCA/FCF/A3.殘余碳化物的溶解

1.奧氏體的形核2.奧氏體的長大3.2、奧氏體形成機理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散，最終使奧氏體中碳濃度均勻一致。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針狀球狀由馬氏體類(非平衡組織)向奧氏體轉(zhuǎn)變易出現(xiàn)組織遺傳，轉(zhuǎn)變后的A與原始A相同，若原始A晶粒粗大，這種遺傳有害。一.奧氏體等溫形成動力學(xué)3.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)730℃750℃790℃

奧氏體量（％）時間(S)100500共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變量與時間的關(guān)系——奧氏體轉(zhuǎn)變量與溫度，時間的關(guān)系1、共析碳鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)曲線由圖可見：（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％時最大（3）T↗，孕育期↘，轉(zhuǎn)變速度↗（4）此曲線僅表示P→A轉(zhuǎn)變剛結(jié)束。730℃750℃790℃

奧氏體量（％）時間(S)100500共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變量與時間的關(guān)系一.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?TTA圖的說明不均勻A均勻AP+AA+Fe3CPT(s)T/℃可見：殘余A的溶解，特別是成分均勻化所需時間最長。Ac112341—A轉(zhuǎn)變開始線2—A轉(zhuǎn)變終止線3—殘余Fe3C溶解終止線4—A均勻化終止線0101102103104過共析碳鋼奧氏體等溫形成圖(TTA)在AC3(Acm)以上，亞(過)共析鋼中的先共析組織轉(zhuǎn)變

（a）通過碳原子在A中擴散而進行的。（b）不形成新核，通過原有奧氏體向先共析組織長大而完成。亞共析碳鋼的奧氏體等溫形成動力學(xué)圖二.奧氏體等溫形成動力學(xué)分析

1、形核率

3.3、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△G*-臨界形核功,Q-擴散激活能,T↗，I↗，其原因：T↗，A形核所需的濃度起伏減小,T↗，△G*↘,exp（－△G*/KT）↗T↗，exp（－Q/KT）↗，即能克服能壘進行擴散的原子數(shù)↗非均勻形核率——

受溫度影響與均勻形核一致，T1AFT℃CCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3CT2均勻形核還受形核位置數(shù)（缺陷數(shù)）影響二.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中擴散達準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)出，相界面推移速度為：3.3、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>T2CA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3C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∴F先消失，剩余碳化物T1AFT℃CCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3C？若溫度升高，會發(fā)生什么變化？實驗測得共析鋼薄試樣于780℃鹽浴爐中加熱奧氏體化時，在鐵素體消失的瞬間，奧氏體基體碳含量為0.61%,如果采用900℃鹽浴爐奧氏體化，奧氏體基體碳含量下降到0.46%,試分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。轉(zhuǎn)變溫度越高，

殘余碳化物量↗越大T1AFT℃CCA/Fe3CCA/FCF/ACF/Fe3C☆綜上所述，和過冷情況下的結(jié)晶過程不同，A形成時，

T↗（或過熱度△T↗），始終有利于A的形成?！郥↗，A形成速度↗三.影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素溫度、原始組織、成分1、溫度的影響3.3、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↗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3.3、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位置，影響碳在A中的擴散系數(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間應(yīng)用：合金鋼一般需要更長的保溫時間四.連續(xù)加熱時A形成動力學(xué)3.3、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/℃V3V2V1Ac1四.連續(xù)加熱時A形成動力學(xué)3.3、奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)特點：（1）加熱速度↗，臨界點↗，（2）轉(zhuǎn)變在一個溫度范圍內(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↗而細化，（5）A成分不均勻性隨加熱速度↗而↗。V1V3

＜V2

＜V1不均勻A均勻AP+AA+Fe3CPt/sT/℃V3V2Ac1一.奧氏體晶粒度3.4、奧氏體晶粒長大及其控制

（見書表2.3）,其中n=2N-1

概念:起始晶粒度、n0=(I/G)1/2

實際晶粒度、本質(zhì)晶粒度應(yīng)用:晶粒細化處理5～8級的鋼為本質(zhì)細晶粒度的鋼1～4級的鋼為本質(zhì)粗晶粒度鋼本質(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)細晶粒度：奧氏體晶粒長大傾向小，加熱到較高溫度時才顯著長大的鋼。如經(jīng)鋁脫氧的鋼、鎮(zhèn)靜鋼等二.奧氏體晶粒長大機制3.4、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-晶界曲率半徑理想界面形態(tài)：界面平直，界面間夾角120°，如b圖晶粒長大方式：大吃小奧氏體晶粒尺寸與加熱溫度的關(guān)系二.奧氏體晶粒長大機制3.4、奧氏體晶粒長大及其控制晶粒長大阻力——第二相質(zhì)點的釘扎作用

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)點越細小，分散，總阻力↗(1)加熱溫度和保溫時間

T↗,t↗,A晶粒度↗

(2)加熱速度快速加熱并短時保溫可獲得細小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3.4、奧氏體晶粒長大及其控制1、奧氏體晶粒大小控制

增加第二相顆粒起彌散分布:

如鋼中加Al,形成AlN顆粒、碳化物(TiC、NbC等)細化組織

提高加熱速度:

利用溫度和時間對奧氏體晶粒長大影響來細化晶粒。如高頻感應(yīng)加熱、激光加熱、電子束加熱等。

四.奧氏體大小控制及其應(yīng)用3.4、奧氏體晶粒長大及其控制2、粗大奧氏體晶粒的遺傳及其阻斷

缺陷：組織遺傳——過熱的鋼，再次正常加熱后，A仍保留原來粗大晶粒，甚至原來取向和晶界的現(xiàn)象。相遺傳——母相中的晶體缺陷和不均勻性被新相繼承。消除：（關(guān)鍵是破壞新舊相之間的取向關(guān)系）

避免由不平衡相直接加熱形成奧氏體；避免以非擴散方式形成奧氏體；多次加熱破壞原有的晶體取向。四.奧氏體大小控制及其應(yīng)用3.4、奧氏體晶粒長大及其控制

鋼的本質(zhì)晶粒度示意圖(1)奧氏體形成的熱力學(xué)條件為奧氏體的自由能___珠光體的自由能.（a）小于（b）等于（c）大于（d）小于等于(2)奧氏體的形核位置為F/Fe3C界面及________交界處.（a）F/F（b）Fe3C/F（c）Fe3C/Fe3C（d）珠光體團(3)奧氏體核的長大受控于____的擴散,通過奧氏體A界面同時

向鐵素體F及滲碳體推移來進行的.（a）鐵原子（b）碳原子（c）鐵、碳原子（d）溶質(zhì)原子(4)由鐵碳相圖可知,CA/F____CA/Fe3C,碳原子向F一側(cè)擴散,

有利于A的長大.（a）<(b)>(c)≤(d)=(5)殘余滲碳體轉(zhuǎn)變結(jié)束后,奧氏體中碳濃度不均勻,要繼續(xù)保溫通過碳擴散可以使奧氏體____.(a)長大(b)轉(zhuǎn)變(c)均勻化(d)溶解課堂練習(xí)：(6)奧氏體的長大速度隨溫度升高而____.(a)減小(b)不變(c)增大(d)無規(guī)律(7)過共析鋼在Ac1—Accm之間充分加熱后的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為____.

（a）Fe3C(b)Fe3CII(c)Fe3CII+A(d)A(8)連續(xù)加熱的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度與加熱速度有關(guān).加熱速度越大,轉(zhuǎn)變溫度____,轉(zhuǎn)變溫度范圍越大,奧氏體___.(a)愈低,愈均勻(b)愈高,愈不均勻(c)愈低,愈不均勻(d)愈高,愈均勻(9)

A晶粒的長大是通過晶界的遷移而實行的,晶界遷移的驅(qū)動力來自_____.(a)A與P的自由能差(b)A的吉布斯自由能的降低(c)界面自由能的降低(d)相變自由能差(10)下列措施中