奥氏体的形成.ppt
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复杂斜方
γ
0.77 FCC
? 形核位置
α/Fe3C相界面上 优先
鉴于相变对 成分、结构以及能量 的要求，晶核将在 α/Fe3C相界面上优先形成，这是由于：
①相界面形核，可以消除部分晶体缺陷而使体系的 自由能降低，有利于相变对能量的要求。
②相界面两边的碳浓度差大，较易获得与新相奥氏 体相适配的碳浓度，况且碳原子沿界面扩散较晶 内为快，从而加速了奥氏体的形核。
? C? ? K ? CK?? ? C? ? K ? ? ? / Fe3C界面上的碳浓度差
? 由式（ 2-2）可知，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 γ/Fe3C相界面的碳浓度差 ?Cγ? k 较 大， Fe3C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。
? 奥氏体塑性很好， σS 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。
2.1.3 奥氏体形成的热力学条件
?G = V ?Gv + S σ+ εV - ?Gd
- ?Gd ---- 在晶体缺陷处形核 引起的自由能降低
(2-1)
?相变必须在一定的 过热
度?T下，使得 ?GV <0，才 能得到 ?G<0。所以相变必
C% dC
dx
图2-7 相界面上的碳浓度及扩散
① 奥氏体在α/Fe3C相界面上形核后，将产生三相平衡， 产 生 γ/Fe3C 和 r/α两个相界面。
② Cr-k > Cr-α ，浓度差 dC = Cr-k - Cr-α 将在奥氏体内产生扩散
Cr-α↑ → Cr-α'
；
Cr-k ↓→ Cr-k'
相界面上的平衡浓度被打破
须在高于 A1 的某一温度下 才能发生，奥氏体才能开
始形核。
图2-3 自由能和温度关系图
? 加热时临界点 加注c ：
Ac1 Ac3 Accm
? 冷却时临界点 加注r ：
Ar1 Ar3 Arcm
图2-4 以0.125℃/min加热和冷却时， Fe-C相图中临界点的移动
2.1.4 奥氏体的形成机理
? 奥氏体的形成为形核长大、扩散型相变
?碳原子的溶入使 γ-Fe 的点阵畸变，点阵常数 随碳含量的增加而增大
图2-2 Fe-C 相图
2.1.2 奥பைடு நூலகம்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。
? 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。
根据公式（ 2－2）
GF/GFe3C = ?C γ-Fe3C / ?C γ-α 在780 ℃时， ?C γ-Fe3C ＝6.69－0.89
?Cγ-α ＝0.41－0.02
∴ GF/GFe3C ≈ 14.8
但通常片状 P的厚度是 Fe3C的7倍， 因此总是： 铁素体先消失，而渗碳体有剩余。
（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。
第二章 奥氏体的形成
热处理： 是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的
组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
? 为简明表示热处理的 基本工艺过程，通常 用温度—时间坐标绘 出热处理工艺曲线。
2.1 奥氏体及其形成机理
2.1.1 奥氏体的结构及其存在范围
? 奥氏体是碳溶于 γ-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
图2-1 奥氏体的单胞
?奥 氏 体 相 区 ： NJESGN包围的区域
GS线 ---- A3线 ES线 ---- Acm线 PSK线 ---- A1线
? 碳在奥氏体中的最大 溶 解 度 为 2.11wt% (10at%)
? 奥氏体的形成过程可分成四个阶段： （1）奥氏体的形核 （2）奥氏体的长大 （3）渗碳体的溶解 （4）奥氏体的均匀化
（1） （2） （3）
图2-5 奥氏体形成的四个阶段
（4）
（1）奥氏体的形核
? 形核的成分、结构条件
在A1温度（ 727℃）：
C% 结构
α+
0.0218 BCC
Fe 3C 6.69
③ 为了恢复并维持相界面上的平衡浓度 α点阵重构→γ，向α方向长大，Cr-α'↓ → Cr-α Fe3C向γ中溶解，向Fe3C方向长大， Cr-k'↑→ Cr-k
? 奥氏体晶核的长大速度
G ? G? ? ?
? G? ? k
? D dC ? 1 dx ? C? ? ?
? D dC ? 1 dx ? C? ?
k
? D dC ( 1 ? 1 ) dx ? C? ? ? ? C? ? K
(2 ? 2)
其中：D ? ? 碳在 ? 中的扩散系数
dC ? ? 碳在 ? 中的浓度梯度
dx
dC ? Cr? K ? Cr?? ; dx为生成的 ? 小晶粒厚度 ? C? ? ? ? C? ?? ? C? ?? ? ?? / ? 界面上的碳浓度差
（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。
2.2 奥氏体形成的动力学
2.2.1 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。
③相界面处，原子排列较不规则，易于产生结构起 伏，从而由BCC改组成FCC。
（2）奥氏体的长大
dC
dx
?Cr?α
?Cr?k
图2-6 相界面上的碳浓度及扩散
奥氏体形成瞬间成分不均匀的几个 C％
? Cγ：奥氏体的碳浓度，0.77%； ? C γ -α：奥氏体中靠近铁素体一侧含碳量（GS线）； ? C γ -Fe3C：奥氏体中靠近渗碳体一侧含碳量（ES线）； ? C α - γ ：铁素体中靠近奥氏体一侧含碳量（GP线）； ? C α -Fe3C：铁素体中靠近渗碳体一侧含碳量（QP的延长线） ? Fe3C：渗碳体的碳浓度，6.69%
γ
0.77 FCC
? 形核位置
α/Fe3C相界面上 优先
鉴于相变对 成分、结构以及能量 的要求，晶核将在 α/Fe3C相界面上优先形成，这是由于：
①相界面形核，可以消除部分晶体缺陷而使体系的 自由能降低，有利于相变对能量的要求。
②相界面两边的碳浓度差大，较易获得与新相奥氏 体相适配的碳浓度，况且碳原子沿界面扩散较晶 内为快，从而加速了奥氏体的形核。
? C? ? K ? CK?? ? C? ? K ? ? ? / Fe3C界面上的碳浓度差
? 由式（ 2-2）可知，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 γ/Fe3C相界面的碳浓度差 ?Cγ? k 较 大， Fe3C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。
? 奥氏体塑性很好， σS 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。
2.1.3 奥氏体形成的热力学条件
?G = V ?Gv + S σ+ εV - ?Gd
- ?Gd ---- 在晶体缺陷处形核 引起的自由能降低
(2-1)
?相变必须在一定的 过热
度?T下，使得 ?GV <0，才 能得到 ?G<0。所以相变必
C% dC
dx
图2-7 相界面上的碳浓度及扩散
① 奥氏体在α/Fe3C相界面上形核后，将产生三相平衡， 产 生 γ/Fe3C 和 r/α两个相界面。
② Cr-k > Cr-α ，浓度差 dC = Cr-k - Cr-α 将在奥氏体内产生扩散
Cr-α↑ → Cr-α'
；
Cr-k ↓→ Cr-k'
相界面上的平衡浓度被打破
须在高于 A1 的某一温度下 才能发生，奥氏体才能开
始形核。
图2-3 自由能和温度关系图
? 加热时临界点 加注c ：
Ac1 Ac3 Accm
? 冷却时临界点 加注r ：
Ar1 Ar3 Arcm
图2-4 以0.125℃/min加热和冷却时， Fe-C相图中临界点的移动
2.1.4 奥氏体的形成机理
? 奥氏体的形成为形核长大、扩散型相变
?碳原子的溶入使 γ-Fe 的点阵畸变，点阵常数 随碳含量的增加而增大
图2-2 Fe-C 相图
2.1.2 奥பைடு நூலகம்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。
? 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。
根据公式（ 2－2）
GF/GFe3C = ?C γ-Fe3C / ?C γ-α 在780 ℃时， ?C γ-Fe3C ＝6.69－0.89
?Cγ-α ＝0.41－0.02
∴ GF/GFe3C ≈ 14.8
但通常片状 P的厚度是 Fe3C的7倍， 因此总是： 铁素体先消失，而渗碳体有剩余。
（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。
第二章 奥氏体的形成
热处理： 是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的
组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
? 为简明表示热处理的 基本工艺过程，通常 用温度—时间坐标绘 出热处理工艺曲线。
2.1 奥氏体及其形成机理
2.1.1 奥氏体的结构及其存在范围
? 奥氏体是碳溶于 γ-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
图2-1 奥氏体的单胞
?奥 氏 体 相 区 ： NJESGN包围的区域
GS线 ---- A3线 ES线 ---- Acm线 PSK线 ---- A1线
? 碳在奥氏体中的最大 溶 解 度 为 2.11wt% (10at%)
? 奥氏体的形成过程可分成四个阶段： （1）奥氏体的形核 （2）奥氏体的长大 （3）渗碳体的溶解 （4）奥氏体的均匀化
（1） （2） （3）
图2-5 奥氏体形成的四个阶段
（4）
（1）奥氏体的形核
? 形核的成分、结构条件
在A1温度（ 727℃）：
C% 结构
α+
0.0218 BCC
Fe 3C 6.69
③ 为了恢复并维持相界面上的平衡浓度 α点阵重构→γ，向α方向长大，Cr-α'↓ → Cr-α Fe3C向γ中溶解，向Fe3C方向长大， Cr-k'↑→ Cr-k
? 奥氏体晶核的长大速度
G ? G? ? ?
? G? ? k
? D dC ? 1 dx ? C? ? ?
? D dC ? 1 dx ? C? ?
k
? D dC ( 1 ? 1 ) dx ? C? ? ? ? C? ? K
(2 ? 2)
其中：D ? ? 碳在 ? 中的扩散系数
dC ? ? 碳在 ? 中的浓度梯度
dx
dC ? Cr? K ? Cr?? ; dx为生成的 ? 小晶粒厚度 ? C? ? ? ? C? ?? ? C? ?? ? ?? / ? 界面上的碳浓度差
（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。
2.2 奥氏体形成的动力学
2.2.1 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。
③相界面处，原子排列较不规则，易于产生结构起 伏，从而由BCC改组成FCC。
（2）奥氏体的长大
dC
dx
?Cr?α
?Cr?k
图2-6 相界面上的碳浓度及扩散
奥氏体形成瞬间成分不均匀的几个 C％
? Cγ：奥氏体的碳浓度，0.77%； ? C γ -α：奥氏体中靠近铁素体一侧含碳量（GS线）； ? C γ -Fe3C：奥氏体中靠近渗碳体一侧含碳量（ES线）； ? C α - γ ：铁素体中靠近奥氏体一侧含碳量（GP线）； ? C α -Fe3C：铁素体中靠近渗碳体一侧含碳量（QP的延长线） ? Fe3C：渗碳体的碳浓度，6.69%