第2章奥氏体与钢在加热过程中的转变.
CH奥氏体晶粒长大及其控制PPT级
2020/3/3
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授课 朱世杰
奥氏体和钢在加热过程中的转变
2.加热速度
加热速度快，奥氏体起始晶粒越细。 因为加热速度越大，奥氏体转变时的过热 度越大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒 越细，加之在高温下保温时间短，奥氏体 晶粒来不及长大。实际生产中经常采用快 速加热、短时保温的办法来获得细小晶粒。
力学可导出： D 2K 0exp(Q /kT)
可见随温度升高，奥氏体晶粒将不断长大，温度越高， 长大速度越快。
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授课 朱世杰
奥氏体和钢在加热过程中的转变
4. 异常长大
(1) 异常长大的原因
由于温度升高，阻止晶粒长大的难溶第二相颗粒(碳氮化 合物) 发生聚集长大或溶解于奥氏体，使阻力F =0，而此时驱 动力P 却很大，失去了抑制晶粒生长的作用，故奥氏体晶粒 急剧长大。
本节思考题
• 1. 奥氏体晶粒度的定义，何谓起始晶粒度、实际晶粒度、 本质晶粒度？试加以比较。
• 2. 晶粒度级别与晶粒大小的关系式。 • 3. 如何显示和评定晶粒度级别？。 • 4. 说明奥氏体晶粒长大的类型。长大驱动力是什么？ • 5. 说明奥氏体晶粒异常长大的原因。 • 6. 影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些？如何影响？ • 7. 如何控制奥氏体晶粒长大（获得细小的奥氏体晶粒的方
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授课 朱世杰
奥氏体和钢在加热过程中的转变
举例：
奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织 和性能都有重要影响。 例如：
将合金结构钢的奥氏体晶粒度从9级细化到15级后钢的屈服 强度（调质状态）从1150MPa提高到1420MPa,并使它的脆化转 变温度从-50℃下降到-150℃。
2第二章 奥氏体及其形成n
金属固态相变
2.1 奥氏体的组织结构和性能
以往，将奥氏体定义为：碳溶入γ－Fe中的固溶体。 此定义不够严格。
严格地说：钢中的奥氏体是碳或各种化学元素溶入 γ－Fe中所形成的固溶体。其中C、N等元素存在于 奥氏体的间隙位置。或者晶格缺陷处。而原子尺寸 与Fe原子相差不大的合金元素则固溶于替换位置。 还有一些化学元素吸附于奥氏体晶界等晶体缺陷处。 奥氏体是多种化学元素构成的一个整合系统。
图2-5加热速度和温度对w （c）=0.18%钢奥氏体碳含 量不均匀的影响
金属固态相变
Wt%与at%的换算：
A元素的at％＝ B元素的at％＝
☓100% ☓100%
A、B为原子量；a，b分别为A、B两元素的wt％
金属固态相变
2.1.5奥氏体的性能
(1)奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥 氏体的比容最小(与F、M比较)。因此，钢被加热到 奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为 铁素体－珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内 应力。 (2)奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好， 屈服强度低，易于加工塑性变形。钢锭或钢坯一般 被加热到1100℃以上奥氏体化，然后进行锻轧， 塑性加工成材。
图415085c钢在不同加热速度下的加热曲线连续加热平衡加热的热分析曲线示意图金属固态相变在快速加热情况下碳化物来不及充分溶解碳和合金元素的原子来不及充分扩散因而造成奥氏体中碳合金元素浓度分布很不均匀金属固态相变40在实际生产中可能因为加热速度快保温实际短而导致亚共析钢淬火后得到碳含量低于平均成分的马氏体
第2章 奥氏体及其形成
引言
钢被加热到奥氏体相区，得到奥氏体组织。 奥氏体状态，包括奥氏体晶粒大小，亚结构，成分， 均匀性以及是否存在其他相、夹杂物等，对于在随 后冷却过程中得到的组织和性能有直接的影响。 熟悉钢中的奥氏体的形成机理，掌握获得奥氏体状 态的方法，具有重要的实际意义和理论价值。
钢加热奥氏体化过程
钢加热奥氏体化过程全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：钢加热奥氏体化过程是钢材热处理工艺中的重要步骤，通过对钢材进行适当的加热处理，可以使钢材内部的组织结构发生改变，从而提高钢材的强度、硬度和耐磨性。
在工业生产中，钢材的热处理工艺被广泛应用于各种领域，如汽车制造、机械制造、航空航天等。
钢材是一种碳含量较高的金属材料，因此在常温下呈现为铁素体结构。
在加热的过程中，随着温度的升高，钢材的晶粒开始逐渐长大，金属的原子结构也会发生变化。
当钢材的温度达到一定程度时，铁素体结构开始发生奥氏体化，即晶粒内部开始形成奥氏体晶粒，这个过程就是钢加热奥氏体化过程。
钢加热奥氏体化过程是一个动态的过程，其速度和效果与加热温度、保温时间和冷却速度等多种因素有关。
通常情况下，钢材的加热温度越高，奥氏体化的速度就越快；保温时间越长，奥氏体化的效果就越明显。
而在冷却过程中，快速冷却可以形成高强度的马氏体结构，而缓慢冷却则会形成低强度的珠光体结构。
在工业生产中，钢加热奥氏体化过程通常采用炉加热的方式进行，通过控制加热温度和保温时间来实现对钢材结构的调控。
而在实际操作中，工人们还会根据具体产品的要求进行针对性的热处理，以满足不同领域的需求。
第二篇示例：钢加热奥氏体化是一种重要的热处理工艺，主要用于改善钢的性能。
奥氏体化是指将钢加热到一定温度，使其转变为奥氏体结构的过程。
奥氏体结构具有良好的塑性和韧性，能够提高钢的强度和硬度。
在钢加热奥氏体化过程中，首先需要选择合适的加热温度。
一般来说，加热温度越高，转变为奥氏体的速度越快。
但是过高的加热温度会引起钢的晶粒长大，从而影响钢的性能。
在选择加热温度时需要考虑钢的成分和组织结构。
在加热过程中，钢材会经历多个阶段的变化。
首先是初期的固溶度过程，钢中的合金元素溶解到基体中，使得钢的组织变得均匀。
接着是奥氏体形核生长阶段，钢中开始出现奥氏体晶粒，这些晶粒逐渐长大，最终形成奥氏体组织。
奥氏体结构是由具有面心立方结构的铁原子组成的，在加热过程中，铁原子会从体心立方结构转变为面心立方结构。
金属热处理思考题
《金属热处理》思考题第二章钢在加热时的转变1．说明A1、A3、Acm、Ａc1、，Ac3、Accm、Ａr1、Ａr3、Ａrcm各临界点的意义。
2．奥氏体形成的全过程经历了那几个阶段？简答各阶段的特点。
3．奥氏体的形核部位在哪里优先及条件？4．哪些因素影响（及如何影响）奥氏体的形成速度？其中最主要的因素是什么？5．为什么说钢的加热相变珠光体向奥氏体转变的过程受碳扩散的控制? 用图示加以说明。
6．粒状珠光体，片状珠光体（粗片状与细片状），回火马氏体转变为奥氏体时共转变速度有何差别？7．什么是奥氏体的起始晶粒度，实际晶粒度，本质晶粒度？8．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？9．钢件加热时欠热，过热，过烧有何不同？能否返修？10.奥氏体是高温相，在一般钢中冷却下来就已经不存在了，谈论Ａ体晶粒大小，还有什么实际意义？11.钢件加热时过热会造成什么不良后果？12. 什么是珠光体向奥氏体转变过热度？它对钢的组织转变有何影响？第三章珠光体转变与钢的退火和正火１．简述珠光体的形成过程。
２．什么是珠光体？性能如何？如何获得珠光体？３．珠光体有哪几种组织形态？片状珠光体的片间间距决定于什么？它对钢的性能有何影响？４．珠光体的形成条件、组织形态和性能方面有何特点？５．粒状珠光体，片状珠光体（粗片状与细片状），回火马氏体转变为奥氏体时共转变速度有何差别？６．亚共析钢中铁素体和过共析钢中渗碳体有哪几种组织形态？它们对性能有何影响？７．若共析钢加热到Ａ体状态，然后进行等温转变和连续冷却转变，均获得片状珠光体，但其组织特征有何区别？８．为什么说钢的珠光体转变过程受碳扩散的控制? 用图示加以说明。
９．分析渗碳体球化过程的机制和高碳钢要进行球化退火的原因。
１０．45钢制零件820℃加热后分别进行退火和正火，其显微组织有什么不同？性能有什么不同？１１．何谓球化退火？为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火？１２．正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火及退火？第四章马氏体转变１．钢中常见的马氏体形态和亚结构有哪几种？２．马氏体组织有哪几种基本类型？它们在形成条件、晶体结构、组织形态、性能有何特点？３．钢获得马氏体组织的条件是什么？与钢的珠光体相变，马氏体相变有何特点？４．条状Ｍ体和片状Ｍ体在强度，硬度，韧性等方面的性能差异如何？５．0.2%Ｃ，1.0%Ｃ钢淬火后的Ｍ体形态和亚结构有什么异同？６．钢中常见的马氏体形态和亚结构有哪几种？７．Ｍ体的强化机构有哪几个方面？８．Ｍs点位置高低有什么实际意义？它受哪些因素的影响？其中主要的因素是什么？９．淬火钢中Ａ残的存在有什么影响？决定Ａ残量的因素有哪些？在热处理操作上如何控制？１０．试分析如何通过控制热处理工艺因素提高中碳钢件和高碳钢件的强韧性。
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。
第2章奥氏体与钢在加热过程中的转变
N = 2G-1
• N越大，G就越大，奥氏体晶粒越细小。
42
图24 钢晶粒度标准评级图（图中数字即级别数）100
43
• 起始晶粒度——是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完 成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小。 n = 1.01（J /υ）1/2 其中n——1mm2面积内的晶粒数 • 实际晶粒度——是指在某一热处理加热条件下所得到的实 际奥氏体晶粒大小。 • 本质晶粒度——是根据标准试验方法，在930℃保温足够时 间（一般为3-8小时）后测定的钢中的实际晶粒的大小。
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图22 0.85％C钢在不同加热速度下的加热曲线
40
图23 加热速度和温度对0.4%C钢奥氏体中高碳区最高碳含量的影响
41
第四节 奥氏体晶粒长大及控制
一、奥氏体晶粒度
• 奥氏体晶粒度：一般是指奥氏体化后的奥氏体实际晶粒 大小。 • 表示方法：生产上常用显微晶粒度级别数G来表示奥氏 体晶粒度。在100倍下645.16mm2 (1平方英寸)面积内包 含的的晶粒个数N与G有如下关系式
21
图14 0.86%C钢的奥氏体等温形成动力学曲线
• • • •
珠光体向奥氏体的转变需要孕育期。 转变速度先逐渐加快，后又逐渐减慢。 等温温度提高，孕育期缩短，转变速度加快。 奥氏体刚刚形成后，还需要一段时间使残留碳化物溶解 和奥氏体均匀化。 22
图15 共析碳钢奥氏体等温形成动力学图
23
2、奥氏体的形核与长大动力学 • 奥氏体的形核率J
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图13
0.95%C -2.61%Cr钢在800℃加热时奥氏体形成的TEM照片 （在淬火过程中，奥氏体全部转变为马氏体） （a）8s，（b）20s，（c）10s，（d）20s
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
共析钢加热时,珠光体转变为奥氏体的过程_概述说明
共析钢加热时,珠光体转变为奥氏体的过程概述说明1. 引言1.1 概述共析钢是一种重要的金属材料，在工业领域应用广泛。
在制备和加热过程中，共析钢的组织会发生相变现象，其中最主要的转变是珠光体向奥氏体的转变。
这个转变过程对于共析钢的性能和性质具有重要影响，因此深入研究珠光体向奥氏体转变的机理和控制方法具有重要意义。
1.2 文章结构本文将从三个方面介绍共析钢加热时珠光体向奥氏体转变的过程。
首先，我们将概述共析钢珠光体和奥氏体之间的相变关系，并介绍组织特点和相变规律。
其次，我们将探讨影响珠光体向奥氏体转变的因素，包括加热温度、合金元素等。
最后，我们将详细介绍珠光体到奥氏体转变的动力学和热力学机制。
1.3 目的本文旨在系统地总结并分析共析钢加热时珠光体向奥氏体转变的过程，并提出相关实验方法与控制策略。
通过对已有研究的综合评价，我们将展望未来可能的研究方向，为共析钢相变行为的控制与应用提供参考。
接下来，将详细介绍第二部分内容，即“2. 共析钢的珠光体与奥氏体转变过程”。
2. 共析钢的珠光体与奥氏体转变过程2.1 共析钢的组织特点与相变规律共析钢是一种由珠光体和奥氏体组成的复合材料。
珠光体是一种具有层状结构的晶体，具有优异的韧性和强度；而奥氏体则是一种具有六角紧密堆积结构的晶体，具有较高的硬度和磁性。
在共析钢中，珠光体和奥氏体之间存在着相变现象，主要表现为加热时珠光体向奥氏体转变，降温时则呈反向转变。
这种相变过程对于共析钢的性能起着重要作用，并且在许多工业应用中都需要进行控制和调控。
2.2 加热过程中珠光体向奥氏体转变的影响因素加热过程中珠光体向奥氏体转变受到多个因素影响。
首先，温度是影响转变过程最重要的因素之一。
通常情况下，在高温条件下进行加热可以促使珠光体向奥氏体转变更快速。
其次，共析钢的化学成分也会对相变过程产生影响。
一些合金元素的加入可以降低转变温度和提高转变速率，从而改善共析钢的性能。
此外，晶体缺陷、应力状态以及加热速率等因素也会对珠光体到奥氏体的相变行为产生影响。
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
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
→
钢在加热时的转变
钢在加热时的转变热处理—将固体金属或合金在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需要的工艺性能。
大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即奥氏体化。
奥氏体的形成奥氏体的形成是形核和长大的过程，也是Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。
分为四步。
共析钢中奥氏体的形成过程如图1所示：第一步奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。
第二步奥氏体晶核长大：g晶核通过碳原子的扩散向a和Fe3C方向长大。
第三步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。
残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。
第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
图1 奥氏体的形成示意图亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。
但由于先共析a或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。
2. 影响奥氏体转变速度的因素（1）加热温度和速度增加→转变快；（2）钢中的碳质量分数增加或Fe3C片间距减小→界面多，形核多→转变快；(3)合金元素→钴、镍增加奥氏体化速度，铬、钼等降低奥氏体化速度。
3.奥氏体晶粒度（1）奥氏体晶粒度—奥氏体晶粒越细，退火后组织细，则钢的强度、塑性、韧性较好。
淬火后得到的马氏体也细小，韧性得到改善。
某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度。
奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。
通常将钢加热到930±10℃奥氏体化后，保温8小时，设法把奥氏体晶粒保留到室温测得的晶粒度为本质晶粒度。
用来衡量钢加热时奥氏体晶粒的长大倾向。
g晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。
前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。
（2）影响奥氏体晶粒度的因素第一，加热温度越高，保温时间越长→晶粒尺寸越大。
第二，碳质量分数越大晶粒长大倾向增多。
钢在加热时的转变
钢在加热时的转变钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界以上，使钢部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。
钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变功奥氏体化过程。
由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。
因此，弄清钢的加热转变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。
一、奥氏体形成的热力学条件从Fe —Fe 3C 状态图可知，珠光体被加热到A 1（727℃）以上时将转变为奥氏体。
这是因为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A 1（727℃）。
图1-1是珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系。
高于A 1（727℃）时，奥氏体的自由能低于珠光体的自由能，珠光体将转变为奥氏体。
转变的驱动力即珠光体与奥氏体的体积自由之差ΔG V 。
奥氏体形成时系统总的自由能变化为图1-1 珠光体和奥氏体自由能 随温度的变化曲线示意ΔG=ΔG V +ΔG S +ΔG e式中：ΔG V为新相奥氏体与母相珠光体之间的体积自由能差；ΔG S为形奥氏体时所增加的界面能；ΔG e为形成奥氏体时所增加的应变能。
其中ΔG V是奥氏体转变的驱动力，ΔG S与ΔG e是相变的阻力。
因为奥氏体在高温下形成，ΔG e 一项较小，相变的主要阻力是ΔG S。
从能量方程可以看出：当T<T0时，ΔG V=G A-G P>0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体；当T=T0时，ΔG V=G A-G P=0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体；当T>T0时，ΔG V=G A-G P<0 ΔG<0 珠光体有可能转变为奥氏体；因此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。
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。
钢的热处理
这一章主要给大家介绍一下有关钢的热处理的一些知识。
通过加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而改变钢机械性能的工艺，称为热处理。
热处理是强化金属材料，充分发挥金属材料力学性能的工艺，是改善材料加工性能的重要手段。
利用不同的加热温度和冷却方式，可以改变钢的组织。
钢的组织不同，其力学性能就有差异。
按照加热温度和冷却方法的不同，热处理可分为：退火，正火，淬火及回火。
此外，还有通过改变钢表面的化学成分，从而改变其组织和性能的化学热处理。
●热处理的这三个阶段，可以用工艺过程曲线来表示。
第一节钢在加热时的转变一、加热温度的确定●热处理的第一道工序就是加热。
●铁碳合金相图是确定加热温度的理论基础。
●钢的加热程度就是奥氏体的形成过程，这种组织转变可以称为奥氏体化。
●在奥氏体化中，原来的铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体、渗碳体等转化为奥氏体组织。
●注意：加热时，钢的组织实际转变温度往往是高于相图中的理论相变温度；冷却时，也往往低于相图中的理论相变温度。
●在热处理工艺中，不加热时的临界点分别用AC1、AC3、ACCm表示；而冷却是的临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
二、奥氏体化过程以共析钢为例珠光体转变为奥氏体是一个从新结晶的过程。
由于珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，铁素体与渗碳体的晶包类型不同，含碳量差别很大，转变为奥氏体必须进行晶包的改组和铁碳原子的扩散。
奥氏体化大致可分为四个过程，如图所示。
1．奥氏体形核奥氏体的晶核上首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成的。
2．奥氏体长大奥氏体一旦形成，便通过原子扩散不断长大。
3. 残余渗碳体溶解由于铁素体的晶格类型和含碳量的差别都不大，因而铁素体向奥氏体的转变总是先完成。
当珠光体中的铁素体全部转变为奥氏体后，仍有少量的渗碳体尚未溶解。
随着保温时间的延长，这部分渗碳体不断溶入奥氏体，直至完全消失。
4．奥氏体均匀化刚形成的奥氏体晶粒中，碳浓度是不均匀的。
原先渗碳体的位置，碳浓度较高；原先属于铁素体的位置，碳浓度较低。
第2章钢在高温加热时的奥氏体转变
2.1 奥氏体及其特点
1. 奥氏体的晶体结构
④ C原子在A当中分布是不均匀 的，存在浓度起伏 ⑤ 合金元素(Mn, Si, Cr, Ni, Co) 等在γ–Fe中取代Fe原子的位置 而形成置换式固溶体
2. 奥氏体的组织形态
奥氏体的组织形态与原始组织、加热速度、加热转 变的程度有关。一般由多边形等轴晶粒组成。这种形态 也称为颗粒状，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶 。
奥氏体晶粒长大现象
正常长大： 随保温温度的升高，奥氏体晶粒不 断长大，称为正常长大。 异常长大： 在加热转变中，保温时间一定时， 随着保温温度的升高，奥氏体晶粒 长大不明显，当温度超过某一定值 后，晶粒才随温度的升高而急剧长 大，称为异常长大。
奥氏体晶粒长大机理
(1) 奥氏体晶粒长大驱动力
驱动力：来自A总的晶界能的下降 减少晶界方法：晶粒长大；晶界平直化 长大方式：通过界面迁移而长大。
共析钢奥氏体等温形成动力学图
动力学曲线特点：
(1) 在高于Ac1温度加热保温时，奥氏体 并不立即生成，而是经过一定的孕育期 后才开始形成。
(2) 在整个奥氏体形成过程中，奥氏体的 形成速率不同。转变初期，转变速率随 时间的延长而加快，当转变量达到50% 左右时转变速率最大，随后转变速率又 随时间的延长而减慢。
2. 奥氏体转变机制
以共析钢为例
(1) 奥氏体的形核
形核的成分、结构条件
点阵结构： 体心立方
复杂正交
面心立方
奥氏体形核必须依靠系统内的能量起伏、 浓度起伏和结构起伏来实现
形核位置
通常在铁素体和渗碳体的相界面处
珠光体团的边界 先共析铁素体镶嵌块边界
(1) 在两相界面处，碳原子的浓度差较大，有利于获 得形成奥氏体晶核所需的碳浓度； (2) 两相界面处，原子排列不规则，铁原子有可能通 过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，从而促 使奥氏体形核，即形核所需的结构起伏较小； (3) 在两相界面处，杂质及其它晶体缺陷较多，具有 较高的畸变能，新相形核时可能消除部分晶体缺 陷而使系统的自由能降低。
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• 奥氏体具有顺磁性。
• 奥氏体的比容最小，也就是密度最大。 • 奥氏体的线膨胀系数较大。
• 奥氏体的导热性较差。
8
第二节 钢的奥氏体等温转变
一、奥氏体转变热力学
• 奥氏体形成的热力学条件为：Δ Gv＝G - Gp < 0
图6 珠光体与奥氏体的自由能与温度的关系
9
图7 加热速度和冷却速度为0.125℃/min时对奥氏体转变临界点的影响
图10 Fe-Fe3C相图和奥氏体核长大示意图
16
3、残留碳化物溶解 • 在珠光体转变为奥氏体的过程中，总是铁素体先全部消失 时，渗碳体还没有完全溶解，此时奥氏体的平均碳含量低 于珠光体的平均碳含量。
• ES线的斜率大于GS线。
• 奥氏体中的碳是沿一条向 下凹的曲线变化。
• 未溶渗碳体通过碳向奥 氏体内部的扩散，不断 溶入奥氏体中，直到渗 碳体完全溶解为止。
Q W J Ch exp exp kT kT
2
图1 Fe-Fe3C合金平衡状态图
3
图2
合金元素对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响 a）铬的影响 b）锰的影响
4
二、奥氏体的晶体结构
• 奥氏体是面心立方结构，碳 原子位于 γ-Fe 的八面体间隙 中心 ( 也就是面心立方点阵晶 胞的中心或者是棱边的中点 ) 。
• C 原子的存在使奥氏体点阵 常数增大 。 • 置换原子的存在也会引起点 阵常数的改变，使晶格产生 畸变。
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• 奥氏体易在铁素体与渗碳体的相界面处形核的原因是： · 从成分上考虑，相界面处碳原子浓度起伏较大，容易获 得形成奥氏体晶核所需的碳浓度。 · 从结构上考虑，相界面处原子排列不规则，形核时需要 的结构起伏比较小。 · 从能量上考虑，相界面处，杂质元素含量和晶体缺陷都 比较多，存在较高的畸变能，易达到形成新相所需的能量 起伏，同时在这些部位形核有可能消除部分晶体缺陷，而 使系统自由能降低。
图11 Fe-Fe3C相图
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4、奥氏体成分均匀化
• 渗碳体完全溶解终了时，奥氏体的成分是不均匀的。 原来为渗碳体的区域，C含量比较高；而原来是铁素 体的区域，C含量比较低。 • 在奥氏体区继续加热或者保温，通过C原子的扩散，
才能使整个奥氏体中的C的分布均匀化。
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（ a）
（b）
（ c）
（d）
图12 珠光体向奥氏体转变示意图 (a)奥氏体形核 (b)奥氏体长大 (c)残留碳化物溶解 (d)奥氏体成分均匀化
• 加热时的临界点：Ac1、Ac3、Accm。 • 冷却时的临界点：Ar1、Ar3、Arcm。
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二、 奥氏体转变机制
• 奥氏体的形成属于扩散型相变，转变过程分 为四个阶段：奥氏体形核、奥氏体晶核长大、 残留碳化物溶解、奥氏体成分均匀化。
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1、奥氏体形核
• （Wc 0.0218％，体心立方点阵）；Fe3C （Wc6.67％， 复杂斜方点阵）；（Wc0.77％，面心立方点阵）。
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图14 0.86%C钢的奥氏体等温形成动力学曲线
• • • •
珠光体向奥氏体的转变需要孕育期。 转变速度先逐渐加快，后又逐渐减慢。 等温温度提高，孕育期缩短，转变速度加快。 奥氏体刚刚形成后，还需要一段时间使残留碳化物溶解 和奥氏体均匀化。 22
图15 共析碳钢奥氏体等温形成动力学图
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2、奥氏体的形核与长大动力学 • 奥氏体的形核率J
• 所以奥氏体的形成是一个渗碳体的溶解，铁素体到奥氏 体的点阵重构以及碳在奥氏体中的扩散过程。 • 根据扩散的观点，奥氏体的晶核是依靠系统内的能量起 伏、浓度起伏和结构起伏形成的。 • 奥氏体的形核位置通常在铁素体与渗碳体的相界面处。 • 珠光体团的边界，铁素体镶嵌块边界都可以成为奥氏体 的形核位置。
图3 碳原子在γ -Fe 中可能的间隙位置
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三、奥氏体的组织
• 奥氏体的组织形态有两种：颗粒状和针状。其中颗粒状 奥氏体是最常见的，为等轴状多边形。
图4 颗粒状奥氏体
6
图5 奥氏体的光学显微组织（晶内存在孪晶）
7
四、奥氏体的性能
• 奥氏体可以是钢在使用时的一种组织状态。
• 奥氏体具有高的塑性和低的屈服强度。 • 奥氏体具有较好的热强性。
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图13
0.95%C -2.61%Cr钢在800℃加热时奥氏体形成的TEM照片 （在淬火过程中，奥氏体全部转变为马氏体） （a）8s，（b）20s，（c）10s，（d）20s
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三、 奥氏体的转变动力学
1、奥氏体等温形成动力学图
试验方法： 1）、制备出一批共析碳钢金相小试样； 2）、将这些小试样迅速加热到Ac1以上的不同温度，并在每 一个温度下保持一系列不同的时间； 3）、将试样在盐水中急冷到室温； 4）、将试样经过磨制、抛光、腐蚀后，在室温下用光学显 微镜进行金相观察，测出试样中马氏体的数量； 5）、将实验所得到的一系列数据进行归纳整，就可以作 出各个温度下不同保温时间的奥氏体形成量与时间的关系 曲线，也就是奥氏体等温形成动力学曲线。
第2章 奥氏体与钢在加热 过程中的转变
• 热处理：是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。 • 钢的奥氏体化 —— 钢在加热过程中，由加热前的组
织转变为奥氏体的过程。
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第一节 奥氏体及其特点
一、奥氏体的定义
• 奥氏体：碳在面心立方结构的铁（ γ-Fe ）中形成的固溶 体，以γ（或A）表示。
• 在普通碳钢中，奥氏体存在于共析温度（727℃）以上， 最大含碳量为2.11%（1148℃）。 • 在合金钢中，合金元素的加入可以扩大或缩小奥氏体存 在的区域。扩大奥氏体区的元素有 Ni、Mn；缩小奥氏体 区的元素有Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si等。
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图8 共析钢奥氏体的形核（2000х ） (a) 20s; (b) 25s; (c) 26s; (d) 30s
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图9 0.95%C-2.61%Cr钢在800℃加热时奥氏体形成的TEM照片 （a）奥氏体在渗碳体/铁素体界面形核；（b）奥氏体在珠光体团的边界形核
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2、 奥氏体晶核长大
• 奥氏体晶核的长大就是通过渗碳体的溶解、C原子在奥氏 体中的扩散以及奥氏体两侧新形成的相界面向原来的旧 相铁素体和渗碳体中推移来进行的。