钢的热处理-奥氏体的形成

§4 奥氏体晶粒
对一般钢来说， 对一般钢来说 ， 虽然在通常使用状 态下组织并不是奥氏体， 态下组织并不是奥氏体 ， 但原来热加 工过程中所形成的奥氏体晶粒大小对 冷却后钢的组织和性能都有重要影响。 冷却后钢的组织和性能都有重要影响 。 因此需要了解奥氏体晶粒的长大规律。 因此需要了解奥氏体晶粒的长大规律 。
钢的热处理原理
第一章 钢的加热转变 奥氏体的形成） （奥氏体的形成）
?
不同温度下铁的几种同素异晶体
A ssessed F e- C p h ase d i ag r am .
Acm Ac3 Ac1
铁碳相图
Fe3C的结构
共析钢冷却时的组织变化
650℃，600℃珠光体显微结构 650℃，600℃珠光体显微结构
或者说，奥氏体是有取向地形核， 或者说，奥氏体是有取向地形核， 在原来一个粗大晶粒范围内形成很多 位向相同的小奥氏体晶粒（ 位向相同的小奥氏体晶粒（有人称它 为晶内织构）， ），由它们构成的集合体 为晶内织构），由它们构成的集合体 伪晶粒）其尺寸、 （伪晶粒）其尺寸、形状与行为和原 来粗大奥氏体晶粒完全相同。 来粗大奥氏体晶粒完全相同。
奥氏体的形成过程（以共析钢为例） 奥氏体的形成过程（以共析钢为例）
1）奥氏体在铁素体/渗碳体界面上形核； ）奥氏体在铁素体 渗碳体界面上形核 渗碳体界面上形核； 2）晶核向铁素体和渗碳体两侧长大； ）晶核向铁素体和渗碳体两侧长大； 3）铁素体完全转变后，剩余的渗碳体继续 ）铁素体完全转变后， 向奥氏体中溶解； 向奥氏体中溶解； 4）奥氏体中碳的扩散均匀化。 ）奥氏体中碳的扩散均匀化。
织（ 共析钢高温奥氏体的显微组织（1000倍） 倍
§3 奥氏体形成的动力学
1、奥氏体等温形成动力学曲线
动力学曲线的做法： 动力学曲线的做法： 将若干小试样以很快的速度加热到Ac1温 度以上不同温度，保温不同时间，测出每 个温度下不同保温时间试样中奥氏体的量。
钢的化学成分对奥氏体形成速度的影响
1）碳含量越高，渗碳体含量越多，与 α相界 ） 碳含量越高， 渗碳体含量越多， 相界 面越大，扩散系数越大，形核率越高； 面越大，扩散系数越大，形核率越高； 2） Cr、 Mo、 W、 V等碳化物形成元素 ， 无 等碳化物形成元素， ） 、 、 、 等碳化物形成元素 论是以固溶的形式存在于铁素体中还是以 合金碳化物的的形式存在于钢中， 合金碳化物的的形式存在于钢中 ， 都阻碍 碳的扩散，降低奥氏体的形成速度。 碳的扩散，降低奥氏体的形成速度。 3）Ni、Co等非碳化物形成元素，加速碳的扩 等非碳化物形成元素， ） 、 等非碳化物形成元素 使奥氏体的形成加速。 散，使奥氏体的形成加速。
534℃，487℃珠光体显微结构
亚共析钢冷却时的组织变化及先共析铁素体的形态
过共析钢冷却时的组织变化
Acm Ac3 Ac1
§1 奥氏体形成的热力学条件
G = VAG + VAG + AAγ
V
相变驱动力 相变阻力项
ε
GV = H TS H Tc S c = 0 H = Tc S c
临界温度T 临界温度 c时，自由能变化为零
3、影响奥氏体形成速度的因素
1）温度（已经讨论过）； ）温度（已经讨论过）； 2）加热速度（本章最后讨论）； ）加热速度（本章最后讨论）； 3）钢的原始组织； ）钢的原始组织； 4）钢的化学成分。 ）钢的化学成分。
钢的原始组织对奥氏体形成速度的影响
细化原始组织， 细化原始组织 ， 增加原始组织中的晶格 畸变及各种缺陷， 将提高系统的自由能， 畸变及各种缺陷 ， 将提高系统的自由能 ， 降低其稳定性， 降低其稳定性 ， 因而增加奥氏体的形核率 和长大速度。 和长大速度 。 例如片状珠光体向奥氏体的 转变速度大于颗粒状珠光体， 转变速度大于颗粒状珠光体 ， 原因是片状 珠光体界面积大。 珠光体界面积大。
T7钢中的奥氏体晶粒 (a)原始状态（粗大奥氏体）；(b)重新退火（晶粒恢复）
组织遗传的原因
原因不十分清楚。一般认为， 原因不十分清楚。一般认为，大量的奥氏 体晶核在粗大晶粒内的位错上（ 体晶核在粗大晶粒内的位错上（以非扩散 方式）形成， 方式）形成，这些位错在晶体取向上与原 组织（马氏体或贝氏体等结晶学有序组织） 组织（马氏体或贝氏体等结晶学有序组织） 有一定的关系， 有一定的关系，在这些位错上形成的奥氏 体核心能紧密地连接在一起，形成形状、 体核心能紧密地连接在一起，形成形状、 尺寸与行为与原奥氏体一致的一个晶粒 又称伪晶粒）。 （又称伪晶粒）。
组织遗传和相遗传的概念
组织遗传： 组织遗传：人们把相变后原始晶粒组织恢
复的现象称为组织遗传。 复的现象称为组织遗传。 相遗传：在加热或冷却时（例如奥氏体 相遗传：在加热或冷却时（ 马氏体或马氏体－奥氏体）， ），转变 －马氏体或马氏体－奥氏体），转变 前的相将其晶体缺陷遗传给转变后的 称为相遗传。 相，称为相遗传。
GV = TS Tc S c ≈ TS c
热力学条件： 热力学条件：奥氏体转变需要一定的过热度
§2 奥氏体的形成机理
奥氏体形成的两种方式： 1）扩散方式 2）非扩散方式
1、扩散方式进行的奥氏体转变
奥氏体的形成符合相变的普遍规律： 奥氏体的形成符合相变的普遍规律 ： 通过 形核长大方式进行。 形核长大方式进行。 临界晶核的形成需要一定的能量起伏和浓 度起伏。 度起伏。 形核地点： 晶界、 亚晶界、 晶体缺陷、 形核地点 ： 晶界 、 亚晶界 、 晶体缺陷 、 非 金属夹杂区域。 金属夹杂区域。 最有利的形核地点： 最有利的形核地点：珠光体中铁素体和渗 碳体的相界面。 碳体的相界面。
形核率和长大速度对奥氏体晶粒大小的影响 过热度增大，形核率和长大速度都增大， 过热度增大 ， 形核率和长大速度都增大 ， 但形核率增加远远大于长大速度的增加， 但形核率增加远远大于长大速度的增加 ， 因此，提高转变温度会使初始晶粒细化。 初始晶粒细化 因此，提高转变温度会使初始晶粒细化。 例如，转变温度由740℃提高到 800℃ ， 奥 800℃ 例如 ， 转变温度由 ℃ 提高到800 氏体的形核率增加270 270倍 长大速度增加41 氏体的形核率增加270倍，长大速度增加41 倍。
奥氏体的非扩散形成及遗传性
如果能阻止钢在加热期间的扩散过程 例如快速加热） 当加热到铁素体－ （ 例如快速加热 ） ， 当加热到铁素体 － 奥氏体平衡温度以上时， 奥氏体平衡温度以上时 ， 铁素体就能自 发地、 瞬间地转变成同成分的奥氏体， 发地 、 瞬间地转变成同成分的奥氏体 ， 也就是说在没有碳化物参与的条件下， 也就是说在没有碳化物参与的条件下 ， 由体心立方改组成面心立方晶格。 然后， 由体心立方改组成面心立方晶格 。 然后 ， 在该温度下继续保温或升温过程中， 在该温度下继续保温或升温过程中 ， 才 发生碳化物向奥氏体中的溶解。 发生碳化物向奥氏体中的溶解。
Fe3C Acm Ac3 Ac1 Cγ-c
γ
Cα-γ
Cγ-α Cα-c
原子在奥氏体内扩散， Cγ-c> Cγ-α ， C原子在奥氏体内扩散 ， 破坏了相 原子在奥氏体内扩散 界面上的平衡浓度，为恢复和保持平衡浓度，渗 界面上的平衡浓度， 为恢复和保持平衡浓度， 碳体和铁素体必需溶解到奥氏体内。 碳体和铁素体必需溶解到奥氏体内。
奥氏体等温形成动力学曲线
这里t表示温度
2、奥氏体等温转变规律
1） 转变初期和转变后期 ， 转变速度最大 ， 转变量 ） 转变初期和转变后期， 转变速度最大， 50％左右时，转变速度最大； ％左右时，转变速度最大； 2） 奥氏体的形成有孕育期 ， 温度越高 ， 孕育期越 ） 奥氏体的形成有孕育期， 温度越高， 短； 3）温度越高，转变所用时间越短。 ）温度越高，转变所用时间越短。 2），3）两点的原因： ） ）两点的原因： （ 1） G大 ； （ 2） 过热度大 ， 临界晶核尺寸小 ， ） 大 ） 过热度大， 临界晶核尺寸小， 浓度起伏低； 浓度起伏低；（3）温度高原子扩散速度快。 ）温度高原子扩散速度快。
细化奥氏体晶粒的方法
1）多次反复奥氏体化； ）多次反复奥氏体化； 2）多次形变； ）多次形变； 3）两相区退火； ）两相区退火； 4）炼钢时用铝脱氧。 ）炼钢时用铝脱氧。
钢的化学成分对奥氏体晶粒的影响
1）如果碳全部溶入奥氏体，碳会提高铁的自 ）如果碳全部溶入奥氏体， 扩散系数， 促进晶界移动， 扩散系数 ， 促进晶界移动 ， 促进奥氏体晶 粒长大； 粒长大； 2）Mn、P等元素促进奥氏体晶粒长大； 等元素促进奥氏体晶粒长大； ） 、 等元素促进奥氏体晶粒长大 3）Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr、Si、Ni、 ） 、 、 、 、 、 、 、 、 、 Cu阻碍奥氏体晶粒长大。 阻碍奥氏体晶粒长大。 阻碍奥氏体晶粒长大
奥氏体形成时的遗传性
在有些情况下， 在有些情况下 ， 将粗大的原始组 以较快速度） 织 （ 以较快速度 ） 加热至临界点以上 发现奥氏体的形核是有取向的。 时 ， 发现奥氏体的形核是有取向的 。 这种有取向形核的结果， 这种有取向形核的结果 ， 使形成的奥 氏体部分地或全部地恢复其原来的粗 大组织。 大组织。