钢中奥氏体的形成
第二章 奥氏体的形成
钢中奥氏体的形成
1
2.1 奥氏体及其形成条件
2.1.1 奥氏体的组织结构
奥氏体是碳溶于g-Fe所形成的固溶体。碳原子位于 g-Fe八面体间隙的中心，即面心立方点阵晶胞的中心或 棱边的中点。
如果所有的八面体中心均能容纳入一个碳原子，奥 氏体的极限含碳量是多少?为什么?
g-Fe 八面体间隙的半径仅为0.052nm，小于C原子 的半径 0.077nm。
1.0 1.5 碳含量/w%
2.0
图2.2 奥氏体点阵参数与碳含量的关系
4
组织形态：
• 与原始组织、加热速度以及加热转变的程度等有 关；
• 一般均为颗粒状；
• 非平衡态的含碳较低的钢以较低的速度加热到（a + g）两相区时可以得到针状奥氏体 ； • 加热转变刚结束时所得的颗粒状奥氏体晶粒比较 细小，晶粒边界呈不规则弧形。经过一段时间高温 保温后，奥氏体晶粒将长大，晶粒边界将通过平直 化而变直，呈等轴多边形。有的奥氏体晶粒内还可 能存在孪晶。
27
250mm
250mm
250mm
250mm
NiTi合金不同功率密度条件下激光重熔处理熔池截面形貌
28
17-4PH钢激光熔凝层截面宏观组织
29
2.3.1.2 线长大速度u
可由扩散定律导出奥氏体形成时的相界面推移速度为
dC 1 u - KDc dx CB
g
式中，K为常数，Dcg 为碳在奥氏体中的扩散系数， dC dx 为相界面处奥氏体中碳的浓度梯度，ΔCB 为奥 氏体与铁素体的相界面处或奥氏体与渗碳体的相界面 处的两相浓度差，负号表示下坡扩散。 由此可推出在780℃ ：
（4）热强性好：奥氏体钢可作为高温用钢 。
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。
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
•
• 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
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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
原理第45章钢中奥氏体的形成
b、对于亚共析钢，加热速度提高，淬火后得到低于平均成分的马氏体及未 经转变完全的F 和碳化物，应该避免；
c、对于过共析钢，加热速度提高，淬火后得到低于共析成分的低、中碳马 氏体及剩余碳化物，有助于马氏体韧化，有利于实际生产。
第二章 钢中奥氏体的形成
图2.4 C原子在γ-Fe 点阵中可能存在的间隙位置
第二章 钢中奥氏体的形成
3）奥氏体的性能
奥氏体可以在室温成为稳定相（合金元素、奥氏体不锈钢）。 奥氏体的硬度和屈服强度均不高，因面心立方点阵滑移系统多，奥氏体的塑性
很好，易于变形，即加工成形性好； 面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，奥氏体的比容最小； 奥氏体中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，因此奥氏体钢的热强性好，
综上所述，奥氏体的形成过程可以分为四个阶段：
第二章 钢中奥氏体的形成
非共析钢的奥氏体化过程
和共析钢的奥氏体化对比，非共析钢的奥氏体化过程分两步进行，首先完 成P→A，这与共析钢相同；然后是先析相的奥氏体化过程。这些都是靠原子扩 散实现的。
值得指出的是，非共析钢的奥氏体化碳化物溶解以及奥氏体均匀化的时间 更长。
为了维持原来相界面处的局部碳浓度平衡，在/Fe3C相界面处的渗碳体必须 溶入奥氏体以供应碳量，使其碳浓度恢复至 C/cem ；与此同时，在 / 相界面处 的铁素体必须转变为奥氏体，使其碳浓度降至C / ，这样，奥氏体的两个相界面 便自然地同时向渗碳体和铁素体中推移，使奥氏体不断长大。
综上所述，奥氏体中的碳浓度差是奥氏体在铁素体和渗碳体相界面上形核 的必然 结果，它是相界面推移的驱动力，相界面推移的结果是 Fe3C不断溶解， 相逐渐转变为相。
钢中奥氏体的形成
DCγ—C在奥氏体中的扩散系数 Cγ−α—与F接触的A的C浓度 C γ−C—与Ce接触的A的C浓度
A界面向两侧推移速度与D及dC/dX成正比，与界面两侧碳浓度差成反比 T↑，D呈指数增加、Cγ-c与Cγ-α差值增加而使Dc/Dx增加、
界面两侧碳浓度差（Cγ-α- c α - γ）及（6.67- Cγ-c ）均减小，故V γ→α及V γ→C均随温度升高而增加。
Cα-c：与Fe3C接触的F的C浓度 Cγ-α：与F接触的A的C浓度 Cγ-c：与Fe3C接触的A的C浓度 Cc-γ：与A相接触的Fe3C的C浓度（6.67%）
奥氏体内：出现碳浓度梯度， C从高浓度的奥氏体/渗碳体界面 向
低浓度的奥氏体/铁素体界面扩散 铁素体内：C在奥氏体中扩散的同时，也在铁素体中扩散.
温度升高，A/F界面向F推移的速度与A/Ce界面向Ce推移的速度之比也增大。 如，780oC时，二者之比为14.8， 800oC时，为19.1（由式2-4计算）。 A形成温度升高，F消失时残留Ce量增大，A的平均碳含量降低。
(二)钢的碳含量和原始组织 钢中C越高，A形成越快
钢中C增加，Ce增多，增加F/Ce相界面，增加A形核部位，N增大 Ce量增加后，C扩散距离减少 C和Fe原子的扩散系数也增大，这些加快A的形成。 但过共析钢中，Ce数量过多，随C增加，也会引起残留Ce溶解和
影响临界点及A形成速度 Me改变A1、A3、Acm等位置，并使之扩大为一个温度范围，改变相变
时的过热度，影响奥氏体形成速度。 如Ni、Mn、Cu等降低A1点，相对地增大过热度，提高A形成速度 Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等提高A1点，相对地降低过热度，减慢奥
A形成速度
影响珠光体片层间距、改变C在A中的溶解度 影响相界面浓度差、C在A中浓度梯度、形核功等，影响A形成速度
奥氏体形成的四个过程
奥氏体形成的四个过程奥氏体是指钢铁中的一种组织，也是钢铁制品中最常见的组织类型之一。
奥氏体的形成过程可以分为四个阶段：加热、保温、冷却和回火。
一、加热在制造钢铁的过程中，需要先将原材料加热到一定温度，使其变得更加柔软和易于加工。
对于奥氏体的形成而言，加热也是必不可少的一步。
在加热的过程中，钢铁中的碳元素开始逐渐被溶解。
随着加热温度的升高，钢铁中的碳元素溶解度也会逐渐增加。
当温度达到一定程度时，钢铁中的碳元素就会完全溶解，这时钢铁就处于一个完全的奥氏体状态。
二、保温当钢铁达到完全奥氏体状态后，需要进行保温。
这是为了让钢铁中的碳元素充分扩散，并在晶粒界处形成一定的碳化物。
在保温的过程中，钢铁中的碳元素会逐渐扩散到晶粒界处，与周围的铁原子结合形成碳化物。
这些碳化物的形成可以增加钢铁的硬度和强度，从而使其更加适合应用于高强度和高耐磨性的场合。
三、冷却冷却是奥氏体形成过程中最为关键的一步。
在这一步中，需要将钢铁快速冷却，以使其保持奥氏体结构。
在快速冷却的过程中，钢铁中的碳元素没有足够的时间扩散到晶粒界处，因此无法形成碳化物。
这样，钢铁中的碳元素就会保持在溶解状态，从而形成了奥氏体。
四、回火在冷却后，奥氏体结构的钢铁虽然具有较高的硬度和强度，但也很脆。
为了提高其韧性和可塑性，需要进行回火。
回火是指将钢铁加热到一定温度，然后将其缓慢冷却。
这样可以使钢铁中的碳元素重新扩散到晶粒界处，并与铁原子结合形成一定的碳化物。
这些碳化物可以增加钢铁的韧性和可塑性，从而使其更加适合应用于高强度和高耐磨性的场合。
奥氏体的形成过程是一个复杂的过程，需要经过加热、保温、冷却和回火四个阶段。
只有在这些阶段都得到了充分的控制，才能得到具有高硬度、高强度和高韧性的钢铁制品。
13-14第二章 奥氏体形成
X100倍 晶粒度
奥氏体晶粒度有三种：
① 初始晶粒度 ---- 奥氏体形成刚结束， 其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大 小。初始晶粒一般很细小，大小不均， 晶界弯曲。
② 实际晶粒度 ---- 钢经热处理后所获得 的实际奥氏体晶粒大小。
③ 本质晶粒度 ---- 表示钢在一定加热条件下奥 氏体晶粒长大的倾向性。
- 十秒 - 几百秒 - 千秒 - 万秒
具体分析：
两个平衡的打破与再平衡： ① A相内部平衡：成分均匀化 ② A –F两相界面之间、A- Fe3C两相界面之间的平衡
阶段（2）原因：
A 形核后出现γ–α、γ-Fe3C 界面，界面 C% 由相 图确定，分别为 Cγ-α、Cγ-K、Cα-γ、Cα-K → ① A 内部存在 C 浓度梯度→C 从A-Fe3C界面附近向 A-F 界面附近扩散→Cγ-K↓，Cγ-α↑→
③ 性能：顺磁性；比容最小； 塑性好；线膨胀系数
F + Fe3C 成分(C%) 0.0218 6.69
→ A (727 ℃) 0.77
结构
体心立方 复杂斜方 面心立方
说明奥氏体化中须两个过程： ① C 成分变化： C 的扩散 ② 铁晶格改组： Fe 扩散
k ---- 玻尔兹曼常数，1.38X10-23 J/K
∆G* ---- 临界形核功； Q ---- 扩散激活能
P→A的相变，是升高温度的相变，温度升高时， ∆G*↓，Q↓，故形核率 N 增大。
2.2.2 奥氏体线长大速度
dC 1
1
GD (
)
(2
dx C C K
G ——长大线速度，单位 mm/s 碳在奥氏体中的扩散系数 D=D0exp(-Q/RT)
学习奥氏体化四过程的意义： 实际热处理中并不一定要求奥氏体的扩散
共析钢奥氏体的形成过程
共析钢奥氏体的形成过程
共析钢是一种高强度低合金钢，其通过在固态下共析，从而形成奥氏体的过程。
在共析钢中，合金元素以不同方式合并，以形成凝固组织。
首先，钢液在冷却时会经历一系列的结晶行为，直至完全凝固。
在这个过程中，钢液中的不同元素胶着在一起形成了特定的晶体结构。
这些元素的结合方式使得
组织中形成了不同的组分。
其次，奥氏体的形成是通过固态共晶反应实现的。
在这种反应中，固态钢中的含碳量会随温度变化而改变。
当温度降至临界点以下时，组织中的液相就会凝固，从而形成奥氏体颗粒。
这些颗粒在整个过程中逐渐变大，最终形成了各种尺寸不同的弥散奥氏体。
最后，在共析钢的形成过程中，合金元素会影响奥氏体的形态和分布。
其中，铬、镍和钼可以增强钢的强度和韧性，而钛、铬和钒则可以阻止奥氏体的形成和生长。
此外，含硫和含磷的共析钢在热处理时容易产生脆性，因此需要进行精确的
处理和控制。
总的来说，共析钢奥氏体的形成过程涉及多种因素，在加工和生产过程中需要考虑到这些因素的影响。
只有在这方面做好工作，才能生产出坚固、耐用的共析钢产品。
材料热处理原理第二章 奥氏体的形成
• 奥氏体的形成速度：形核率I 和长大速度G
转变温度/℃
740 760 780 800
共析碳钢
形核率I /(1/mm3s)
长大速度 G/(mm/s)
2280
0.0005
11000
0.010
51500
0.026
616000
0.041
转变一半所需 时间/s 100 9 3 1
• T，形成速度增大
1. 奥氏体等温形成动力学
结构： 体心立方 复杂斜方 面心立方
C含量： 0.02% 6.69% 0.77%
奥氏体A(γ)
Acm A3
A1
奥氏体的形成： （1） 的点阵重构 （2）渗碳体的溶解 （3）C在中的扩散重新分布
1. 奥氏体形核
G -Vgv S V < 0
V•gv :新奥氏体与母相之间的体积 自由能之差，加热相变的动力
T，有利于改善淬火钢尤其是淬火高碳工具钢的韧性。
1. 奥氏体等温形成动力学
• ②碳含量的影响
– 钢中碳含量愈高，奥氏体形成速度就愈快。
原因：
**碳含量增高时，碳化物数量增多，铁素体与渗碳体的相
界面面积增大，因而增加了奥氏体的形核部位，使形核率增 大。
**同时，碳化物数量增多后，使碳的扩散距离减小， ** 随奥氏体中碳含量增加，碳和铁原子的扩散系数增大
1. 奥氏体等温形成动力学
• T
C / - C /
形核所需C浓度的起伏
，有利于提高形核率
• 因此，T，相变过热 度增加，形核急剧增 加 （I>G)，有利于形 成细小的奥氏体晶粒。
1.奥氏体等温形成动力学
(2) 长大速度G • 等温转变
G
奥氏体的稳定化介绍
奥氏体的稳定化介绍奥氏体是一种重要的金属组织结构，在材料学中具有广泛的应用。
它具有优良的力学性能和良好的耐热性，是许多高强度和高温材料的主要组织相之一、奥氏体的稳定化是指在合适的条件下让奥氏体组织保持在材料中的过程。
下面将详细介绍奥氏体的稳定化过程和影响因素。
首先，奥氏体的形成是由于钢中的碳原子溶解在铁基体中所形成的一种细小的面心立方结构。
奥氏体的稳定性取决于温度和碳含量两个因素。
在正常温度下，碳原子会重新溶解在铁基体中，使奥氏体转变为其他的组织结构。
因此，为了稳定奥氏体，需要通过控制温度和碳含量来延长其存在时间。
其次，稳定化奥氏体的方法有多种。
其中最常用的方法是通过淬火和回火的热处理过程来实现。
淬火是将钢材加热到临界温度并迅速冷却，将奥氏体保持在组织中。
回火是在适当的温度下对淬火后的材料进行加热处理，以减轻内部应力和改善材料的硬度和韧性。
这种热处理过程可以使奥氏体稳定在材料中，提高材料的力学性能。
除了热处理过程，合金元素的添加也是稳定奥氏体的重要方式之一、通过合金元素的添加，可以改变钢中的碳浓度和晶体结构，使奥氏体的形成和保持更加稳定。
例如，添加铬、钼等元素可以抑制奥氏体向其他相转变的过程，使奥氏体得以稳定存在。
此外，通过合金元素的添加还可以调节材料的强度、韧性和耐热性等性能。
此外，冷处理也是稳定奥氏体的一种方式。
冷处理是指在低于室温的条件下对材料进行加工和变形，使奥氏体的组织结构变得更加稳定。
这种方法常常应用于高强度钢材的制备过程中。
最后，奥氏体稳定化的效果受到多种因素的影响。
首先，温度对奥氏体的稳定性起着决定性的作用。
较高的温度会促使奥氏体向其他相转变，而较低的温度则可以延长奥氏体的存在时间。
其次，碳含量也会影响奥氏体的稳定性。
碳含量较高会促使奥氏体向其他组织结构转变，而碳含量较低则有利于奥氏体的稳定。
综上所述，奥氏体的稳定化是通过合适的热处理过程、合金元素的添加以及冷处理等方式来实现的。
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。
THANK S感谢观看
钢中奥氏体的形成
汇报人： 日期:
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2章 钢中奥氏体的形成
加热转变的意义：1.改进热处理工艺 2.为冷却转变打基础
2.1 奥氏体及其形成条件
奥氏体稳定存在区域 是：GSEJNG 相变临界点：
A1、A3、Acm
实际加热时相变临界 点：Ac1、Ac3、Accm
实际冷却时相变临界 点：Ar1、Ar3、Arcm
1. 2. 3.
思考：
S、E、G、P点？
线膨胀系数大：可作热膨胀灵敏的仪表元件；
导热性能差：不宜采用过大的加热速度。
2.2 奥氏体的形成机制
奥氏体形成的热力学条件
相变驱动力： 相变阻力：
A1
Fe-C合金珠光体与奥氏体 的自由能与温度的关系
•以共析钢为例： •奥氏体的相组成、点阵结构、碳含量与 铁素体和渗碳体不同
相组成： 碳含量：
0.02%
2.5 奥氏体晶粒长大及其控制
一、 奥氏体晶粒度： 定义:指奥氏体化后实际晶粒大小 表示方法：晶粒直径、单位面积 中奥氏体晶粒数目 等级标准：8级 超细晶粒：超过8级
n=2N-1
式中： n-放大100倍时每平方英寸(6.45cm2)面 积内晶粒数, N-晶粒度级别
奥氏体晶粒度种类：
二、奥氏体晶粒长大原理
长大条件：
A刚形成时均很细小，且不均匀，界面能越高， 界面越不稳定，在一定条件下，必然自发地向减 小晶界面积、降低界面能的方向发展。所以小晶 粒合并成大晶粒，弯曲晶界变成平直晶界是一种 自发过程。
长大方式：互相吞并、晶界推移而实现的。
1、A晶粒长大驱动力：
来自A的晶界能
+
Fe3C
6.69% 复杂斜方
→
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。
第二章 钢中奥氏体的形成
钢铁热处理加热和保温温度的选择主要基于 F-Fe3C相图共析反应。
¾ A1 (加热，Ac1，=A1+ΔT过热；冷却，
图2-6 加热（冷却）速度为0.125
Ar1，=A1-ΔT过冷) ---PSK，
℃/min时，Fe-Fe3C相图中的临界 ¾ A3 (加热，Ac3；冷却， Ar3) ---GS，
点
温度升高到GSE线以上时，都 将得到单相奥氏体。
钢加热转变时的相变驱动力为新相奥氏体与母相之间的体积自 由能差ΔG。 根据固态相变形核理论，形成奥氏体核心时，系统总自由能变化 ΔG为： ΔG=−VΔGv+S γ +VΔGs 式积中自：由V能—差—，新V相Δ的Gv体是积相，变Δ的G驱v—动—力为；奥氏体与珠光体间单位体 S——新相表面积，γ为新相与母相间单位面积界面能， S γ 为相变的阻力； 变的Δ阻G力s为。奥氏体形核时所增加的单位体积应变能，VΔGs为相
A1点以上即在一定的过热度下才能发生。 同理，冷却时，奥氏体向珠光体的转变也必须
在一定的过冷度下才能发生。
为便于区别起见，通常把钢加热时的临界点 加注“C”字，分别写成Ac1、Ac3、Accm； 而把冷却时的临界点加注“r”字，成为Ar1、 Ar3、Arcm等。但Accm与Arcm不常用，通常 只写成Acm，不再加注表示加热或冷却的字 母。
（2）共晶转变
共晶转变线：水平线ECF
在1148℃的恒温下发生共晶转变，由wc=4.3%的液相转 变为wc=2.11%的奥氏体和渗碳体组成的混合物： 即液相(L4.C3→0%γ-CF)e、E+奥Fe氏3C体(2.11%C)和渗碳体(6.69%C)三相 共存。 其中，C—共晶点；E—碳在γ-Fe中的最大溶解度。
奥氏体不锈钢形成条件
奥氏体不锈钢形成条件奥氏体不锈钢是一种重要的不锈钢品种，其特点是具有良好的耐腐蚀性、强度和可塑性。
其主要成分为铁、铬、镍和钼等合金元素，这些元素的含量对奥氏体不锈钢的性能有着重要的影响。
在生产过程中，需要通过一定的方法和工艺来满足奥氏体不锈钢的形成条件。
1.合金元素含量的控制铬是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素之一，其含量通常在12%-27%之间。
镍和钼的含量对奥氏体不锈钢的形成也有重要的影响。
在一定范围内增加镍和钼的含量，可以促进奥氏体的形成。
钛、铌等元素的添加也可以提高奥氏体的形成程度。
2.热处理工艺奥氏体不锈钢的形成与热处理工艺密切相关。
在制备过程中，需要采用适当的加热和冷却工艺来促进奥氏体的形成。
一般来说，通过高温加热至800℃以上，保温一段时间，然后快速冷却（如水冷或气冷），可促进奥氏体相变的形成。
还可以采用多次加热与冷却的方法，来进一步促进奥氏体的形成。
3.冷变形处理在奥氏体不锈钢的制备过程中，也需要进行冷变形处理。
这主要是通过冷轧、冷拔等加工方法，来使晶体结构发生变形，从而促进奥氏体的形成。
实验表明，冷变形程度的增加，可以使奥氏体的形成程度得到进一步提高。
4.合理的化学成分设计在奥氏体不锈钢的制备过程中，需要进行合理的化学成分设计。
通过调整合金元素的含量、控制纯度和添加其他元素等方法，可以更好地满足奥氏体不锈钢的形成条件。
还需要根据具体产品的要求，合理设计材料的化学成分，以保证其各项性能指标达到要求。
奥氏体不锈钢的形成条件需要通过合理的合金元素含量控制、热处理工艺、冷变形处理和化学成分设计等方法来实现。
这些方法的具体应用需要结合具体产品要求和生产实践，才能得到更好的效果。
5. 适当的淬火工艺除了热处理工艺外，淬火工艺也是奥氏体不锈钢形成的重要因素之一。
在制备过程中，需要特别注意淬火的温度和时间，以保证奥氏体在适当的条件下形成。
一般来说，淬火温度越高，奥氏体形成的程度就越高。
过高的淬火温度也会导致钢材变形和变质等问题，因此需要根据具体情况来调整淬火温度和时间，以达到最佳的效果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
h
3
Fe-Fe3C相 图： A1以下： A1以上： 继续升温： 亚共析钢 过共析钢 奥氏体的 成份沿GS 和ES曲线 变化 GSE线以 上，单相 奥氏体。
第二节 奥氏体形成的热力学条件
❖ 高于A1时，ΔGv为负值，珠光体 将转变为奥氏体。反之奥氏体将 转变为珠光体。
❖
相变必须在有过热（过冷）的条 件下才能进行
h
5
加热(冷却)速度对 临界点影响：
加热（冷却）
速度越大，过热 （过冷）程度也越 大。
加热和冷却时
发生转变的温度 （即临界点）不在 同一温度
加热时的临界点： Ac1，Ac3，Accm, 冷却时的临界点： Ar1，Ar3，Arcm
转变温度 oC
740 760 780 800
形核率N [1/mm3s]
2280 11000 51500 616000
线生长速度v 转变完成一半所需的时间
（mm/s）
s
0.0005
100
0.010
9
0.026
3
0.041
1
h
14
二、线生长速度
与长大机制有关：碳在A中扩散控制，碳在F中扩散控制
长大受碳在A中扩散控制：A在F和Ce之间，两侧向F与Ce推移， 速度为两侧推移速度之和，取决于碳原子在A中传输速度
这种扩散同样也促进奥氏体的长大，但作用甚微。
h
10
共析钢奥氏体晶核长大示意图 a) 相界面推移示意图；b) 奥氏体在T1温度形核时各相中C浓度
h
11
三、渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化
Fe3C溶解 奥氏体核形成后，向Fe3C中长大的速度较低，铁素体全部消失后将残
留一部分Fe3C 随保温时间延长，残留Fe3C将继续溶入奥氏体
奥氏体成分的均匀化 Fe3C溶解结束时，奥氏体中仍存在C浓度梯度，继续通过扩散过程消
除，称为奥氏体均匀化。
hLeabharlann 12第四节 奥氏体等温形成动力学
奥氏体形成速度取决于形核率N和线生长速度v。 在等温条件下，N和v均为常数。 一、形核率
在奥氏体均匀形核的条件下，形核率N与温度T之间的关系为：
NC'ekGTmekGT*
奥氏体点阵常 数：C原子进入 空隙后，引起 点阵畸变，点 阵常数增大。 溶入碳越多， 点阵常数越大。
h
2
碳在奥氏体中最大溶解度：2.11wt%（1148oC），而不是八面体空隙被 填满时的17.7wt%。按最大溶解度计算，大约2.5个-Fe晶胞中才有一个C 原子。 合金钢中的奥氏体：是C及合金元素溶于γ-Fe中形成的固溶体。Mn、Si 、 Cr、Ni、Co等合金元素溶入γ-Fe后将取代Fe原子形成置换式固溶体，引 起点阵畸变和点阵常数变化。所以合金奥氏体的点阵常数除与碳含量有 关外，还与合金元素的含量及合金元素原子和Fe原子的半径差等因素有 关。 稳定存在温度：Fe-C合金：727℃以下不稳定相 Fe-C合金中加入足够数量的扩大相区的合金元素，室温、室温以下稳定 奥氏体钢：能在室温下以奥氏体状态使用的钢。奥氏体呈顺磁性，无磁 钢
第二章 钢中奥氏体的形成
奥氏体化： 加热转变与奥氏体的意义： 本章：了解奥氏体，讨论平衡组织加热时奥氏体形成规律，非平衡组织加 热时奥氏体的形成
第一节 奥氏体的结构、组织和性能
奥氏体：钢中的奥氏体是碳溶于-Fe形成的间隙固溶体， C原子在-Fe八面体中心空隙，即fcc晶胞中心或棱边中点
h
1
间隙大小：-Fe 点阵常数为 3.64Å时，最大 空隙的半径为 0.52Å，C原子 半径0.77Å
样 转变全过程分为四个阶段：
奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大 渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化
h
7
一、奥氏体晶核的形成 形核位置
共析钢中：通常形成于铁素体和渗碳体交界面 优先部位：珠光体团边界，珠光体与先共析铁素体间的界面
亚共析钢中 过热度小，优先在珠光体团界、铁素体/珠光体界面形成 过热度大，也可以在片状珠光体团内部铁素体/渗碳体界面形核 快速加热，过热度大，奥氏体临界晶核半径小，成分范围大， 故也可在铁素体内亚晶界上形成。
亚共析钢中 奥氏体形核
两相区加热
单相区加热
h
8
V P T
20CrMnTi钢淬火+高温回火组织(+Fe3C) 加热到两相区时奥氏体的形成
h
9
二、奥氏体晶核的长大
A在F和Fe3C界面形成，长大时γ-α和γ-Fe3C相界面推进 奥氏体核在T1形成，相界面平直，界面处各相的碳浓度 Cα-γ：与A接触的F的C浓度
加热速度和冷却速度为0.125℃/min时，临界点的移动
h
6
第三节 奥氏体的形成机制
共析成分珠光体：加热至Ac1以上，将转变成单相奥氏体
0.0% 2C
F3eC 6.6% 7C
加 热 A 至 1 以 c 上0.7% 7C
体心立方 复点 杂阵 斜方点阵
面心立方点
碳的扩散与重新分布、α→γ点阵重构： 三者点阵结构相差很大，碳含量也不一
碳原子传输速度：碳在A中的扩散系数、浓度梯度 温度升高，扩散系数增加，浓度梯度则与A的厚度以及温度决定的
浓度差（Cγ-c-Cγ-α）有关 由扩散定律导出A长大的界面推移速度
C´—常数；
Gm—扩散激活能；
T—绝对温度；
k—波尔兹曼常数；
G*—临界形核功；
转变温度升高，形核率N迅速增大
原子扩散能力增加、相变驱动力增大，临界形核功G*减小、
奥氏体形核所需要的C浓度起伏减小。
提高加热速度，奥氏体晶粒细化
奥氏体形成温度升高，奥氏体形核率急剧增大
h
13
表2-1 奥氏体形核率N和线生长速度v与温度的关系
Cα-c：与Fe3C接触的F的C浓度 Cγ-α：与F接触的A的C浓度 Cγ-c：与Fe3C接触的A的C浓度 Cc-γ：与A相接触的Fe3C的C浓度（6.67%）
奥氏体内：出现碳浓度梯度， C从高浓度的奥氏体/渗碳体界面 向
低浓度的奥氏体/铁素体界面扩散 铁素体内：C在奥氏体中扩散的同时，也在铁素体中扩散.
h
4
相变驱动力： Gv 系统自由能变化：
G=V·Gv + S +V Gs V： S： ：单位面积界面能 Gs：应变能
注：奥氏体在高温下形成，应变能 较小，相变的阻力主要是界面能
❖ 共析钢奥氏体和珠光体的体积自 由能随温度的变化曲线：交于Α1 点（727°C）
❖ 727°C时，两相自由能相等，相 变不会发生