奥氏体及其形成n课件

第2章 奥氏体及其形成第2章奥氏体及其形成引言引言?钢被加热到奥氏体相区，得到奥氏体组织。?奥氏体状态，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，对于在随后冷却过程中得到的组织和性能有直接的影响。?熟悉钢中的奥氏体的形成机理，掌握获得奥氏体状态的方法，具有重要的实际意义和理论价值。金属固态相变金属固态相变引言?钢被加热到奥氏体相区，得到奥氏体组织。?奥氏体状态，包2.1 奥氏体的组织结构和性能奥氏体的组织结构和性能?旧定义：碳溶入Fe中的固溶体。?钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入 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。金属固态相变2.1 奥氏体的组织结构和性能?旧定义：碳溶入Fe中的2.1.1.奥氏体组织形貌奥氏体组织形貌奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥氏体晶粒内有孪晶。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。(a)50CrVA钢的奥氏体晶粒(高温暗场像)(b)1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织钢室温的奥氏体组织金属固态相变金属固态相变2.1.1.奥氏体组织形貌奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥2.1.2 奥氏体的晶体结构奥氏体的晶体结构金属固态相变2.1.2 奥氏体的晶体结构金属固态相变碳原子的间隙固溶碳原子的间隙固溶?在1147时，碳在奥氏体中的最大溶解度仅为 2.11（质量百分数）Fe的八面体中心的间隙半径为0.052nm碳原子的半径0.086nm。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变，溶入愈多，畸变愈大，晶格将不稳定，因此不是所有的八面体中心都能溶入一个碳原子，溶解度是有限的。?如果间隙位置都被碳原子占据，质量分数和摩尔分数分别为多少？2.11%时，多少个晶胞里有一个碳？金属固态相变金属固态相变碳原子的间隙固溶?在1147时，碳在奥氏体中的最大溶解度仅碳原子的间隙固溶碳原子的间隙固溶?如果间隙位置都被碳原子占据，则一个晶胞中含有4个铁原子和4个碳原子，则原子分数为 50%,折合17.6wtC?实际上原子分数为8.7atC，即25个Fe晶胞中有9个碳原子。%6.174*)5612(412%?C金属固态相变金属固态相变碳原子的间隙固溶?如果间隙位置都被碳原子占据，则一个晶胞中含奥氏体晶格参数与含碳量的关系奥氏体晶格参数与含碳量的关系金属固态相变金属固态相变奥氏体晶格参数与含碳量的关系金属固态相变2.1.3 奥氏体中的亚结构奥氏体中的亚结构?任何一个奥氏体晶粒，均非完整的晶格，总是存在晶体缺陷，如空位、位错、层错、亚晶和孪晶等。这些缺陷具有缺陷能或畸变能。在珠光体转变为奥氏体的过程中，会形成相变孪晶。众所周知，在外力作用下以孪生方式可以形成形变孪晶。在高温加热奥氏体化时，没有外加应力，形成的奥氏体中存在孪晶,此属相变孪晶或退火孪晶；这些孪晶的形成机理尚不清楚，研究报道甚少。?退火孪晶的形貌特征是：（1）孪晶有平直的界面，即有一条平直的孪晶线；（2）孪晶可横贯奥氏体晶粒，也可终止于晶粒内，有时呈现台阶状。金属固态相变金属固态相变2.1.3 奥氏体中的亚结构?任何一个奥氏体晶粒，均非完整的图2-3 18-8型奥氏体不锈钢中的退火孪晶(a)0Cr18Ni9；（b）1Cr18Ni9Ti图2-4TEM（a）含氮奥氏体不锈钢中的层错；（b）奥氏体中的位错金属固态相变金属固态相变图2-3 18-8型奥氏体不锈钢中的退火孪晶(a)0Cr182.1.4 奥氏体成分的不均匀性奥氏体成分的不均匀性?在奥氏体中，一部分碳原子固溶在 fcc的晶格间隙中，一部分偏聚的晶界、位错等晶体缺陷处。?碳含量分布实际上是不均匀的。金属固态相变金属固态相变2.1.4 奥氏体成分的不均匀性?在奥氏体中，一部分碳原子固0.2C的奥氏体中的间隙碳原子分布金属固态相变0.2C的奥氏体中的间隙碳原子分布金属固态相变?奥氏体中的碳和合金元素分布是不均匀的，均匀是相对的，不均匀是绝对的。材料的成分均质化是指宏观上的相对均匀。不同淬火温度和不同加热速度情况下，奥氏体中碳含量不均匀的图解。可见加热到12001300时，该钢的原珠光体区域和原铁素体区域的碳含量仍然存在很大差别，碳含量仍然不均匀分布。图2-5加热速度和温度对 w（c）=0.18%钢奥氏体碳含量不均匀的影响金属固态相变金属固态相变?奥氏体中的碳和合金元素分布是不均匀的，均匀是相对的，不均匀Wt%与at%的换算：A元素的at?100%B元素的at?100%?A、B为原子量；a，b分别为A、B两元素的wt金属固态相变金属固态相变Wt%与at%的换算：A元素的at?100%B元素的at2.1.5奥氏体的性能奥氏体的性能?(1)奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的比容最小(与F、M比较)。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。?(2)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。金属固态相变金属固态相变2.1.5奥氏体的性能?(1)奥氏体是最密排的点阵结构，致密?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。?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。金属固态相变金属固态相变?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。2.2 奥氏体形成机理奥氏体形成机理2.2 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:(1)奥氏体形核；(2)奥氏体晶核长大；(3)剩余渗碳体、碳化物的溶解；(4)奥氏体成分相对均匀化。金属固态相变金属固态相变?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:(片状珠光体片状珠光体奥氏体奥氏体?珠光体转变为奥氏体，是扩散型相变，是形核长大的过程。金属固态相变片状珠光体奥氏体?珠光体转变为奥氏体，是扩散型相变，是形核2.2.1奥氏体形成的热力学条件奥氏体形成的热力学条件?1)相变驱动力金属固态相变金属固态相变2.2.1奥氏体形成的热力学条件?1)相变驱动力金属固态相?2)加热时的临界点实际生产中加热速度一般较快，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，临界点A3和Acm也附加脚标c,即：Ac3、Accm。金属固态相变金属固态相变?2)加热时的临界点实际生产中加热速度一般较快，转变发生滞?3)冷却时的临界点冷却时的临界点与冷却速度有关。冷却时的临界点以Ar1表示。临界点A3和Acm也附加脚标r，表示为Ar3、Arcm。金属固态相变金属固态相变?3)冷却时的临界点冷却时的临界点与冷却速度有关。冷却时的2.2.2奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的形成金属固态相变2.2.2奥氏体晶核的形成金属固态相变1)形核地点形核地点?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。?(图4-5b)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。金属固态相变金属固态相变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0.1mm原 奥 氏 体晶 界 和 晶核金属固态相变金属固态相变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cTEM Fe-2.6Cr-1C钢的奥氏体的形核1.5maSEM T8钢奥氏体的形核1.5mb?第一次观察到奥氏体晶核在铁素体片/渗碳体片相界面处形成。金属固态相变金属固态相变cTEM Fe-2.6Cr-1C钢的奥氏体的形核1.5ma图26 TEM奥氏体在珠光体领域的边界上形核6金属固态相变金属固态相变图26 TEM奥氏体在珠光体领域的边界上形核6金属固态奥氏体晶核的尺度奥氏体晶核的尺度100nm金属固态相变金属固态相变奥氏体晶核的尺度100nm金属固态相变2)扩散型形核扩散型形核?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。?也存在无扩散机制形核的观点。金属固态相变金属固态相变2)扩散型形核?奥氏体的形成是扩散型相变，因此奥氏体晶核是3)晶核与母相之间存在位向关系(K-S)金属固态相变3)晶核与母相之间存在位向关系(K-S)金属固态相变2.2.3 奥氏体晶核的长大奥氏体晶核的长大?奥氏体同时吃掉铁素体片(a，b)和渗碳体片或只是吃掉铁素体（c）。?长大速率：0.65微米/秒 1.375微米/秒金属固态相变金属固态相变2.2.3 奥氏体晶核的长大?奥氏体同时吃掉铁素体片(a，b晶核的长大过程分析晶核的长大过程分析金属固态相变金属固态相变晶核的长大过程分析金属固态相变?当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体晶核时，则形成了和Fe3C两个相界面。?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。金属固态相变金属固态相变?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2.2.4 剩余碳化物的溶解剩余碳化物的溶解SEM T8奥氏体中存在剩余渗碳体金属固态相变2.2.4 剩余碳化物的溶解SEM T8奥氏体中存在剩余渗碳结论：结论：?加热到临界点以上，形成奥氏体，转变分为四个阶段：晶界形核；晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大；剩余渗碳体或碳化物溶解；奥氏体成分相对均匀化。金属固态相变金属固态相变结论：?加热到临界点以上，形成奥氏体，转变分为四个阶段：2.2.5 针形奥氏体和球形奥氏体的形成针形奥氏体和球形奥氏体的形成?淬火组织或回火不充分的组织，如马氏体、贝氏体、回火马氏体等，在加热时，常可在奥氏体转变初期获得针形奥氏体和球形奥氏体。其形成与钢的成分、原始组织和加热条件等因素有关。金属固态相变金属固态相变2.2.5 针形奥氏体和球形奥氏体的形成?淬火组织或回火不充?实验证明，低、中碳合金钢以马氏体为原始组织在Ac1Ac3之间低温区加热时，在马氏体板条之间形成针形奥氏体。而在原始奥氏体晶界、马氏体群边界和夹杂物边界上形成球形奥氏体。通常钢中含有推迟铁素体再结晶的合金元素时，在一定加热条件下，容易产生针形奥氏体。?针形奥氏体常常在板条状马氏体边界上形成，同时，还会在原奥氏体晶界、马氏体板条群之间产生球形奥氏体，图217所示为原始组织为回火马氏体在Ac1Ac3之间加热时，形成的针形奥氏体和球形奥氏体。钢的成分为0.123%C-3.5%Ni-0.35Mo。金属固态相变金属固态相变?实验证明，低、中碳合金钢以马氏体为原始组织在Ac1Ac3图217 针形奥氏体和球形奥氏体720加热保温10h，加热速度100/s金属固态相变金属固态相变图217 针形奥氏体和球形奥氏体720加热保温10h，加图2-18 25钢的退火组织图2-20 25钢不同温度淬火后的组织12.2.6 亚共析钢的奥氏体化亚共析钢的奥氏体化金属固态相变金属固态相变图2-18 25钢的退火组织图2-20 25钢不同温度淬火后图2-22 T12 钢加热到不同温度后淬火得到的组织11000，OM（a）725；（b）728；（c）7502.2.7 过共析钢奥氏体的形成过共析钢奥氏体的形成金属固态相变金属固态相变图2-22 T12钢加热到不同温度后淬火得到的组织112.3奥氏体等温形成动力学奥氏体等温形成动力学?所谓形成动力学即指新相的形成速度问题。?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。金属固态相变金属固态相变2.3奥氏体等温形成动力学?所谓形成动力学即指新相的形成速度2.3.1 共析碳素钢奥氏体等温形成动力学共析碳素钢奥氏体等温形成动力学奥氏体化曲线 TTATime Temperature Austenitizing金属固态相变金属固态相变2.3.1 共析碳素钢奥氏体等温形成动力学奥氏体化曲线TTA共析钢奥氏体等温形成图共析钢奥氏体等温形成图(TTA)?共析碳钢中奥氏体刚刚形成，铁素体刚刚消失之际，还存在剩余碳化物，继续等温将继续溶解，碳化物溶解完毕后，奥氏体成分是不均匀的。均匀化还需要较长的时间。金属固态相变金属固态相变共析钢奥氏体等温形成图(TTA)?共析碳钢中奥氏体刚刚形成，2.3.2亚共析碳素钢的等温 TTA曲线图2-9 0.1%C 钢TTA曲线图2-10 0.6%C钢TTA曲线金属固态相变金属固态相变2.3.2亚共析碳素钢的等温TTA曲线图2-9 0.1%C 2.3.3连续加热时奥氏体形成的TTA曲线?图中的转变开始线Ac1、Ac3，终了线Ac1f，均随着加热速度的提高，而使转变温度升高。不过，对于大多数钢种来说，当超过一定加热速度后，转变开始线Ac1、Ac3就不再向温度升高的方向推进，而使开始线保持平坦。由于均匀奥氏体和不均匀奥氏体没有严格的界线，图中将其加上了引号，并且用虚线隔开。金属固态相变金属固态相变2.3.3连续加热时奥氏体形成的TTA曲线?图中的转变开始线2.3.4 奥氏体的形核率N和长大速度G表2-1金属固态相变2.3.4 奥氏体的形核率N和长大速度G表2-1金属固态相变1)形核率形核率?在均匀形核条件下形核率与温度之间的关系可用下式表示：式中，常数；Q扩散激活能；T-绝对温度；K-波尔兹曼常数；W-形核功。KTWKTQeeCN?C?金属固态相变金属固态相变1)形核率?在均匀形核条件下形核率与温度之间的关系可用下式表形核率急遽增加的原因是多方面的形核率急遽增加的原因是多方面的?奥氏体形成温度升高时，相变驱动力增大使形核功W减小，因而奥氏体形核率增大；?奥氏体化温度升高，元素扩散系数增大，扩散速度加快，因而促进奥氏体形核；?由图36a)可见，随着相变温度升高，相界面碳浓度差减小，与之差减小，即奥氏体形核所需的C浓度起伏减小，也有利于通过奥氏体形核率。?C?C金属固态相变金属固态相变形核率急遽增加的原因是多方面的?奥氏体形成温度升高时，相变线生长速度线生长速度G?奥氏体位于铁素体和渗碳体之间时，受碳原子扩散控制，奥氏体两侧界面分别向铁素体和渗碳体推移。奥氏体长大线速度包括向两侧推移地速度。推移速度主要取决于碳原子在奥氏体中的传输速度。金属固态相变金属固态相变线生长速度G?奥氏体位于铁素体和渗碳体之间时，受碳原子扩散控奥氏体向渗碳体的推移速度为：奥氏体向渗碳体的推移速度为：金属固态相变金属固态相变奥氏体向渗碳体的推移速度为：金属固态相变奥氏体晶核界面向铁素体推移的总速度为：?式中，K比例常数；?D碳在铁素体和奥氏体中的扩散系数；?Dc/dx -碳在铁素体、奥氏体中的浓度梯度；?奥氏体与铁素体相界面间的浓度差式中的负号表示下坡扩散。金属固态相变金属固态相变奥氏体晶核界面向铁素体推移的总速度为：?式中，K比例常数；?由于渗碳体中的浓度梯度等于零，则奥氏体向渗碳体推移速度为：金属固态相变金属固态相变?由于渗碳体中的浓度梯度等于零，则奥氏体向渗碳体推移速度为：图2-12SEM T8钢 奥氏体形成后残留大量渗碳体片金属固态相变金属固态相变图2-12SEM T8钢奥氏体形成后残留大量渗碳体片金属固态2.3.5 影响奥氏体形成速度的因素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。金属固态相变金属固态相变2.3.5 影响奥氏体形成速度的因素?一切影响奥氏体的形核率（1）加热温度的影响）加热温度的影响?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。如：转变温度从 740升高到800时，形核率增加270倍，而长大速度只增加80倍。因此，奥氏体形成温度愈高，起始晶粒度愈小。金属固态相变金属固态相变（1）加热温度的影响?奥氏体形成速度随着加热温度升高而迅速?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。在780其比值约为12，而在800，比值将增大到约19。因此，当奥氏体将铁素体全部吃完时，剩下的渗碳体量增多。（1）加热温度的影响）加热温度的影响金属固态相变金属固态相变?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（2）含碳量的影响）含碳量的影响?珠光体向奥氏体转变50%所需要的时间与钢中碳含量的关系，如图412。金属固态相变金属固态相变（2）含碳量的影响?珠光体向奥氏体转变50%所需要的时间与钢（3）原始组织的影响）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。?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。金属固态相变金属固态相变（3）原始组织的影响?钢的原始组织愈细，奥氏体形成速度愈快片间距越小，浓度梯度越大。片间距越小，浓度梯度越大。金属固态相变金属固态相变片间距越小，浓度梯度越大。金属固态相变奥氏体等温形成时，片状珠光体比粒状的快。奥氏体等温形成时，片状珠光体比粒状的快。?试验表明，碳化物呈片状时，奥氏体的等温形成速度较粒状的快。如图 413。?金属固态相变金属固态相变奥氏体等温形成时，片状珠光体比粒状的快。?试验表明，碳化物呈?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。碳原子扩散距离也较短。金属固态相变金属固态相变?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（4）合金元素的影响）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。金属固态相变金属固态相变（4）合金元素的影响?对扩散系数的影响?强碳化物形成元素，?合金元素改变临界点位置?合金元素改变了钢的临界点的位置，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。金属固态相变金属固态相变?合金元素改变临界点位置?合金元素改变了钢的临界点的位置，?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，相对均匀化时间也较长。金属固态相变金属固态相变?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，2.4 连续加热时奥氏体的形成特征连续加热时奥氏体的形成特征2.4 连续加热时奥氏体的形成特征?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。?珠光体转变为奥氏体将吸收相变潜热。?钢在升温过程中也不断吸收热量。金属固态相变金属固态相变?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。?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。?连续加热转变有一定特征1相变是在一个温度范围内完成的2奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大3奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化金属固态相变金属固态相变?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1 相变是在一个温度范围内完成的相变是在一个温度范围内完成的?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。图415 0.85%C钢在不同加热速度下的加热曲线连续加热、平衡加热的热分析曲线示意图金属固态相变1 相变是在一个温度范围内完成的?钢在连续加热时，奥氏体在一2 奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大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。金属固态相变金属固态相变2 奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大?在快速加热情况下加热速度和淬火温度对加热速度和淬火温度对40钢奥氏体内高钢奥氏体内高碳区最高碳浓度的影响。碳区最高碳浓度的影响。在实际生产中，可能因为加热速度快，保温实际短，而导致亚共析钢淬火后得到碳含量低于平均成分的马氏体。在共析钢、高碳钢中，可能出现碳含量低于共析成分的低碳马氏体、中碳马氏体及剩余碳化物等。这有助于淬火钢的韧化。?淬火温度一定时，随着加热速度增大，?奥氏体中的碳含量差别增大?剩余碳化物的数量也增多?奥氏体的平均碳含量降低。金属固态相变金属固态相变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。在3、奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化、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。金属固态相变金属固态相变3、奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化?快速加热时，相变过结论：结论：?（1）在连续加热时，随着加热速度的增大，奥氏体化温度升高，初始奥氏体晶粒较细；?（2）剩余碳化物的数量会增多，故奥氏体中的碳含量较低；?（3）碳、合金元素浓度分布不均匀性变大。?这些因素均影响奥氏体过冷转变产物的组织和性能。金属固态相变金属固态相变结论：?（1）在连续加热时，随着加热速度的增大，奥氏体化温度2.5 奥氏体晶粒长大奥氏体晶粒长大2.5 奥氏体晶粒长大1、奥氏体晶粒长大现象、奥氏体晶粒长大现象?加热温度、时间对0.48%C,0.82%Mn 钢奥氏体晶粒大小的影响金属固态相变金属固态相变1、奥氏体晶粒长大现象?加热温度、时间对0.48%C,0.8图231 18Cr2Ni4WA 钢的奥氏体晶粒的长大(a)950，（b）1000，（c）1100，（d）1200 金属固态相变金属固态相变图231 18Cr2Ni4WA钢的奥氏体晶粒的长大(a)9图图4-19奥氏体晶粒直径与加热温度的关系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钢加热时间一定时，奥氏体晶粒大小与温度之间的关系如图216所示。图中曲线1，不含铝的C-Mn钢的长大曲线，和曲线2在小于1100时，随着加热温度升高，奥氏体晶粒不断长大，此称为正常长大。而曲线2为含Nb-N钢，当温度高于1100，继续加热，晶粒急剧突然长大，此称异常长大。该温度称为奥氏体的晶粒粗化温度。金属固态相变金属固态相变图4-19奥氏体晶粒直径与加热温度的关系1不含铝的C-Mn2、奥氏体晶粒长大驱动力界面能?长大方式：大吃小，凹吃凸金属固态相变2、奥氏体晶粒长大驱动力界面能?长大方式：大吃小，凹吃凸金3、硬相微粒对奥氏体晶界的扎钉作用、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。?如果在奥氏体晶界上有一个硬相微粒，设为球形，半径为r，如图419所示。金属固态相变金属固态相变3、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、?如果在奥氏体晶界上有一个硬相微粒，设为球形，半径为r，如图420所示。金属固态相变金属固态相变?如果在奥氏体晶界上有一个硬相微粒，设为球形，半径为r，如图?由于晶界向前移动，如图中所示，晶界从原位置位移到新位置，则造成晶界的弯曲、变长，增加了相界面面积为S，晶界能发生变化，故界面能升高为S。?这是一个非自发过程，所以，晶界受到了一定的移动阻力，使移动趋于困难。金属固态相变金属固态相变?由于晶界向前移动，如图中所示，晶界从原位置位移到新位置，则晶界弯曲的几何证明如下：晶界弯曲的几何证明如下：?在晶界与微粒的交点处，三个界面处于平衡状态时，则有：?因此，相1sin?2sin?相21?金属固态相变金属固态相变晶界弯曲的几何证明如下：?在晶界与微粒的交点处，三个界面处于?即晶界与微粒相界面应当垂直，那么离开微粒的晶界必然弯曲。这使得奥氏体交界面面积增加，使能量升高，等于阻止晶界右移，相当于有一个阻力 G作用于奥氏体晶界。金属固态相变金属固态相变?即晶界与微粒相界面应当垂直，那么离开微粒的晶界必然弯曲。这?设晶界从位移到位，晶界暂停移动，处于平衡态，那么，阻力的大小必须等于界面总张力在水平方向上的分力，即与在水平方向的分力相平衡。?微粒与晶粒相接触的周界长度金属固态相变金属固态相变?设晶界从位移到位，晶界暂停移动，处于平衡态，那么，阻力?则在水平方向上的分力:?F分金属固态相变金属固态相变?则在水平方向上的分力:?F分金属固态相变可见，可见，F分是分是的函数：的函数：?得：设单位体积中有N个半径为r的微粒，所占的体积分数为?，则可以证明最大阻力：金属固态相变可见，F分是的函数：?得：设单位体积中有N个半径为r的微粒，?当，时，?最大阻力Gm=?如果是一个微粒，其半径r愈小，则对晶界移动的阻力愈大。?钢中往往存在较多的弥散的硬相微粒，当其体积分数?一定时，微粒越细，半径r越小，晶界移动的阻力越大。微粒所占的体积分数?越大，对晶界移动的阻力也越大。090?045?rf23?金属固态相变金属固态相变?当，时，?最大阻力Gm=?如果是一个微粒，其半径r愈小，4 影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素?奥氏体晶粒长大是界面迁移的过程，实质上是原子扩散的过程。它必将受到加热温度、保温时间、加热速度、钢的成分和原始组织以及沉淀颗粒的性质、数量、大小、分布等因素的影响。金属固态相变金属固态相变4 影响奥氏体晶粒长大的因素?奥氏体晶粒长大是界面迁移的过程1)加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响加热温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒愈粗大。每一个温度下，晶粒都有一个加速长大期，当晶粒长大到一定大小后，晶粒长大趋势变缓，最后停止长大。加热温度愈高，晶粒长大愈快。较为细小的奥氏体晶粒，必须同时控制加热温度和保温时间。较低温度下保温时，时间因素影响较小。加热温度高时，保温时间的影响变大。升高加热温度时，保温时间应当相应缩短。金属固态相变金属固态相变1)加热温度和保温时间的影响加热温度愈高，保温时间愈长，2)化学成分的影响化学成分的影响?钢中的碳含量增加时，碳原子在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度均增加。故奥氏体晶粒长大倾向变大。在不含有过剩碳化物的情况下，奥氏体晶粒容易长大。?钢中含有特殊碳化物形成元素时，如Ti、V、Al、Nb等，形成熔点高、稳定性强、不易聚集长大的碳化物、氮化物，颗粒细小，弥散分布，阻碍晶粒长大。合金元素W、Mo、Cr的碳化物较易溶解，但也有阻碍晶粒长大的作用。Mn、P元素有增大奥氏体晶粒长大的作用。金属固态相变金属固态相变2)化学成分的影响?钢中的碳含量增加时，碳原子在奥氏体中的图218 34CrNi3MoV 钢奥氏体晶粒，OM?在实际生产中，为了细化奥氏体晶粒，多用铝脱氧，生成大量AlN，以阻碍奥氏体晶粒长大。加入微量的Nb、V、Ti等合金元素，形成弥散的NbC、VC、TiC等细小颗粒，也能阻碍奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒的目的。图218所示为34CrNi3MoV钢淬火后的原奥氏体晶粒。金属固态相变金属固态相变图218 34CrNi3MoV钢奥氏体晶粒，OM?在实际2.6 粗大奥氏体晶粒的遗传性及防止措施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。0.1mm原奥氏体晶界?在原始奥氏体晶粒粗大的情况下，若钢以非平衡组织（如马氏体或贝氏体）加热奥氏体化，则在一定的加热条件下，新形成的奥氏体晶粒会继承和恢复原始粗大的奥氏体晶粒。金属固态相变金属固态相变2.6 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34CrNi3MoV钢粗大（1级）奥氏体晶粒0.1mm原奥氏体晶界34CrNi3MoV钢的混晶组织混晶现象混晶即钢中同时存在细晶粒和粗晶粒（1-4级晶粒）的现象。金属固态相变34CrNi3MoV钢粗大（1级）奥氏体晶粒0.1mm原奥氏?为了杜绝这种晶粒异常长大现象，需要以平衡组织进行重新淬火，以避免组织遗传，消除混晶现象。保证组织性能合格。为此，将34CrNi3MoV钢锻件在650去氢退火后，再于700730加热，进行低温退火，使其获得较为平衡的索氏体组织，然后再进行调质，则可避免组织遗传性和混晶现象。?对于容易发生铁素体珠光体转变的合金钢，为了纠正混晶现象，也可以进行完全退火或正火，以便获得平衡的铁素体珠光体组织，然后再进行调质处理，以免产生混晶现象。金属固态相变金属固态相变?为了杜绝这种晶粒异常长大现象，需要以平衡组织进行重新淬火，2.6.1 影响钢组织遗传的因素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。金属固态相变金属固态相变2.6.1 影响钢组织遗传的因素?（1）原始组织的影响?原始2.6.1 影响钢组织遗传的因素影响钢组织遗传的因素?（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。金属固态相变金属固态相变2.6.1 影响钢组织遗传的因素?（2）加热速度的影响?合金2.6.2 控制粗大奥氏体晶粒遗传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。金属固态相变金属固态相变2.6.2 控制粗大奥氏体晶粒遗传?（1）采用退火或高温回火