第三章 奥氏体与钢在加热过程 中的转变 奥氏体与钢在加热过程 中的转变 本章主要内容本章主要内容 ?什么是钢中的奥氏体：结构、组织、性能什么是钢中的奥氏体：结构、组织、性能 ?奥氏体如何形成的奥氏体如何形成的 ?奥氏体等温形成动力学（速度、影响因素）奥氏体等温形成动力学（速度、影响因素） ?连续加热时奥氏体的形成连续加热时奥氏体的形成 ?非平衡组织加热时奥氏体的形成（加热速度、 原始组织） 非平衡组织加热时奥氏体的形成（加热速度、 原始组织） ?A晶粒长大及控制晶粒长大及控制 研究A转变的目的研究A转变的目的 ?热处理过程一般由热处理过程一般由加热加热、保温保温和和冷却冷却三个阶段组 成，其目的在于改变金属内部组织结构使其满足 服役条件所提出的性能要求。 三个阶段组 成，其目的在于改变金属内部组织结构使其满足 服役条件所提出的性能要求。 ?欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获 得A组织（奥氏体化），然后再以不同的方式冷 却，发生不同转变，以获得不同的组织。 欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获 得A组织（奥氏体化），然后再以不同的方式冷 却，发生不同转变，以获得不同的组织。 ?可以控制可以控制A转变的条件获得理想的A组织，为后续 处理做好组织准备。 转变的条件获得理想的A组织，为后续 处理做好组织准备。 第一节第一节 奥氏体及其特点奥氏体及其特点 奥 氏 体 形 成 温 度 范 围 奥 氏 体 形 成 温 度 范 围 ?奥氏体奥氏体（Austenite）是碳溶于）是碳溶于-Fe所形成的固溶 体，存在于共析温度以上，最大碳含量为 所形成的固溶 体，存在于共析温度以上，最大碳含量为2.11% ?奥氏体的组织形态多为奥氏体的组织形态多为多边形等轴晶粒多边形等轴晶粒，在晶粒 内部往往存在孪晶亚结构 ，在晶粒 内部往往存在孪晶亚结构 1、奥氏体定义、奥氏体定义 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 2、奥氏体的晶体结构、奥氏体的晶体结构 ?C在在-Fe最大溶解度为最大溶解度为2.11wt%，远小于理论值，远小于理论值 20wt%。（八面体间隙半径。（八面体间隙半径5.210-2nm，C原子半 径 原子半 径7.710-2nm) ?C的溶入使晶格发生点阵畸变，使晶格常数增大。的溶入使晶格发生点阵畸变，使晶格常数增大。 ?C在奥氏体中分布不均，有浓度起伏。在奥氏体中分布不均，有浓度起伏。 3、奥氏体的组织、奥氏体的组织 与原始组织、加热速度以及加热转变程度有关与原始组织、加热速度以及加热转变程度有关 ?颗粒状颗粒状经高温保温后，晶粒长大、边界变得平 直化， 经高温保温后，晶粒长大、边界变得平 直化，呈等轴多边形呈等轴多边形，有些，有些内部有孪晶内部有孪晶 ?针状针状非平衡态含非平衡态含C量低的钢在两相区以适当速 度加热 量低的钢在两相区以适当速 度加热 原始组织：加热之前的组织原始组织：加热之前的组织 ?硬度、屈服强度均不高硬度、屈服强度均不高 ?塑性好（面心立方，滑移系多），易锻造加工。塑性好（面心立方，滑移系多），易锻造加工。 ?比容小（比容小（fcc是最密排的点阵结构），利用此特性 可用膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。 是最密排的点阵结构），利用此特性 可用膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。 ?扩散系数小，使热强性好，可用作高温用钢扩散系数小，使热强性好，可用作高温用钢 ?导热性差，线膨胀系数较导热性差，线膨胀系数较F和和Fe3C高一倍高一倍 ?顺磁性，可作为无磁性钢顺磁性，可作为无磁性钢 4、奥氏体的性能、奥氏体的性能 小节小节 ?A的结构（碳在的结构（碳在-Fe中的固溶体，面心立方结构）中的固溶体，面心立方结构） ?A的组织（颗粒状和针状）的组织（颗粒状和针状） ?A的基本性能的基本性能 第二节 钢的奥氏体等温转变钢的奥氏体等温转变 （讨论由平衡组织转变为（讨论由平衡组织转变为A的过程） 问题：钢的平衡组织是什么？ 的过程） 问题：钢的平衡组织是什么？ 基本概念基本概念 ?原始组织原始组织 ?碳钢的平衡态组织碳钢的平衡态组织 ?碳钢的非平衡态组织碳钢的非平衡态组织 通过通过缓慢冷却缓慢冷却所得到 的珠光体以及先共析 铁素体与渗碳体等组 织 所得到 的珠光体以及先共析 铁素体与渗碳体等组 织 ?P (pearlite) ?PF (Ferrite) ?P Fe3C (Cementite) 平衡组织平衡组织 ?通过通过较快的速度较快的速度进行冷却时获得的组织 如马氏体，贝氏体等。 进行冷却时获得的组织 如马氏体，贝氏体等。 不平衡组织不平衡组织 马氏体贝氏体 3.2.1 A形成的热力学条件形成的热力学条件 G A形成热力学条件A形成热力学条件 ?两相自由能差：两相自由能差：Gv=G-Gp0 PA条件是：将条件是：将P加热到加热到A1以上以上 ?过热度：过热度：转变温度与临界点转变温度与临界点A1之差（之差（T） 过热度越大，驱动力越大，转变速度越快 ） 过热度越大，驱动力越大，转变速度越快 加热速度极慢加热速度极慢时：过热度时：过热度0即可发生转变，即即可发生转变，即A1 加热速度较快加热速度较快时：在较大的过热度下才能发生相 变，好象临界点提高了。 时：在较大的过热度下才能发生相 变，好象临界点提高了。 Ac1在一定加热速度下（在一定加热速度下（0.125C/min)实际测得的 临界点 实际测得的 临界点 c: Calefaction r: Refrigeration 3.2.2 转变机制转变机制 共析钢的A形成 当加热至当加热至Ac1稍上温度时，由铁素体渗碳体 两相组成的珠光体转变为单相奥氏体，即： （ 稍上温度时，由铁素体渗碳体 两相组成的珠光体转变为单相奥氏体，即： （ Fe3C ） Ac1以上 加热 以上 加热 0.02C6.69C0.77C 体心立方 复杂斜方面心立方 碳含量：碳含量： 奥氏体的形成是一个渗碳体的溶解，铁素体到奥 氏体的点阵重构以及碳在奥氏体中的扩散的过程 奥氏体的形成是一个渗碳体的溶解，铁素体到奥 氏体的点阵重构以及碳在奥氏体中的扩散的过程 空间点阵：空间点阵： 转变过程转变过程 共析钢转变四个阶段：共析钢转变四个阶段： A形核长大形核长大Fe3C溶解溶解A均匀化均匀化 共析钢奥氏体的形核（a）20s（b）25s（c）26s（d）30s （1）奥氏体的形核）奥氏体的形核 （） ?形成位置：在形成位置：在F和和Fe3C交界面交界面上通过扩散机制形 成。 上通过扩散机制形 成。 ?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所需的浓度起伏所需的浓度起伏 (C%)F0.02%， (C%)Fe3C=6.69%, (C%)A=2.11% （居于（居于F和和Fe3C之间）之间） 2）能量上：在相界上形核使界面能减小，应变能 减小，使热力学条件更容易满足 ）能量上：在相界上形核使界面能减小，应变能 减小，使热力学条件更容易满足 GGv+ Gs+ GE 奥氏体的形核奥氏体的形核 （2）A核的长大核的长大 ?通过渗碳体的通过渗碳体的溶解溶解、碳原子的、碳原子的扩散扩散（在（在A或或F中）、中）、 A两侧的两侧的界面推移界面推移（向向F和和Fe3C）来进行的。）来进行的。 ?注：碳原子的扩散根据原始组织的不同可能取两 种形式： 注：碳原子的扩散根据原始组织的不同可能取两 种形式： 1）C在在A中扩散中扩散 2）C在在F中扩散中扩散 1.实验现象：实验现象： 1) F消失时，组织中的Fe3C还未完全转变 2) 测定后发现A中含碳量低于共析成分0.77% 2.原因：原因： Fe-Fe3C相图上ES线斜度大于GS线，S点不在CA-F 与CA-Fe3C中点，而稍偏右。所以A中平均碳浓度， 即(CA-F+ CA-Fe3C)/2低于S点成分。当F全部转变为 A后，多余的碳即以Fe3C形式存在。 继续保温，能使未溶碳渗体溶入继续保温，能使未溶碳渗体溶入A中中! （3）残留渗碳体的溶解（3）残留渗碳体的溶解 A长大是通过长大是通过/界 面和 界 面和/Fe3C界面分别向 和 界面分别向 和Fe3C迁移来实现的。 由于 迁移来实现的。 由于/界面向的迁移 远比 界面向的迁移 远比/Fe3C界面向界面向Fe3C 界面迁移来得快，因此当 已完全转变为后，仍 然有一部分 界面迁移来得快，因此当 已完全转变为后，仍 然有一部分Fe3C没有溶 解，称为 没有溶 解，称为残留残留Fe3C。 (4)(4)A均匀化均匀化 渗碳体溶解完后，渗碳体溶解完后，A成分是不均匀的，原 来为渗碳体区域 成分是不均匀的，原 来为渗碳体区域C含量高；原来为铁素体的区 域含量低，保温通过 含量高；原来为铁素体的区 域含量低，保温通过C的扩散使的扩散使A中中C分布均匀。分布均匀。 小节小节 ?A转变的热力学转变的热力学 ?A转变的过程转变的过程 3.2.3 转变动力学转变动力学 ?形成动力学形成速度 即奥氏体的转变量与温度和时间的关系 本节讨论共析钢和亚共析钢的等温形成动力学 一、共析钢A等温形成动力学 1.等温形成动力学曲线 时间时间转变量转变量温度温度 关系曲线关系曲线 2.等温形成动力学图 时间时间温度温度转变量转变量 关系图关系图 动力学曲线 共析钢等温形成动力学图 2. 共析钢等温转变动力学图特点 1）转变需要孕育期）转变需要孕育期 2）曲线呈）曲线呈S型 初期：速度随时间加快； 型 初期：速度随时间加快； 50%后：速度下降后：速度下降 3）随温度升高，孕育期缩短，速度加快）随温度升高，孕育期缩短，速度加快 等温转变动力学曲线 共析钢等温形成动力学图 等温转变动力学曲线 1）转变需要孕育期 2）随温度升高，孕育期 缩短，速度加快 1）转变需要孕育期 2）随温度升高，孕育期 缩短，速度加快 3.影响P转变为A的因素 ?温度温度:形核率与线长大速度随温度升高而增加形核率与线长大速度随温度升高而增加 ?碳含量碳含量：A形成速度随形成速度随C%增加而增加增加而增加 ?原始组织原始组织: P中中Fe3C片厚度和颗粒大小影响片厚度和颗粒大小影响A形成 过程及形成速度 形成 过程及形成速度. 片状大于颗粒状；片层越小，速度越大片状大于颗粒状；片层越小，速度越大 ?合金元素：合金元素：改变临界点位置、影响改变临界点位置、影响C扩散速度； 形成各种碳化物（ 扩散速度； 形成各种碳化物（K） 上节内容回顾 ?A转变的热力学转变的热力学 ?A转变的过程转变的过程 ?A转变动力学曲线和动力学图转变动力学曲线和动力学图 动力学曲线 共析钢等温形成动力学图 二、亚共析钢二、亚共析钢A等温形成动力学等温形成动力学 共析钢共析钢 临界点以上为单相区 加热前组织为 临界点以上为单相区 加热前组织为P 亚共析钢亚共析钢 临界点以上为两相区 加热前组织为 临界点以上为两相区 加热前组织为FP 亚共析钢两相区等温 转变过程示意图 1.两相区转变的三个阶段 ?A核在核在F与与P交界面形成后，快速长进交界面形成后，快速长进P直到直到P全部 转变为 全部 转变为A为止。为止。 ?A向先共析向先共析F慢速长进。转变停止时为两相组织， 等温温度越高，未转变的 慢速长进。转变停止时为两相组织， 等温温度越高，未转变的F量越少。量越少。 ?A与与F间的最后平衡。 结论：亚共析钢在两相区的转变与共析钢相比在相 同温度下的转变要慢得多。 间的最后平衡。 结论：亚共析钢在两相区的转变与共析钢相比在相 同温度下的转变要慢得多。 2.亚共析钢A转变的特点 ?珠光体首先