第一讲 钢中奥氏体的形成机制.ppt

有成分变化的新相长大有成分变化的新相长大一定温度下相界面上两相的成分由平衡状态图所确定一定温度下相界面上两相的成分由平衡状态图所确定新相长大通过溶质原子的长程扩散来实现，长大速度取决新相长大通过溶质原子的长程扩散来实现，长大速度取决于溶质原子的扩散速度。于溶质原子的扩散速度。n n有成分变化有成分变化新相的长大速度：新相的长大速度：n n n n与扩散系数和相界面附近母相中的浓度梯与扩散系数和相界面附近母相中的浓度梯度成正比，与两相在相界面上的平衡浓度度成正比，与两相在相界面上的平衡浓度差成反比。差成反比。固态相变固态相变等温转变曲线等温转变曲线等温转变曲线等温转变曲线“C C”曲线，或曲线，或TTTTTT曲线曲线 条件条件：在不同温度等温在不同温度等温n适用于适用于扩散相变扩散相变冷却阶段冷却阶段n相变要有一定的相变要有一定的过冷度过冷度n形核需要形核需要孕育期孕育期n转变转变温度较高温度较高时孕育期长；时孕育期长；n随随温度下降温度下降，孕育期缩短，孕育期缩短；n某一温度某一温度时，孕育期最短，时，孕育期最短，转变速度最快；转变速度最快；n再降低温度再降低温度，孕育期又变长；孕育期又变长；温度很低时不能转变。温度很低时不能转变。n教学目的：掌握钢在加热时的组织转变规律，为各n 种冷却转变打下基础n主要内容：奥氏体的组织、结构、性能n 奥氏体的形成机制n 奥氏体等温形成的动力学n 钢在连续加热时珠光体到奥氏体的转变n 奥氏体晶粒长大及其控制n重点内容：奥氏体的形成机制n 奥氏体等温形成、连续形成的动力学n 奥氏体晶粒长大及其控制第二章 钢中奥氏体的形成 前 言n金属材料热处理过程的三阶段：加热、保温、冷却n金属材料热处理的目的：改变材料的内部组织结构以满足性能要求。n热处理加热温度：一般都在相变临界点以上；n加热后获得组织：奥氏体（A、）多种化学元素溶入-Fe中构成的固溶体（碳溶入面心立方晶格的-Fe中形成间隙固熔体）。n加热转变的意义：1.改进热处理工艺 2.为冷却转变打基础n奥氏体稳定存在区域是：GSEJNGGSEJNGn相变临界点：A A1 1、A A3 3、A Acmcmn实际加热时相变临界点：A Ac1c1、A Ac3c3、A Accmccmn实际冷却时相变临界点：A Ar1r1、A Ar3r3、A Arcmrcm2.1 奥氏体及其形成条件n思考：1.1.S S、E E、G G、P P点？点？2.珠光体？3.共析钢、亚共析钢、过共析钢的含碳量及平衡组织？相组成？加热时的转变？2.1.1 奥氏体的组织和结构显微组织：显微组织：等轴状的多边形晶粒图：淬火前的晶界仍存在不锈钢经固溶处理后的组织：不锈钢经固溶处理后的组织：奥氏体，部分的奥氏体晶粒有孪晶面奥氏体，部分的奥氏体晶粒有孪晶面 钢中的奥氏体：碳溶于面心立方的钢中的奥氏体：碳溶于面心立方的 FeFe中的固溶体，中的固溶体，合金钢中的奥氏体：碳及合金元素合金钢中的奥氏体：碳及合金元素溶于溶于 FeFe中的固溶体。中的固溶体。碳原子位置碳原子位置：面心立方晶格的八面体间隙中。面心立方晶格的八面体间隙中。n奥氏体的最大碳含量奥氏体的最大碳含量:?%:?%。n点阵常数随碳含量的升高而增大。点阵常数随碳含量的升高而增大。n力学性能：滑移系多，硬度和屈服强度不高；因为面心立方点阵的滑移系多因为面心立方点阵的滑移系多(12(12个个)，所以塑性好，屈，所以塑性好，屈服强度低，易于变形。钢的锻造常在奥氏体区进行服强度低，易于变形。钢的锻造常在奥氏体区进行。n物理性能：比容小：面心立方点阵的致密度高；热强性好：奥氏体中铁原子的扩散激活能大；顺磁性：其转变产物具有铁磁性；线膨胀系数大：可作热膨胀灵敏的仪表元件；导热性能差：不宜采用过大的加热速度。2.1.2 奥氏体的性能奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件相变驱动力：相变驱动力：相变阻力：相变阻力：2.2 奥氏体的形成机制A1Fe-C合金珠光体与奥氏体合金珠光体与奥氏体的自由能与温度的关系的自由能与温度的关系以共析钢为例：奥氏体的相组成、点阵结构、碳含量与铁素体和渗碳体不同相组成：+Fe+Fe3 3C C 碳含量：0.02%6.69%0.77%0.02%6.69%0.77%点阵结构：体心立方 复杂斜方 面心立方形成过程：铁素体到奥氏体的点阵重构 渗碳体的溶解 碳在奥氏体中的扩散。2.2.1 奥氏体的形核n 奥氏体晶核的形成条件：依靠系统内的浓度起伏、能量起伏、结构起伏（1）浓度条件：727C时铁素体中的最大含碳量是0.02%，奥氏体的含碳量是0.77%。但由于碳原子的热运动，而存在着浓度起伏，产生高碳微区。（2）结构条件：两相界面处有可能通过铁原子的短程扩散由旧相点阵向新相点阵转移。（3）能量条件：两相界面处晶体缺陷多，有较高的畸变能。n形核部位：铁素体中的高碳微区、铁素体和渗碳体的两相界面上、珠光体团边界处、铁素体内的亚晶界处等。T8钢-500Xn奥氏体晶核通常在铁素体和渗碳体两相界面上形核：（1）两相界面处碳原子浓度差较大，有利于获得形成奥氏体晶核的碳浓度（2）两相界面因原子排列不规则，铁原子可能通过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，而促使奥氏体形核。（3）两相界面处杂质及其它晶体缺陷较多，不仅碳原子浓度较高，而且有较高的畸变能，新相在此形核可消除部分晶体缺陷，而使系统的自由能降低。奥氏体形成时系统自由能变化为：G=V G V+S+V G d n某一温度下相界面处各相的碳浓度如图某一温度下相界面处各相的碳浓度如图2.2.2 奥氏体晶核的长大v奥氏体的长大过程：形核后的新的相界面向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程。v实质：通过铁素体与奥氏体之间的点阵重构、渗碳体的溶解、碳在奥氏体中的扩散形成的。结论：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：渗碳体不断溶解，铁素体不断转变为奥氏体。2.2.3 剩余碳化物溶解n在奥氏体晶体长大过程中，由在奥氏体晶体长大过程中，由于于 FeFe3 3C C相界面处的碳浓度差比相界面处的碳浓度差比处的高，所以奥氏体溶解铁处的高，所以奥氏体溶解铁素体的速度大于溶解渗碳体的素体的速度大于溶解渗碳体的速度（速度（1515倍）。倍）。n共析钢、过共析钢中总是铁素共析钢、过共析钢中总是铁素体先消失，有剩余渗碳体存在，体先消失，有剩余渗碳体存在，只有继续加热或保温时，剩余只有继续加热或保温时，剩余碳化物才能逐渐溶入奥氏体中。碳化物才能逐渐溶入奥氏体中。残余渗碳体刚刚全部溶解后，碳在奥氏体中的分布式不均匀的，且随着加热速度的增大而严重。只有继续保温，才能使整个奥氏体中的碳的分布趋于均匀。结论：奥氏体形成过程的四个阶段为：奥氏体的形核、奥氏体晶核的长大、剩余碳化物的溶解、奥氏体成分均匀化。2.2.4 奥氏体成分的均匀化n小小 结结：1）奥氏体形成符合一般的相变规律：是形核和核长大的过程；2）奥氏体的形成过程是一个扩散型相变的过程；3）奥氏体晶核是依靠系统内晶界或缺陷处的能量起伏、浓度起伏、结构起伏形成的；4）奥氏体晶核优先形成位置是：铁素体和渗碳体的界面处、或珠光体团的边界处；5）奥氏体的基本形成过程是：奥氏体的形核、奥氏体晶核的长大、剩余碳化物的溶解、奥氏体成分均匀化n非共析钢奥氏体的形成非共析钢奥氏体的形成 过共析钢：先共析渗碳体的溶解与剩余碳化物的溶解相同。亚共析钢：奥氏体形核后快速向P生长，慢速向F中生长。粒状P中，A在F晶粒边界上Fe3C粒子旁边形核，沿F边界长成网状，然后向晶内推进。