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1、第二章,奥氏体的形成,热处理：,是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的,组织结构，获得所需要性能的一种工艺,.,?,为简明表示热处理的,基本工艺过程，通常,用温度,时间坐标绘,出热处理工艺曲线。,2.1,奥氏体及其形成机理,2.1.1,奥氏体的结构及其存在范围,?,奥氏体是碳溶于,-Fe,中的间,隙固溶体,?,碳原子位于八面体间隙中心，,即,FCC,晶胞的中心或棱边的中点,?,八面体间隙半径,0.52,?,碳原子半径,0.77,?,点阵畸变,图,2-1,奥氏体的单胞,?,奥,氏,体,相,区,：,NJESGN,包围的区域,GS,线,-,A,3,线,ES,线,-,A,cm,线,PSK,线,-
2、,A,1,线,?,碳在奥氏体中的最大,溶,解,度,为,2.11wt%,(10at%),?,碳原子的溶入使,-Fe,的点阵畸变，点阵常数,随碳含量的增加而增大,图,2-2 Fe-C,相图,2.1.2,奥氏体的性能,?,奥氏体的比容最小，线膨胀系数最大，且为顺,磁性（无磁性）。利用这一特性可以定量分析奥,氏体含量，测定相变开始点，制作要求热膨胀灵,敏的仪表元件。,?,奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避,免工件的变形，不宜采用过大的加热速度。,?,奥氏体塑性很好，,S,较低，易于塑性变形。,故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。,2.1.3,奥氏体形成的热力学条件,?G=V?Gv+S+V,-
3、,?Gd(2,-1),-,?Gd,-,在,晶体缺陷,处形核,引起的自由能降低,?,相变必须在一定的,过热,度,?,T,下，使得,?,G,V,0,，才,能得到,?,G0,。所以相变必,须在高于,A,1,的某一温度下,才能发生，奥氏体才能开,始形核。,图,2-3,自由能和温度关系图,?,加热时临界点,加注,c,：,A,c1,A,c3,A,ccm,?,冷却时临界点,加注,r,：,A,r1,A,r3,A,rcm,图,2-4,以,0.125,/,min,加热和冷却时，,Fe-C,相图中临界点的移动,2.1.4,奥氏体的形成机理,?,奥氏体的形成为形核长大、扩散型相变,?,奥氏体的形成过程可分成四个阶段：
4、,（,1,）奥氏体的形核,（,2,）奥氏体的长大,（,3,）渗碳体的溶解,（,4,）奥氏体的均匀化,（,1,）,（,2,）,（,3,）,（,4,）,图,2-5,奥氏体形成的四个阶段,（,1,）奥氏体的形核,?,形核的成分、结构条件,在,A,1,温度（,727,）：,C%,结构,BCC,+Fe,3,C,复杂斜方,FCC,0.0218 6.69 0.77,?,形核位置,/Fe,3,C,相界面上,优先,鉴于相变对,成分、结构以及能量,的要求，晶核将在,/Fe,3,C,相界面上优先形成，这是由于：,相界面形核，可以消除部分晶体缺陷而使体系的,自由能降低，有利于相变对,能量,的要求。,相界面两边的碳浓度
5、差大，较易获得与新相奥氏,体相适配的碳,浓度,，况且碳原子沿界面扩散较晶,内为快，从而加速了奥氏体的形核。,相界面处，原子排列较不规则，易于产生,结构起,伏,，从而由,BCC,改组成,FCC,。,（,2,）奥氏体的长大,dC,?C,r?,?C,r?k,dx,图,2-6,相界面上的碳浓度及扩散,奥氏体形成瞬间成分不均匀的几个,C,?,C,：奥氏体的碳浓度，,0.77%,；,?,?,?,?,?,C,-,：奥氏体中靠近铁素体一侧含碳量（,GS,线）；,C,-Fe3C,：奥氏体中靠近渗碳体一侧含碳量（,ES,线）；,C,-,：铁素体中靠近奥氏体一侧含碳量（,GP,线）；,C,-Fe3C,：铁素体中靠近
6、渗碳体一侧含碳量（,QP,的延长线）,Fe,3,C,：渗碳体的碳浓度，,6.69%,C%,dC,dx,图,2-7,相界面上的碳浓度及扩散,奥氏体在,/Fe,3,C,相界面上形核后，将产生三相平衡，,产,生,/Fe,3,C,和,r/,两个相界面。,C,r-k,C,r-,，浓度差,dC=C,r-k,-,C,r-,将在奥氏体内产生扩散,C,r-,C,r-,；,C,r-k,C,r-k,相界面上的平衡浓度被,打破,为了,恢复,并维持相界面上的平衡浓度,点阵重构,，向,方向长大，,C,r-,C,r-,Fe,3,C,向,中溶解，向,Fe,3,C,方向长大，,C,r-k,C,r-k,?,奥氏体晶核的长大速度,
7、dC,1,dC,1,G,?,G,?,?,?,?,G,?,?,k,?,D,?,?,D,?,dx,?,C,?,?,?,dx,?,C,?,?,k,dC,1,1,?,D,(,?,),dx,?,C,?,?,?,?,C,?,?,K,(,2,?,2,),其中：,D,?,?,碳在,?,中的扩散系数,dC,?,?,碳在,?,中的浓度梯度,dx,dC,?,C,r,?,K,?,C,r,?,?,;,dx,为生成的,?,小晶粒厚度,?,C,?,?,?,?,C,?,?,?,?,C,?,?,?,?,?,?,/,?,界面上的碳浓度差,?,C,?,?,K,?,C,K,?,?,?,C,?,?,K,?,?,?,/,Fe,3,C,界
8、面上的碳浓度差,?,由式（,2-2,）可知，奥氏体晶核的长大速度,与,碳,在奥氏体中的,浓度梯度成正比,，而与相,界面上的,碳浓度差成反比。,?,由于,/Fe,3,C,相界面的碳浓度差,?,C,?,k,较,大，,Fe,3,C,本身复杂的晶体结构，使得奥氏体,向渗碳体方向的长大速度远比向铁素体方向,为小，所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体,的溶解要快得多，,铁素体先消失，而渗碳体,有剩余。,根据公式（,2,2,）,G,F,/G,Fe3C,=,?C,-Fe3C,/,?C,-,在,780,时，,?,C,-Fe3C,6.69,0.89,?C,-,0.41,0.02,G,F,/G,Fe3C,14.8,但通
9、常片状,P,的厚度是,Fe,3,C,的,7,倍，,因此总是：,铁素体先消失，而渗碳体有剩余。,（,3,）剩余渗碳体的溶解,?,剩余渗碳体借助于,Fe,、,C,原子的扩散进,一步溶解。,（,4,）奥氏体成分的均匀化,?,原渗碳体部位的碳浓度高，原铁素体部,位的碳浓度低。,?,通过,Fe,、,C,原子在新形成奥氏体中的扩,散，实现奥氏体成分的均匀化。,2.2,奥氏体形成的动力学,2.2.1,形核率,?,为了满足形核的热力学条件，需依靠,能量,起,伏，补偿临界晶核形核功，所以形核率应与获,得能量涨落的,几率因子,exp(-,?G,*,/kT),成正比。,?,为了达到奥氏体晶核对,成分,的要求，需要原
10、,子越过能垒，经,扩散,富集到形核区，所以应与,原子扩散的,几率因子,exp(-Q/kT),成正比。,N=C exp(,-,?G,*,/kT)exp(-Q/kT)(2-3),式中,:C,-,常数,?,G,*,-,临界形核功,Q-,扩散激活能,k-,玻尔兹曼常数，,=1.38X10,-23,J/K,T-,绝对温度,N-,形核率，单位,1/(mm,3,?s),?,与结晶不同的是，,PA,的相变，是在,升高温度,下进,行的相变。,?,温度升高时，,?,G,*,，,Q,，从而形核率,N,增大。,2.2.2,奥氏体线长大速度,dC,1,1,G,?,D,(,?,),dx,?,C,?,?,?,?,C,?,?
11、,K,(,2,?,2,),?,碳在奥氏体中的扩散系数,D=D,0,exp(-Q/RT),阿累尼乌斯方程,(Arrhenius),G-,长大线速度，单位,mm/s,?,温度升高时，,D,dC,?C,?,?C,?,k,从而线长大速度,G,增大。,2.2.3,奥氏体,等温,形成动力学曲线,?,设新形成的奥氏体为球状，则由约翰逊,-,迈尔方,程（,Johnson-Mehl,方程,),：,V,t,?,1,?,exp(,?,?,3,NG,t,),3,4,(,2,?,4,),V,t,-,新形成奥氏体的体积分数,?,转变量达,50%,左右时，转变速度最大。,?,转变温度越高，奥氏体形成的孕育期越短。,?,转变
12、温度越高，完成转变所需的时间越短。,?,形成温度升高，,N,的,增长速率高于,G,的增长,速率，,N/G,增大，可获,得细小的,起始晶粒度,。,?,形,成,温,度,升,高,，,G,/G,k,增大，铁素,体消失时，剩余渗碳体,量增大，形成奥氏体的,平均碳含量降低。,图,2-8,奥氏体,等温,形,成动力学曲线,影响奥氏体,等温,形成速度的因素：,1.,加热温度的影响,（,1,）加热温度升高，,?,T,增大，形核速度,I,和长大速度,G,均增加；,（,2,）加热温度升高，奥氏体形成的孕育期变短，相变时间变短,（,3,）加热温度升高，奥氏体界面浓度差,?,C,减小，向,F,体和,Fe,3,C,的长大速
13、度均增加；,（,4,）加热温度升高，奥氏体向,F,体一侧比向,Fe,3,C,一侧的推移速,度快，,F,体瞬间消失，残余,Fe,3,C,增加；,（,5,）加热温度升高形核速度,I,比快长大速度,G,增加的速度快，奥,氏体晶粒细化（提高强韧性）,2.,原始组织的影响,（,1,）原始组织越细，碳化物越分散，,P,体片层间距越小，相,界面越多，形核率越大，同时，浓度梯度,dc/dx,增加，长,大速度,G,均增加；,（,2,）片状,P,体相界面大而薄，易于溶解，因此原始组织为片,状,P,体比粒状,P,体形成速度快。,3.,化学成分的影响,（,1,）随,C%,增加，碳化物数量增加，,F/Fe,3,C,相界
14、面增加，,奥氏体的形成速度加快；,（,2,）合金元素不影响奥氏体的形成机制，但影响其形成速,度。主要体现在以下几方面：,（）影响,C,在奥氏体中的扩散速度,。碳化物形成元素（,Cr,、,Mo,、,W,、,V,等）大大减小,C,的扩散速度，故显著减小奥氏体的形成速度；非碳,化物形成元素（,Co,、,Ni,）能增加,C,的扩散速度，故加速了奥氏体的形,成速度；非碳化物形成元素（,Si,、,Al,、,Mn,等）对,C,的扩散速度影响不,大，故对奥氏体的形成速度无显著影响。,（）合金元素改变了钢的临界温度,，故改变了过热度：,Ni,、,Mn,、,Cu,等可使,A1,点降低，使,?,T,增大，因而相变驱
15、动力增加，形成速度增加；,Cr,、,Mo,、,Ti,、,W,等使,A1,点升高，使,?,T,降低，减小奥氏体的形成速,度,.,（）合金元素在,P,体中分布不均匀,，碳化物形成元素主要在,Fe,3,C,中，,非碳化物形成元素主要存在于共析铁素体中，在碳化物溶解后，除了,奥氏体中,C,的均匀化外，还包括合金元素的均匀化，因此合金钢的奥,氏体化时间更长。,2.2.4,连续加热时奥氏体的形成,特点,图,2-9,珠光体向奥氏体转变动力学曲线,?,奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。,?,随加热速度增大，转变趋向高温，且转变温度,范围扩大，而转变速度则增大。,?,随加热速度增大，,C,，,Fe,原子来不及
16、扩散，所,形成的奥氏体成分不均匀性增大。,?,快速加热时，奥氏体形成温度升高，可引起奥,氏体,起始晶粒细化,；同时，剩余渗碳体量也增多，,形成奥氏体的平均碳含量降低。,2.3,奥氏体晶粒长大及其控制,2.3.1,奥氏体晶粒度,?,奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分为,8,级，,1,级最粗，,8,级最细，,8,级以上为超细晶粒。,?,晶粒度级别与晶粒大小的关系,n,=,2,N-1,(2-5),n,-,X100,倍时，晶粒数,/,in,2,N,-,晶粒度级别,N,1,2,3,4,5,6,d(,m),250,177,125,88,62,44,7,8,9,10,31,22,15.6,11,图,2-10
17、 X100,倍,晶粒度,?,奥氏体晶粒度有三种：,初始晶粒度,-,奥氏体形成刚结束，,其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大,小。初始晶粒一般很细小，大小不均，,晶界弯曲。,实际晶粒度,-,钢经热处理后所获得,的实际奥氏体晶粒大小。,本质晶粒度,-,表示钢在一定加热条件下奥,氏体晶粒长大的,倾向性,。,在,930,10,，保温,38,小时后测定：,14,级,-,本质粗晶粒钢,，晶粒容易长大。,58,级,-,本质细晶粒钢，,晶粒不容易长大。,A,c1,930,图,2-11,加热温度对奥氏体晶粒大小的影响,2.3.2,奥氏体晶粒长大机制,(1),晶粒长大的驱动力,?,驱动力来自,总的晶界能的下降,。,?
18、,对于,球面晶界,，有一,指向曲率中,心,的驱动力,P,作用于晶界。,P,?,2,?,R,(,2,?,6,),?,?,?,比界面能,R,?,?,球面曲率半径，如为平,直晶界，,R,?,?,，,P,?,0,。,R,P,图,2-12,球面晶界长,大驱动力示意图,?,公式,(2-6),的推导,:,?,面积为,A,的晶界如果移动,dx,距离时，体系总的,Gibbs,自由,能变化为,dG,t,，则沿,x,方向有力,P,作用于晶界上，构成晶界移,动的驱动力。,?,图,2-13,中,A,、,B,晶粒间的晶界,构成一曲率半径为,R,的球面。,2,图,2-13,双晶体中的,A,、,B,两晶粒，其中,B,晶粒呈球
19、,状存在于,A,晶粒中。,1,dG,t,1,?,d,(,4,?,R,?,),2,?,P,?,?,?,?,?,?,?,2,A,dx,4,?,R,dR,R,图,2-14,大晶粒吃掉小晶粒示,图,2-15,晶粒大小均匀一致,意图,(,箭头表示晶界迁移方向,),时稳定的二维结构,图,2-16,顶角均为,120,0,的多边形晶粒,图,2-17,三维晶粒的稳定形,状,-,Kelvin,正十四面体,大晶粒将吃,掉小晶粒,?,?,为保持三晶界交会,处的界面张力平衡，,交,会,处,的,面,角,应,为,120,o,，晶界将弯曲成,曲率中心在小晶粒一,侧的曲面晶界。,?,大晶粒将吃掉小晶,粒，使总晶界面积减,少，,
20、总的界面能降低,。,图,2-18,大晶粒和小晶粒的,几何关系,(2),晶界迁移阻力,?,晶界向右迁移时，奥氏,体晶界面积将增加，所受,的最大阻力为：,F,max,3,f,?,?,2,r,(,2,?,7,),f,?,?,第二相微粒的体积分数,图,2-19,Zener,微粒钉,扎晶界模型,r,?,?,第二相微粒的半径,?,由式（,2-7,）可知：,?,当第二相微粒所占的体积分数,f,一定,时，第二相粒子越细小（,r,越小），提,供的对晶界迁移的总阻力越大。,?,反之，当第二相微粒粗化时，对晶,界迁移的总阻力将会变小。,(3),奥氏体晶粒长大过程,孕育期：温度愈高，,孕育期愈短。,不均匀长大期：粗,
21、细晶粒共存。,均匀长大期：细小,晶粒被吞并后，缓,慢长大。,图,2-20,奥氏体晶粒长大过程,2.3.3,影响奥氏体晶粒长大的因素,(1),加热温度和保温时间,?,表现为,晶界的迁移,，实质上是原子,在晶界附近的,扩散,过程。,?,晶粒长大速度与,晶界迁移速率,及晶,粒长大,驱动力,成正比。,?,Q,m,?,?,V,?,K,exp,?,?,?,?,?,RT,?,R,K,?,?,常数,Q,m,?,?,晶界移动激活能,(,2,?,8,),?,随,加热温度,升高，,奥氏体晶粒长大速度,成指数关系迅速增大。,?,加热温度升高时，,保温时间,应相应缩短，,这样才能获得,细小的,奥氏体晶粒,。,图,2-2
22、1,奥氏体晶粒大小与加,热温度、保温时间的关系,（,2,）加热速度的影响,?,加热速度越大，奥氏体的实际形成温,度越高，,形核率与长大速度之比（,N/G,）,随之增大，可以获得细小的,起始晶粒度,。,?,快速加热并且,短时间保温,可以获得细,小的奥氏体晶粒度。,?,如果此时长时间保温，由于起始晶粒,细小，加上实际形成温度高，奥氏体晶粒,很容易长大。,（,3,）钢的碳含量的影响,?,碳在固溶于奥氏体的情况下，,由于,提高了铁,的自扩散系数，将促进晶界的迁移，使奥氏体晶,粒长大。,共析碳钢最容易长大,。,?,当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，,由于,其,阻碍晶界迁移，所以将阻碍奥氏体晶粒长大。,过,
23、共析碳钢,的加热温度一般选在,A,c1,-,A,ccm,两相,区，为的就是保留一定的残留渗碳体。,（,4,）合金元素的影响,?,Mn,，,P,促进奥氏体晶粒长大：,Mn,-,在奥氏体晶界偏聚，提高,晶界能,；,P,-,在奥氏体晶界偏聚，提高,铁的自扩散系数,。,?,强碳氮化物形成元素,Ti,，,Nb,，,V,形成高熔,点难溶碳氮化物（如,TiC,，,NbN,），阻碍晶界,迁移，细化奥氏体晶粒。,Nb,Ti,Zr,V,W,Mo,Cr,Si,Ni,Cu,阻碍作用强,阻碍作用弱,（,5,）冶炼方法,（原始组织）,?,用,Al,脱氧，可,形成,AlN,-,本质细晶粒钢,?,用,Si,、,Mn,脱氧,-
24、,本质粗晶粒钢,图,2-22,奥氏体晶粒直径与加热温度的关系,1,-,不含铝的,C-Mn,钢,2,-,含,Nb-N,钢,奥氏体晶粒大小的控制,?,从以上分析看：凡提高扩散的因素，如温度、时间，均能,加快,A,长大。第二相颗粒体积分数,f,增大，线度,r,减小，均能,阻止,A,长大。提高起始晶粒度的均匀性与促使晶界平直化均,能降低驱动力，减弱,A,长大。,1,、凡提高,D,的因素均加快奥氏体晶粒长大；,2,、存在未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大；,3,、调整工艺参数，提高起始晶粒的均匀性，阻碍奥氏体晶粒,长大。,?,控制方法,：,1,、利用,Al,脱氧，形成,AlN,质点，细化晶粒，
25、细晶粒钢,2,、利用难熔强碳化物形成合金元素形成碳化物、氮,化物细化晶粒,；,3,、采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒,4,、控制钢的热加工工艺和预备热处理工艺。,过热、过烧及其校正,一、过热及其校正,、过热：,加热转变终了时所得奥氏体晶粒一般均较细,小。但如果在转变终了继续升高温度，则如前所述，奥氏,体晶粒将继续长大。如果仅仅是晶粒长大而在晶界上并未,发生能使晶界弱化的某些变化，则被称为,过热,。,过热将使随后的缓冷所得的铁素体晶粒、珠光体团以,及随后的快冷所得的马氏体组织变粗，这将,使钢的强度和,韧性变坏。,因此必须用再次热处理来校正由于加热不当而,出现的过热现象。,2,、,遗传：
26、,相变时产物保留了原始组织的宏观或微观,的某些特征的现象,。遗传有组织遗传和相遗传。,?,组织遗传：校正过热时，如果加热不当，虽然再次,加热的温度并不高，但是只能得到与原过热组织,相同的粗大奥氏体晶粒，这种现象称为,组织遗传,。,组织遗传使力学性能降低，是一种有害现象。,?,3,、过热组织的校正,?,引起组织遗传的原因是：淬火态组织快加热或慢加热时均,可得到与原奥氏体晶粒完全相同或相近的粗大奥氏体晶粒。,校正过热组织、消除组织遗传的办法大致有以下几种：,（）由于控温不当导致加热温度过高，在已经引起过热,的情况下，应采用较缓慢的冷却以获得平衡态组织，再次,加热到正常温度即可获得细晶粒奥氏体。,（
27、）如果过热后仍进行淬火，得到粗大的不平衡组织，则,应采取以下方法进行校正以消除组织遗传：,采用中速加热以获得细晶粒奥氏体；,采用快速或慢速加热到高出上临界点,150200,的温,度使粗晶粒通过再结晶而细化。,先进行一次退火以获得平衡组织，然后再进行加热。,?,二、过烧及其校正,1,、,过烧：,如果加热温度过高，不仅奥氏体晶粒已经长大，,而且在奥氏体晶界上也已发生了某些能使晶界弱化的变化，,称之为过烧。,过热与过烧的区别在于奥氏体晶界是否发生,弱化。,2,、,相遗传：,过烧可以导致断口遗传，即,相遗传,。即在过烧,的情况下，虽经再次适当加热淬火消除了粗大晶粒而得到,了细晶粒奥氏体，但在冲断时仍得
28、到了与原粗大奥氏体晶,粒相对应的粗晶断口。,?,3,、过烧组织的校正：,?,过烧不易消除，消除的主要方法有：,（,1,）、重新加热到引起过烧的温度，以极慢的速度冷却；,（,2,）、重新加热到引起过烧的温度，冷至室温，再加热到,较前次低,100150,的温度，再冷至室温。如此重复加热、,冷却，直到正常加热温度以下为止；,（,3,）、重新煅造；,（,4,）、进行多次正火。,?,一般热处理时大多不会发生过烧，但在焊接件热影响区中,有可能出现过烧。,?,4,、烧毁,：,如进一步提高加热温度，奥氏体晶界将首先开,始熔化，称为烧毁。烧毁不能用热处理方法加以校正。,练习题,1,综述奥氏体的主要性能。奥氏体的形成优先在,/Fe3C,相界面上形核？,2,画出,Fe-Fe3C,亚稳平衡图，说明加热时奥氏体的形成,机理。,3.,简述影响奥氏体等温形成速度的主要因素。,4,综述奥氏体晶粒度的概念，说明如何控制获得细晶,粒奥氏体。,5,设Fe的点阵常数为,3.64,?,，,C,的原子半径为,0.77,?,，,解：若平均,2.5,个Fe晶胞中溶入一个,C,原子，则单胞,的相对膨胀量为多大？,
