1、Yuxi ChenHunan Univ.1第二章第二章 鋼中奧氏體的形成鋼中奧氏體的形成第一節(jié) 奧氏體及其形成條件第二節(jié) 奧氏體的形成機理第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué)第四節(jié) 連續(xù)加熱時奧氏體的形成第五節(jié) 奧氏體晶粒的長大及控制第六節(jié) 組織遺傳和斷口遺傳第七節(jié) 奧氏體轉(zhuǎn)變的應(yīng)用舉例Yuxi ChenHunan Univ.2第一節(jié)第一節(jié) 奧氏體及其形成條件奧氏體及其形成條件加熱冷卻保溫Tt熱處理周期V加熱T，tV冷卻典型的熱處理過程Yuxi ChenHunan Univ.3通常，熱處理包括三個階段：加熱、保溫和冷卻，但不同的熱處理在這三個階段中發(fā)生的固態(tài)相變的類型不同，因而對不同工藝階段的參數(shù)要求不同

2、；鋼鐵熱處理也一樣，只是許多具體熱處理，如退火、正火、淬火等，通常第一道工序就是加熱，使之形成奧氏體組織（奧氏體化）。什么是熱處理？奧氏體？Yuxi ChenHunan Univ.4熱處理熱處理：對固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)方式加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織與性能的加工方法。熱處理目的：提高鋼的力學(xué)性能，改善鋼的工藝性能。整體熱處理表面熱處理化學(xué)熱處理Yuxi ChenHunan Univ.5整體熱處理退火、正火、淬火、回火表面熱處理表面淬火、氣相沉積化學(xué)熱處理滲碳、氮化、碳氮共滲Yuxi ChenHunan Univ.6退火：加熱到適當(dāng)溫度，保溫，在爐中緩慢 冷卻。正火：加熱到一定溫度，保

3、溫，在空氣中冷卻。淬火：加熱到一定溫度，保溫，快速冷卻?；鼗穑杭訜岬揭欢囟?，保溫，冷卻到室溫。 （淬火后的鋼）Yuxi ChenHunan Univ.7奧氏體奧氏體：碳溶于-Fe所形成的固溶體。碳位于面心立方結(jié)構(gòu)的-Fe 八面體間隙的位置。最大溶解度（理論上20%，實際上2.11%，質(zhì)量比）八面體空隙半徑0.052 nm，碳原子半徑0.077 nm。碳含量的不同，奧氏體點陣參數(shù)變化。碳多，則參數(shù)大，且碳在奧氏體中分布不均勻，存在濃度梯度。碳、氮位于奧氏體八面體間隙位置；而錳、硅、鉻、鎳等則置換鐵原子位于結(jié)點位置。1、奧氏體的組織結(jié)構(gòu)Yuxi ChenHunan Univ.8Fe-C合金中普通

4、奧氏體在室溫下一般不能穩(wěn)定存在。添加擴大相區(qū)的元素（奧氏體穩(wěn)定元素），可以在室溫、甚至是低溫下穩(wěn)定存在。奧氏體鋼由于其本身是面心立方，滑移系統(tǒng)多，塑性好。硬度和屈服強度不高熱強性好高溫用鋼順磁性無磁性鋼導(dǎo)熱性差2、奧氏體的性能Yuxi ChenHunan Univ.93、奧氏體形成條件通常與固態(tài)相變相關(guān)的反應(yīng)線：ES從脫溶出Fe3CGS從脫溶出PSK+Fe3CPQ從脫溶出Fe3CKESGPQ FeFe3CYuxi ChenHunan Univ.10在加熱和保溫過程中，會發(fā)生伴隨著Fe3C溶解（包括碳原子擴散均勻化），bcc結(jié)構(gòu)的-Fe向fcc結(jié)構(gòu)的-Fe轉(zhuǎn)變，形成均勻奧氏體。后續(xù)冷卻過程中控制

5、過冷奧氏體分解，來獲得所需要的珠光體、貝氏體或馬氏體等，進而控制最終熱處理后的組織性能。鋼鐵熱處理需同時注意兩個過程：加熱轉(zhuǎn)變奧氏體化過程冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體分解過程Yuxi ChenHunan Univ.11Fe-Fe3C平衡狀態(tài)圖是熱力學(xué)上達到平衡時的狀態(tài)圖，但實際的相變并不是按照狀態(tài)圖中所示的溫度進行的，往往存在一定的溫度滯后，且溫度滯后的程度隨加熱或冷卻速度的增大而增大。實際加熱和冷卻時的相變臨界點不在同一溫度上。為了區(qū)別， 通常把實際加熱時的相變臨界點標(biāo)以字母 c（如 Acl、Ac3、Accm），把冷卻時的相變臨界點標(biāo)以字母 r（如 Arl，Ar3，Arcm）。Yuxi ChenHun

6、an Univ.12Fe-Fe3C相圖中的A0 A1 A2 A3 A4A0 滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度230CA1 共析溫度727CA2 -Fe高溫順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏罔F磁性770CA3 -Fe與-Fe轉(zhuǎn)變溫度912CA4 -Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe 1394CAcm 過共析鋼轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體或奧氏體析出 滲碳體的溫度Yuxi ChenHunan Univ.13共析鋼原始組織：珠光體亞共析鋼原始組織：珠光體+鐵素體過共析鋼原始組織：珠光體+滲碳體Yuxi ChenHunan Univ.14共析鋼（原始組織：珠光體）共析溫度727 C，珠光體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體亞共析鋼（原始組織：珠光體+鐵素體）共析溫度，珠光體首先

7、轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；溫度升高，進入兩相區(qū)(+)；在Acl和Ac3之間，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；在Ac3，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。過共析鋼（原始組織：珠光體+滲碳體）共析溫度，珠光體首先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；溫度升高，進入兩相區(qū)(Fe3C+)；在 Acl 和 Accm 之間，滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；在Acm，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。Yuxi ChenHunan Univ.15過共析鋼（原始組織：珠光體+滲碳體）部分組織奧氏體化（組織局部奧氏體化）新舊兩相的自由能差和新相自由能較低是舊相自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪嗟尿?qū)動力相變熱力學(xué)條件。 G GpYuxi ChenHunan Univ.16過熱度過熱度實際加熱和冷卻時，相變在不平衡的條件下完成

8、。轉(zhuǎn)變溫度與臨界點A1之差稱為過熱度。Yuxi ChenHunan Univ.17第二節(jié)第二節(jié) 奧氏體的形成機理奧氏體的形成機理共析鋼平衡組織轉(zhuǎn)變機理Yuxi ChenHunan Univ.181、奧氏體形核、奧氏體形核奧氏體晶核的形核位置通常首先（優(yōu)先）在鐵素體和滲碳體的兩相界面上形成。為什么？因為在界面處能夠滿足奧氏體形核的成分條件結(jié)構(gòu)條件能量條件Yuxi ChenHunan Univ.19成分條件：在兩 相界面處，碳原子的濃度差較大，有利于獲得形成奧氏體晶核所需的碳濃度；結(jié)構(gòu)條件：在兩相界面處，原子排列不規(guī)則，鐵原子有可能通過短程擴散由母相點陣向新相點陣轉(zhuǎn)移， 從而促使奧氏體形核，即形核

9、所需的結(jié)構(gòu)起伏較??；能量條件：在兩相界面處，雜質(zhì)及其他晶 體缺陷較多，具有較高的畸變能，新相形核時可能消除部分晶體缺陷而使系統(tǒng)的自由能 降低。并且新相形核時產(chǎn)生的應(yīng)變能也較容易借助相界（晶界）流變而釋放。Yuxi ChenHunan Univ.202、奧氏體晶核的長大、奧氏體晶核的長大成分變化奧氏體在/ 、 Fe3C/ 相界上存在碳濃度差。形成擴散，擴散打破平衡， Fe3C 溶解， 改組，恢復(fù)平衡，在打破與恢復(fù)過程中， 不斷長大。顯然奧氏體晶核的長大過程受到碳在奧氏體中的擴散顯然奧氏體晶核的長大過程受到碳在奧氏體中的擴散所控制所控制。奧氏體核的長大奧氏體核的長大Yuxi ChenHunan U

10、niv.213、剩余滲碳體的溶解和奧氏體的均勻化、剩余滲碳體的溶解和奧氏體的均勻化（碳原子在奧氏體中的擴散）（碳原子在奧氏體中的擴散）奧氏體化主要就是：奧氏體界面向鐵素體和滲碳體的推移。奧氏體化的過程是/界面向內(nèi)、Fe3C/界面向Fe3C內(nèi)移動的過程。由長大速度決定，鐵素體總是先消失。當(dāng)殘余Fe3C全部溶解后，達到珠光體成分。 Fe3C剛消失時，C濃度不均勻，經(jīng)過一段時間擴散后，達到成分均勻分布的相。Yuxi ChenHunan Univ.224、非共析鋼奧氏體的形成、非共析鋼奧氏體的形成亞共析鋼在兩相區(qū)的等溫轉(zhuǎn)變過程可分為兩個階段：一，奧氏體核在鐵素體珠光體交界面形成后，快速長進珠光體直至珠

11、光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；二，奧氏體向先共析鐵素體慢速長進，直到碳達到平衡濃度為止。Yuxi ChenHunan Univ.235、非共平衡組織向奧氏體的轉(zhuǎn)變、非共平衡組織向奧氏體的轉(zhuǎn)變非平衡組織主要包括馬氏體、貝氏體等。馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變同樣要經(jīng)過形核、長大、滲碳體溶解和奧氏體均勻化四個階段。馬氏體被加熱到Ac1溫度以上時，會同時形成針狀和球狀兩種奧氏體，但一般最終形成球狀奧氏體，針狀奧氏體一般只是一種過渡組織形態(tài)。Yuxi ChenHunan Univ.24第三節(jié)第三節(jié) 奧氏體形成動力學(xué)奧氏體形成動力學(xué)1、共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)、共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)l形核率Il線長大速度 l等溫形

12、成動力學(xué)曲線（實驗）Yuxi ChenHunan Univ.25形核率形核率I均勻形核條件下)exp(*kTGQCIC:常數(shù)；Q:激活能；G*:臨界晶核形核功23*VGAGA:常數(shù)；:奧氏體與珠光體的比界面能；GV:奧氏體與珠光體的單位體積自由能差Yuxi ChenHunan Univ.26線長大速度線長大速度vBcCdxdCKD1BCK奧氏體線長大速度等于相界面的推移速度K:常數(shù)；Dc:碳在奧氏體中擴散系數(shù)；dC/dx: 相界面處奧氏體中碳的濃度梯度；CB: 奧氏體/鐵素體或奧氏體/滲碳體的相界面處兩相濃度差。等溫轉(zhuǎn)變時的Dc 和dC/dx 為常數(shù)，故Yuxi ChenHunan Univ.

13、27奧氏體線長大速度隨溫度升高而增大：（1）原子擴撒系數(shù)Dc呈指數(shù)增大；奧氏體內(nèi)部（C Fe3C C ）碳濃度差增大。（2）形核率增加，導(dǎo)致原子擴散距離縮短；（3）奧氏體分別與鐵素體和滲碳體的兩相界面濃度差（C C ）、 （C Fe3C CFe3C Fe3C ）均減小，加速奧氏體的相界面推進速度。奧氏體形成溫度升高時，其形核率奧氏體形成溫度升高時，其形核率I I 和長大速和長大速度度v v 均增大，因此奧氏體形成速度隨形成溫度均增大，因此奧氏體形成速度隨形成溫度升高單調(diào)增大升高單調(diào)增大。Yuxi ChenHunan Univ.28共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué) 利用金相方

14、法或者物理方法，可以做出一定溫度下等溫時，奧氏體形成量與等溫時間的關(guān)系曲線，稱為奧氏體等溫形成動力學(xué)曲線。Yuxi ChenHunan Univ.292、亞共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)、亞共析鋼奧氏體等溫形成動力學(xué)分為兩個階段：首先是奧氏體快速長進珠光體直至珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；然后是奧氏體向先共析鐵素體的慢速長進。第一階段與共析鋼一樣受碳在奧氏體中擴散控制，因珠光體量少，故轉(zhuǎn)變速度極快。第二階段的特點是不再形成奧氏體新晶核，只是奧氏體向鐵素體的長大，受到碳在奧氏體中較長距離的擴散控制，因而奧氏體形成速度極慢。Yuxi ChenHunan Univ.303、奧氏體形成的影響因素、奧氏體形成的影

15、響因素 加熱溫度 碳含量 合金元素 原始組織Yuxi ChenHunan Univ.31加熱溫度的影響加熱溫度的影響 隨加熱溫度升高，奧氏體的形核率I 和長大速度v 均增大，但I 的增大速度大于v 的增大速度，因此奧氏體形成溫度越高，獲得的起始晶粒度就越細小。同時，隨加熱溫度升高，奧氏體向鐵素體與奧氏體向滲碳體的相界面推移速度之比增大。Yuxi ChenHunan Univ.32碳含量的影響碳含量的影響 鋼的碳含量越高，奧氏體形成速度越快。這是因為碳含量高時，碳化物數(shù)量增多，相界面面積增大，增加了奧氏體的形核部位，使得形核率增大。同時，碳化物數(shù)量增多，使得碳的擴散距離減小，且碳和鐵原子的擴散系

16、數(shù)增大。以上因素加速了奧氏體的形成。Yuxi ChenHunan Univ.33合金元素合金元素合金元素影響碳化物的穩(wěn)定性及碳在奧氏體中的擴散系數(shù)；合金元素在碳化物和基體之間的非均勻分布將影響奧氏體的形核、長大、碳化物溶解及奧氏體均勻化。Yuxi ChenHunan Univ.34影響碳化物的穩(wěn)定性強碳化物形成元素如Cr，Mo， W等降低C的擴散速度，奧氏體化速率降低。Co，Ni等非碳化物形成元素增大C的擴散速度， 奧氏體化速率提高。Yuxi ChenHunan Univ.35改變奧氏體化溫度擴大區(qū)的元素，如Ni，Mn，降低奧氏體化溫度，相對地增大了過熱度，使奧氏體形成速度增大；縮小區(qū)的元素，

17、如Cr，Mo, Ti， Si，提高奧氏體化溫度，相對地減小了過熱度，因此減慢了奧氏體形成速度。Yuxi ChenHunan Univ.36原始組織的影響原始組織的影響 鋼的化學(xué)成分相同條件下，原始組織越細小，即珠光體片間距越小，碳化物越細，則相界面越多，奧氏體形成速度越快，同時，奧氏體長大速度也增加。Yuxi ChenHunan Univ.37第四節(jié)第四節(jié) 連續(xù)加熱時奧氏體的形成連續(xù)加熱時奧氏體的形成實際熱處理過程中，奧氏體一般不是等溫形成，而是在連續(xù)加熱過程中形成的。II. 連續(xù)加熱過程中，奧氏體同樣經(jīng)過了形核，長大，碳化物的溶解，奧氏體的均勻化。Yuxi ChenHunan Univ.38

18、特點特點1 1：奧氏體轉(zhuǎn)變的：奧氏體轉(zhuǎn)變的臨界溫度臨界溫度由一個固定由一個固定 的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ臏囟确秶?。的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ臏囟确秶?.85C鋼在不同加熱速度鋼在不同加熱速度時的加熱曲線時的加熱曲線隨加熱速度增加，平臺逐漸變得傾斜，表明奧氏體是在一定的溫度范圍內(nèi)完成的。奧氏體轉(zhuǎn)變在斜平臺的左拐點開始，到斜平臺的右拐點結(jié)束，上下溫度間距可達幾十度。Yuxi ChenHunan Univ.39特點特點2：加熱速度增大，奧氏體形成的臨界：加熱速度增大，奧氏體形成的臨界 溫度范圍升高至更高的溫度區(qū)間。溫度范圍升高至更高的溫度區(qū)間。 由上圖可以看出，加熱速度越快，斜平臺所對應(yīng)的溫度越高，表明奧氏體轉(zhuǎn)

19、變的溫度范圍隨加熱速度的增大而升至更高的溫度區(qū)間。Yuxi ChenHunan Univ.40特點特點3：加熱速度增大，奧氏體轉(zhuǎn)變的速：加熱速度增大，奧氏體轉(zhuǎn)變的速 度加快。度加快。 由上圖可以看出，加熱速度越快，斜平臺的斜率越大，水平投影的長度越短，說明加熱速度快，奧氏體轉(zhuǎn)變所需的時間越短，轉(zhuǎn)變速度越快。Yuxi ChenHunan Univ.41特點特點4：加熱速度增大，奧氏體晶粒變細。：加熱速度增大，奧氏體晶粒變細。 快速連續(xù)加熱轉(zhuǎn)變時，由于轉(zhuǎn)變溫度被推向高溫，故而轉(zhuǎn)變時的形核率及線長大速度均激增，其中尤以形核率增加的更快，故可使轉(zhuǎn)變結(jié)束時所得的奧氏體晶粒顯著細化。Yuxi ChenHu

20、nan Univ.42特點特點5：加熱速度增大，奧氏體成分的不：加熱速度增大，奧氏體成分的不 均勻性增加。均勻性增加。 隨加熱速度增加，奧氏體形成的溫度被推向高溫，由FeFe3C相圖可知，C降低而CFe3C增加，使得奧氏體中碳含量差增大?？焖偌訜釛l件下，碳化物來不及溶解，碳及合金元素來不及充分?jǐn)U散，造成奧氏體中碳及合金元素的濃度不均勻。Yuxi ChenHunan Univ.43第五節(jié)第五節(jié) 奧氏體晶粒的長大及控制奧氏體晶粒的長大及控制1、奧氏體、奧氏體晶粒度晶粒度的概念的概念 設(shè)n為放大100倍時每645 mm2（1平方英寸）面積內(nèi)的晶粒數(shù)，則下式中的 N 被用來表示晶粒大小的級別，稱為晶粒

21、度。 n = 2N1 晶粒越細，則n越大，N也越大。 粗晶粒：N 8Yuxi ChenHunan Univ.44起始晶粒起始晶粒：加熱轉(zhuǎn)變終了時所得奧氏體晶粒稱為奧氏體起始晶粒。實際晶粒實際晶粒：奧氏體形成后在高溫停留期間將繼續(xù)長大，奧氏體晶粒長大到冷卻轉(zhuǎn)變開始時的奧氏體晶粒稱為實際晶粒。本質(zhì)晶粒本質(zhì)晶粒：冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以加熱到（93010）oC，保溫38小時后所得的實際晶粒稱為本質(zhì)晶粒。Yuxi ChenHunan Univ.45奧氏體起始晶粒特點奧氏體起始晶粒特點：細小，但不均勻，表面能高，不穩(wěn)定。長大方式長大方式：晶界遷移、使彎曲晶界變直、大晶粒吞并小晶粒。晶界遷移驅(qū)動力晶界遷移驅(qū)動

22、力：奧氏體晶界面積的減少導(dǎo)致的界面能和自由能的下降。2、奧氏體晶粒長大的特點、奧氏體晶粒長大的特點Yuxi ChenHunan Univ.46奧氏體晶粒直徑與加熱溫度奧氏體晶粒直徑與加熱溫度的關(guān)系的關(guān)系C-Mn鋼曲線1：正常晶粒長大；曲線2：異常晶粒長大，溫度超過某一定值后晶粒隨溫度升高急劇長大。該溫度稱為奧氏體晶粒粗化溫度。含Nb-N鋼Yuxi ChenHunan Univ.47對本質(zhì)細晶粒鋼而言，奧氏體晶粒長大過程可分為三個階段：1、孕育期：奧氏體起始晶粒不斷長大；2、不均勻長大期：大晶粒吞并小晶粒，形成混晶期；3、均勻長大期：待小晶粒被吞并后，所有晶粒開始均勻長大。Yuxi ChenHu

23、nan Univ.483、奧氏體晶粒長大的影響因素、奧氏體晶粒長大的影響因素1 1）加熱溫度）加熱溫度 奧氏體晶粒隨溫度的增高而迅速長大。溫度影響到原子擴散。2 2）保溫時間）保溫時間 一定加熱溫度下，奧氏體晶粒將隨保溫時間的延長而長大。Yuxi ChenHunan Univ.493 3）加熱速度）加熱速度 加熱速度越大，過熱度越大，形核率越高，奧氏體起始晶粒度越細。Yuxi ChenHunan Univ.504 4）化學(xué)成分）化學(xué)成分a a 含碳量含碳量 在一定加熱溫度和相同加熱條件下，當(dāng)鋼中碳含量不超過一定限度時，奧氏體晶粒長大的傾向隨鋼中含碳量的增大而增大。 當(dāng)鋼中碳含量超過一定限度后，

24、奧氏體晶粒長大傾向又減小。Yuxi ChenHunan Univ.51b b 合金元素合金元素按照合金元素對奧氏體晶粒長大的影響，可分為四類：1、 強烈阻止奧氏體晶粒長大的元素： Al, V, Ti, Zr 等；2、中等程度阻止奧氏體晶粒長大的元素： Mo, W等；3、稍微阻止奧氏體晶粒長大的元素： O, Ni, Co, Cu 等；4、促進奧氏體晶粒長大的元素：P, Mn等。Yuxi ChenHunan Univ.525 5）原始組織）原始組織 碳化物呈片狀時，奧氏體晶粒長大速度較顆粒狀快，片層越薄，奧氏體線長大速度越快。Yuxi ChenHunan Univ.534、細化奧氏體晶粒的措施、細

25、化奧氏體晶粒的措施1 1）合理選擇加熱溫度和保溫時間）合理選擇加熱溫度和保溫時間提高加熱溫度與延長保溫時間都會造成奧氏體晶粒粗大，但加熱溫度對晶粒長大的影響要比保溫時間的影響顯著得多。2 2）合理選擇鋼的原始組織）合理選擇鋼的原始組織原始組織主要影響起始晶粒度。碳化物彌散度越大，所得到的奧氏體起始晶粒就越細小。Yuxi ChenHunan Univ.543 3）加入一定量的合金元素）加入一定量的合金元素加入合金元素，通過使其在晶界上形成十分彌散的碳化物、氮化物、氧化物等，對晶界的遷移起“釘扎”作用，從而阻礙晶粒的長大。4 4）采用重結(jié)晶處理）采用重結(jié)晶處理所謂重結(jié)晶，就是將固態(tài)金屬及合金在加熱通過相變點時，從一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成另外一種晶體結(jié)構(gòu)的過程。Yuxi ChenHunan Univ.55第六節(jié)第六節(jié) 組織遺傳和斷口遺傳組織遺傳和斷口遺