第2章_钢的加热转变1

ⅠⅡ L
+
A
B
只有固态相变发生的合金才能进行热处理。
T℃ δ
↑
A
G 912 ℃
Acm
A3
A+F S
FP
Q
Fe
E 1148℃
A+ Fe3C
A1
727℃
F + Fe3C → C%
F K
Fe3C
图2-2 铁碳合金相图
任何热处理均以加热 为其第一步，大多数热 处理工艺(如淬火、正火 和普通退火)都需要将钢 件加热至临界点A1或A3 以上，形成奥氏体组织, 称为奥氏体化。
2.1 奥氏体的形成
2.1.1 奥氏体的性能
奥氏体是碳在γ-Fe中 的间隙固溶体，具有面 心立方结构。C原子在点 阵中处于由Fe原子组成 的八面体间隙中心处， 即面心立方晶胞的中心 或棱边的中点，
图2-3 C在Fe中可能的间隙位置
2.1 奥氏体的形成
2.1.1 奥氏体的性能
若按所有八面体间隙位臵 均填满C原子计算，则单位 晶胞中含有4个Fe原子和4个 C原子，即原子浓度为50%, 折合质量浓度为20%。
加热时：实际转变温度移向高 温，以Ac表示。
Ac1、Ac3、Accm
冷却时：实际转变温度移向低 温，用Ar表示
Ar1、Ar3、Arcm
转变温度
A
G
Ac3 A3 Ar3
FP
S
F+P Q Fe 0.0218 0.77
E 1148℃
Accm Acm
Arcm
727℃
Ac1 A1 Ar1
P+Cm
2.11
C%→
2.1.3 奥氏体的形成的热力学条件
由热力学可知，钢加热时发生相变的动力是新相奥 氏体与母相之间的体积自由能之差VgV，奥氏体形 核时，系统的自由能变化为
G V gV S V
式中，S —形成奥氏体时所增加的界面能; V —形成奥氏体时所增加的应变能。
VgV为奥氏体形成的驱动力，它随加热温度升高 而增大。后两项为阻力，由于奥氏体在高温下形成， 其相变的应变能较小，故相变的阻力主要是界面能。
1.平衡加热状态
过共析钢的奥氏体化
室温下组织为 P+Fe3C A1以上，Fe3C+A
T℃ A3
A
F
Acm以上，A
在A1〜Acm之间的奥氏体化，Fe 称为不完全奥氏体化，热处
理工艺中常用。
Acm A1
C
P Fe3C A1 A Fe3C Acm A
2.实际加热状态（非平衡态）
实际加热或冷却都是在较快的速度下进行(非平衡过程)， 实际转变温度与相图中的临界温度存在一定偏离，会出 现滞后，即G= GA - GP＜0 才发生转变。
第二章 奥氏体的形成
2.1 奥氏体的形成 2.2 奥氏体形成机理 2.3 奥氏体转变动力学 2.4 奥氏体晶粒长大及其控制
热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和冷却方 式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操 作工艺，其工艺曲线如图所示。
图2-1 热处理工艺曲线
是不是所有的金属材料都可以进行热处理呢？
2.1.1 奥氏体的性能 奥氏体的比容最小
例如在含0.8%C的钢中，各相的比容分别为: 奥氏体：1.2399×10﹣4m3/kg； 铁素体：1.2708×10﹣4m3/kg； 马氏体：1.2915×10﹣4m3/kg。
在奥氏体形成或由奥氏体转变成其它组织时，都会 产生体积变化，引起残余内应力和一系列相变特点。
但实际上奥氏体的最大含 碳量为 2.11%(质量)，折合原 子浓度为10%，即25个晶胞 中才有10个C原子。
图2-3 C在Fe中可能的间隙位置
2.1.1 奥氏体的性能
奥氏体具有高的塑性和低的屈服强度
奥氏体的面心立方结构使其具有高的塑性和低的屈 服强度，相变过程中容易发生塑性形变，产生大量位 错或出现孪晶，从而造成相变硬化和随后的再结晶、 高温下晶粒的反常细化以及低温下马氏体相变的一系 列特点。利用残余奥氏体量可减少材料淬火变形。
2.1.3 奥氏体的形成的热力学条件
G V gV S V
当温度为727℃时，珠 光体与奥氏体的自由能相 等，不会发生相变。当温 度高于A1时， gV为负， 即右侧第一项为负值，这 时才有可能发生相变。
图2-4 珠光体和奥氏体自由能 与温度的关系示意图
2.1.3 奥氏体的形成的热力学条件
G V gV S V
只有在A1点以上，当珠 光体向奥氏体转变的驱动
力能够克服奥氏体形成所
增加的界面能和应变能时，
奥氏体才会自发地形成，
即奥氏体形成必须要有一
图2-4 珠光体和奥氏体自由能 定的过热度(T)。
与温度的关系示意图
2.2 珠光体向奥氏体的转变机理
奥氏体的形成是钢在加热过程中，由珠光体转变成 奥氏体的过程，遵循相变的一般规律，即包括形核和 长大两个基本过程。
各种片层状的铁素体和 渗碳体的混合组织都称为 珠光体类组织。这类组织 中，铁素体为体心立方点 阵，渗碳体为复杂点阵， 奥氏体为面心立方点阵， 三者点阵结构相差很大。
2.1.1 奥氏体的性能 奥氏体的线膨胀系数比其它组织大 。
例如在含0.8%C的钢中，各相的比容分别为: 奥氏体：23.0×10﹣6cm/K ； 铁素体：14.5×10﹣6cm/K ； 渗碳体：12.5×10﹣6cm/K 马氏体：11.5×10﹣6cm/K 。
奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体高出约一倍， 可用来制作要求膨胀灵敏的仪表元件。
2.1.1 奥氏体的性能 奥氏体为室温不稳定相
在铁碳合金中，只在A1温度以上才稳定。但如果 加入足够的合金元素，如锰、镍、钴等，就可以使奥 氏体在室温下稳定。奥氏体的成分和晶粒大小对于它 向其他组织转变的动力学影响很大，从而对钢的性能 也有很大影响。
2.1.2 奥氏体的形成与铁碳相图
平衡加热状态 实际加热状态(非平衡态)
T℃ δ
↑
E 1148℃ A
G 912 ℃
Acm
A3
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A+F S FP
A+ Fe3C
A1 727℃
F + Fe3C Q
Fe
→ C%
F K
Fe3C
1.平衡加热状态
亚共析钢的奥氏体化
室温下组织为F+P。 A1以上，F+A A3以上，A
T℃ A3
A
F
Acm A1
Fe
C
F P A1 F A A3 A
2.1.1 奥氏体的性能 奥氏体具有顺磁性。
顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在， 原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺 磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁 性。
奥氏体导热性差。
除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。为避免热应力 引起的工件变形，加热时不可采用过大的加热速度。