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1、热处理原理 1.钢在加热时的转变,School of Materials Science and EngineeringInner Mongolia University of Technology内蒙古工业大学材料科学与工程学院Liang ya hongEmail:QQ群：75667328,2,1.引言,3,1.引言,钢被加热得到的奥氏体的组织状态，包括奥氏体晶粒大小，亚结构，成分，均匀性以及是否存在其他相、夹杂物等，,奥氏体转变的特点；随后冷却过程中得到的组织和性能,因此研究钢中的奥氏体的形成机理，把握奥氏体状态的方法，具有重要的实际意义和理论价值。,4,2.奥氏体的组织结构和性能,以往奥
2、氏体定义为：碳溶入g-Fe中的固熔体钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入g-Fe中所形成的固溶体。其中C、N等元素存在于奥氏体的间隙位置。或者晶格缺陷处。而原子尺寸与Fe原子相差不大的合金元素则固溶于替换位置。还有一些化学元素吸附于奥氏体晶界等晶体缺陷处。奥氏体是多种化学元素构成的一个整合系统。,5,2.1奥氏体的组织,奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥氏体晶粒内有孪晶。如图21a).b)所示 图中出现的灰白不同的衬度是由于各晶粒暴露在试样表面上的晶面具有不同的取向的缘故。,6,(a)T8 钢的奥氏体晶粒(暗场像)(b)1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织,7,2.2奥氏体的晶体结构,8,奥氏
3、体晶格参数与含碳量的关系,9,2.3奥氏体的性能,奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，比容最小。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体-珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力。,10,2.3奥氏体的性能,奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好，屈服强度低，易于加工塑性变形。钢锭或钢坯一般被加热到1100以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材。一般钢中的奥氏体具有顺磁性，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。特殊的FeNi软磁合金，也是奥氏体组织，但具有铁磁性。,11,2.3奥氏体的性能,奥氏体的导热性差，线膨胀系数最大，比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高约一倍。故奥氏体
4、钢可以用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。另外，由于其导热性差，大钢件加热时，热透较慢，加热速度应当慢一些，以减少温差应力，避免开裂。,12,3.奥氏体形成机理,奥氏体形成是扩散性相变，转变的全过程可以分为四个阶段，即：奥氏体形核；奥氏体晶核长大；剩余渗碳体溶解；奥氏体成分均匀化。,13,加热和冷却时的临界点,实际加热和冷却时转变的开始点不在A1，实际生产中加热速度和冷却速度一般较快，转变发生滞后现象，即转变开始点随着加热速度的加快而升高。习惯上将在一定加热速度下（0.125/min）实际测定的临界点用Ac1表示，冷却时的临界点以Ar1 表示。临界点A3和Acm也附加脚标c,r,即：Ac3、Ar3、
5、Accm、Arcm。,奥氏体形成的条件,14,加热和冷却时的临界点,钢的热处理P15,15,3.1 奥氏体形成的热力学条件,驱动力,钢的热处理P15,珠光体和奥氏体的自由能随温度变化的示意图,16,3.2 奥氏体晶核的形成,3.2.1 形核地点一般认为奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形成晶核。奥氏体晶核也可以在以往的粗大奥氏体晶界上（原始奥氏体晶界）形核并且长大，由于这样的晶界处富集较多的碳原子和其他元素，给奥氏体形核提供了有利条件。下图b)所示为在原始粗大奥氏体晶界上开始形成许多细小的奥氏体晶粒。,17,a)奥氏体在铁素体、渗碳体界面上形成 b)奥氏体在原始界面上形核,钢的热处理P15,18,
6、3.2.2 形核奥氏体的形成是扩散型相变，因此奥氏体晶核是通过扩散机制形成的。,19,3.2.3 奥氏体晶核的长大,20,21,当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体晶核时，则形成了g a 和g Fe3C两个相界面。那么，奥氏体晶核的长大过程实际上是两个相界面向原有的铁素体和渗碳体中推移的过程。,22,结论,奥氏体的形成可以分为四个阶段：形核；晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大；剩余碳化物溶解；奥氏体成分均匀化。,23,4.奥氏体形成的动力学,所谓形成动力学即指形成速度问题。钢的成分、原始组织、加热温度等均影响转变速度。为了使问题简化，首先讨论当温度恒定时奥氏体形成的动力学问题。,24,4.1 共
7、析碳素钢奥氏体等温形成动力学,将小试样迅速加热到Ac1以上不同的温度，并在各温度下保持不同时间后迅速淬冷,测定奥氏体的转变量与时间的关系,25,共析钢奥氏体等温形成图(TTA),Time-Temperature-Austenitization,参考钢的热处理P23合金钢等温TTA曲线,26,4.2 连续加热时奥氏体形成特征,实际生产中，绝大多数情况下奥氏体是在连续加热过程中形成的。,27,连续加热时奥氏体形成的TTA曲线,钢的热处理P24,奥氏体连续加热时的转变也是形核、晶核长大的过程，也需要碳化物的溶解和奥氏体的均匀化。,但是连续加热转变有一定特征,下一页,28,1、相变是在一个温度范围内完
8、成的,钢在连续加热时，奥氏体在一个温度范围内完成。加热速度愈大，各阶段转变温度范围均向高温推移、扩大。,29,2、奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大,在快速加热情况下，碳化物来不及充分溶解，碳和合金元素的原子来不及充分扩散，因而，造成奥氏体中碳、合金元素浓度分布很不均匀。,加热速度和淬火温度对40钢奥氏体内高碳区最高碳浓度的影响,30,3、奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化,快速加热时，相变过热度大，奥氏体形核率急剧增大，同时，加热时间又短，因而，奥氏体晶粒来不及长大，晶粒较细，甚至获得超细化的奥氏体晶粒。,31,结语,在连续加热时，随着加热速度的增大，奥氏体化温度升高，可以细化奥氏体晶
9、粒，同时，剩余碳化物的数量会增多，故奥氏体基体的平均碳含量较低，这两个因素均可以使淬火马氏体获得强韧化，有利于提高淬火零件的韧性。,32,4.3奥氏体形成动力学理论基础,钢的热处理P24-P26,奥氏体的形核率和长大速度,33,奥氏体向铁素体的推移速度比向渗碳体的推移快得多 因此，一般来说 奥氏体形成后总是剩下渗碳体。之后，进行渗碳体的溶解过程。虽然珠光体中铁素体片厚度比渗碳体片大得多（约7倍），仍然是铁素体先消失。,钢的热处理P25 扩散定律,34,4.4 影响奥氏体形成速度的因素,一切影响奥氏体的形核率和增大速度的因素都影响奥氏体的形成速度。如：加热温度，钢的原始组织，化学成分等,35,加
10、热温度的影响,奥氏体形成速度随着加热温度升高而迅速增大。转变的孕育期变短，相应的转变终了时间也变短。随着奥氏体形成温度升高，形核率增长速率高于长大速度的增长速率。随着奥氏体形成温度升高，奥氏体相界面向铁素体的推移速度比向渗碳体的推移速度之比增大。,36,原始组织的影响,钢的原始组织愈细，奥氏体形成速度愈快。因为原始组织中的碳化物分散度越高，相界面越多，形核率越大。同时，珠光体的片间距愈小碳原子的扩散距离减小，奥氏体中的浓度梯度增大，从而，奥氏体形成速度加快。如原始组织为托氏体时奥氏体的形成速度比索氏体和珠光体都快。,37,珠光体中的碳化物有片状的，也有粒状的。试验表明，碳化物呈片状时，奥氏体的
11、等温形成速度较粒状的快。,这是由于片状珠光体中的碳化物与铁素体的相界面面积大，易于形核，也易于溶解。片状珠光体转变为奥氏体时，受碳在奥氏体中扩散控制，而粒状珠光体转变时受碳在铁素体中的扩散控制。因此，前者转变速度快。,38,4.4.3 合金元素的影响,对扩散系数的影响 强碳化物形成元素，如Cr、V、Mo、W等，降低碳在奥氏体中的扩散系数，因而减慢奥氏体的形成速度。非碳化物形成元素Co、Ni等增大碳在奥氏体中的扩散系数，因而加速奥氏体的形成。,39,合金元素改变临界点 如：升高Ac1或降低Ac1；或使转变在一个温度范围进行，如Ac1sAc1f，因而改变了过热度，因而影响了奥氏体的形成速度。,40
12、,合金元素影响珠光体的片层间距，改变碳在奥氏体中的溶解度，从而影响奥氏体的形成速度。珠光体的片层间距愈小，奥氏体形成速度愈快。合金元素在奥氏体中分布不均匀 合金元素的扩散系数仅仅为碳的1/10001/10000,因而,合金钢的奥氏体形成速度慢，均匀化也慢，需要更长的时间转变完，均匀化时间也长。,41,5.奥氏体晶粒长大及控制,晶粒长大是一个自发进行的过程，因为晶粒越大，单位体积晶粒数就越少，即晶界面积越小，因而界面能或整个系统的自由能越低。,42,5.1 奥氏体晶粒长大的特征,细晶粒钢：在一定的温度一下晶粒不易长大，当温度超过某一定值时，晶粒迅速长大。粗晶粒钢：晶粒随温度的升高而逐渐长大所谓粗
13、细晶粒钢只是表示奥氏体晶粒长大的倾向。,钢的热处理P30,43,5.2 影响奥氏体晶粒长大的因素,加热温度、时间对0.48%C,0.82%Mn钢奥氏体晶粒大小的影响,44,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,45,5.4 硬相微粒对奥氏体晶界的扎钉作用,用铝脱氧的钢及含有Nb、V、Ti等元素的钢，钢中存在AlN、NbC、VC、TiC等微粒，这些析出相硬度很高，难以变形，存在于晶界上时，阻止奥氏体晶界移动，对晶界起了扎钉作用，在一定温度范围内保持奥氏体晶粒细小。,46,硬相颗粒细化奥氏体晶粒,在钢中往往存在较多的硬相微粒，当其体积分数一定时，微粒越细，半径r越小，
14、微粒数量越多，则对于晶界移动的阻力越大。如钢中的VC，NbC，TiC等可以细化晶粒。,47,5.5 奥氏体晶粒大小的控制及其在生产中的应用,利用AIN颗粒细化晶粒(炼钢时用铝脱氧)利用过渡族金属的碳化物细化晶粒 HSLA钢钢的热处理P36采用快速加热(高频感应加热),48,5.6 粗大奥氏体晶粒的遗传性及防止措施,将粗晶有序组织加热到高于Ac3,可能导致形成的奥氏体晶粒与原始晶粒具有相同的形状、大小和取向。这种现象称为钢的组织遗传。,49,34CrNi3MoV钢粗大（1级）奥氏体晶粒,50,5.6.1 影响钢组织遗传的因素,（1）原始组织的影响 原始组织是影响组织遗传的重要因素。同一种钢原始组
15、织为贝氏体时比马氏体的遗传性强。原始组织为魏氏组织时也容易出现组织遗传。原始组织为铁素体珠光体组织时，一般不发生组织遗传现象。对于原始组织为非平衡组织的合金钢，组织遗传是一个普遍的现象。（2）加热速度的影响 合金钢以非平衡组织加热时，采用慢速加热或者可以快速加热均容易出现组织遗传。只有采用中等速度加热时才有可能不发生组织遗传。加热速度可以试验确定。但在实际生产中由于炉型不同、钢件厚度不等，控制加热速度较为困难。,51,5.6.2 控制粗大奥氏体晶粒遗传,(1)采用退火或高温回火，消除非平衡组织，实现相的再结晶，获得细小的碳化物颗粒和铁素体的整合组织。使针形奥氏体失去形成条件，可以避免组织遗传。采用等温退火比普通连续冷却退火好。采用高温回火时，多次回火为好，以便获得较为平衡的回火索氏体组织。(2)对于铁素体珠光体的低合金钢，组织遗传倾向较小，可以正火校正过热组织，必要时采用多次正火，细化晶粒。,52,如果将这种粗晶有序组织继续加热，延长保温时间，还会使晶粒异常长大，造成混晶现象,53,作业,1分析影响奥氏体化因素。2怎样控制奥氏体晶粒大小？,
