钢的加热转变

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第2章钢的加热转变 (奥氏体的形成)2.1 奥氏体的形成2.2 奥氏体形成机理 2.3 奥氏体形成动力学 2.4 奥氏体晶粒的长大及其控制

第 2 章钢的加热转变钢件在热处理、热加工等循环过程中，其加热温度高于临界点以上时将得到奥氏体组织，而奥氏体晶粒大小、亚结构、成分、均匀性以及是否存在其它相、夹杂物等直接影响钢的最终性能。

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2.1 奥氏体的形成2.1.1 奥氏体的组织结构和性能奥氏体是C原子(多种化学元素)溶入 γ-Fe中构成的固溶体。

奥氏体组织奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在晶粒内有孪晶。转变刚结束时，晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形，保温后晶粒长大，晶粒边界趋向平直化。上一页下一页 6

图2.1 1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织7

奥氏体晶体结构奥氏体为面心立方结构，碳原子位于晶胞八面体的中心或棱边的中点。

图2.2 奥氏体晶胞及碳原子的可能位臵

奥氏体的性能奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高 ↓ 质量体积最小奥氏体的点阵滑移系多 ↓ 塑性好，屈服强度低，易于加工变形上一页下一页

奥氏体具有顺磁性↓

奥氏体钢可作为无磁性钢奥氏体线膨胀系数大 ↓ 奥氏体钢制造热膨胀灵敏的仪表元件奥氏体导热性最差，奥氏体钢加热时，热透慢，加热速度应慢一些。上一页下一页 10

2.1.2 奥氏体的形成条件

驱动力自由能差 ΔGV 即为 P→A转变的驱动力。转变必须远离平衡态，即存在过热度ΔT。图2.3 珠光体和奥氏体自由能与温度的关系

加热和冷却时的临界点加热： A1-Ac1 A3-Ac3 Acm-Acmcm 冷却：A1-Ar1 A3-Ar3 Acm-Arcm图2.4 加热和冷却速度为0.125℃/min时相变点的变动12

2.2 奥氏体形成机理珠光体

奥氏体马氏体

2.2.1 珠光体类组织向奥氏体的转变奥氏体的形核奥氏体优先形核的位置上一页

α/Fe3C界面或珠光体团界面下一页 13

α/Fe3C界面形核原因1)易于获得所需的浓度起伏。 2 )易于获得所需的结构起伏。在两相界面处，原子排列不规则，铁原子有可能通过短程扩散，由母相点阵向新相点阵转移，满足形核所需的结构。

3 )易于获得所需的能量起伏。新相形核时可消除部分晶体缺陷，使系统的自由能降低，产生的应变能也易于借助相界 ( 晶界 ) 流变而释放。上一页下一页14

奥氏体晶核长大奥氏体的长大过程是γ/α和γ/Fe3C两个相界面向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程。

A+F

A+Fe3C

图2.5 共析钢奥氏体晶核长大 (a) T1温度下各相中C的浓度 (b) 相界面的推移 15

奥氏体中的碳浓度差是相界面推

移的驱动力，相界面推移的结果是Fe3C不断溶解，α 相逐渐转变为γ相。

剩余碳化物溶解奥氏体长大过程中，由于 Cγ/Fe3C>>Cγ/α, 因此长大中的奥氏体溶解铁素体的速度始终大于溶解渗碳体的速度，故在共析钢中总是铁素体先消失，剩有残余渗碳体。上一页下一页 17

奥氏体成分均匀化残留Fe3C全部溶解后，碳在奥氏体中的分布仍不均匀。继续加热或保温，使碳原子充分扩散，整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。奥氏体的形成过程分为四个阶段： 1奥氏体形核个方向长大氏体均匀化 2奥氏体晶核向F及Fe3C两 3剩余碳化物溶解 4奥

亚共析钢F+PAc1以上

A +F

Ac3以上

过共析钢P +Fe3CAc1以上

Fe3C+A

Accm以上

2.3 奥氏体形成动力学研究奥氏体的转变量与温度和时间的关系。

2.3.1 奥氏体等温形成动力学1. 奥氏体等温形成动力学曲线的建立将若干小试样迅速加热到AC1以上的不同温度，保温不同时间后，迅速水淬；

用金相法测定奥氏体的转变量与时间的关系(实际上是测定奥氏体水淬后转变成马氏体的量与时间的关系)。上一页下一页 22

图2.6 共析钢奥氏体等温形成动力学曲线上一页下一页 23

2. 曲线的特点

奥氏体形成需要一定的孕育期。加热温度愈高，孕育期愈短。等温转变开始阶段，转变速度渐增，在转变量约为50%时最快，之后逐渐减慢。加热温度越高，奥氏体的形成速度越快。因为随着温度的升高，过热度增加，使临界晶核半径减小，所需的浓度起伏也减小。加热温度越高，奥氏体等温形成动力学曲线就越向左移，奥氏体等温形成的开始及终了时间缩短。 24上一页下一页

图2.7 共析钢等温形成动力学图 (Time-Temperature-Austenitization,TTA图)25

3亚共析钢和过共析钢碳钢奥氏体等温形成图

(b)亚共析钢(WC0.45%) (a)过共析钢(WC1.2% )奥氏体等温形成图

奥氏体等温形成图

2.3.2 连续加热时奥氏体形成动力学与等温转变相比,其五大特点：在一定加热速度范围内，相变临界点随加热速度增大而向高温移动；相变是在一个温度范围内完成的。加热速度很大时，难以用Fe-Fe3C状态图来判断钢加热时的组织状态; 奥氏体形成速度随加热速度增大而增大。加热速度越快，转变开始和终了的温度就越高，转变所需时间越短；(V1<V2<V3<V4) 图2.8 共析钢连续加热时的奥氏体形成图27

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