热处理原理与工艺 教学 赵乃勤 　钢在高温加热时的奥氏体转变.pptx

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1、2.1.1奥氏体定义奥氏体定义图2-1Fe-FC合金平衡相图第1页/共73页2.1.1奥氏体定义奥氏体定义图2-2合金元素对Fe-FC相图奥氏体区的影a)铬的影响b)锰的影响第2页/共73页2.1.1奥氏体定义奥氏体定义图2-3304不锈钢在高溶解氧环境中的断裂表面，显示出奥氏体晶粒的形第3页/共73页2.1.1奥氏体定义奥氏体定义图2-4奥氏体的光学显微组织(NF709奥氏体不锈钢，10%草酸溶液电解抛光腐蚀，晶内存在退火孪晶第4页/共73页2.1.2奥氏体晶体结构奥氏体晶体结构图2-5碳原子在-Fe中可能的间隙位置a)和八面体间b)第5页/共73页2.1.2奥氏体晶体结构奥氏体晶体结构图2

2、-6奥氏体的点阵常数与碳含量(包括过饱和含量)的关第6页/共73页2.1.3奥氏体的性能奥氏体的性能奥氏体是碳钢中的高温稳定相，当加入适量的合金元素时，可以使奥氏体在室温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态，在奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。第7页/共73页2.2钢的奥氏体等温转变钢的奥氏体等温转变通常把钢加热到临界温度以上获得奥氏体的转变过程称为奥氏体化过程。钢经奥氏体化获得稳定的奥氏体相后，以不同方式(或速度)冷却，就可以获得不同的组织和性能。因此，奥氏体化过程是很多热处理的基本过程。第8页/共73页2.2.1奥氏体转变热力学奥氏体转变热力学图2-7Fe-C合金珠光体和奥

3、氏体的自由能(和)与温度的关系第9页/共73页2.2.1奥氏体转变热力学奥氏体转变热力学图2-8加热速度和冷却速度为0.125/min时对奥氏体转变临界点的影第10页/共73页2.2.2奥氏体转变机制奥氏体转变机制1.奥氏体形核2.奥氏体晶核长大3.残留碳化物溶解4.奥氏体成分均匀化第11页/共73页2.2.2奥氏体转变机制奥氏体转变机制图2-9珠光体向奥氏体转变示意a)奥氏体形核b)奥氏体晶核长大c)残留碳化物溶解d)奥氏体成分均匀化第12页/共73页1.奥氏体形核图2-10珠光体向奥氏体的转变过程(1000第13页/共73页1.奥氏体形核图2-110.95%C-2.61%Cr钢加热到800

4、奥氏体形核的TEM照a)奥氏体在渗碳体/铁素体界面形核b)奥氏体在珠光体团的边界形核第14页/共73页1.奥氏体形核图2-12奥氏体(M)在大角度晶界(HAB)处形核(LAB为小角度晶界第15页/共73页2.奥氏体晶核长大图2-13奥氏体晶核在珠光体中长大示意图a)在温度下奥氏体形核时各相的碳浓度b)奥氏体相界面推移示意图第16页/共73页3.残留碳化物溶解在奥氏体晶核的长大过程中，随着相界面的扩展，珠光体中的铁素体首先完成转变。当铁素体消失时，渗碳体还未完全溶解，此时奥氏体的平均碳含量低于珠光体的平均碳含量(wC=0.77%)。Fe-Fe3C相图中ES线的倾斜度大于GS线(图2-13a)，S

5、点不在c-与c-的中点，而稍偏右。第17页/共73页4.奥氏体成分均匀化图2-140.95%C-2.61%Cr钢加热到800时奥氏体形成的TEM照(在淬火过程中，奥氏体全部转变为马氏体)a)8sb)20sc)10sd)20s第18页/共73页2.2.3奥氏体转变动力学奥氏体转变动力学1.共析钢奥氏体等温形成动力学图2.奥氏体的形核与长大动力学3.亚共析钢和过共析钢等温形成动力学第19页/共73页1.共析钢奥氏体等温形成动力学图图2-15=0.86%钢的等温奥氏体形成动力学曲第20页/共73页1.共析钢奥氏体等温形成动力学图图2-16共析钢奥氏体等温形成动力学图的绘第21页/共73页1.共析钢奥

6、氏体等温形成动力学图图2-17共析碳钢奥氏体等温形成动力学图第22页/共73页2.奥氏体的形核与长大动力学(1)奥氏体的形核率先考虑均匀形核时的情况，奥氏体形核率J与温度之间的关系可描述为(2)奥氏体的长大速度奥氏体的长大速度v与奥氏体生长机制有关。第23页/共73页3.亚共析钢和过共析钢等温形成动力学图2-18亚共析钢和过共析钢的奥氏体等温形成a)=0.45%的亚共析钢b)=1.2%的过共析钢第24页/共73页2.2.4奥氏体转变的影响因素奥氏体转变的影响因素1.加热温度2.碳含量3.原始组织4.合金元素第25页/共73页1.加热温度温度对奥氏体形成速度的影响在前面已经有较多的论述。温度升高

7、，奥氏体形成速度加快，其影响见表2-1。而且随着温度的升高，奥氏体形核率增加的幅度高于长大速度增加的幅度，因此温度越高，奥氏体起始晶粒度越小。第26页/共73页2.碳含量表2-1加热温度对奥氏体等温形成速度的影加热温度/形核率/m晶核成长速度/mm转变50%的时间/s74023000001100760110000010978052000002538006000000401第27页/共73页3.原始组织2-19.TIF第28页/共73页3.原始组织2-20.TIF第29页/共73页4.合金元素(1)对碳在奥氏体中扩散系数的影响强碳化物形成元素如Cr、Mo、W、V等，降低碳原子在奥氏体中的扩散系数

8、，因而显著推迟珠光体转变为奥氏体的过程；非碳化物形成元素Co、Ni增大碳原子在奥氏体中的扩散系数，因而增大奥氏体的形成速度；Si、Al对扩散系数的影响较小，对奥氏体形成速度没有太大的影响。(2)对碳化物溶解度的影响合金元素与碳形成的碳化物向奥氏体中溶解的难易程度不同也会影响奥氏体的形成速度。(3)对相变临界点的影响合金元素改变临界点A1、A3、Acm的位置，并使它们成为一个温度范围。(4)对原始组织的影响合金元素通过对原始组织的影响来影响奥氏体的形成速度。第30页/共73页(1)对碳在奥氏体中扩散系数的影响强碳化物形成元素如Cr、Mo、W、V等，降低碳原子在奥氏体中的扩散系数，因而显著推迟珠光

9、体转变为奥氏体的过程；非碳化物形成元素Co、Ni增大碳原子在奥氏体中的扩散系数，因而增大奥氏体的形成速度；Si、Al对扩散系数的影响较小，对奥氏体形成速度没有太大的影响。第31页/共73页(2)对碳化物溶解度的影响合金元素与碳形成的碳化物向奥氏体中溶解的难易程度不同也会影响奥氏体的形成速度。第32页/共73页(3)对相变临界点的影响合金元素改变临界点A1、A3、Acm的位置，并使它们成为一个温度范围。第33页/共73页(4)对原始组织的影响合金元素通过对原始组织的影响来影响奥氏体的形成速度。第34页/共73页2.3.1连续加热转变动力学图连续加热转变动力学图图2-21共析钢连续加热时的奥氏体形

10、成动力学图(0.8%，含有少量先共析铁素体第35页/共73页2.3.2连续加热转变特点连续加热转变特点(1)相变临界点随加热速度增大而升高 转变在一个温度范围内进行 奥氏体形成速度随加热速度增加而加快 奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大奥氏体起始晶粒度随加热速度增大而细化第36页/共73页2.3.2连续加热转变特点连续加热转变特点连续加热时奥氏体转变在相变动力学和相变机理上表现出一些与等温转变不同的特征。第37页/共73页(1)相变临界点随加热速度增大而升高图2-22=0.85%钢在不同加热速度下的加热曲第38页/共73页(2)转变在一个温度范围内进行钢在连续加热时，奥氏体转变是在一个温度

11、范围内完成的。第39页/共73页(3)奥氏体形成速度随加热速度增加而加快从连续加热奥氏体形成图(图2-21)可以看到，加热速度越快，转变开始和终了的温度就越高，转变所需的时间就越短，即奥氏体形成速度越快。第40页/共73页(4)奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大图2-23加热速度和温度对=0.4%钢奥氏体中高碳区最高碳含量的影第41页/共73页(5)奥氏体起始晶粒度随加热速度增大而细化快速加热时，相变过热度增大，奥氏体形核率急剧增大。第42页/共73页2.4.1奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度图2-24钢晶粒度标准评级图(图中数字即为级别数)(100)第43页/共73页2.4.2奥氏体晶粒长大机理

12、与控制方法奥氏体晶粒长大机理与控制方法1.奥氏体晶粒长大现象2.奥氏体晶粒长大机理3.影响奥氏体晶粒长大的因素4.奥氏体晶粒大小的控制第44页/共73页1.奥氏体晶粒长大现象图2-25奥氏体晶粒尺寸与加热温度的关系第45页/共73页2.奥氏体晶粒长大机理(1)奥氏体晶粒长大驱动力(2)第二相颗粒对晶界的钉扎作用(3)正常长大(4)异常长大第46页/共73页(1)奥氏体晶粒长大驱动力奥氏体晶粒的长大是通过晶界的迁移而进行的，晶界迁移的驱动力来自于奥氏体晶界迁移后体系总的自由能的降低，即界面能的降低。第47页/共73页(2)第二相颗粒对晶界的钉扎作用图2-26第二相颗粒对晶界的钉扎作用第48页/共

13、73页(2)第二相颗粒对晶界的钉扎作用图2-27氧化物颗粒对晶界产生钉扎作用的TEM照第49页/共73页(4)异常长大图2-28=0.1%钢在1100保温60min时形成的混晶组第50页/共73页3.影响奥氏体晶粒长大的因素(1)加热温度和保温时间晶粒长大和原子的扩散密切相关，温度升高或保温时间延长，有助于扩散进行，因此奥氏体晶粒将变得更加粗大。(2)加热速度奥氏体转变时的过热度与加热速度有关，加热速度越快，则过热度越大，即奥氏体实际形成的温度越高。(3)碳含量碳含量对奥氏体晶粒长大的影响比较复杂。(4)脱氧剂及合金元素在实际生产中，钢用铝脱氧时，会生成大量的AlN颗粒，它们在奥氏体晶界上弥散

14、析出，可以阻碍晶界的迁移，防止了晶粒长大。(5)钢的原始组织原始组织只影响起始晶粒度。第51页/共73页(1)加热温度和保温时间图2-29奥氏体晶粒大小与加热温度和保温时间的关第52页/共73页(2)加热速度图2-30加热速度对奥氏体晶粒大小的影a)40钢b)T10钢第53页/共73页(3)碳含量图2-31碳含量对奥氏体晶粒长大的影响第54页/共73页(4)脱氧剂及合金元素在实际生产中，钢用铝脱氧时，会生成大量的AlN颗粒，它们在奥氏体晶界上弥散析出，可以阻碍晶界的迁移，防止了晶粒长大。第55页/共73页(5)钢的原始组织原始组织只影响起始晶粒度。第56页/共73页4.奥氏体晶粒大小的控制1)

15、添加合金元素。2)合理选择加热温度和保温时间。3)控制钢的热加工工艺和采用预备热处理工艺。第57页/共73页2.5非平衡组织加热的奥氏体转变非平衡组织加热的奥氏体转变非平衡组织是指淬火组织或淬火后回火不充分的组织，包括马氏体、贝氏体、回火马氏体及魏氏组织等。第58页/共73页2.5.1针状奥氏体与颗粒状奥氏体针状奥氏体与颗粒状奥氏体1.针状奥氏体(Aa)的形成2.颗粒状奥氏体(Ag)的形成第59页/共73页1.针状奥氏体(Aa)的形成图2-32奥氏体的两种形a)针状奥氏体b)颗粒状奥氏体第60页/共73页2.颗粒状奥氏体(Ag)的形成非平衡态组织在加热时，在原始奥氏体晶界、板条马氏体束界及块界

16、、夹杂物界面上形成细小的颗粒状奥氏体，同时伴随着渗碳体的溶解。颗粒状奥氏体是通过扩散机制形成的，新形成的晶核与相界面的一侧保持共格或半共格关系，而与另一侧无共格关系，通过碳的扩散向无共格关系的一侧长大，形成球冠状(颗粒状)晶粒(图2-32b)。第61页/共73页2.5.2非平衡组织加热转变的影响因素非平衡组织加热转变的影响因素1.化学成分2.奥氏体化温度和奥氏体化后的停留温度3.加热速度4.原始组织第62页/共73页1.化学成分化学成分的不同，将影响非平衡组织在加热过程中所发生的转变，包括过饱和相的分解过程以及基体的再结晶过程。对于碳钢而言，再次加热时预淬火得到的马氏体极易分解，基体也极易再结

17、晶。第63页/共73页2.奥氏体化温度和奥氏体化后的停留温度非平衡组织是通过淬火得到的，淬火加热时的奥氏体化温度越高，碳化物溶解得就越充分，碳及合金元素分布就越均匀，奥氏体晶粒越粗大，奥氏体晶界上的偏聚也就越少。第64页/共73页3.加热速度图2-33加热速度对非平衡组织加热所得组织的影响示意第65页/共73页4.原始组织原始非平衡组织包括马氏体、贝氏体等淬火组织和回火马氏体等不充分回火组织。这些不同的组织以相同的加热速度加热到转变开始温度时，由于加热过程中的转变程度不同，奥氏体转变开始时的组织状态也不同，形成的奥氏体组织有较大差异。第66页/共73页2.5.3组织遗传现象及控制组织遗传现象及

18、控制1.组织遗传的影响因素2.组织遗传的控制第67页/共73页1.组织遗传的影响因素(1)原始组织组织遗传现象的出现在很大程度上取决于钢的原始组织，原始组织为马氏体、贝氏体、魏氏组织等非平衡组织时，易于出现组织遗传性。(2)加热速度实验表明，一般情况下，慢速或快速加热会导致组织遗传。(3)奥氏体形态非平衡组织加热温度高于Ac1后，形成的奥氏体主要有两种形态，即针状奥氏体和颗粒状奥氏体。第68页/共73页(1)原始组织图2-34针状奥氏体()合并长大示意第69页/共73页(2)加热速度表2-2不同钢种出现组织遗传的临界加热速钢种预备热处理临界加热速度/501200 30min 淬火3000T8A

19、1200 30min 淬火500037CrNi3A1150 30min 淬火250T8Co1200 30min 淬火10000第70页/共73页(3)奥氏体形态非平衡组织加热温度高于Ac1后，形成的奥氏体主要有两种形态，即针状奥氏体和颗粒状奥氏体。第71页/共73页2.组织遗传的控制1)采用较快速度或中等速度加热可以避免组织遗传现象发生。2)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组织，使针状奥氏体失去形成条件，可以避免组织遗传。3)对于铁素体-珠光体的低合金钢，由于其组织遗传倾向较小，可采用正火来校正过热组织。第72页/共73页感谢您的观看！第73页/共73页