金属固态相变02-钢中奥氏体的形成

二、A核的形成
以非均匀形核为主要形式 A核一般在F和Fe3C交界处形成 从成分考虑
F（0.02%） Fe3C（6.69%） A（0.77%）
从能量考虑 交界处（界面、界棱、界隅）提供形核所需能量
三、A核的长大
• A核的长大是通过Fe3C溶解、C原子在A中扩散、 A两侧向F和Fe3C推移完成的
四、渗碳体溶解
• 一、等温形成动力学图
❖有孕育期 ❖T↑→孕育期↓ →τ（加 热时间） ↓
二、奥氏体的形核与长大
Q G
I ce kT e kT
T↑→I ↑ ↑
实验证明，T从740℃ 到800℃，I提 高270倍
V
k
DC
dc dx
C C
V Fe3C
k
DC
dc dx
6.69 C Fe3C
T↑→V ↑ຫໍສະໝຸດ Baidu
铁－碳平衡相图
§2-1 A的结构、组织与性能
❖奥氏体（A、γ）：碳溶于γ-Fe所形成的固溶体 ❖大量研究表明，碳溶于γ-Fe的八面体间隙中心，如果γ-Fe的每个八面体间 隙均溶一个碳原子，最多可溶20wt%的碳，实际只能溶2.11wt%
12CrNi3钢的原奥氏体晶粒组织
A的性能
A为高温稳定相，在室温下通常是不稳定的 在Fe-C合金中加入扩大A相区的元素，可使A在室温、甚至在低温下成为 稳定相 硬度、强度均不高，但塑性好、热强性好 A具有顺磁性 A导热性差，线膨胀系数高
§2-2 奥氏体的形成
本节讨论平衡组织奥氏体的形成 （F、Fe3C、P）→A，转变顺序：先P，再F，最后Fe3C 转变的驱动力为自由能的差值 转变通过扩散进行 转变包含4个阶段：A核的形成；A核的长大；Fe3C的溶解；A成分的均匀 化
一、A形成的热力学条件
P→A的条件为加热到A1以上 转变温度T1与A1之间的差值成 为过热度ΔT ΔT↑ → ΔGv ↑ → 转变速度↑ ΔT与加热速度有关，理论上说， 加热足够慢时， ΔT＞0，即可发 生转变，而实际上加热一般比 较快，所以导致ΔT较大，实际 转变温度记为AC1（T1)，同理有 Ar1
面能为γ，则作用在晶界的力 P为
P=2 γ/R 当晶界为平直时，R＝∞，P＝0
奥氏体晶粒的正常长大
D2 k0 exp(Q / kT)
D：时间τ时，晶粒的平均直径 k0：比例常数 Q：Fe原子的扩散激活能 T：温度 τ ：保温时间
奥氏体晶粒的异常长大
• 第二相微粒阻止晶界 运动，使得A长大受 阻
起始晶粒度：加热转变终了时A晶粒大小 取决于I、V
实际晶粒度：长大到冷却开始时的A晶粒大小 取决于加热温度、保温时间、化学成分、原始组织等
本质晶粒度：930±10℃保温3～8h实际晶粒度 与合金元素、脱氧方式有关
奥氏体长大现象
奥氏体晶粒长大机制
• 长大驱动力 驱动力：来自A晶界的晶面能 设球形奥氏体晶粒半径为R，界
本章小结
❖A为高温稳定相，硬度、强度均不高，但塑性好、热强性好 ❖A转变包含4个阶段：A核的形成；A核的长大；Fe3C的溶解；A 成分的均匀化 ❖连续加热A在一定温度范围内形成，其形成速度、成分均匀性、 晶粒度与加热速度有关 ❖切断组织遗传：中速加热；一次或多次高温回火；退火 ❖A实际晶粒度取决于加热温度、保温时间、化学成分、原始组 织等 ❖第二相微粒阻止晶界运动，使得A长大受阻 ❖快速加热、短时保温
§2-5 非平衡组织加热时A的形成
问题的提出 组织遗传：相变后新相仍保持旧相晶粒的大小和形状 相遗传：相变后母相的晶体缺陷遗传给新相 研究目的 防止组织遗传 探讨非平衡组织加热时细化晶粒的途径
针状奥氏体和球状奥氏体
Aa：非平衡组织加热时，奥氏体化初期产生的一种过渡组织形态 形成条件：快速或慢速加热；M未发生再结晶 Ag形成条件：中速加热；M发生再结晶 切断组织遗传：中速加热；一次或多次高温回火；退火 A晶粒超细化
• 生产中，A形成绝大 多数在连续加热过 程中形成，即A形成 过程中，温度还在 进一步上升
• 连续加热时，与等 温加热一样，A形成 也经历形核、长大 、K溶解、A均匀化 四个阶段
• 共析钢连续加热形 成如图
连续加热A形成的讨论
加热速度越快，平台越短，平台的倾斜度越大，所对应温度越高 （ΔT↑→Ac1↑） A形成是在一定温度范围内形成的 加热速度越快，A形成速度越快 加热速度越快，A成分不均匀性越大 加热速度越快，A晶粒越细小，但易长大
• 当温度或时间足够时 ，第二相溶解，A继 续生长
影响A长大的因素
• 加热温度、保温时间 • 加热速度 • 未溶第二相微粒的钉扎作用 • 提高起始晶粒均匀性，可降低驱动力P，抑制长大 • 原始组织
§2-7 过热、过烧及其校正
过热：加热温度过高，A晶粒长大而在晶界并未发生晶界弱化的某种变化 过热的校正 过烧：加热温度过高，不仅A晶粒已经长大，而且在A晶界上已发生使晶 界弱化的变化 过烧的校正
当珠光体中铁素体全部消失时，渗碳体还没有完全溶解，此时A中C%小于 P中的C% 对其的解释（自学） 在随后的转变过程中，Fe3C不断溶解，C继续在A中扩散，直至所有Fe3C全 部溶解 该过程为一个缓慢的过程
五、奥氏体均匀化
• 同样为一个缓慢的过程
原
原
铁
渗
素
碳
体
体
一
一
侧
侧
§2-3 奥氏体等温形成动力学
三、影响珠光体转变为奥氏体的 因素
温度：T↑→转变越快 原始组织：片状碳化物快于颗粒状碳化物；片层薄快于片层厚（扩散距 离短） 合金元素：加入Ni、Mn，可降低临界点，加速A形成；加入Cr、Mo、W， 降低A中C的扩散系数，使奥氏体形成变慢；加入Co，提高A中C的扩散系 数，使奥氏体形成变快
§2-4 连续加热时A的形成
§2-6 A晶粒长大及其控制
• A晶粒的形成并不意味着A化的完结，继续加热、 保温将导致A晶粒长大
• A晶粒大小直接影响冷却转变的组织和性能 • A晶粒度 A晶粒大小用晶粒直径d、单位面积内晶粒个数n来表
示 定义：放大100倍，每645mm2内晶粒个数为n
n 2N 1 N=log2n 1
奥氏体晶粒度
《金属固态相变原理及应用》
第2章 钢中奥氏体 的形成
加热时的转变
本章目标
❖奥氏体结构与性能 ❖奥氏体转变热力学、动力学 ❖奥氏体转变机制 ❖非平衡组织的奥氏体转变 ❖奥氏体晶粒度 ❖过热、过烧
引言
❖绝大多数热处理过程都需要将钢加热到钢的临界点以上，使钢部分或全 部转化为奥氏体，再适当冷却 ❖加热转变的奥氏体状态，如晶粒大小、形状、空间取向、亚结构、成分、 均匀性等对后续的处理意义重大 ❖本章讨论平衡态钢的加热转变，以及非平衡态组织的加热转变