第一章-钢的加热转变课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 钢的加热转变（,4,课时）,1-1,奥氏体的形成,奥氏体,的,结构及存在范围,图,1-1,奥氏体的单胞,奥氏体是碳溶于,-Fe,中的间隙固溶体。,碳原子位于八面体间隙中心，即,FCC,晶胞的中心或棱边的中点。,八面体间隙半径,0.52,，碳原子半径,0.77 ,点阵畸变。,第一章 钢的加热转变（4课时）1-1 奥氏体的形成 奥氏,奥氏体相区：,NJESGN,包围的区域,GS,线,-A,3,线,ES,线,-A,cm,线,PSK,线,-A,1,线,碳在奥氏体中的最大溶解度为,2.11wt%,。,碳原子的溶入使,-Fe,的点阵畸变，点阵常数随碳含量的增加而增大。,图,1-2 Fe-Fe,3,C,相图,奥氏体相区：NJESGN包围的区域图1-2 Fe-F,奥氏体的性能,奥氏体的比容最小，线膨胀系数最大，且为顺磁性（无磁性）。利用这一特性可以定量分析奥氏体含量，测定相变开始点，制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。,奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避免工件的变形，不宜采用过大的加热速度。,奥氏体塑性很好，屈服强度,S,较低，易于塑性变形。故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。,奥氏体的性能,奥氏体形成的热力学条件,图,1-3,自由能和温度关系图,G=,V Gv+S+V,-Gd (1-1),-Gd-,在晶体缺陷处形核引起的自由能降低,相变必须在一定的过热度,T,下，使得,G,V,0,，才能得到,G C,r-,，浓度差,dC=,C,r-k,-,C,r-,将在奥氏体内产生扩散,C,r-,C,r-,；,C,r-k,C,r-k,相界面上的平衡浓度被打破。,为了恢复并维持相界面上的平衡浓度,点阵重构,，向,方向长大，,C,r-,C,r-,Fe,3,C,向,中溶解，向,Fe,3,C,方向长大，,C,r-k,C,r-k,（2）奥氏体的长大C%图1-7 相界面上的碳浓度及扩散dC,奥氏体晶核的长大速度与碳在奥氏体中的浓度梯度成正比，而与相界面上的碳浓度差成反比。,由于,/Fe,3,C,相界面的碳浓度差,C,k,较大，,Fe,3,C,本身复杂的晶体结构，使得奥氏体向渗碳体方向的长大速度远比向铁素体方向为小，所以铁素体向奥氏体的转变比渗碳体的溶解要快得多，铁素体先消失，而渗碳体有剩余。,奥氏体晶核的长大速度与碳在奥氏体中的浓度梯度成正比，而与相界,（,3,）剩余渗碳体的溶解,剩余渗碳体借助于,Fe,、,C,原子的扩散进一步溶解。,（,4,）奥氏体成分的均匀化,原渗碳体部位的碳浓度高，原铁素体部位的碳浓度低。,通过,Fe,、,C,原子在新形成奥氏体中的扩散，实现奥氏体成分的均匀化。,（3）剩余渗碳体的溶解,马氏体向奥氏体的转变,非平衡组织奥氏体化，加热温度,A,c1,或,A,c3,以上。,马氏体板条之间奥氏体以针状形核；板条束之间奥氏体以球状形核。针状奥氏体只是奥氏体初始阶段的一种过渡性组织形态，随继续保温或升温通过再结晶变成球状奥氏体，或,合并,成大晶粒奥氏体。,组织遗传：指钢加热后得到的奥氏体晶粒就是前一次奥氏体化时得到的晶粒。,若原奥氏体组织粗大，这种遗传极为有害。,图,1-8,针状奥氏体晶粒合并长大示意图,马氏体向奥氏体的转变图1-8 针状奥氏体晶粒合并长大示意图,1-3,奥氏体形成的动力学,形核率,为了满足形核的热力学条件，需依靠能量起伏，补偿临界晶核形核功，所以形核率应与获得能量涨落的几率因子,exp(-,G,*,/kT),成正比。,为了达到奥氏体晶核对成分的要求，需要原子越过能垒，经扩散富集到形核区，所以应与原子扩散的几率因子,exp(-Q/kT),成正比。,1-3 奥氏体形成的动力学形核率 为了满足形核的热力,N=C exp(-,G,*,/kT)exp(-Q/kT)(1-2),式中,:C-,常数,G,*,-,临界形核功,Q -,扩散激活能,k -,波尔兹曼常数，,=1.38X10,-23,J/K,T -,绝对温度,N-,形核率，单位,1/(mm,3,s),PA,的相变，是在升高温度下进行的相变。,温度升高时，,G,*,，,Q,，从而形核率,N,增大。,N=C exp(-G*/kT)exp(-Q/kT),奥氏体线长大速度,碳在奥氏体中的扩散系数,D=D,0,exp(-Q/RT),G-,长大线速度，单位,mm/s,温度,升高,时，,D,dC ,C,C,k,从而线长大速度,G,增大。,奥氏体线长大速度 碳在奥氏体中的扩散系数 D=D0exp,奥氏体等温形成动力学曲线,设新形成的奥氏体为球状，则由约翰逊,-,迈尔方程（,Johnson-Mehl,方程,),：,转变量达,50%,左右时，转变速度最大。,转变温度越高，奥氏体形成的孕育期越短。,转变温度越高，完成转变所需的时间越短。,奥氏体等温形成动力学曲线 设新形成的奥氏体为球状，则由约翰,图,1-9,奥氏体等温形成动力学曲线（等温,TTA,图）,形成温度升高，,N,的增长速率高于,G,的增长速率，,N/G,增大，可获得细小的起始晶粒度。,形成温度升高，,G,/G,k,增大，铁素体消失时，剩余渗碳体量增大，形成奥氏体的平均碳含量降低。,图1-9 奥氏体等温形成动力学曲线（等温TTA图）形成,连续加热时奥氏体形成动力学,图,1-10,珠光体向奥氏体转变,动力学曲线,(TTA,图）,奥氏体形成是在一个温度范围内完成的。,随加热速度增大，转变趋向高温，且转变温度范围扩大，而转变速度则增大。,随加热速度增大，,C,，,Fe,原子来不及扩散，所形成的奥氏体成分不均匀性增大。,快速加热时，奥氏体形成温度升高，可引起奥氏体起始晶粒细化；同时，剩余渗碳体量也增多，形成奥氏体的平均碳含量降低。,连续加热时奥氏体形成动力学图1-10 珠光体向奥氏体转变,影响奥氏体形成速度的因素,除转变温度和加热速度外，还有：,（,1,）钢的原始组织状态,原始组织越细，晶体缺陷越多，奥氏体转变 过程越快。,片状珠光体快于粒状珠光体。,影响奥氏体形成速度的因素 除转变温度和加热速度外，还有：,（,2,）钢的化学成分,含碳量越高，渗碳体与铁素体的总相界面积越大，,Fe,、,C,原子扩散系数增大，从而增高,N,和,G,，形成速度增大。,碳化物形成元素,Cr,，,W,，,Mo,，,V,，阻碍碳的扩散，降低形成速度。,非碳化物形成元素,Ni,，,Co,，加速碳的扩散，增大形成速度。,Mn,，,Ni,降低钢的临界点，细化原珠光体组织，增大形成速度。,（2）钢的化学成分 含碳量越高，渗碳体与铁素体的总相界面积,1-4,奥氏体晶粒的长大及其控制,研究奥氏体长大的必要性,奥氏体晶粒大小直接影响室温组织尺寸。,组织大小对屈服强度的影响遵循,Hall-Petch,关系。,细小组织可降低钢的韧脆转化温度。,对性能影响最大的组织因素是奥氏体的晶粒大小。,1-4 奥氏体晶粒的长大及其控制研究奥氏体长大的必要性,奥氏体晶粒度,奥氏体晶粒大小用晶粒度表示，通常分为,8,级，,1,级最粗，,8,级最细，,8,级以上为超细晶粒。,晶粒度级别与晶粒大小的关系,n=2,N-1,(1-5),n-X100,倍时，晶粒数,/in,2,（相当,645.16mm,2,),N-,晶粒度级别,晶粒度级别与平均截距的关系,N=-3.2877-6.6439lgl (1-6),奥氏体晶粒度,图,1-11 X100,倍 晶粒度,11,10,15.6,9,22,8,31,7,44,6,62,5,88,4,125,3,177,2,250,1,d(,m),N,图1-11 X100倍 晶粒度111015.6922,奥氏体晶粒度有三种：,初始晶粒度,-,奥氏体形成刚结束，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。初始晶粒一般很细小，大小不均，晶界弯曲。,实际晶粒度,-,钢经热处理后所获得的实际奥氏体晶粒大小。,本质晶粒度,-,表示钢在一定加热条件下奥氏体晶粒,长大的倾向性。,在,93010,，保温,38,小时后测定：,14,级,-,本质粗晶粒钢,(,硅脱氧的钢），晶粒容易长大。,58,级,-,本质细晶粒钢,(,铝脱氧的钢，,AlN),，晶粒不容,易长大。,奥氏体晶粒度有三种：本质晶粒度-表示钢在一定加,奥氏体晶粒长大机制,晶粒长大的驱动力,驱动力来自总的晶界能的下降。,对于球面晶界，有一指向曲率中心的驱动力,P,作用于晶界。,R,P,图,1-12,球面晶界长大,驱动力示意图,奥氏体晶粒长大机制RP图1-12 球面晶界长大,图,1-13,大晶粒吃掉小晶粒示意图,(,箭头表示晶界迁移方向,),图,1-14,晶粒大小均匀一致时稳定的二维结构,图1-13 大晶粒吃掉小晶粒示意图(箭头表示晶界迁移方向),图,1-15,顶角均为,120,0,的,多边形晶粒,图,1-16,三维晶粒的稳定形状,-Kelvin,正十四面体,图1-15 顶角均为1200 的图1-16 三维晶粒的稳定形,图,1-17,大晶粒和小晶粒的几何关系,为保持三晶界交会处的界面张力平衡，交会处的面角应为,120,o,，晶界将弯曲成曲率中心在小晶粒一侧的曲面晶界。,大晶粒将吃掉小晶粒，使总晶界面积减少，总的界面能降低。,图1-17 大晶粒和小晶粒的几何关系 为保持三晶界交会处,第一章-钢的加热转变课件,由式（,1-8,）可知：,当第二相微粒所占的体积分数,f,一定时，第二相粒子越细小（,r,越小），提供的对晶界迁移的总阻力越大。,反之，当第二相微粒粗化时，对晶界迁移的总阻力将会变小。,由式（1-8）可知：,图,1-19,奥氏体晶粒长大过程,(3),奥氏体晶粒长大过程,孕育期：温度愈高，孕育期愈短。,不均匀长大期：粗细晶粒共存。,均匀长大期：细小晶粒被吞并后，缓慢长大。,图1-19 奥氏体晶粒长大过程(3)奥氏体晶粒长大过程,第一章-钢的加热转变课件,图,1-20,奥氏体晶粒大小与加热温度、保温时间的关系,随加热温度升高，奥氏体晶粒长大速度成指数关系迅速增大。,加热温度升高时，保温时间应相应缩短，这样才能获得细小的奥氏体晶粒。,图1-20 奥氏体晶粒大小与加热温度、保温时间的关系 随,（,2,）加热速度的影响,加热速度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率与长大速度之比（,N/G,）,随之增大，可以获得细小的起始晶粒度。,快速加热并且短时间保温可以获得细小的奥氏体晶粒度。,如果此时长时间保温，由于起始晶粒细小，加上实际形成温度高，奥氏体晶粒很容易长大。,（2）加热速度的影响 加热速度越大，奥氏体的实际形成温度越,（,3,）钢的碳含量的影响,碳在固溶于奥氏体的情况下，由于提高了铁的自扩散系数，将促进晶界的迁移，使奥氏体晶粒长大。共析碳钢最容易长大。,当碳以未溶二次渗碳体形式存在时，由于其阻碍晶界迁移，所以将阻碍奥氏体晶粒长大。过共析碳钢的加热温度一般选在,A,c1,-A,ccm,两相区，目的就是保留一定的残留渗碳体。,（3）钢的碳含量的影响,（,4,）合金元素的影响,Mn,，,P,促进奥氏体晶粒长大：,Mn-,在奥氏体晶界偏聚，提高晶界能；,P -,在奥氏体晶界偏聚，提高铁的自扩散系数。,强碳氮化物形成元素,Ti,，,Nb,，,V,形成高熔点难溶碳氮化物（如,TiC,，,NbN,），阻碍晶界迁移，细化奥氏体晶粒。,Al Ti Zr V W Mo Cr Si Ni Cu,阻碍作用强 阻碍作用弱,（4）合金元素的影响 Mn，P 促进奥氏体晶粒长大：阻碍,图,1-21,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,（,5,）,冶炼方法,用,Al,脱氧，可形成,AlN,-,本质细晶粒钢,用,Si,、,Mn,脱氧,-,本质粗晶粒钢,图1-21 奥氏体晶粒直径与加热温度的关系（5）冶炼方法,奥氏体晶粒大小的控制及其在生产中的应用,利用,AlN,颗粒细化晶粒。重要的钢都用铝脱氧。,利用过渡族金属的碳化物,(,如,TiC,，,NbC,等）细化晶,粒。如工具钢、高强度低,合金钢（,High Strength,Low Alloy Steel