1钢的加热转变.ppt

（1）磁性： 奥氏体具有顺磁性。可作为无磁钢，如：奥氏体
不锈钢1Cr18Ni9Ti、OCr25Ni20等是无磁钢。 铁素体、马氏体则具有铁磁性。
（2）比容： 在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。可利用这
一点调整残余奥氏体的量，以达到减少淬火工件体积变 大的目的。
（3）膨胀系数： 奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨
数量）； 做图：做出每个温度下奥氏体形成量和保温时间的关系曲线，即得到
了奥氏体等温形成的动力学曲线。
为方便，通常把不同温度下转变 转变相同数量所需时间，综合在温 度和时间坐标系内，这样就得到了 奥氏体等温形成图。
共析碳钢奥氏体等温形成图
（2）奥氏体等温形成的特点
①存在孕育期（从保温开始到转变开始的这段时间称为孕育期）。 在高于AC1温度保温时，奥氏体并不立即形成，而是需要经过
●冷却时的临界温度 用脚标r表示： Ar1、Ar3、Arcm。
Ac1----加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度；
Ar1----冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；
Ac3----加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终 了温度；
Ar3----冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度； Accm----加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了 温度； Arcm----冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度。
● A核的长大的通过以下三个途径进行：
（1）是通过Fe3C的溶解 （2）C原子在A中的扩散 （3）A两侧的界面向F及Fe3C推移来进行的
奥氏体长大的机制解释
根据Fe-Fe3C 相图,在AC1以上某一温度t1形成一奥氏 体晶核。奥氏体晶核形成之后，将产生两个新的相 界面，一个是奥氏体与渗碳体相界面： γ/ Fe3C，另 一个是奥氏体与铁素体相界面γ/α 。
无论是退火、正火、淬火、 渗碳等，都首先要把钢件 加热到奥氏体状态。
珠光体 贝氏体
室温：钢
马氏体
时间
铁-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ平衡相图
2.实际加热（冷却）条件下的临界温度
在加热（冷却）速度大于0.125℃/min时，对临界点 A1，A3，Acm产生的影响：
●加热时的临界温度 用脚标C表示： AC1、 AC3、ACcm；
第一部分 钢在加热时的转变
一．A的结构
---奥氏体（A）的形成
二．A的性能
三．A的显微组织
四．A的形成条件
五．A的形成机理
六．A的形成动力学
七．A的晶粒长大及控制
一、奥氏体的结构
1）γ-Fe的面心立方晶格 2）碳溶解于γ-Fe面心立方晶格的八面体间隙（有效间 隙半径 0.053nm,碳原子半径0.077nm）；
合金元素对Ac3和Ac1影响的经验公式
稳定奥氏体的元素降低Ac3、Ac1，在公式中为 负号。 稳定铁素体或碳化物的元素提高Ac3、Ac1，在 公式中为正号。
●珠光体被加热到A1以上而转变为奥氏体驱动力
P
A转变的驱动力为:
奥氏体形成的热力学条件
自由能差 △Gv = Gp - Gr
珠光体与奥氏体的自由能均 随温度的升高而降低，但是下 降的速度不同，相交于某一温 度，该交点所对应的温度即A1 （727℃）。右图是珠光体、奥 氏体的自由能与温度的关系。
奥氏体显微组织 （晶内有孪晶） 1000×
四、奥氏体形成的条件
1.铁碳平衡相图中奥氏体 形成的形成温度
它是在极缓慢小于0.125℃/min 加热条件下，达到A1 （727℃）时，由珠光体（P） 转变为奥氏体
钢由加热前的组织转变为奥氏体被称为 钢的加热转变或奥氏体化过程。
℃ A1 加热
奥氏体
保温 冷却
奥氏体 合金碳化物 奥氏体高强耐热钢金相组织 500X
三、奥氏体的显微组织
其组织形态与原始组织、加热速度、加热转 变的程度有关。主要有三种组织状态：
组织形态 有三种
①通常为颗粒状
②快速加热时可 形成针状
③充分长大后为 等轴多边形状
一般的情况下奥氏体的组织是由多边形的等轴晶粒所 组成，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶。
（3）过共析和亚共析碳钢奥氏体等温形成图
（a）过共析钢（WC1.2%） 奥氏体等温形成图
（b）亚共析钢（WC0.45%） 奥氏体等温形成图
2、奥氏体等温形成动力学的分析
为什么等温转变温 度升高奥氏体形成
速度加快？
是由于随着温度升高 奥氏体的形核率和长 大速度均增加的缘故
有人做过试验，把奥氏体的形成温度从740℃提高到 800℃时，奥氏体的形核率N增加270倍，而长大速度 G增加了80倍。因此，随着温度升高，奥氏体形成速 度迅速增加。
引言
一、何谓热处理？
热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个 阶段组成，其目的是为了改变金属或合金的 内部组织结构，使材料满足使用性能的要求。
温度/℃
保温
加热
最终热处理
预备热处理
0
冷却
时间/min
二、热处理的条件？
1、有固态相变发生的金属或合金 2、加热时溶解度有显著变化的合金
例如 纯金属：有无同素异构转变，如Al、Cu等金属不能热处理强化 只能形变强化。 合金：根据合金相图判断，有无固体相变或溶解度变化。
●相变的动力学研究的是：转变温度、转变量和转变时间的 关系。
（一）奥氏体等温形成动力学 等温形成动力学TTA图（Time-Temperature- Austenize ） 等温形成动力学即在一定温度下的转变量和转变时间的关系 （即在一定温度下的转变速度）。 ●研究表明，奥氏体的形成速度决定于奥氏体的形核率和晶 核的线长大速度，它受钢的成分、原始组织状态、等温温度 等条件的影响。
奥氏体晶粒大小、形 状、空间取向、亚结 构，奥氏体化学成分 以及均匀性
直接影响
转变过程、 转变产物、 材料性能
如：奥氏体晶粒的长大直接影响材料的力学性能特别是冲 击韧性。
研究奥氏体相变十分重要！！
钢在加热和冷却时的转变
第一部分 钢在加热时的转变 第二部分 钢在冷却时的转变 第三部分 珠光体转变 第四部分 马氏体转变 第五部分 贝氏体转变
（b）珠光体团交界处； （c）先共析F/珠光体团交界处。
优先在F/Fe3C界面处形核的原因
① 界面上存在碳的浓度起伏、 结构起伏；易满足形成奥 氏体所需的碳浓度；
② 界面存在缺陷，能量高， 提供能量起伏，此处原子 排列紊乱，位错、空位浓 度高，易满足奥氏体形成 所需能量；
③ 有Fe3C溶解后的补充碳原 子。
珠光体（P）和奥氏体（γ）自由能 随温度的变化曲线（示意图）
奥氏体形成的热力学条件是： 必须在A1温度以上（即在一定的过热条件下）
奥氏体才能形成。
●△T（过热度） ，则△Gv ，转变速度也就愈快。
奥氏体形成时系统的总自由 能变化
△G= -△Gv+ △Gs+ △Ge
驱动力： 体积自 由能差
阻力： 界面能+ 应变能
1、奥氏体等温形成动力学曲线
（1）共析碳钢奥氏体等温形成图建立
试样：厚2mm左右，直径约为10mm的小圆片； 原始状态：每个试样均有相同的原始组织状态； 温度：在AC1以上设定不同的温度，如730℃、745℃、765℃、… 时间：在每个温度下保持一系列时间，如1S、5S、10S、20S… 冷却：在盐水中急冷到室温； 观察：在显微镜下测出试样中马氏体的数量（相当于高温下奥氏体的
④奥氏体的均匀化 当上述残余Fe3C全部溶解时，A中的C浓度仍不均
匀： （1）原来碳化物区域，含C量较高 （2）在原来F的中心地带，含C量较低
这就是有时在淬火钢的金相组织中，发现有类似P 的痕迹原因。继续延长保温时间，通过C的扩散，可 使A的含C量逐渐趋于均匀。
共析钢中奥氏体形成过程示意图如下图：
（Fe3C）。此时A中的平均含碳量低于共析含碳量，这种 现象是随着A形成温度的增高而加剧，当P中的铁素体F刚 刚全部转变为A时，实测A的平均含C量随形成温度的增加 而降低。如共析钢：
A化温度℃
735 760 780 850 900
A中碳含量% 0.77 0.69 0.61 0.51 0.46
因此与Fe3C接壤的A中的C继续向A内部扩散，未溶Fe3C 继续溶入A中，直到Fe3C 完全溶解为止。
界面处的平衡浓度为：
Cγ/Fe3c > Cγ/α ， Cα/Fe3c > Cα/γ
随着C扩散的进行， Cγ/а 浓度增高，而Cγ/Fe3c的浓度 降低，破坏了平衡，为了恢复平衡，Fe3C势必不断地溶 解，又有碳原子溶入奥氏体，使其含C量升高而恢复到 Cγ/Fe3c ；与此同时，发生奥氏体的C原子向F的扩散，促 进这部分F转变为奥氏体，并使其自身的含C量降低而恢 复到Cγ/а。这样，C浓度失去平衡和恢复平衡的反复循环 过程，就使奥氏体逐步地向Fe3C、F两边长大、推进， 直至F消失而全部转变为奥氏体。
一定时间后，才开始形成。温度越高，所需时间越短，通常称 为孕育期。孕育期的实质是相变的准备阶段，是所有扩散型相 变的共同特点。 ②奥氏体形成速度不同 开始时速度较慢，以后逐渐加快；在转变量达到50%时，转变 速度达到极大值，以后转变速度又开始逐渐减慢。
③温度越高，形成速度越快。 ④奥氏体刚形成时成分不均匀。
℃ t
注解：亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共 析钢基本相同，但其完全奥氏体化的过程有所不同
亚共析钢加热到Ac1以上时， 还存在自由铁素体，这部分铁 素体只有继续加热到Ac3以上 时，才能全部转变为奥氏体；
过共析钢则只有加 热到Accm以上时， 才能获得单一的奥 氏体组织。
六、 奥氏体形成动力学（即奥氏体的形成速度）
Note：不包括低温的去应力退火等
为什么钢可以进行热处理？
1、α→γ固态相变 可以发生相变重结晶过程。
2、C（碳）溶解度发生显著变化 可以固溶强化。