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1、第二章 钢中奥氏体的形成,又称为逆共析相变。钢加热时奥氏体的形成是热处理的基础。除回火、少数去应力退火，热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢部分或全部形成奥氏体，经过适当的冷却方式使奥氏体转变为所需要的组织，从而获得所需要的性能。奥氏体晶粒大小、形状、空间取向以及亚结构，奥氏体化学成分以及均匀性将直接影响转变过程、转变产物以及材料性能。,第二章 钢中奥氏体的形成,1、奥氏体的组织特征 1）奥氏体形成的温度范围 根据Fe-Fe3C平衡相图，奥氏体是高温稳定相，相图中GSEJNG是奥氏体稳定存在的区域。,Fe-Fe3C 合金平衡状态图示意图,第二章 钢中奥氏体的形成,但实际的相变并不是按照状态
2、图中所示的温度进行的，往往存在一定的温度滞后，且温度滞后的程度随加热或冷却速度的增大而增大。实际加热时的相变临界点标以字母 c（如 ACl、AC3、Accm）；实际冷却时的相变临界点标以字母 r（如 Arl，Ar3，Arcm）。,第二章 钢中奥氏体的形成,2）奥氏体的组织和结构 定义：C溶于Fe形成的间隙式固溶体。奥氏体的组织通常是由等轴状的多边形晶粒所组成，晶内常可出现相变孪晶。图2.2 奥氏体不锈钢 图2.3 相变孪晶,第二章 钢中奥氏体的形成,奥氏体结构特点：1、C 原子位于Fe 点阵的中心和棱边的中点(八面体间隙处)；2、C原子进入Fe点阵间隙位置引起；Fe点阵等称膨胀；C%增 加，奥
3、氏体点阵常数增大，但奥氏体的最大溶C量(溶解度)为2.11%；3、C原子在奥氏体中分布是不均匀的，存在浓度起伏；4、合金元素原子(Mn、Si、Cr、Ni 等)溶入奥氏体中取代Fe 原子的位置，形成置换式固溶体，称合金奥氏体(晶格畸变和点阵常数变化)。实际上，奥氏体的最大碳含量为 2.11（重量),原子百分比为 10，即 2.5个晶胞中才有一个 C原子。,第二章 钢中奥氏体的形成,图2.4 C原子在-Fe 点阵中可能存在的间隙位置,第二章 钢中奥氏体的形成,3）奥氏体的性能奥氏体可以在室温成为稳定相（合金元素、奥氏体不锈钢）。奥氏体的硬度和屈服强度均不高，因面心立方点阵滑移系统多，奥氏体的塑性很
4、好，易于变形，即加工成形性好；面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，奥氏体的比容最小；奥氏体中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体钢的热强性好，可作为高温用钢；奥氏体具有顺磁性，可作为无磁性钢；奥氏体的线膨胀系数大，可制作热膨胀灵敏的仪表元件；奥氏体的导热性能差，故奥氏体钢加热时，不宜采用过大的加热速度，以免因热应力过大而引起工件变形。,第二章 钢中奥氏体的形成,2、奥氏体的形成过程 由于奥氏体与铁素体及渗碳体的碳含量和点阵结构相差很大，因此，奥氏体的形成是一个由到的点阵重构、渗碳体的溶解以及C在奥氏体中的扩散重新分布的过程。（1）奥氏体的形核；（2）奥氏体晶核长大；（3）剩
5、余碳化物的溶解；（4）奥氏体均匀化。+Fe3C 晶体结构：体心立方 复杂斜方 面心立方 含碳量：0.0218%6.67%0.77%,第二章 钢中奥氏体的形成,图2.5 奥氏体的形成过程,第二章 钢中奥氏体的形成,以共析钢为例，讨论钢中奥氏体形成。1)奥氏体形核 能量起伏、浓度起伏和结构起伏 奥氏体形核位置：主要在F和Fe3C的相界面，其次在珠光体团界、F亚结构(嵌镶块)界面。这是因为缺陷附近：碳原子的浓度差较大；原子排列不规则，所需的结构起伏较小；晶体缺陷较多，具有较高的畸变能。快速加热时，奥氏体临界晶核尺寸减小，且相变所需的浓度起伏也减小，可在铁素体内的亚晶界上形核。,第二章 钢中奥氏体的形
6、成,2）奥氏体的长大 奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的，原子扩散包括：1、Fe原子自扩散完成晶格改组；2、C原子扩散使奥氏体晶核向相和Fe3C相两侧推移并长大。一旦奥氏体晶核出现，则在奥氏体内部的C%分布就不均匀，相界面处碳浓度平衡破坏再平衡。奥氏体晶核向F和Fe3C两侧的推移速度是不同的。,第二章 钢中奥氏体的形成,(a)T1温度下各相中的碳的浓度图(b)相界面推移示意图 2.6 共析钢奥氏体晶核长大示意图,第二章 钢中奥氏体的形成,由于新相奥氏体两个相界面（/和/Fe3C）的碳浓度不等（C/cem C/）：C/cem C/（浓度差）；在铁素体中也存在着碳浓度差（C/cem C/），也会引
7、起碳从/Fe 3C 相界面处向/相界面处扩散，扩散使奥氏体中碳的浓度梯度趋于减小。为了维持原来相界面处的局部碳浓度平衡，在/Fe3C相界面处的渗碳体必须溶入奥氏体以供应碳量，使其碳浓度恢复至 C/cem；与此同时，在/相界面处的铁素体必须转变为奥氏体，使其碳浓度降至C/，这样，奥氏体的两个相界面便自然地同时向渗碳体和铁素体中推移，使奥氏体不断长大。综上所述，奥氏体中的碳浓度差是奥氏体在铁素体和渗碳体相界面上形核的必然 结果，它是相界面推移的驱动力，相界面推移的结果是 Fe3C不断溶解，相逐渐转变为相。,第二章 钢中奥氏体的形成,3）剩余碳化物溶解 在奥氏体晶体长大过程中，由于/Fe3C相界面处
8、的碳浓度差远远大于/相界面处的碳浓度差，所以只需溶解一小部分渗碳体就可以使其相界面处的奥氏体达到饱和，而必须溶解大量的铁素体才能使其相界面处奥氏体的碳浓度趋于平衡。所以，长大中的奥氏体溶解铁素体的速度始终大于溶解渗碳体的速度，故在共析钢中总是铁素体先消失，有剩余渗碳体残留下来。关于渗碳体溶入奥氏体中的机制，一般认为是通过 Fe3C中的碳原子向中扩散和铁原子向贫碳 Fe3C扩散以及 Fe3C向晶体点阵改组来完成的。,第二章 钢中奥氏体的形成,4）奥氏体均匀化 在铁素体全部转变为奥氏体，且残留Fe3C全部溶解之后，碳在奥氏体中的分布仍然是不均匀的。原来为渗碳体的区域碳浓度较高，而原来为铁素体的区域
9、碳浓度较低。而且，这种碳浓度的不均匀性随加热速度增大而愈加严重。因此，只有继续加热或保温，借助于碳原子的扩散，才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。综上所述，奥氏体的形成过程可以分为四个阶段：,第二章 钢中奥氏体的形成,非共析钢的奥氏体化过程 和共析钢的奥氏体化对比，非共析钢的奥氏体化过程分两步进行，首先完成PA，这与共析钢相同；然后是先析相的奥氏体化过程。这些都是靠原子扩散实现的。值得指出的是，非共析钢的奥氏体化碳化物溶解以及奥氏体均匀化的时间更长。,第二章 钢中奥氏体的形成,3、奥氏体形成动力学 1）奥氏体等温形成动力学 奥氏体形成速度取决于形核率I和长大速度 G，在等温条件下I和G均为常数
10、。随温度升高，形核率I和长大速度G均增大。表 3.1 奥氏体的形核率 I、长大速度 G与温度的关系,第二章 钢中奥氏体的形成,（1）形核率I 均匀形核条件下，形核率I与温度的关系为：可见，奥氏体等温形成时，等温温度T提高:（1）T增大，相变驱动力增大，G降低，形核率I增大；(2)C原子的扩散系数增大，扩散速度增大，有利于点阵重构，形核率 I增大；(3)C 减小，奥氏体形核所需的C的浓度梯度减小，形核率I增大。,（2）长大速度G 奥氏体的线生长速度为相界面的推移速度。讨论：(1)温度T升高，C在奥氏体中的扩散系数呈指数增加，长大速度G增加，(2)温度T升高，C增加，C浓度梯度增加，速度G增加；(
11、3)温度T升高，CB=C2-C4下降，长大速度G增加。综上所述：温度T升高，形核率I和长大速度G均增大；同时有利于得到细小的奥氏体晶粒。,第二章 钢中奥氏体的形成,（3）奥氏体等温形成动力学曲线 图 2.7 共析碳钢奥氏体等温形成动力学曲线,第二章 钢中奥氏体的形成,从图2.7可以看出：在高于AC1温度加热保温时，奥氏体并不立即形成，而是经过一定的孕育期后才开始形成。加热温度愈高，孕育期就愈短；奥氏体形成速度在开始时较慢，以后逐渐增大，当奥氏体形成量约为 50时最大，以后又逐渐减慢；加热温度愈高，形成奥氏体所需的全部时间就愈短，即奥氏体形成速度 愈快；在珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，还需
12、要一段时间使剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化。而在整个奥氏体形成过程中，剩余碳化物溶解，特别是奥氏体成分均匀化所需的时间最长。亚共析钢，过共析钢？,第二章 钢中奥氏体的形成,（4）影响奥氏体等温形成速度的因素 一切影响形核率I和长大速度G的因素均为影响珠光体奥氏体的因素。a)加热温度的影响 T升高，奥氏体的起始晶粒细化；同时，相变的不平衡程度增大，在铁素体相消失的瞬间，剩余渗碳体量增多，因而奥氏体基体的平均碳含量降低。b)原始组织的影响（1）原始组织越细，碳化物越分散，长大速度G 增加；(2)原始组织为片状珠光体形成速度比粒状珠光体快。c)合金元素的影响 分含碳量和合金元素种类及含量。,第二章 钢
13、中奥氏体的形成,含碳量：碳含量愈高，奥氏体形成速度就愈快；同时，碳化物数量增多后，使碳的扩散距离减小，并且随奥氏体中碳含量增加，碳和铁原子的扩散系数增大，这些因素都加速了奥氏体的形成。但是，在过共析钢中由于碳化物 数量过多，随碳含量增加会引起剩余碳化物溶解和奥氏体均匀化的时间延长。合金元素：影响珠光体片层间距和碳在奥氏体中的溶解度，从而影响相界面浓度差和奥氏体中的浓度梯度以及形核功等，从而影响奥氏体的形成速度；影响碳化物稳定性，使C在奥氏体中的扩散系数减小；但不影响珠光体转变奥氏体机制；相变临界点？强碳化物形成元素Cr、Mn、W、V等：使C在奥氏体中的扩散系数减小，从而影响残余碳化物溶解及奥氏
14、体均匀化速度；非强碳化物形成元素Co、Ni 等：使C在奥氏体中的扩散系数提高，扩散速度提高。,第二章 钢中奥氏体的形成,2）连续加热时奥氏体的形成 钢在连续加热时珠光体向奥氏体的转变与等温加热转变大致相同，亦经过形核、长大、剩余碳化物溶解、奥氏体均匀化四个阶段，其影响因素也大致相同。但由于奥氏体的形成是在连续加热条件下进行的，所以与等温转变相比，尚有如下特点：（1）在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度增大而升高；（2）相变是在一个温度范围内完成的；图 2.8 快速加热时的非平衡 Fe-C 状态图,第二章 钢中奥氏体的形成,（3）奥氏体形成速度随加热速度增大而增大；图 2.9 共析碳钢连续加
15、热时的奥氏体形成图（V1 V2 V3 V4）,第二章 钢中奥氏体的形成,（4）奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大；a、加热速度增加，碳化物来不及充分溶解，C 及合金元素不能充分扩散，导致奥氏体中C和合金元素的浓度很不均匀，奥氏体中含碳量降低；b、对于亚共析钢，加热速度提高，淬火后得到低于平均成分的马氏体及未经转变完全的F 和碳化物，应该避免；c、对于过共析钢，加热速度提高，淬火后得到低于共析成分的低、中碳马氏体及剩余碳化物，有助于马氏体韧化，有利于实际生产。,第二章 钢中奥氏体的形成,（5）奥氏体起始晶粒度大小随加热速度的增大而细化 超快速加热时奥氏体的形核率急剧增大，并且加热时间极短，奥
16、氏体晶粒来不及长大，经适时淬火后可获得超细化的原始奥氏体晶粒，并获得超细化的淬火马氏体组织。近年发展起来的快速加热、超快速加热和 脉冲加热淬火等强韧化处理新工艺均是建立在这个理论基础上的。目前重点发展的快速加热淬火超快速加热及脉冲加热淬火都是依据此原理。综上所述，在连续加热时，随加热速度增大，奥氏体的形成温度升高，使奥氏体的起始晶粒细化；同时，剩余碳化物数量增多，使奥氏体基体的平均碳含量降低。这两个因素都可以使淬火马氏体获得韧化和强化。,第二章 钢中奥氏体的形成,2.4 奥氏体晶粒长大及控制 奥氏体化的目的:是获得成分均匀和一定晶粒度的奥氏体组织。如何控制？1)奥氏体晶粒度 奥氏体晶粒大小用晶
17、粒度表示，通常分8 级评定，1 级最粗，8 级最细。若晶粒度在10以上则称“超细晶粒”。晶粒度级别与晶粒大小的关系为：n 放大100 倍视野中单位面积内晶粒个数 N 晶粒度级别,第二章 钢中奥氏体的形成,奥氏体晶粒度有三种：起始晶粒度：在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚 相互接触时的晶粒大小。实际晶粒度：在某一加热条件下所得到的实际奥氏体晶粒大小。本质晶粒度：根据标准试验方法，在93010保温足够时间（38小 时）后测得的奥氏体晶粒大小。经上述试验，奥氏体晶粒度在 58级者称为本质细晶粒钢，而奥氏 体晶粒度在 14级者称为本质粗晶粒钢。,第二章 钢中奥氏体的形成,图2.10加热
18、温度对晶粒度大小的影响,第二章 钢中奥氏体的形成,本质晶粒度只是表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性，与实际晶 粒度不尽相同。在一般情况下，本质细晶粒钢热处理后获得的实际晶粒往往是细小的。图2.10示出了这两种钢的奥氏体晶粒度随加热温度升高而长大的情况。可见，本质细晶粒钢在 930950以下加热时，奥氏体晶粒的长大倾向很小，所以其加热温度范围较宽，生产上易于掌握；但是，对于本质粗晶粒钢，必须严格控制加热温度，以防止过热而引起奥氏体晶粒粗大。,第二章 钢中奥氏体的形成,奥氏体起始晶粒的大小取决于奥氏体的形核率（I）和长大速度（G）。可见，IG值愈大，n就愈大，即奥氏体晶粒就愈细小。奥氏体实际
19、晶粒度取决于本质晶粒度和加热条件，若加热速度一定，加热温度越高，保温时间越长，最后得到的奥氏体实际晶粒就越大。,第二章 钢中奥氏体的形成,2）奥氏体晶粒长大原理 晶界的能量高，在一定温度下奥氏体晶粒会发生相互吞并的现象，大晶粒吞并小晶粒，使总的晶界面积减小，界面能降低，因此奥氏体晶粒长大在一定条件下是一个自发过程。晶粒长大动力和阻力相互作用使晶界推移，实现奥氏体晶粒长大。（1）晶粒长大动力 奥氏体晶粒的长大动力是奥氏体晶粒大小的不均匀性。理想状态的晶界如图 2.11 所示。为了减少界面面积，降低界面能，该晶粒将长大，从而吞 并小晶粒。进一步提高加热温度或延长保温时间，大晶粒将继续长大。所以，奥
20、氏体晶粒长大是这种无数个小晶粒被吞并和大晶粒长大的综合结果。这种长大过程称为奥氏体的聚集再结晶。,第二章 钢中奥氏体的形成,图 2.11 二维金属中晶粒的稳定形状,第二章 钢中奥氏体的形成,奥氏体晶粒的长大驱动力与晶粒大小和界面能大小有关，若比界面能愈大，晶粒尺寸愈小，则奥氏体晶粒长大的驱动力愈大，即晶粒长大的倾向性 愈大，晶界愈容易迁移。（2）晶界推移阻力 晶界或晶内存在难熔的沉淀析出粒子，当沉淀析出粒子的体积百分数一定时，则粒子越细小，分散度越高，对晶界移动的阻力就越大。总之，奥氏体晶粒长大是一种自发过程，其主要表现为晶界的推移，高度弥散的难溶第二相粒子对晶粒长大起很大的抑制作用。为了获得
21、细小的奥氏体晶粒，必须保证钢中含有足够数量和足够细小的难溶第二相粒子。,第二章 钢中奥氏体的形成,3）影响奥氏体晶粒长大的因素 影响奥氏体晶粒长大的因素很多，主要有以下几点因素：（1）加热温度和保温时间 加热温度越高、保温时间越长，形核率I越大，长大速度G越大，奥氏体晶界迁移速度越大，其晶粒越粗大。（2）加热速度 加热速度快，奥氏体实际形成温度高，形核率增高，由于时间短奥氏体晶粒来不及长大，可获得细小的起始晶粒度。,第二章 钢中奥氏体的形成,（3）C%的影响 C%高，C在奥氏体中的扩散速度以及Fe的自扩散速度均增加，奥氏体晶粒长大倾向增加，但C%超过一定量时，由于形成Fe3C，阻碍奥氏体晶粒长大；（4）合金元素影响 强碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb 等熔点较高，它们弥散分布在奥氏体中阻碍奥氏体晶粒长大；非碳化物形成元素Si、Ni等对奥氏体晶粒长大影响很小。（5）冶炼方法的影响 钢的冶炼方法也影响奥氏体晶粒长大的倾向。（6）原始组织的影响 一般来说，原始组织愈细，碳化物弥散度愈 大，所得到的奥氏体起始晶粒就愈细小。,第二章 钢中奥氏体的形成,
