第四章钢中奥氏体的形成解析
奥氏体
奥氏体（Austenite）是钢铁的一种层片状的显微组织，[1]通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁或ɣ-Fe。
奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀（William Chandler Roberts-Austen）。
奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。
奥氏体因为是面心立方，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳。
[2]组成成分编辑奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。
在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。
经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。
铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。
当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni、Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。
[2]晶体结构编辑奥氏体为面心立方结构，碳氮等间隙原子均位于奥氏体晶胞八面体间隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱边的中点。
假如每一个八面体的中心各容纳一个碳原子，则碳的最大溶解度应为50%（摩尔分数），相当于质量分数约20%。
实际上碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%（质量分数），这是由于ˠ-Fe的八面体间隙的半径仅为0.052nm，比碳原子的半径0.086nm小。
碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变，溶入越多，畸变越大，晶格将不稳定，因此不是所有的八面体间隙中心都能溶入一个碳原子，溶解度是有限的。
碳原子溶入奥氏体中，使奥氏体晶格点阵发生均匀对等的膨胀，点阵常数随着碳含量的增加而增大。
大多数合金元素如Mn.Cr.Ni.Co.Si等，在ˠ-Fe中取代Fe原子的位置而形成置换固溶体。
替换原子在奥氏体中的溶解度各不相同，有的可无限溶解，有的溶解度甚微。
少数元素，如硼仅存在于浸提缺陷处，如晶界、位错等。
[3]主要性能编辑奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的体积质量比钢中铁素体、马氏体等相的体积质量小。
金属固态相变原理习题及解答
第二章1、钢中奥氏体的点阵结构，碳原子可能存在的部位及其在单胞中的最大含量。
奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，碳原子在γ-Fe点阵中处于Fe原子组成的八面体间隙中心位置，即面心立方晶胞的中心或棱边中点。
八面体间隙：4个2、以共析碳钢为例说明奥氏体的形成过程，并讨论为什么奥氏体全部形成后还会有部分渗碳体未溶解？奥氏体的形成是由四个基本过程所组成：形核、长大、剩余碳化物的溶解和成分均匀化。
按相平衡理论，从Fe-Fe3C相图可以看出，在高于AC1温度，刚刚形成的奥氏体，靠近Cem 的C浓度高于共析成分较少，而靠近F处的C浓度低于共析成分较多（即ES线的斜率较大，GS线的斜率较小）。
所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消失时，奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的P刚刚形成的A的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。
3、合金元素对奥氏体形成的四个阶段有何影响。
钢中添加合金元素并不影响珠光体向奥氏体的转变机制，但影响碳化物的稳定性及碳原子在奥氏体中的扩散系数。
另一方面，多数合金元素在碳化物和基体相中的分布是不均匀的，故合金元素将影响奥氏体的形核与长大、剩余碳化物的溶解、奥氏体成分均匀化的速度。
①通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度。
②通过改变碳化物稳定性影响奥氏体的形成速度。
③对临界点的影响：Ni、Mn、Cu等降低A1温度；Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V 等升高A1温度。
④通过对原始组织的影响进而影响奥氏体的形成速度：Ni、Mn等往往使珠光体细化，有利于奥氏体的形成。
在其它条件相同的情况下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳在奥氏体中的扩散速度小100-10000倍。
此外，碳化物形成元素还会减小碳在奥氏体中的扩散速度，这将降低碳的均匀化速度，因此，合金钢均匀化所需时间常常比碳钢长得多。
4、钢在连续加热时珠光体奥氏体转变有何特点。
○1在一定的加热速度围，临界点随加热速度增大而升高。
钢的奥氏体化的三个阶段
钢的奥氏体化的三个阶段钢是一种重要的金属材料，在工业和建筑领域中广泛应用。
而钢的性能与组织密切相关，其中奥氏体化是一种常见的钢材组织变化过程。
奥氏体化过程可分为三个阶段，下面将详细介绍这三个阶段。
第一阶段：奥氏体的形成奥氏体是钢中的一种组织，具有良好的塑性和韧性。
在钢的冷却过程中，当温度降至800℃以下时，钢中的铁原子开始发生排列变化，逐渐形成奥氏体。
这个过程称为奥氏体的形成。
在这个阶段中，由于钢中的铁原子排列变化，奥氏体开始出现在钢材的晶界和晶内，形成细小的奥氏体晶粒。
同时，钢材中的碳原子也开始从奥氏体中析出，形成铁素体。
这个阶段相当于钢材的退火过程，可以提高钢材的塑性和韧性。
第二阶段：奥氏体的生长在第一阶段中，奥氏体只出现在钢材的晶界和晶内，形成细小的晶粒。
而在第二阶段中，随着时间的推移，奥氏体开始生长并合并，逐渐形成大的奥氏体晶粒。
这个过程称为奥氏体的生长。
在这个阶段中，由于奥氏体晶粒的生长和合并，钢材中的铁原子排列变化得更加有序，奥氏体晶粒也变得更大。
此时，钢材的硬度和强度开始逐渐增加，但塑性和韧性却减少了。
第三阶段：奥氏体的再结晶在第二阶段中，钢材中的奥氏体晶粒越来越大，同时塑性和韧性逐渐减少。
为了提高钢材的塑性和韧性，需要进行再结晶处理。
这个过程称为奥氏体的再结晶。
在这个阶段中，钢材经过加热处理，使奥氏体晶粒重新分散，形成新的细小晶粒。
这个过程称为再结晶，可以提高钢材的塑性和韧性，同时保持一定的硬度和强度。
此时，钢材的组织已经较为稳定，可以进一步进行加工和使用。
奥氏体化过程是钢材中的一种重要组织变化过程。
这个过程可分为三个阶段：奥氏体的形成、奥氏体的生长和奥氏体的再结晶。
通过这个过程，可以改善钢材的组织结构，提高其性能，满足不同领域的需求。
简述钢的奥氏体化过程
简述钢的奥氏体化过程钢是一种重要的金属材料，具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，被广泛应用于建筑、航空航天、汽车制造等领域。
而钢的奥氏体化过程是钢材在加热和冷却过程中发生的一种相变现象，对钢的性能和组织结构具有重要影响。
奥氏体是一种具有面心立方结构的铁素体相，由于其具有优异的强度和韧性，是钢材中最理想的相之一。
奥氏体的形成需要通过加热钢材到一定温度，使其达到奥氏体化温度，然后进行充分保温，使钢材内部的组织结构发生相变，生成奥氏体。
钢的奥氏体化过程主要分为两个阶段：加热阶段和冷却阶段。
在加热阶段，钢材被加热到奥氏体化温度以上。
奥氏体化温度是指钢中的铁素体相开始转变为奥氏体相的温度，不同种类的钢具有不同的奥氏体化温度。
在加热过程中，钢材的晶粒逐渐长大，晶界开始消失，原来的晶粒边界消失，晶粒内部的原子重新排列形成新的晶粒。
当钢材达到奥氏体化温度时，钢材内部的组织结构由原来的铁素体相向奥氏体相转变。
在冷却阶段，钢材被迅速冷却至室温以下。
冷却速度是影响奥氏体化过程的重要因素。
快速冷却可以使奥氏体相稳定下来，形成细小的奥氏体晶粒。
缓慢冷却则容易使奥氏体相转变为其他相，如贝氏体和马氏体。
冷却过程中，钢材内部的组织结构发生再次相变，由奥氏体相向其他相转变。
冷却速度越快，奥氏体相的含量越高，晶粒尺寸越小，钢材的硬度和强度也就越高。
奥氏体化过程对钢的性能和组织结构具有重要影响。
奥氏体相具有优异的强度和韧性，可以提高钢材的抗拉强度和冲击韧性，同时也可以提高钢材的硬度和耐磨性。
奥氏体相的含量和晶粒尺寸对钢材的性能也有影响，奥氏体相含量越高，晶粒尺寸越小，钢材的硬度和强度也就越高。
钢的奥氏体化过程是钢材在加热和冷却过程中发生的一种相变现象。
通过控制加热温度和冷却速度，可以调控钢材内部的组织结构，从而改变钢材的性能。
奥氏体化过程对钢的性能和组织结构具有重要影响，是钢材制备中不可忽视的一环。
钢材的奥氏体化过程的研究和控制，对于提高钢材的性能和开发新型钢材具有重要意义。
材料相变理论钢中奥氏体的形成
奥氏体晶核与母相之间存在位向关系
{111}A //{011}a
110 // 111 a A 材料相变理论钢中奥氏体的形成
（3）奥氏体晶核的长大
当在铁素体和渗碳体交界面上形成奥氏体晶核时，则形成了γ－α和γ－Fe3C两个相界面。 奥氏体晶核的长大过程实际上是两个相界面向原有的铁素体和渗碳体中推移的过程。
（1）奥氏体组织
T8 钢的奥氏体晶粒(暗场像) 1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织
奥氏体晶粒一般为等轴状多边形，在奥氏体晶粒内有孪晶。灰白不同 的衬度是由于各晶粒暴露在试样表面上的晶面具有不同的取向的缘故。
材料相变理论钢中奥氏体的形成
（2）奥氏体的晶体结构（f.c.c）
材料相变理论钢中奥氏体的形成
原奥氏体 晶界和晶 核
材料相变理论钢中奥氏体的形成
0.1mm
奥氏体晶核在铁素体片/渗碳体片相界面处形成
c
a
b
TEM Fe-2.6Cr-1C钢的 奥氏体的形核
1.5μm
1.5μm
SEM T8钢奥氏体的形核
材料相变理论钢中奥氏体的形成
奥氏体晶核的尺度～100nm
材料相变理论钢中奥氏体的形成
奥氏体的形成是扩散型相变，因此奥氏体晶 核是通过扩散机制形成的。
材料相变理论钢中奥氏体的形成
奥氏体晶核的长大
奥氏体同时吃掉铁素体片(a，b)和渗碳体片或只是吃掉铁素体（c） 长大速率： 0.65～1.375微米/秒
材料相变理论钢中奥氏体的形成
剩余碳化物的溶解
SEM T8奥氏体中存在剩余渗碳体
材料相变理论钢中奥氏体的形成
奥氏体形成总结
加热到临界点以上，形成奥氏体，分为四个阶段： ①晶界形核； ②晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大； ③剩余渗碳体或碳化物溶解； ④奥氏体成分相对均匀化。
奥氏体形成的四个步骤_奥氏体形成的影响因素
奥氏体形成的四个步骤_奥氏体形成的影响因素奥氏体是钢中最重要的组织之一，它具有良好的强度和硬度，被广泛应用于钢材的制造和加工过程中。
奥氏体形成的过程是复杂的，涉及多个步骤和影响因素。
下面将详细介绍奥氏体形成的四个步骤以及奥氏体形成的影响因素。
1.软化处理（预处理）：首先，将钢材加热到适当的温度范围进行软化处理。
在软化处理过程中，钢材中的残余应力被消除，晶粒被结晶，这为后续形成奥氏体提供了条件。
2.超韧化处理：在软化处理后，将钢材降温至室温以下，并加入适量的合金元素，如铬、钼等。
超韧化处理的目的是增加钢材的韧性和强度，为奥氏体的形成奠定基础。
3.过冷处理：在超韧化处理后，将钢材继续降温至高温区和过冷区之间的过渡区域。
在这个温度范围内，钢材中的亚稳相（如贝氏体、马氏体等）开始分解，形成奥氏体的种子晶粒。
4.贝氏体转变：在过冷处理的基础上，进一步降温至适当的温度，贝氏体开始转变为奥氏体。
贝氏体转变过程比较复杂，包括界面扩散、原子重排、晶格变形等多个步骤。
通过适当的温度和时间控制，可以得到理想的奥氏体组织。
1.合金元素的存在：合金元素对奥氏体形成有着重要的影响。
例如，铬可以提高钢材的耐蚀性和强度，钼可以提高钢材的硬度和耐热性。
合金元素通过改变钢中的相变温度及相变速率等参数，影响奥氏体的形成过程。
2.冷却速度：冷却速度是影响奥氏体形成最主要的因素之一、快速冷却可以促使钢材中的贝氏体转变为奥氏体，而慢速冷却则有利于贝氏体的形成。
冷却速度的选择根据所需的力学性能及材料的用途来确定。
3.退火温度和时间：退火温度和时间也会对奥氏体形成产生影响。
过高的退火温度会导致晶粒长大，影响奥氏体的结晶性能，而过低的退火温度则会使奥氏体的形成受到限制。
退火时间越长，奥氏体的形成越充分。
4.碳含量：碳是钢中最主要的合金元素，对奥氏体形成有着重要的影响。
在钢中，当碳含量超过一个临界值时（通常为0.8%~1.5%），奥氏体就会形成。
钢中奥氏体的形成
珠光体的显微组织:片层状结构
•S0
•F •Fe3C
• 显微组织形貌
片间距S0
•
共析钢奥氏体长大示意图
•T •G •γ
•α
•E
•Ｔ •C
1
%
•Cγ- •Cγ- C α •Cα-γ •C α - •C%
C
Fe3C
•T1温 度
•Cγ- C
• Fe3C
•Cαγ
•Cα-γ
•C α -
C
•珠光体片间距S0
•
二、奥氏体的组织、结构和性能 • １.组织：等轴状多边形晶粒
•
• ２.结构
•Ｃ原子
•Ｆe原子
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• ３.性能 • １）比容最小（cm3/g） • ２）线膨胀系数最大 • ３）导热性差、塑性高 • ４）屈服强度很低，易于塑性加工
•
§２珠光体－奥氏体转变
铁素体（F或α） 0.021% ＢＣＣ 渗碳体（Fe3C或Cm）：间隙化合物， C含量 6.69% ，具有正交结构，硬而脆 。 • 珠光体（ F ＋ Fe3C ）－奥氏体 • 一、奥氏体转变过程 • １.形核（以共析钢Ｃ％＝０.７７％为例） • ２.长大 3.碳化物的溶解 4.均匀化
•
奥氏体形成示意图
1 奥氏体形核
2 奥氏体长大 3 剩余 Fe3C溶解 4 奥氏体均匀化
•γ •F •Fe3C •γ •未溶Fe3C
•γ
•
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钢中奥氏体的形成
2024年2月1日星期四
§1 奥氏体形成概述
• 一、奥氏体形成的热力学条件临界点降低 用 r
简述钢的奥氏体化过程
简述钢的奥氏体化过程钢是一种重要的金属材料，广泛应用于建筑、制造、交通等领域。
而钢的性能与其组织结构密切相关，其中奥氏体是钢中最重要的组织之一。
本文将简述钢的奥氏体化过程。
一、什么是奥氏体奥氏体是一种由铁和碳组成的固溶体，具有良好的机械性能和塑性。
在钢中，奥氏体的形态、数量和分布对钢的性能起着决定性的影响。
二、奥氏体的形成钢的奥氏体化过程是指在适当的温度下，铁和碳发生固溶反应，形成奥氏体的过程。
奥氏体的形成与钢中的碳含量、温度等因素密切相关。
1. 碳含量钢中的碳含量越低，奥氏体的形成温度越低。
一般来说，碳含量低于0.8%的钢称为低碳钢，碳含量在0.8%-2.11%之间的钢称为中碳钢，碳含量高于 2.11%的钢称为高碳钢。
在低碳钢中，奥氏体的形成温度较低，而在高碳钢中，奥氏体的形成温度较高。
2. 温度温度是奥氏体形成的另一个重要因素。
在适当的温度下，钢中的碳和铁能够充分反应，形成奥氏体。
一般来说，奥氏体的形成温度在800℃-1000℃之间。
三、奥氏体的相变奥氏体的形成是一个相变过程，主要包括两个阶段：奥氏体的形核和奥氏体的长大。
1. 奥氏体的形核当钢中的温度达到奥氏体的形成温度时，奥氏体的形核开始进行。
形核是指在晶界或晶内形成奥氏体的起始过程。
形核的速度取决于温度和钢中的合金元素含量。
当温度升高或合金元素含量增加时，形核速度加快。
2. 奥氏体的长大奥氏体的长大是指形核后的奥氏体晶粒逐渐长大和增多的过程。
在奥氏体的长大过程中，晶界迁移、晶粒的吞噬和晶粒的再结晶等现象会发生，最终形成具有一定形状和尺寸的奥氏体晶粒。
四、奥氏体的应用奥氏体具有良好的塑性和韧性，因此在钢的制造和加工过程中，通常会通过控制奥氏体的形成来调节钢材的性能。
例如，在焊接过程中，通过控制焊接温度和冷却速度，可以获得不同形态和含量的奥氏体，从而实现钢材的强度和韧性的平衡。
奥氏体还可以通过热处理来改善钢材的性能。
热处理是指将钢材加热到适当的温度，保持一定时间后进行冷却，以改变钢材的组织结构和性能。
工程材料第四章习题答案
工程材料作业（4）答案1.解释下列现象:(1) 在相同含碳量下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。
奥氏体形成分为形核、长大、残余渗碳体溶解，奥氏体均匀化4阶段。
多数合金元素减缓A形成，Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲和力大，形成的合金元素的碳化物稳定、难溶解，会显著减慢碳及合金元素的扩散速度。
但为了充分发挥合金元素的作用，又必须使其更多的溶入奥氏体中，合金钢往往需要比含碳量相同的碳钢加热到更高的温度，保温更长时间。
Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。
而Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度的影响不大。
阻碍晶粒长大，合金钢需要更高的加热温度，更长的保温时间，才能保证奥氏体均匀化。
（加热温度升高了，但一般不会引起晶粒粗大：大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。
碳化物形成元素的作用最明显，因其形成的碳化物高温下稳定性高，很难完全溶入奥氏体，未溶的细小碳化物颗粒，分布在奥氏体晶界上，有效的阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。
所以，合金钢虽然热处理加热温度高，但一般不用担心晶粒粗大。
强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr；中等阻碍的：W、Mo、Cr；影响不大的：Si、Ni、Cu；促进晶粒长大的：Mn、P、B）(2) 在相同含碳量下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。
回火过程一般分为：马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物类型转变和碳化物长大。
合金元素在回火过程中，推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才出现分解和转变），提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。
因此，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。
使得合金钢在相同温度下回火时，比同样质量分数的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢，耐热钢更重要），或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而韧性更好（对结构钢更重要。
奥氏体的形成
奥氏体的形成根据相图，加热时首先珠光体转变为奥氏体，然后是先共析相铁素体与渗碳体溶入奥氏体，相变驱动力是奥氏体与珠光体的自由能差。
一、奥氏体形成的热力学条件：奥氏体形成的热力学条件：体系总自由能：△G=－△Gv＋△Gs＋△Ge<0相变驱动力：Gv=△Gγ－△Gp式中：△Gγ为相变驱动力，即奥氏体与珠光体的自由能差，Gγ为奥氏体自由能，Gp为珠光体自由能。
发生转变时：t>A1(727℃)，A1即奥氏体转变临界点。
实际转变温度与临界点A1之差称为过热度，过热度越大，驱动力也越大，转变也越快。
△GV>0，△T<0，γ→P△GV=0，△T>0，P、γ平衡；△GV<0，△T>0，P→γ满足条件。
因此，奥氏体形成的热力学条件是：必须在一定的过热度条件下才能发生。
过热度越大，驱动力也越大，转变也越快。
二、共析钢奥氏体的形成（珠光体类组织转变为奥氏体）：共析钢的原始组织为片状珠光体。
当加热到Ac1以上保温时，将全部转变为奥氏体。
此转变过程由下式表示：珠光体P(F+Fe3C)→奥氏体A；含碳量：0.0218%6.69%0.77%结构：体心立方（复杂斜方）正交晶格面心立方这一过程由Fe的晶格改组和Fe、C原子的扩散，它包括以下四个阶段：1、奥氏体核的形成；2、奥氏体核的长大；3、剩余渗碳体溶解；4、奥氏体成分均匀化。
（一）、奥氏体形核的形成：1、形核位置：（1）、F/Fe3C界面；奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体相界面处通过扩散机制形成；（2）、珠光体团交界处；（3）、先共析铁素体/珠光体团交界处。
2、在上述位置优先在铁素体与渗碳体相界面处形核，这是由于满足三个起伏：（1）、界面上存在浓度结构起伏；相界面处存在碳的浓度起伏；容易满足形成奥氏体所需的碳浓度。
相界面处存在结构起伏；（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、空位浓度较高，容易满足形成奥氏体所需的能量；（3）、有渗碳体溶解后的碳原子补充。
钢的热处理6
二、钢的正火 将钢件加热至单相奥氏体区（ Ac3、Ac1 或Accm 以上），保温后出炉空冷的热处理工艺。
A）工艺： Ac3（Ac1 或Accm） +（30~50℃），空冷 。
B）特点：冷却速度快，组织较细，钢的强度和硬度有 所提高。 C）目的： 细化组织，适当提高硬 A Ac 度和强度。用于普通结构件作为最 m A3 终热处理；亚共析钢正火后细化晶 A1 粒，消除组织缺陷，获得合适的硬 度，改善切削加工性；过共析钢正 火的目的是抑制或消除网状渗碳体， 有利于球化退火的进行。 D）适用范围： 所有碳钢
M+T
50%M+50%T
A1
M T S
d
Ms
V表 V临
V心
2）淬透性的影响因素
C曲线右移，淬透性提高：化学成分（碳含量及合金 元素）、奥氏体化温度、 第二相等
3）淬透性的测定方法——末端淬火法（P82）
4）如何在选材中考虑钢的淬透性
a)机械制造中许多大截面零件和动载荷下工作的重要零件，以及 承受拉力和压力的许多重要零件，如螺栓、拉杆、锻模、锤杆 等要求表面和心部力学性能一致，此时应当选用淬透性高的钢， 保证工件全部淬透。 b)某些工件心部力学性能对零件使用寿命无明显影响时，例如承 受弯曲和扭曲的轴类零件，则可选用淬透性较低的钢，获得一 定的淬硬层，一般为工件半径或厚度的1/2~1/4。 c)有些工件则不宜选用淬透性高的钢，例如焊接工件、齿轮等。
马氏体的组织形态
（1）板条状马氏体：在低、 中碳钢及不锈钢中形成的一 种马氏体。由许多马氏体板 条集合而成。马氏体板条的 立体形态可以是扁条状，也 可以是薄板状。内部存在大 量位错—位错马氏体
（2）片状马氏体：常在中、 高碳钢析出。立体外形呈双 凸透镜状，与试样磨面相截 则呈针状或竹叶状，所以又 称针状马氏体。亚结构主要 为孪晶—孪晶马氏体。
简述对钢进行加热时奥氏体晶核的形成过程
简述对钢进行加热时奥氏体晶核的形成过程加热钢材时，会出现奥氏体晶核的形成过程。
奥氏体晶核的形成是钢材加热过程中的一种重要现象，它直接影响到钢材的性能和结构。
下面将详细描述钢材加热时奥氏体晶核形成的过程。
钢材加热过程中，温度的升高会导致晶粒的生长与晶界的迁移。
当钢材温度达到一定程度时，晶界会出现扩散和迁移，晶界上的原子会重新排列，形成新的晶界结构。
这个过程被称为晶界重构。
晶界重构过程中，晶界附近的原子会发生扩散，相邻的晶粒也会相互吸引。
当温度继续升高，晶界附近的原子会在晶界处形成一个新的晶核。
这个新的晶核就是奥氏体晶核。
奥氏体晶核的形成是一个动态的过程。
随着钢材温度的进一步升高，奥氏体晶核会逐渐增多并扩散到整个钢材中。
同时，原本存在的其他相也会发生相变，逐渐转化为奥氏体。
奥氏体晶核的形成过程与钢材的成分有关。
不同成分的钢材在加热过程中会出现不同的相变行为。
例如，含碳量较高的钢材在加热过程中容易形成大量的奥氏体晶核，而含碳量较低的钢材则相对较少。
此外，其他合金元素的存在也会对奥氏体晶核的形成产生影响。
奥氏体晶核的形成过程还受到加热速率的影响。
加热速率越快，晶界重构和奥氏体晶核的形成速度就越快。
这是因为加热速率的增加会加快晶界附近原子的扩散速度，使晶界重构过程加快。
总结起来，钢材加热过程中奥氏体晶核的形成是一个复杂的动态过程。
它受到钢材成分、加热温度和加热速率等因素的影响。
了解奥氏体晶核的形成过程对于钢材的热处理和性能改善具有重要意义。
通过控制加热条件和合理选择钢材成分，可以有效地控制奥氏体晶核的形成，从而获得理想的钢材性能。
描述共析钢的奥氏体化过程,影响奥氏体晶粒大小的因素
描述共析钢的奥氏体化过程，影响奥氏体晶粒大小的因素
共析钢的奥氏体化过程是指共析钢中的铁碳合金在冷却过程中发生相变，从而形成奥氏体晶粒。
在共析钢的冷却过程中，先是由高温下的奥氏体发生分解，形成初生铁素体和渗碳体。
随着冷却的进行，初生铁素体和渗碳体会发生固溶体转变，形成奥氏体晶粒。
影响奥氏体晶粒大小的因素主要有以下几个：
1. 冷却速度：冷却速度越快，奥氏体晶粒越细小。
快速冷却能够抑制铁素体的生长，从而减小奥氏体晶粒尺寸。
2. 碳含量：碳含量越高，奥氏体晶粒越大。
高碳铁素体在共析钢中会转变为奥氏体，因此，高碳量会使奥氏体晶粒尺寸增大。
3. 合金元素：合金元素的添加可以影响奥氏体晶粒的形成。
一些合金元素，如铌、钒、钛，能够抑制铁素体的生长，使奥氏体晶粒尺寸减小。
4. 热处理工艺：调整共析钢的热处理工艺，如控制加热温度、保温时间等，可以影响奥氏体晶粒的大小。
总的来说，奥氏体晶粒的大小是通过控制冷却速度、碳含量、合金元素和热处理工艺等因素来实现的。
较细小的奥氏体晶粒通常具有更好的力学性能和韧性。
钢中奥氏体的形成
加热到临界点以上时，由于温度的 升高，原子的活动能力增强，晶格 的能量增加，使得相变驱动力增大 。
碳原子扩散
01
02
03
碳原子扩散机制
在奥氏体形成过程中，碳 原子通过晶格的间隙和位 错等缺陷进行扩散，以实 现成分均匀化。
扩散路径
碳原子主要沿着晶界和位 错等缺陷扩散，这些区域 提供了碳原子扩散的通道 。
料。
基于奥氏体转变的金属材料加工工艺实例
弯曲加工
将金属材料加热至奥氏体化温度，保温 一段时间，然后迅速冷却，可提高金属 材料的塑性和韧性，有利于弯曲加工。
VS
拉拔加工
将金属材料加热至奥氏体化温度，保温一 段时间，然后迅速冷却，可提高金属材料 的强度和韧性，有利于拉拔加工。
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钢中奥氏体的形成
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目录
• 奥氏体的定义与性质 • 奥氏体的形成过程 • 影响奥氏体形成的因素 • 奥氏体转变的机制与动力学 • 奥氏体转变过程中的缺陷与控制 • 奥氏体转变的应用与实例
01
奥氏体的定义与性质
奥氏体的定义
奥氏体是一种钢铁材料中的固溶体相，主要由铁和碳原子组 成，并含有一定量的合金元素，如镍、铬、锰等。
03
影响奥氏体形成的因素
温度
温度对奥氏体形成的影响
钢在加热时，奥氏体的形成是随着温度的升高而加速的。在一定的温度下，奥 氏体可以完全形成。当温度升高时，奥氏体的形成速率增加，所需的时间减少 。
临界点温度对奥氏体形成的影响
在临界点温度以上，奥氏体可以完全形成。而在临界点温度以下，奥氏体不能 完全形成。
当铁素体完全转变为奥氏体后，奥氏体的碳浓度和晶格类型不再发生变化。此时，奥氏体的 碳浓度较高，晶格类型为面心立方结构。
原理第4、5章钢中奥氏体的形成
合金元素对力学性能影响
提高强度和硬度
合金元素如铬、钼等能够显著提高钢的强度和硬度， 改善其耐磨性。
改善韧性
镍、锰等元素则能够改善钢的韧性，提高其抗冲击能 力。
对疲劳性能的影响
一些合金元素如钒、钛等能够细化晶粒，提高钢的疲 劳性能。
05 热处理工艺参数优化与控 制
加热温度和保温时间选择依据
钢的化学成分
奥氏体形成的热力学条件
奥氏体形成的动力学过程
奥氏体对钢性能的影响
奥氏体是钢在加热到临界温度 以上时形成的晶体结构，具有 良好的塑性和韧性。
加热温度和冷却速度是影响奥 氏体形成的两个重要因素。加 热温度越高，奥氏体形成越容 易；冷却速度越快，奥氏体稳 定性越差。
包括形核和长大两个阶段。形 核是通过原子扩散和重新排列 形成新晶核的过程；长大则是 新晶核不断吞噬周围原子而长 大的过程。
合金元素对临界点影响
提高临界点
合金元素如铬、钨、钼等，能够显著 提高钢的临界点，使奥氏体化温度范 围扩大。
降低临界点
镍、锰等元素则能够降低临界点，使 奥氏体化更容易进行。
合金元素对组织稳定性影响
稳定奥氏体
合金元素如钴、铝等能够提高奥氏体的稳定性，使其在较高温度下仍能保持稳 定。
促进其他组织形成
如硅、钨等元素则能促进铁素体、渗碳体等其他组织的形成，对奥氏体稳定性 产生一定影响。
回归分析
利用回归分析可以建立热处理工艺参数与性能指标之间的数学模型， 通过求解模型可以得到最优的热处理工艺参数组合。
人工智能算法
利用人工智能算法可以对热处理工艺参数进行全局优化，找到全局最 优解，提高热处理效果和生产效率。
06 总结：钢中奥氏体形成原 理及实践应用
第四章 钢的热处理及表面强化技术讲解
2．化学镀镍磷
化学镀是指在无外加电流条件下，利用化学方法在金属表面沉积其他金 属或合金的工艺方法。化学镀镍磷合金可提高工件表面的硬度、抗粘着性、 减摩性，从而提高其耐磨性。
2 气相沉积TiN和TiC
气相沉积是指在一定成分的气体中加热至一定温 度，通过化学或物理作用在钢件表面沉积其他金属或 金属化合物的工艺方法。在钢件表面沉积TiN、TiC等 超硬金属化合物，能大大提高其表面的硬度、耐磨性、 耐蚀性和高温抗氧化性。
表 面 热处理
钢加热时的组织转变
钢的预备热处理——退火与正火
钢的最终热处理（一）——淬火与回火 钢的最终热处理（二）——表面热处理 钢的表面强化技术
本 章 要 点
钢的热处理是指将钢在固态下进行 加热、保温和冷却，以获得所需的组织 和性能的工艺方法。通过适当的热处理， 能显著提高钢的力学性能，以满足零件 的使用要求和延长零件的使用寿命；能 改善钢的加工工艺性能（如切削加工性 能、冲压性能等），以提高生产率和加 工质量；还能消除钢在加工（如铸造、 焊接、切削、冷变形等）过程中产生的 残余内应力，以稳定零件的形状和尺寸。
淬火加热后组织 钢种
亚共析钢 Wc≤0.5%
亚共析钢 Wc＞0.5%
淬火温度(℃) Ac3+30～50
Ac3+30～50 Ac1+30～50 Ac1+30～50
残
最终组织 M
M + A残 M + A残 M+Fe3C+A
共析钢 过共析钢
单液淬火 将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。 优点：操作简单，容易实现自动化 缺点：易产生淬火缺陷， 水中淬火易产生变形和 裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等 现象。 应用：碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油 作冷却介质。
钢的热处理-奥氏体的形成
合金元素阻碍奥氏体晶粒长大的机制
（1）化合物机械阻碍理论
Al、Ti、Zr、V、W、Mo、Cr等元素 在钢中形成很多细小均匀分布的难熔化合 物 ， 主 要 是 碳 化 物 和 氮 化 物 （ NbC, VC, TiC, NbN, VN, TiN, AlN等等），它们分布 在奥氏体的晶界上，机械地阻碍晶界的迁 移，使晶粒难以长大。Al2O3和硫化物也有 阻碍奥氏体晶界移动的作用。
温度
ν
ν
珠光体向奥氏体等温转变示意图
ν
原始组织
746℃保温5秒
ν
ν
ν 746℃保温15秒
奥氏体的形成过程
746℃保温60秒
共析钢高温奥氏体的显微组织（1000倍）
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： 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。
热力学条件：奥氏体转变需要一定的过热度
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
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：通过 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。
形核地点：晶界、亚晶界、晶体缺陷、非 金属夹杂区域。
最有利的形核地点：珠光体中铁素体和渗 碳体的相界面。
奥氏体晶粒度的几个概念
初始晶粒度：是指加热时奥氏体转变过程 刚刚结束时的奥氏体晶粒大小。
实际晶粒度：热处理时某一具体加热条件 下最终所得到的奥氏体晶粒的大小。
本质晶粒：钢奥氏体晶粒的长大趋势，容 易长大的称为本质粗晶粒钢，晶粒不容 易长大的称为本质细晶粒钢。
4 钢中奥氏体的形成
加热温度T升高，奥氏体向F一侧推移速度比向 Fe3C一侧推移速度快，F消失瞬间残余Fe3C量增 加，奥氏体中C%降低，相变不平衡程度增加； 加热温度T升高，形核率I增加的速度比长大速度 G增加的速度快，奥氏体晶粒细化(提高强韧性)。
c
dc
dc dx
由相图
1
2
dx
P0
P0 为珠光体片间距，平衡冷却时，平均片间距与
每一片间距相同。
因此有
G
K C B
注意：(1)由于忽略碳在铁素体的扩散，此计算值与实际速 度偏小；(2)对粒状珠光体亦适用。
讨论：
温度T升高，Dc 呈指数增加，长大速度G增加
温度T升高，C1-C2增加， 加；
800℃
765℃ 745℃
40
730℃ 20
时间
奥氏体等温转变特点
在整个奥氏体形成过程中，奥氏体形成速 率不同。
转变需要经过一定的孕育期。等温温度越 高，孕育期越短。 转变温度越高，奥氏体的形成速率越快。 这与过热度、相变驱动力、扩散速率随温 度的升高而增大有关。
3. 奥氏体等温形成动力学图
等温转变动力学研究方法 金相法 膨胀法 热分析法
4.3.1 奥氏体等温形成动力学
1.
t2
温 t 度 1 温 度
t1
t2
时间 时间
等温加热
等温冷却
2. 奥氏体等温形成动力学曲线
奥氏体等温形成动力学曲线是指在一定温 度下等温，奥氏体的体积分数与等温时间 的关系曲线。
金属材料与热处理 第四章
第四单元铁碳合金相图一、名词解释1. 铁素体铁素体是指α-Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号F(或α)表示。
2.奥氏体奥氏体是指γ-Fe内固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A(或γ)表示。
3.珠光体珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形状为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。
或珠光体是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混合物。
4.莱氏体莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的奥氏体和碳化物渗碳体所组成的共晶体。
5.渗碳体渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于Fe3C的一种间隙式化合物。
6. 铁碳合金相图合金状态图是表示在极缓慢冷却(或加热)条件下，不同化学成分的合金，在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。
7.低温莱氏体在727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体（L′d），或称变态莱氏体。
二、填空题1．分别填出下列铁碳合金组织的符号：奥氏体 A ；铁素体 F ；渗碳体Fe3C ；珠光体P ；高温莱氏体Ld ；低温莱氏体L′d 。
2．珠光体是由 F 和Fe3C 组成的机械混合物。
3．莱氏体是由 A 和Fe3C 组成的机械混合物。
4．奥氏体在1148℃时碳的质量分数可达2.11% ，在727℃时碳的质量分数为0.77% 。
5．根据室温组织的不同，钢分为三种，其中亚共析钢，其室温组织为 F 和P ；共析钢，其室温组织为P ；过共析钢，其室温组织为P 和Fe3C II。
6．碳的质量分数为0.77% 的铁碳合金称为共析钢，当加热后冷却到S点( 727℃)时会发生共析转变，从奥氏体中同时析出 F 和Fe3C 的混合物，称为P 。
7．奥氏体和渗碳体组成的共晶产物称为Ld ，其碳的质量分数为 4.3% 。
8.亚共晶白口铸铁碳的质量分数为2.11%<ωC<4.3% ，其室温组织为P+ Ld’+ Fe3C II。
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第二节 奥氏体的形成
四、奥氏体核的长大
从上图可以看出，在T1温 度下由于C1、C2、C3、C4不同 导致奥氏体晶核形成时，C原 子扩散，如下图，扩散的结果 破坏了T1温度下C%的浓度平 衡，迫使与奥氏体相接的F和 Fe3C溶解恢复T1温度下C%的 浓度平衡，如此历经“破坏平 衡”——―建立平衡”的反复， 奥氏体晶核长大。
C%
F C1
Fe3C
A
C2 C3 C4
珠光体片间距
奥氏体晶核长大示意图
第二节 奥氏体的形成
四、奥氏体核的长大
第二节 奥氏体的形成
四、奥氏体核的长大
1、C原子扩散：一旦奥氏体晶核出现，则在奥氏体内部的C% 分布就不均匀，由下图可见： C1—与Fe3C相接的奥氏体的C%； C2—与F相接的奥氏体的C%； E G C3—与Fe3C相接的F的C%； T C4—与奥氏体相接的F的C%；
1
P
S
C4
C3
C2
C1
在T1温度下奥氏体C%
第二节 奥氏体的形成
二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
合金元素加入钢中，对铁碳相图的相区、相变温度、共析点 成分等有影响。合金元素会使奥氏体单相区扩大或缩小。 C、N、Co、Ni、Mn、Cu都会使奥氏体相区扩大，称为奥 氏体形成元素，以Ni、Mn影响最强。 Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等使奥氏体单相区缩小，称为 铁素体形成元素。 钢中的奥氏体形成元素如 Mn、Ni含量增加，使铁碳相图 的奥氏体相区范围扩大，A1、 A3线下降，共析点S（E点）向 左下方(低温、低碳方向移动)。 当其含量较高时，由于奥氏体相 区大大扩大，使钢在室温时 仍 处于单相奥氏体状态而获得奥氏 体钢。
Mn对铁碳合金相图的影响
第二节 奥氏体的形成
二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
而对于铁素体形成元素，如Cr含量增加，使奥氏体相区 缩小，A1、A3线升高，共析点S点（E点）向左上方（高温、 低碳）移动。当其含量较高时可使奥氏体相区缩小至消失， 使钢在固态下没有奥氏体，而成为所谓铁素体钢。
Cr对铁碳合金 相图的影 响
第二节 奥氏体的形成
二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
上述元素都使得铁碳相图的S点、E点左移，使共析 点含碳量及出现莱氏体的含碳量降低，会使钢的组织发 生很大变化，如图所示。例如，含Cr 12%, C 0.4%的钢 已为过共析钢。作刀具的高速钢其含碳量只有 0 .7～ 0 .8%，在铸态下的组织中有莱氏体而变成为莱氏体钢。
珠光体组织P（FP+Fe3CP）
第二节 奥氏体的形成
三、奥氏体核的形成
根据热力学分析：
奥氏体晶核主要在F和Fe3C的相界面形核，其 次在珠光体团界或珠光体团与先共析F。 这样能满足：(1)能量起伏； (2)结构起伏；
(3)成分起伏三个条件。
第二节 奥氏体的形成
四、奥氏体核的长大 α + Fe3C γ 晶体结构：体心立方 复杂斜方 面心立方 含碳量： 0.0218% 6.67% 0.77% 奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的， 原子扩散包括：(1)Fe原子自扩散完成晶格改组； (2)C原子扩散使奥氏体晶核向α相和Fe3C相两侧推 移并长大。
Ar3：冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度；
Ac出二次渗碳体的温度。
第二节 奥氏体的形成
一、钢的临界温度
钢的临界温度主要由其化学成分决定， 同时还与加热速率或冷却速率有关。加热 速率越大，临界温度越高，冷却速率越大， 临界温度越低。
第一节 奥氏体的结构、组织与性能
三、奥氏体的性能
1.机械性能：(1)屈服强度、硬度低 (2)塑性、韧性高； (3)热强性高。 2. 物理性能：(1)比容最小；(2)导热性差； (3)线膨胀系数大；(4)顺磁性。 易于变形加工成型；
3. 应用：(1)变形加工成型；(2)奥氏体不锈钢耐蚀性； (3)膨胀仪表灵敏元件。
图4-1
4. 合金元素原子(Mn、Si、Cr、Ni等)溶入奥氏体中取代Fe 原子的位置，形成置换式固溶体，称合金奥氏体。
第一节 奥氏体的结构、组织与性能
二、奥氏体的组织
奥氏体组织通常为等轴状多边形晶粒，这与： (1)原始组织有关 (2)加热速度有关 (3)转变程度有关 不平衡加热奥氏体晶粒呈针状或球状。
热处理工艺中，冷却的方式有两种：
保温
连续冷却 升温 等温处理
第一节 奥氏体的结构、组织与性能
一、奥氏体的结构
定义：C溶于γ–Fe形成的间隙式固溶体。 1. C原子位于γ–Fe点阵的中心和棱边 的中点(八面体间隙处)； 2. C原子进入γ–Fe点阵间隙位置引起 γ–Fe点阵等称膨胀；C%增加，奥氏体 点阵常数增大，但奥氏体的最大溶C量 (溶解度)为2.11%； 3. C原子在奥氏体中分布是不均匀的，存 在浓度起伏，有富碳区，贫碳区；
第二节 奥氏体的形成
一、钢的临界温度
奥氏体 Ac3 Ar3
Accm
Arcm Ac1 Ar1
第二节 奥氏体的形成
一、钢的临界温度
钢在加热和冷却时临界温度的意义如下： 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；
第四章 钢中奥氏体的形成
―热处理”加热之目的？
热处理工艺中除回火、少数去应力退火，一般均需要 加热到临界点以上温度使钢部分或全部形成奥氏体，经过 适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织，从而获得所需 要的性能。 奥氏体晶粒大小、形状、空间取向以及亚结构，奥氏 体化学成分以及均匀性将直接影响转变、转变产物以及材 料性能。 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。 综上所述，热处理加热的主要目的就是“奥氏体化”， 所以研究奥氏体相变具有十分重要的意义。
第二节 奥氏体的形成
三、奥氏体核的形成 钢在加热过程中奥氏体的形成是通过形 核和长大方式进行的。奥氏体的晶核究竟 应在什么位置形核？ 首先我们先回忆一下钢在室温时的平衡 组织。
亚共析钢室温平衡组织
F+P组织
含1.2％C的过共析钢室温平衡组织
P+Fe3CII组织
0.77%C 共析钢室温下的平衡组织