第2章 钢的加热转变
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第二章 钢的加热转变
§6-1 奥氏体的形成 §6-2奥氏体形成机理 §6-3奥氏体形成动力学 §6-4奥氏体晶粒长大及控制 §6-5 钢的加热缺陷 本章重点 1. 奥氏体的形成过程 2. 影响奥氏体形成速度及晶粒长大的因素
§1 奥氏体的形成
一、奥氏体的结构 定义 晶体结构 碳所处的可能位置：fcc八面体中心或棱 边中点 溶解度：理论值wc%>实际值？ 碳原子分布不均匀，在A中有浓度起伏 对称点阵畸变， wc%高→点阵常数增大 形貌：等轴状、有孪晶 关于合金A
本质晶粒度
标准试验条件 与冶炼工艺有关 与成分有关
四、影响A晶粒长大的因素
加热温度、时间
高温、长时间，晶粒长大，晶界平直 在某温度下，长大到一定尺寸→停止
加热速度：快速短时，细化晶粒。
随炉升温；到温入炉；高温入炉晶粒大小？
第二相粒子：实验结果及近似处理→足够细、数
量足够多→阻碍A长大
二、马氏体向A的转变
工程意义： 返修；铸造、锻造等连续冷却组织 相变点以上加热： 同时形成针状和球状两种A，机理 形成球状A是主流；针状A是初始阶 段的过渡组织，随后会转变为球状或 合并为粗晶粒（组织遗传）
1、针状A
形核：
板条之间有碳化物→优先在界面形核 板条之间无碳化物→在板条之间形核
三、奥氏体的形成过程 相变温度（临界点）
平衡相变点：A1、A3、Acm 实际加热时的相变点：Ac1、Ac3、Accm 实际冷却时的相变点：Ar1、Ar3、Arcm
形成条件
Ac1、Ac3、Accm以上，有一定的过热度 过热度大，容易形成 实际相变温度与加热速度有关，不是固定值， 加热速度越快， Ac1、Ac3、Accm越高。
f：第二相体积分数 晶粒大小： 返回 D=4r/3f
3 4 πR d σ Δg1dG 1 3 2 σ P 2 V A dx 4 πR dR R
返回
返回
一、A等温加热形成动力学 金相法测定原理：加热A+P→快冷使高 温组织固定→冷却后A转变为M，未转变 的P在此过程中不变化。 A等温加热形成动力学图特点 温度越高，孕育期越短 中期转变速度快，S形 残余碳化物溶解及A均匀化时间长
二、A连续加热形成动力学
A连续加热形成动力学图
建立温度~时间坐标，标 出不同的加热速度曲线 每一种加热速度取10个试 样，分别加热到不同温度 淬火，测定A转变时对应 的温度、时间
§5 钢的加热缺陷
1、欠热：温度低、时间短 措施：重新加热 2、过热：温度高，粗晶粒 措施：重新加热，防止组织遗传 3、过烧：温度太高，晶界氧化、熔化 报废
4、氧化：尺寸、表面变化；性能恶化
与脱碳现象伴生 措施：保护气氛；盐浴；真空加热
5、脱碳：性能恶化
脱碳速度大于氧化速度 措施：保护气氛；盐浴；真空加热
冶炼方法 合金元素的作用各不相同
五、晶粒的控制及生产应用
1、利用Al脱氧细化 2、加细化晶粒合金元素 HSLA钢强化 3、快速加热 4、重结晶细化（正火）
六、控制组织遗传
原则：切断母相与新相的晶体学关系 高温回火或退火→获得平衡组织→再A化 中速加热→获得球状A组织 多次循环加热、冷却→破坏取向关系
二、奥氏体的性能 力学性能
塑性好、强度低。（滑移系？固溶强化效果？） 冷、热加工成形的工程意义？ 可采取的材料强化手段？
物理性能
顺磁性。材料研究方面的应用？ 比容小（致密度？）。热处理应该考虑的问题？ 热膨胀系数大。可以用于热敏功能材料。 导热性能差，加热应注意。加热速度？
化学性能 抗腐蚀；耐热。
加热温度：在Ac1、Ac3附近不出现 加热速度：快速或慢速加热容易出现 组织遗传：针状A与原M板条有位向关系，粗 大组织遗传保留。P原始组织一般没有。 形成机理：有待研究
2、球状A
形核
板条之间 原A晶界上
加热速度：适中时出现
无组织遗传：与P向A转变相似
§3 奥氏体形成动力学
相界形核原因
碳浓度起伏，如 F中高浓度区有利于 向A转变 结构起伏→晶体结构改组容易 能量起伏→杂质、晶体缺陷多→形核→降低界面能、 应变能
2、长大
球化体
A包围碳化物，使碳化物与F分开，A形成F/A 和C/A两个界面，双向推进长大。
片状P
垂直片方向（在A、F中存在碳浓度差，引 起碳在以上两相中的扩散。为维持相界碳浓 度的平衡，原始组织F和碳化物相就会不断 溶解）。示意图 平行片方向（ 体扩散+界面扩散）
一、晶粒与材料性能的关系 Hall-Petch公式：细晶，高强度、高韧性 实际晶粒大小取决于冷却前A晶粒大小 二、晶粒度 评定方法
测定尺寸 对比评级照片 截距法：单位长度上与晶粒相交的数目
三、A晶粒长大的特点
起始晶粒度
刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒度。
实际晶粒度
在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶 粒度。 本质晶粒度 • 用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为 本质晶粒度。 • 采用标准试验方法评定 • 与脱氧剂、合金元素有关
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设晶粒为球形，半径为R： 驱动力P ： 弯曲的晶界平直化，即表面 2σ 张力 P R 阻力F：界面能增加πr2σ πr2σ=F×r ，F= πrσ 总阻力F总= 2rNv × F =2π停止长大条件： 总阻力F总=P，设R=D
f=4/3 πr3 Nv
6、变形：尺寸变化或开裂 措施：控制加热速度，分段预热
小结及作业
奥氏体具有良好的塑性、无磁、耐腐蚀、耐热等性 能，其工程应用于成形、不锈钢、耐热钢等。 钢的奥氏体在加热温度超过 Ac1 以上，有一定的过 热度才形成。实际相变温度滞后平衡临界点。 球、片状珠光体转变为 A 属于扩散相变，由形核、 长大、残余碳化物溶解、成分均匀化四阶段构成。 奥氏体可以以等温和连续加热方式形成。温度、加 热时间、加热速度、原始组织等均影响奥氏体形成 速度。 奥氏体的实际晶粒大小对材料性能有明显影响，细 化奥氏体晶粒是材料强化的重要手段。 作业：2、5、10、16
§2 奥氏体形成的机理
一、珠光体类组织向A的转变 过程 形核→长大→残余碳化物溶解→A的成分 均匀化 珠光体类组织 球化体（球状P=F+球状碳化物） 片状P
1、形核
球化体
优先在晶界的F/碳化物界面上形成 其次在晶内的F/碳化物界面上形成
片状P
优先在P团的界面上形成 其次 在F/碳化物界面上形成
特点
加热温度升高，相变温度 升高 加热速度快，孕育期减少 加热速度快，晶粒细化 成分不均匀
三、A形成动力学的理论处理
1、形核率N：2-1公式 A化温度的影响：
温度↑→相变驱动力↑ → 形核率↑ →形 核率与临界晶核数目、原子碰撞次数 （扩散）成正比 温度↑→原子扩散能力↑ 温度↑→Cγ/α与Cα/γ浓度差↓ →碳浓度 起伏小
垂直片方向→路程短，是主要长大方式→界面迁 移快→平行方向长大速度快
3、残余碳化物的溶解
实验证实F先溶解 F先溶解的原因 晶体结构 碳浓度差异
4、奥氏体成分均匀化
其他钢的奥氏体转变
亚共析钢：P转变为A后，F再 转变 过共析钢：P转变为A后，Fe3C 再转变 低合金钢：P转变与碳钢过程、 机理相同，但进程比较慢，相 变温度高，时间长。
亚共析钢C%↑→ 界面多 → 转变快 过共析钢（半A化）C%↑→ 碳化物多 → 转 变慢
合金元素
改变相变点；影响扩散系数 碳化物稳定性好，A形成速度慢 合金元素自扩散慢，A形成速度慢
原始组织
P 片间距小 → 相界面多 →A化速度↑ 球状P →A化速度↓
§4奥氏体晶粒长大及控制
2、长大速度
温度↑→扩散系数↑ 温度↑→碳在A中的浓度梯度↑ 温度↑→ Cγ/α与Cα/γ和Ccem/ γ 与Cγ/cem浓 度差均↓ → 界面扩散速度↑ 综上所述：温度升高，二者单调升高。 形核率增加更快。
动力学公式适宜定性，定量有误差
四、影响A形成速度的因素
加热温度 ： T↑→ A化速度↑ 加热速度 ： V↑→ 转变温度↑，转变时间↓ 含碳量
§6-1 奥氏体的形成 §6-2奥氏体形成机理 §6-3奥氏体形成动力学 §6-4奥氏体晶粒长大及控制 §6-5 钢的加热缺陷 本章重点 1. 奥氏体的形成过程 2. 影响奥氏体形成速度及晶粒长大的因素
§1 奥氏体的形成
一、奥氏体的结构 定义 晶体结构 碳所处的可能位置：fcc八面体中心或棱 边中点 溶解度：理论值wc%>实际值？ 碳原子分布不均匀，在A中有浓度起伏 对称点阵畸变， wc%高→点阵常数增大 形貌：等轴状、有孪晶 关于合金A
本质晶粒度
标准试验条件 与冶炼工艺有关 与成分有关
四、影响A晶粒长大的因素
加热温度、时间
高温、长时间，晶粒长大，晶界平直 在某温度下，长大到一定尺寸→停止
加热速度：快速短时，细化晶粒。
随炉升温；到温入炉；高温入炉晶粒大小？
第二相粒子：实验结果及近似处理→足够细、数
量足够多→阻碍A长大
二、马氏体向A的转变
工程意义： 返修；铸造、锻造等连续冷却组织 相变点以上加热： 同时形成针状和球状两种A，机理 形成球状A是主流；针状A是初始阶 段的过渡组织，随后会转变为球状或 合并为粗晶粒（组织遗传）
1、针状A
形核：
板条之间有碳化物→优先在界面形核 板条之间无碳化物→在板条之间形核
三、奥氏体的形成过程 相变温度（临界点）
平衡相变点：A1、A3、Acm 实际加热时的相变点：Ac1、Ac3、Accm 实际冷却时的相变点：Ar1、Ar3、Arcm
形成条件
Ac1、Ac3、Accm以上，有一定的过热度 过热度大，容易形成 实际相变温度与加热速度有关，不是固定值， 加热速度越快， Ac1、Ac3、Accm越高。
f：第二相体积分数 晶粒大小： 返回 D=4r/3f
3 4 πR d σ Δg1dG 1 3 2 σ P 2 V A dx 4 πR dR R
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一、A等温加热形成动力学 金相法测定原理：加热A+P→快冷使高 温组织固定→冷却后A转变为M，未转变 的P在此过程中不变化。 A等温加热形成动力学图特点 温度越高，孕育期越短 中期转变速度快，S形 残余碳化物溶解及A均匀化时间长
二、A连续加热形成动力学
A连续加热形成动力学图
建立温度~时间坐标，标 出不同的加热速度曲线 每一种加热速度取10个试 样，分别加热到不同温度 淬火，测定A转变时对应 的温度、时间
§5 钢的加热缺陷
1、欠热：温度低、时间短 措施：重新加热 2、过热：温度高，粗晶粒 措施：重新加热，防止组织遗传 3、过烧：温度太高，晶界氧化、熔化 报废
4、氧化：尺寸、表面变化；性能恶化
与脱碳现象伴生 措施：保护气氛；盐浴；真空加热
5、脱碳：性能恶化
脱碳速度大于氧化速度 措施：保护气氛；盐浴；真空加热
冶炼方法 合金元素的作用各不相同
五、晶粒的控制及生产应用
1、利用Al脱氧细化 2、加细化晶粒合金元素 HSLA钢强化 3、快速加热 4、重结晶细化（正火）
六、控制组织遗传
原则：切断母相与新相的晶体学关系 高温回火或退火→获得平衡组织→再A化 中速加热→获得球状A组织 多次循环加热、冷却→破坏取向关系
二、奥氏体的性能 力学性能
塑性好、强度低。（滑移系？固溶强化效果？） 冷、热加工成形的工程意义？ 可采取的材料强化手段？
物理性能
顺磁性。材料研究方面的应用？ 比容小（致密度？）。热处理应该考虑的问题？ 热膨胀系数大。可以用于热敏功能材料。 导热性能差，加热应注意。加热速度？
化学性能 抗腐蚀；耐热。
加热温度：在Ac1、Ac3附近不出现 加热速度：快速或慢速加热容易出现 组织遗传：针状A与原M板条有位向关系，粗 大组织遗传保留。P原始组织一般没有。 形成机理：有待研究
2、球状A
形核
板条之间 原A晶界上
加热速度：适中时出现
无组织遗传：与P向A转变相似
§3 奥氏体形成动力学
相界形核原因
碳浓度起伏，如 F中高浓度区有利于 向A转变 结构起伏→晶体结构改组容易 能量起伏→杂质、晶体缺陷多→形核→降低界面能、 应变能
2、长大
球化体
A包围碳化物，使碳化物与F分开，A形成F/A 和C/A两个界面，双向推进长大。
片状P
垂直片方向（在A、F中存在碳浓度差，引 起碳在以上两相中的扩散。为维持相界碳浓 度的平衡，原始组织F和碳化物相就会不断 溶解）。示意图 平行片方向（ 体扩散+界面扩散）
一、晶粒与材料性能的关系 Hall-Petch公式：细晶，高强度、高韧性 实际晶粒大小取决于冷却前A晶粒大小 二、晶粒度 评定方法
测定尺寸 对比评级照片 截距法：单位长度上与晶粒相交的数目
三、A晶粒长大的特点
起始晶粒度
刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒度。
实际晶粒度
在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶 粒度。 本质晶粒度 • 用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为 本质晶粒度。 • 采用标准试验方法评定 • 与脱氧剂、合金元素有关
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设晶粒为球形，半径为R： 驱动力P ： 弯曲的晶界平直化，即表面 2σ 张力 P R 阻力F：界面能增加πr2σ πr2σ=F×r ，F= πrσ 总阻力F总= 2rNv × F =2π停止长大条件： 总阻力F总=P，设R=D
f=4/3 πr3 Nv
6、变形：尺寸变化或开裂 措施：控制加热速度，分段预热
小结及作业
奥氏体具有良好的塑性、无磁、耐腐蚀、耐热等性 能，其工程应用于成形、不锈钢、耐热钢等。 钢的奥氏体在加热温度超过 Ac1 以上，有一定的过 热度才形成。实际相变温度滞后平衡临界点。 球、片状珠光体转变为 A 属于扩散相变，由形核、 长大、残余碳化物溶解、成分均匀化四阶段构成。 奥氏体可以以等温和连续加热方式形成。温度、加 热时间、加热速度、原始组织等均影响奥氏体形成 速度。 奥氏体的实际晶粒大小对材料性能有明显影响，细 化奥氏体晶粒是材料强化的重要手段。 作业：2、5、10、16
§2 奥氏体形成的机理
一、珠光体类组织向A的转变 过程 形核→长大→残余碳化物溶解→A的成分 均匀化 珠光体类组织 球化体（球状P=F+球状碳化物） 片状P
1、形核
球化体
优先在晶界的F/碳化物界面上形成 其次在晶内的F/碳化物界面上形成
片状P
优先在P团的界面上形成 其次 在F/碳化物界面上形成
特点
加热温度升高，相变温度 升高 加热速度快，孕育期减少 加热速度快，晶粒细化 成分不均匀
三、A形成动力学的理论处理
1、形核率N：2-1公式 A化温度的影响：
温度↑→相变驱动力↑ → 形核率↑ →形 核率与临界晶核数目、原子碰撞次数 （扩散）成正比 温度↑→原子扩散能力↑ 温度↑→Cγ/α与Cα/γ浓度差↓ →碳浓度 起伏小
垂直片方向→路程短，是主要长大方式→界面迁 移快→平行方向长大速度快
3、残余碳化物的溶解
实验证实F先溶解 F先溶解的原因 晶体结构 碳浓度差异
4、奥氏体成分均匀化
其他钢的奥氏体转变
亚共析钢：P转变为A后，F再 转变 过共析钢：P转变为A后，Fe3C 再转变 低合金钢：P转变与碳钢过程、 机理相同，但进程比较慢，相 变温度高，时间长。
亚共析钢C%↑→ 界面多 → 转变快 过共析钢（半A化）C%↑→ 碳化物多 → 转 变慢
合金元素
改变相变点；影响扩散系数 碳化物稳定性好，A形成速度慢 合金元素自扩散慢，A形成速度慢
原始组织
P 片间距小 → 相界面多 →A化速度↑ 球状P →A化速度↓
§4奥氏体晶粒长大及控制
2、长大速度
温度↑→扩散系数↑ 温度↑→碳在A中的浓度梯度↑ 温度↑→ Cγ/α与Cα/γ和Ccem/ γ 与Cγ/cem浓 度差均↓ → 界面扩散速度↑ 综上所述：温度升高，二者单调升高。 形核率增加更快。
动力学公式适宜定性，定量有误差
四、影响A形成速度的因素
加热温度 ： T↑→ A化速度↑ 加热速度 ： V↑→ 转变温度↑，转变时间↓ 含碳量