《钢的加热转变》PPT课件

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1、 最 终 热 处 理预 备 热 处 理 加 热 保 温0 时 间 /min温 度 / 冷 却 1、 有 固 态 相 变 发 生 的 金 属 或 合 金2、 加 热 时 溶 解 度 有 显 著 变 化 的 合 金Note： 不 包 括 低 温 的 去 应 力 退 火 等例 如 为 什 么 钢 可 以 进 行 热 处 理 ？1、 固 态 相 变 可 以 发 生 相 变 重 结 晶 过 程 。2、 C（ 碳 ） 溶 解 度 发 生 显 著 变 化 可 以 固 溶 强 化 。钢 的 热 处 理 第 一 步 ？ 奥 氏 体 晶 粒 大 小 、 形状 、 空 间 取 向 、 亚 结构 ， 奥 氏 体 化

2、学 成 分以 及 均 匀 性 转 变 过 程 、转 变 产 物 、材 料 性 能研 究 奥 氏 体 相 变 十 分 重 要 ！ ！ 。 第 一 部 分 钢 在 加 热 时 的 转 变第 二 部 分 钢 在 冷 却 时 的 转 变第 三 部 分 珠 光 体 转 变第 四 部 分 马 氏 体 转 变第 五 部 分 贝 氏 体 转 变 一 、 奥 氏 体 的 结 构1） -Fe的 面 心 立 方 晶 格2） 碳 溶 解 于 -Fe面 心 立 方 晶 格 的 八 面 体 间 隙 （ 有 效 间隙 半 径 0.053nm,碳 原 子 半 径 0.077nm） ；3） 溶 碳 能 力 较 大 ： 在 72

3、7 时溶 碳 为 wt% =0.77， 1148 时 wt% =2.11； 碳 原 子 在 -Fe中可 能 的 间 隙 位 置 3） C原 子 在 奥 氏 体 中 分 布 是 不 均 匀 的 ， 存 在浓 度 起 伏 ；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 。 （ 1） 磁 性 ： 奥 氏 体 具 有 顺 磁 性 。 可 作 为 无 磁 钢 ， 如 ： 奥 氏 体不 锈 钢 1Cr18Ni9Ti、 OCr25Ni20等 是 无 磁 钢 。铁 素 体

4、 、 马 氏 体 则 具 有 铁 磁 性 。（ 2） 比 容 ： 在 钢 的 各 种 组 织 中 ， 奥 氏 体 的 比 容 最 小 。 可 利 用 这一 点 调 整 残 余 奥 氏 体 的 量 ， 以 达 到 减 少 淬 火 工 件 体 积 变大 的 目 的 。二 、 奥 氏 体 的 性 能 （ 3） 膨 胀 系 数 ： 奥 氏 体 的 线 膨 胀 系 数 比 铁 素 体 和 渗 碳 体 的 平 均 线 膨胀 系 数 高 出 约 一 倍 。 故 奥 氏 体 钢 也 可 被 用 来 制 作 要 求热 膨 胀 灵 敏 的 仪 表 元 件 。（ 4） 导 热 性 ： 除 渗 碳 体 外 ， 奥 氏

5、 体 的 导 热 性 最 差 。 因 此 ， 为 避 免热 应 力 引 起 的 工 件 变 形 ， 奥 氏 体 钢 不 可 采 用 过 大 的 加热 速 度 加 热 。 （ 5） 力 学 性 能 ： 具 有 高 的 塑 性 、 低 的 屈 服 强 度 。容 易 进 行 塑 性 变 形 把钢 件 加 工 成 形 ， 也 由于 奥 氏 体 的 面 心 立 方点 阵 是 一 种 最 密 排 的点 阵 结 构 ， 致 密 度 高 ，其 中 铁 原 子 的 自 扩 散激 活 能 大 ， 扩 散 系 数小 ， 从 而 使 其 热 强 性好 。 故 奥 氏 体 钢 可 作为 高 温 用 钢 。 奥 氏 体

6、高 强 耐 热 钢 金 相 组 织 500X奥 氏 体 合 金 碳 化 物 其 组 织 形 态 与 原 始 组 织 、 加 热 速 度 、 加 热 转变 的 程 度 有 关 。 主 要 有 三 种 组 织 状 态 ：组 织 形 态有 三 种 通 常 为 颗 粒 状 充 分 长 大 后 为等 轴 多 边 形 状 快 速 加 热 时 可形 成 针 状 三 、 奥 氏 体 的 显 微 组 织 一 般 的 情 况 下 奥 氏 体 的 组 织 是 由 多 边 形 的 等 轴 晶 粒 所组 成 ， 在 晶 粒 内 部 有 时 可 以 看 到 相 变 孪 晶 。 奥 氏 体 显 微 组 织（ 晶 内 有 孪

7、 晶 ） 1000 四 、 奥 氏 体 形 成 的 条 件1.铁 碳 平 衡 相 图 中 奥 氏 体 形 成 的 形 成 温 度它 是 在 极 缓 慢 小 于 0.125 /min加 热 条 件 下 ， 达 到 A1（ 727 ） 时 ， 由 珠 光 体 （ P）转 变 为 奥 氏 体 钢 由 加 热 前 的 组 织 转 变 为 奥 氏 体 被 称 为钢 的 加 热 转 变 或 奥 氏 体 化 过 程 。奥 氏 体 珠 光 体贝 氏 体 马 氏 体室 温 ： 钢 时 间A1 保 温加 热 冷 却 无 论 是 退 火 、 正 火 、 淬 火 、渗 碳 等 ， 都 首 先 要 把 钢 件加 热 到

8、 奥 氏 体 状 态 。 铁 -碳 平 衡 相 图 2.实 际 加 热 （ 冷 却 ） 条 件 下 的 临 界 温 度在 加 热 （ 冷 却 ） 速 度 大 于 0.125 /min时 ， 对 临 界 点A1， A3， Acm产 生 的 影 响 ： 加 热 时 的 临 界 温 度 用 脚 标 C表 示 ： AC1、 AC3、 ACcm； 冷 却 时 的 临 界 温 度 用 脚 标 r表 示 ： A r1、 Ar3、 Arcm。 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

9、热 时 先 共 析 铁 素 体 全 部 转 变 为 奥 氏 体 的 终了 温 度 ；Ar3-冷 却 时 奥 氏 体 开 始 析 出 先 共 析 铁 素 体 的 温 度 ；Accm-加 热 时 二 次 渗 碳 体 全 部 溶 入 奥 氏 体 的 终 了温 度 ；Arcm-冷 却 时 奥 氏 体 开 始 析 出 二 次 渗 碳 体 的 温 度 。 合 金 元 素 对 Ac3和 Ac1影 响 的 经 验 公 式 珠 光 体 被 加 热 到 A1以 上 而 转 变 为 奥 氏 体 驱 动 力P A转 变 的 驱 动 力 为 :自 由 能 差 Gv = Gp - Gr 珠 光 体 与 奥 氏 体 的 自

10、 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 ） 。 右 图 是 珠 光 体 、 奥氏 体 的 自 由 能 与 温 度 的 关 系 。 珠 光 体 （ P） 和 奥 氏 体 （ ） 自 由 能随 温 度 的 变 化 曲 线 （ 示 意 图 ） 奥 氏 体 形 成 的 热 力 学 条 件 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 。 T（ 过 热 度

11、） ， 则 Gv ， 转 变 速 度 也 就 愈 快 。奥 氏 体 形 成 时 系 统 的 总 自 由能 变 化 G= - Gv+ Gs+ Ge 驱 动 力 ：体 积 自由 能 差 阻 力 ：界 面 能 + 五 、 奥 氏 体 形 成 机 理-0.02%C + Fe3C-6.69% C珠 光 体 P 奥 氏 体 A+ Fe3C -0.77% C 奥 氏 体 核 的 形 成 奥 氏 体 核 的 长 大 剩 余 渗 C体 的 溶 解 奥 氏 体 成 分 的 均 匀 化 。加 热 过 程 中 ， 珠 光 体 向 奥 氏 体 转 变 的 四 个 过 程 形 核 条 件 ： 系 统 的 能 量 、 结

12、构 和 成 分 起 伏 。形 核 位 置 ： （ a） F/Fe3C界 面 处 （ 优 先 位 置 、 通 过 扩 散 机 制 ） ； 奥 氏 体 形 核（ b） 珠 光 体 团 交 界 处 ；（ c） 先 共 析 F/珠 光 体 团 交 界 处 。优 先 在 F/Fe3C界 面 处 形 核 的 原 因 界 面 上 存 在 碳 的 浓 度 起 伏 、结 构 起 伏 ； 易 满 足 形 成 奥氏 体 所 需 的 碳 浓 度 ； 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 高 ， 易 满 足 奥 氏 体 形 成所

13、 需 能 量 ； 有 Fe3C溶 解 后 的 补 充 碳 原子 。 有 时 在 铁 素 体 内 部 也 能 形 核 需 满 足 ：奥 氏 体 的 形 核 有 铁 原 子 和 碳 原 子 扩 散 机 制 （ 1） 是 通 过 Fe3C的 溶 解（ 2） C原 子 在 A中 的 扩 散（ 3） A两 侧 的 界 面 向 F及 Fe3C推 移 来 进 行 的 奥 氏 体 的 长 大奥 氏 体 晶 核 形 成 后 便 开 始 长 大 ， 长 大 过 程 是 受 C在奥 氏 体 中 扩 散 所 控 制 。 A核 的 长 大 的 通 过 以 下 三 个 途 径 进 行 ：原 子 扩 散 包 括 ： Fe原

14、 子 自 扩 散 完 成 晶 格 改 组 、 C原子 扩 散 使 奥 氏 体 晶 核 向 相 和 Fe3C相 两 侧 推 移 并 长大 。 根 据 Fe-Fe3C 相 图 ,在 AC1以 上 某 一 温 度 t1形 成 一 奥 氏体 晶 核 。 奥 氏 体 晶 核 形 成 之 后 ， 将 产 生 两 个 新 的 相界 面 ， 一 个 是 奥 氏 体 与 渗 碳 体 相 界 面 ： / Fe3C， 另一 个 是 奥 氏 体 与 铁 素 体 相 界 面 / 。奥 氏 体 长 大 的 机 制 解 释界 面 处 的 平 衡 浓 度 为 ：C/Fe3c C/ ， C/Fe3c C/ 随 着 C扩 散 的

15、 进 行 ， C/ 浓 度 增 高 ， 而 C/Fe3c的 浓 度 降低 ， 破 坏 了 平 衡 ， 为 了 恢 复 平 衡 ， Fe3C势 必 不 断 地 溶 解 ，又 有 碳 原 子 溶 入 奥 氏 体 ， 使 其 含 C量 升 高 而 恢 复 到C/Fe3c ； 与 此 同 时 ， 发 生 奥 氏 体 的 C原 子 向 F的 扩 散 ， 促进 这 部 分 F转 变 为 奥 氏 体 ， 并 使 其 自 身 的 含 C量 降 低 而 恢复 到 C/。 这 样 ， C浓 度 失 去 平 衡 和 恢 复 平 衡 的 反 复 循 环过 程 ， 就 使 奥 氏 体 逐 步 地 向 Fe3C、 F两

16、边 长 大 、 推 进 ，直 至 F消 失 而 全 部 转 变 为 奥 氏 体 。 图 2-5 共 析 钢 加 热 时 奥 氏 体 碳 浓 度 的 分 布 奥 氏 体 核 的 长 大 过 程 中 存 在 三 个 问 题 ：（ 1） 奥 氏 体 核 的 长 大 过 程 中 ,铁 素 体 向 奥 氏 体 转 变 速 度 远 大于 渗 碳 体 的 转 变 速 度 ， 因 为 ： C/ C /Fe3c, F与 A的 晶 体 结 构 差 异 较 小 ； Fe3C 与 A的 晶 体 结 构 （ Fe3C： 复 杂 的 正 交 晶 格 ， A： 面 心 立 方 ） 差 异 较 大 ； 渗 碳 体 的 溶 解

17、 （ 2） 铁 素 体 完 全 实 现 晶 格 点 阵 重 建 时 ， 即 认 为 奥氏 体 刚 刚 基 本 形 成 ， 此 时 奥 氏 体 的 平 均 碳 浓 度 低于 共 析 成 分 C0。奥 氏 体 晶 核 向 F和 Fe3C两 侧 的 推 移 速 度 是 不 同 的 。780 时 8.1402.041.0 89.067.633 FCFeCFeF CCGG （ 3） 奥 氏 体 刚 刚 形 成 时 ， 尚 有 一 部 分 残 留 Fe3C。 PA刚 结 束 时 ， 钢 中 还 残 留 一 些 未 溶 解 的 碳 化 物（ Fe3C） 。 此 时 A中 的 平 均 含 碳 量 低 于 共

18、析 含 碳 量 ， 这 种现 象 是 随 着 A形 成 温 度 的 增 高 而 加 剧 ， 当 P中 的 铁 素 体 F刚刚 全 部 转 变 为 A时 ， 实 测 A的 平 均 含 C量 随 形 成 温 度 的 增 加而 降 低 。 如 共 析 钢 ：A化 温 度 735 760 780 850 900A中 碳 含 量 % 0.77 0.69 0.61 0.51 0.46因 此 与 Fe 3C接 壤 的 A中 的 C继 续 向 A内 部 扩 散 ， 未 溶 Fe3C继 续 溶 入 A中 ， 直 到 Fe3C 完 全 溶 解 为 止 。 奥 氏 体 的 均 匀 化 当 上 述 残 余 Fe3C全

19、 部 溶 解 时 ， A中 的 C浓 度 仍 不 均匀 ：（ 1） 原 来 碳 化 物 区 域 ， 含 C量 较 高（ 2） 在 原 来 F的 中 心 地 带 ， 含 C量 较 低 这 就 是 有 时 在 淬 火 钢 的 金 相 组 织 中 ， 发 现 有 类 似 P的 痕 迹 原 因 。 继 续 延 长 保 温 时 间 ， 通 过 C的 扩 散 ， 可使 A的 含 C量 逐 渐 趋 于 均 匀 。 共 析 钢 中 奥 氏 体 形 成 过 程 示 意 图 如 下 图 ： t 注 解 ： 亚 共 析 钢 和 过 共 析 钢 的 奥 氏 体 形 成 过 程 与 共析 钢 基 本 相 同 ， 但 其

20、 完 全 奥 氏 体 化 的 过 程 有 所 不 同过 共 析 钢 则 只 有 加热 到 Accm以 上 时 ，才 能 获 得 单 一 的 奥氏 体 组 织 。亚 共 析 钢 加 热 到 Ac1以 上 时 ，还 存 在 自 由 铁 素 体 ， 这 部 分 铁素 体 只 有 继 续 加 热 到 Ac3以 上时 ， 才 能 全 部 转 变 为 奥 氏 体 ； 相 变 的 动 力 学 研 究 的 是 ： 转 变 温 度 、 转 变 量 和 转 变 时 间 的 关 系 。（ 一 ） 奥 氏 体 等 温 形 成 动 力 学等 温 形 成 动 力 学 TTA图 （ Time-Temperature- Au

21、stenize ）等 温 形 成 动 力 学 即 在 一 定 温 度 下 的 转 变 量 和 转 变 时 间 的 关 系（ 即 在 一 定 温 度 下 的 转 变 速 度 ） 。 研 究 表 明 ， 奥 氏 体 的 形 成 速 度 决 定 于 奥 氏 体 的 形 核 率 和 晶核 的 线 长 大 速 度 ， 它 受 钢 的 成 分 、 原 始 组 织 状 态 、 等 温 温 度等 条 件 的 影 响 。 六 、 奥 氏 体 形 成 动 力 学 （ 即 奥 氏 体 的 形 成 速 度 ） （ 1） 共 析 碳 钢 奥 氏 体 等 温 形 成 图 建 立 试 样 ： 厚 2mm左 右 ， 直 径

22、约 为 10mm的 小 圆 片 ； 原 始 状 态 ： 每 个 试 样 均 有 相 同 的 原 始 组 织 状 态 ； 温 度 ： 在 AC1以 上 设 定 不 同 的 温 度 ， 如 730 、 745 、 765 、 时 间 ： 在 每 个 温 度 下 保 持 一 系 列 时 间 ， 如 1S、 5S、 10S、 20S 冷 却 ： 在 盐 水 中 急 冷 到 室 温 ； 观 察 ： 在 显 微 镜 下 测 出 试 样 中 马 氏 体 的 数 量 （ 相 当 于 高 温 下 奥 氏 体 的 数 量 ） ； 做 图 ： 做 出 每 个 温 度 下 奥 氏 体 形 成 量 和 保 温 时 间

23、的 关 系 曲 线 ， 即 得 到 了 奥 氏 体 等 温 形 成 的 动 力 学 曲 线 。1、 奥 氏 体 等 温 形 成 动 力 学 曲 线 为 方 便 ， 通 常 把 不 同 温 度 下 转 变转 变 相 同 数 量 所 需 时 间 ， 综 合 在 温度 和 时 间 坐 标 系 内 ， 这 样 就 得 到 了奥 氏 体 等 温 形 成 图 。 共 析 碳 钢 奥 氏 体 等 温 形 成 图 存 在 孕 育 期 （ 从 保 温 开 始 到 转 变 开 始 的 这 段 时 间 称 为 孕 育 期 ） 。 在 高 于 AC1温 度 保 温 时 ， 奥 氏 体 并 不 立 即 形 成 ， 而

24、是 需 要 经 过一 定 时 间 后 ， 才 开 始 形 成 。 温 度 越 高 ， 所 需 时 间 越 短 ， 通 常 称为 孕 育 期 。 孕 育 期 的 实 质 是 相 变 的 准 备 阶 段 ， 是 所 有 扩 散 型 相变 的 共 同 特 点 。 奥 氏 体 形 成 速 度 不 同开 始 时 速 度 较 慢 ， 以 后 逐 渐 加 快 ； 在 转 变 量 达 到 50%时 ， 转 变速 度 达 到 极 大 值 ， 以 后 转 变 速 度 又 开 始 逐 渐 减 慢 。（ 2） 奥 氏 体 等 温 形 成 的 特 点 温 度 越 高 ， 形 成 速 度 越 快 。 奥 氏 体 刚 形

25、成 时 成 分 不 均 匀 。 （ a） 过 共 析 钢 （ WC1.2%）奥 氏 体 等 温 形 成 图 （ b） 亚 共 析 钢 （ WC0.45%） 奥 氏 体 等 温 形 成 图 （ 3） 过 共 析 和 亚 共 析 碳 钢 奥 氏 体 等 温 形 成 图 有 人 做 过 试 验 ， 把 奥 氏 体 的 形 成 温 度 从 740 提 高 到800 时 ， 奥 氏 体 的 形 核 率 N增 加 270倍 ， 而 长 大 速 度G增 加 了 80倍 。 因 此 ， 随 着 温 度 升 高 ， 奥 氏 体 形 成 速度 迅 速 增 加 。2、 奥 氏 体 等 温 形 成 动 力 学 的 分

26、 析是 由 于 随 着 温 度 升 高奥 氏 体 的 形 核 率 和 长大 速 度 均 增 加 的 缘 故为 什 么 等 温 转 变 温度 升 高 奥 氏 体 形 成速 度 加 快 ？ C-常 数 ； Q-扩 散 激 活 能 ； TA-奥 氏 体 形 成 温 度 ； K -波 尔 茨 曼 常 数 ； G*-临 界 形 核 功 ， 在 固 态 相 变 时 ： )exp()exp( *. AA TQTGCN 233* )(274 sv EGG （ 1） 奥 氏 体 的 形 核 率均 匀 形 核 条 件 下 ， 奥氏 体 形 核 率 N和 温 度之 间 的 关 系 式-常 数 ； -奥 氏 体 与

27、旧 相 的 界 面 能 ； Es-每 个 原 子 引 起 的 应变 能 ， GV-奥 氏 体 与 旧 相 之 间 单 位 体 积 自 由 能 之 差 ； 1） 形 核 率 N迅 速 升 高 转 变 温 度 使 奥 氏 体 形成 速 度 迅 速 增 加 的 原 因2） GV随 温 度 升 高 而 增 大3） 随 温 度 升 高 原 子 扩 散 速 度 加 快有 利 于 铁 素 体 向 奥 氏 体 点 阵 改 组 ， 也促 进 渗 碳 体 溶 解 ， 加 速 奥 氏 体 的 形 核使 N进 一 步 增 大 以 指 数 关 系 迅 速 增 加 4） 减 小 了 奥 氏 体 形 核 所 需 要 的 碳

28、 的 浓 度 起 伏 ， 促 进 奥氏 体 的 形 核 。 界 面 向 中 推 移 的 速 度 表 达 式 ： / 2211 CC dxdcDdxdcDKV CC 碳 在 铁 素 体 和 奥 氏 体 中 的 扩 散 系 数 ； CC DD , 2211 , dxdcdxdc / CC 铁 素 体 和 奥 氏 体 界 面 处 碳 在 铁 素 体 和 奥氏 体 中 的 浓 度 梯 度 ；奥 氏 体 与 铁 素 体 相 界 面 间 的 碳 浓 度 差 负 号 表 示 下 坡 扩 散 。 （ 2） 奥 氏 体 晶 体 的 长 大 速 度 G 由 于 碳 在 铁 素 体 中 的 浓 度 梯 度 很 小

29、， 可 近 似 看 作 是 0。 上式 可 以 改 写 为 ： 界 面 向 渗 碳 体 中 推 移 的 速 度 表 达 式 ： cFecFe CC 33 / dxdc 渗 碳 体 与 奥 氏 体 相 界 面 间 的 碳 浓 度 差 碳 在 奥 氏 体 中 的 浓 度 梯 度 / CC dxdcDKV C cFeCcFecFe CcFe C dxdcDKCC dxdcDKV 3333 / 69.6 1） 温 度 升 高 ， 扩 散 系 数 D=D0e-Q/RT增 大 ， 同 时 奥 氏 体 的 两 相 界面 之 间 碳 浓 度 差 C /Fe3c- C / 增 加 ， 增 大 了 碳 在 奥 氏

30、 体 中 的浓 度 梯 度 ， 从 而 使 奥 氏 体 的 长 大 速 度 加 快 ；2） 温 度 升 高 ， 在 铁 素 体 中 有 利 于 奥 氏 体 形 核 的 部 位 增 加 ，原 子 的 扩 散 距 离 相 对 缩 短 了 ， 同 样 有 利 于 奥 氏 体 的 长 大 ；3） 温 度 升 高 ， 奥 氏 体 与 铁 素 体 相 界 面 处 的 碳 浓 度 差 C / - C / 以 及 渗 碳 体 与 奥 氏 体 相 界 面 处 的 碳 浓 度 差 CFe3c/ - C /Fe3c均 减 小 ， 因 此 也 会 加 速 奥 氏 体 晶 体 长 大 。 综 上 所 述 ： 奥 氏 体

31、 形 成 时 ， 升 高 温 度 （ 或 增 加 过 热度 ） 始 终 是 有 利 于 奥 氏 体 形 成 的 ， 所 以 加 热 温 度 越高 ， 奥 氏 体 形 成 的 孕 育 期 以 及 整 个 相 变 过 程 所 需 时间 越 短 ， 即 奥 形 成 速 度 越 快 。 换 言 之 ： 随 温 度 的 升高 （ 或 过 热 度 的 增 大 ） 奥 氏 体 的 形 成 是 加 速 的 。 （ 1） 温 度 在 各 种 影 响 因 素 中 ， 温 度 的 作 用 最 为 强 烈 ， 因 此 控制 奥 氏 体 的 形 成 温 度 十 分 重 要 。（ 2） 碳 含 量 钢 中 碳 含 量 越

32、 高 ， 奥 氏 体 的 形 成 速 度 越 快 。 增 加了 奥 氏 体 的 形 核 部 位 ， 同 时 碳 的 扩 散 距 离 相 对 减 小 。（ 3） 原 始 组 织 的 影 响 如 果 钢 的 化 学 成 分 相 同 ， 原 始 组 织 中 碳化 物 的 分 散 度 越 大 ， 相 界 面 越 多 ， 形 核 率 便 越 大 ； 珠 光 体 片 间 距离 越 小 ， 奥 氏 体 中 碳 浓 度 梯 度 越 大 ， 扩 散 速 度 便 越 快 ； 碳 化 物 分散 度 越 大 ， 使 得 碳 原 子 扩 散 距 离 缩 短 ， 奥 氏 体 晶 体 长 大 速 度 增 加 。 3、 影

33、响 奥 氏 体 形 成 速 度 的 因 素 通 过 对 碳 扩 散 速 度 影 响 奥 氏 体 的 形 成 速 度 （ 4） 合 金 元 素 的 影 响 强 碳 化 物 形 成 元 素 Cr、 Mo、 W等 ， 降 低 碳 在 奥 氏 体 中 扩 散 系数 ， 推 迟 珠 光 体 转 变 为 奥 氏 体 ； 非 碳 化 物 形 成 元 素 Co、 Ni等 增 大 碳 在 奥 氏 体 中 的 扩 散 系 数 ，使 奥 氏 体 形 成 速 度 加 快 ； Si、 Al等 对 碳 原 子 的 扩 散 系 数 影 响不 大 ， 因 此 对 奥 氏 体 的 形 成 无 明 显 的 影 响 。 合 金 元

34、 素 通 过 改 变 碳 化 物 稳 定 性 影 响 奥 氏 体 的 形 成 速 度通 常 使 碳 化 物 稳 定 提 高 的 元 素 ， 将 延 缓 奥 氏 体 的 形 成 。钢 中 加 入 W、 Mo和 其 它 强 碳 化 物 形 成 元 素 ， 由 于 在 钢 中可 以 形 成 稳 定 性 极 高 的 特 殊 类 型 的 碳 化 物 ， 加 热 时 不 易溶 解 ， 将 使 奥 氏 体 形 成 速 度 减 慢 。 原 始 组 织 中 合 金 元 素 的 影 响 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

35、高 A1温 度 。原 始 组 织 中 Ni、 Mn等 使 珠 光 体 细 化 ， 有 利 于 奥氏 体 的 形 成 。 （ 5） 合 金 钢 中 奥 氏 体 均 匀 化 合 金 元 素 在 原 始 组 织 各 相 中 （ F和 Fe3C） 分 布 是 不均 匀 的 ， 在 退 火 状 态 下 ， 碳 化 物 形 成 元 素 主 要 集 中在 碳 化 物 中 ， 而 非 碳 化 物 形 成 元 素 则 主 要 集 中 在 铁素 体 中 ， 合 金 元 素 这 种 不 均 匀 分 布 ， 一 直 到 碳 化 物溶 解 完 毕 后 ， 还 显 著 地 保 留 在 钢 中 ， 致 使 合 金 钢 奥氏

36、 体 形 成 后 ， 除 了 碳 的 均 匀 化 外 ， 还 要 进 行 合 金 元素 的 均 匀 化 。 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 。 但 是 由 于 奥 氏 体 的 形 成 是 在 连 续 加 热 条 件 下进

37、行 的 ， 所 以 在 相 变 动 力 学 及 相 变 机 理 上 常会 出 现 若 干 等 温 转 变 所 没 有 的 特 点 。（ 二 ） 连 续 加 热 时 奥 氏 体 的 形 成 感 应 加 热 、 火 焰 加 热 连 续 加 热 时 奥 氏 体 形 成 的 基 本 过 程 和 等 温 转 变 相似 ， 也 是 由 奥 氏 体 的 形 核 、 长 大 、 残 留 碳 化 物 溶 解和 奥 氏 体 成 分 均 匀 化 四 个 阶 段 组 成 。 形 成 晶 核长 大残 余 Fe3C溶 解A成 份 均 匀 化 1、 在 一 定 的 加 热 速 度 范 围 内 ， 临 界 点 随 加 热 速

38、 度 增 大 而 升 高连 续 加 热 时 奥 氏 体 的 形 成 特 点2、 相 变 是 在 一 个 温 度 范 围 内 完 成 的 奥 氏 体 形 成 的 开 始 温 度 和 终 了 温 度 均 随 加 热 速 度 增 大 而升 高 。 当 钢 的 加 热 速 度 大 到 某 一 范 围 时 ， 所 有 亚 共 析 钢 的转 变 温 度 均 相 同 ， 加 热 速 度 约 在 105-106 /S范 围 内 时 含碳 在 0.20.9%的 钢 的 转 变 温 度 均 约 在 1130 。加 热 速 度 越 快 奥 氏 体 的 温 度 范 围 越 宽 ， 但形 成 速 度 加 快 ， 奥 氏

39、 体 形 成 时 间 缩 短 。 3、 可 以 获 得 超 细 晶 粒 ； 4、 钢 中 原 始 组 织 的 不 均 匀 使 连 续 加 热 时 的 奥 氏 体 化 温 度 升 高 ；5、 快 速 连 续 加 热 时 形 成 的 奥 氏 体 成 分 不 均 匀 性 增 大 ： C/ ， C/Fe3c6、 在 超 快 速 加 热 条 件 下 ， 铁 素 体 转 变 为 奥 氏 体 的 点 阵改 组 属 于 无 扩 散 型 相 变 。 改 变 奥 氏 体 的 形 成 温 度 ； 合 金 碳 化 物 形 成 元 素 通 过 影 响 碳 的 扩 散 系 数 而 影 响 奥 氏 体 的 长 大 ； 合

40、金 碳 化 物 稳 定 而 使 得 碳 化 物 溶 解 时 间 和 奥 氏 体 成 分 均 匀 化 延 长 ； 合 金 元 素 扩 散 慢 而 影 响 奥 氏 体 成 分 均 匀 化 延 长 。影 响 奥 氏 体 形 成 速 度 的 因 素 七 、 奥 氏 体 晶 粒 长 大 及 其 控 制1、 研 究 奥 氏 体 晶 粒 的 意 义 钢 的 P、 B、 M等 组 织 都 是 由 A组 织 转 变 过 来 的 ， 因 此 ， A的 晶粒 大 小 必 然 影 响 到 它 们 的 转 变 产 物 的 组 织 和 性 能 。 例 如 用 高 碳 工具 钢 制 造 的 工 具 ， 如 果 在 加 热

41、过 程 中 ， A晶 粒 粗 大 了 ， 则 淬 火 后M也 粗 大 ， 这 种 粗 大 M组 织 的 刀 具 脆 性 大 ， 使 用 时 易 崩 刃 ， 又 如高 速 钢 制 作 的 冷 变 形 模 具 ， 采 用 低 温 淬 火 （ 亚 温 淬 火 ） ， A晶 粒变 细 ， M含 C量 较 低 ， 韧 性 较 高 ， 使 用 寿 命 提 高 。 （ 见 下 表 ） 高 速 钢 模 具 的 淬 火 温 度 对 使 用 寿 命 的 影 响钢 种 淬 火 温 度( ) 回 火 后 硬 度(HV) A晶 粒 度(级 ) 平 均 使 用 寿 命(件 ) W18Cr4V 1290 852 881 8

42、 10 122501190 856 807 16 18.5 20000W6Mo5Cr4V2 1240 883 869 14 14.5 31501140 795 800 18.5 20.5 20000 晶 粒 细 化 可 以 提 高 钢 的 强 度 、 韧 性 和 使 用 寿 命 ， 所 以 研 究A晶 粒 长 大 问 题 ， 具 有 重 要 的 实 际 意 义 。 2、 奥 氏 体 晶 粒 度 的 概 念 钢 中 晶 粒 度 标 准 级 别 图 三 种 奥 氏 体 晶 粒 度 概 念起 始 晶 粒 度 、 实 际 晶 粒 度 、 本 质 晶 粒 度 起 始 晶 粒 度 ： 这 种 晶 粒 比

43、较 细 小 ， 它 决 定 于 钢 加 热 转 变 时 奥 氏 体的 形 核 率 和 长 大 速 度 。 N愈 大 ， 起 始 晶 粒 度 愈 细 小 ， V愈 大 ， 起 始 晶 粒 愈 粗 大奥 氏 体 形 成 刚 结 束 ， 其 晶 粒 边 界 刚 刚 相互 接 触 时 的 晶 粒 大 小 。 实 际 晶 粒 度 ：是 指 钢 在 具 体 的 热 处 理 或 加 热 条 件 下 ， 实 际 获 得 的 A晶 粒 度 。它 一 般 总 比 起 始 晶 粒 大 ， 其 大 小 直 接 影 响 钢 件 的 性 能 。 本 质 晶 粒 度 ：用 于 表 征 钢 的 奥 氏 体晶 粒 长 大 的

44、倾 向 。晶 粒 长 大 倾 向 大 的 称“ 本 质 粗 晶 粒 ” ， 晶粒 长 大 倾 向 小 的 称“ 本 质 细 晶 粒 ” 根 据 标 准 试 验 方 法 （ YB27-64） 经 930 10 ， 保 温 3-8h后 测 得 的 奥 氏 体 晶 粒 的 大 小 。 在 该 温 度 后 ， 本质 细 晶 粒 钢 的 长 大倾 向 更 大 ， 晶 粒 更粗 ， 力 学 性 能 更 差 奥 氏 体 晶 粒 尺 寸 与 加 热 温 度 关 系 3、 晶 粒 长 大 现 象 1） 长 大 的 总 趋 势 晶 粒 ： 由 细 小 大 晶 粒 大 小 ： 由 不 均 匀 相 对 均 匀 界 面

45、 ： 由 弯 曲 平 直 界 面 积 ： 由 大 小 界 面 能 ： 高 低 加 热 转 变 后 ， 如 果 温 度 进 一 步 升 高 ， 时 间 继 续 延 长 ， 则 A晶 粒 将 不 断 长 大 。 温 度 一 定 ， 时 间 延 长 ， A晶 粒 也 将 长 大 。 正 常 长 大 ， 随 T ， 晶 粒 不 断 长 大 异 常 长 大 ， 随 T ， 晶 粒 在 某 一 温 度 值 后 急 剧 长 大 晶 粒 长 大 到 一 定 程 度 后 ， 即 使 继 续 延 长 保 温 时 间 ， 也 不 会 再 有 明 显 的 长 大 2） 长 大 过 程 孕 育 期 ： 奥 氏 体 刚

46、刚 完 成 转 变 ， 经 过 一 定 时 间 （ 孕 育 ） 后 开 始 长 大 。 不 均 匀 长 大 期 ： 个 别 晶 粒 吞 食 周 围 小 晶 粒 而 长 大 。 均 匀 长 大 期 ： 细 小 晶 粒 被 吞 并 后 ， 所 有 晶 粒 开 始 缓 慢均 匀 长 大 。本 质 细 晶 粒 钢 可 以 明 显 看 出 三 个 阶 段 ， 本 质 粗 晶 粒 钢 ， 一 般 只 能 看 到 奥 氏 体 的 均 匀 长 大 ， 不 均 匀 长 大 期 不 明 显 。 3） A晶 粒 长 大 的 机 制（ 1） A晶 粒 长 大 的 驱 动 力 推 动 晶 界 迁 移 的 驱 动 力 来

47、 自 于 A晶 界 的 界 面 能 。（ 2） A晶 粒 的 长 大 将 导 致 界 面 的 减 少 使 能 量 降 低 。 A晶 粒 的 长 大 基 本 上 是 晶 界 移 动 的 过 程 。 A晶 粒 向 大 晶 粒 演 变 ， 这 是 一 个 能 量 降 低 的 过 程 。 A晶 粒 晶 界 多 ， 晶 界 是 高 能 地 区 。 晶 粒 长 大 后 ， 晶界 总 面 积 减 少 ， 体 系 的 能 量 降 低 ， 所 以 高 温 下 ， A晶 粒长 大 是 一 个 自 发 过 程 。 球 面 晶 界 的 驱 动 力 P： P 2 /R 球 面 晶 界 的 界 面 能 ； R 球 面 曲

48、 率 半 径 。设 界 面 能 一 定 时 ,当 R ， 则 P ； R时 ， 驱 动力 P0。 4） 影 响 A晶 粒 长 大 的 因 素 有 ： 加 热 温 度 、 加 热 时 间 、 加 热 速 度 、 第 二 相 颗 粒 等 影 响 因 素 钢 的 冶 炼 方 法 ： 脱 氧 剂 原 始 组 织 5） A晶 粒 的 长 大 及 控 制 、 细 化 晶 粒 的 措 施（ 1） 控 制 晶 粒 长 大 的 措 施 合 理 选 择 加 热 温 度 和 加 热 时 间 。 合 理 选 择 钢 的 原 始 组 织 。 片 状 P比 粒 状 P容 易 过 热 ， 因 为 片 状 Fe3C溶 解 快

49、 ， 转 变 为 A的 速 度 快 。 A形 成 后 ， 就 较 早 地 开 始 长 大 ， 为 克 服 之 ， 可 选 择 原 始 组 织 为 粒 状 P。 加 入 一 定 量 的 合 金 元 素 。 既 然 晶 粒 长 大 是 通 过 晶 界 原 子 的 移 动 来 实 现 的 。 因 此 ， 可 以 加 入 某 些 合 金 元 素 ， 来 限 制 或 推 迟 晶 粒 长 大 。 途 径 有 二 ： 加 入 合 金 元 素 ， 使 其 在 晶 界 上 形 成 十 分 弥 散 的 化 合 物 。 如 碳 化 物 、 氮 化 物 、 氧 化 物 等 ， 阻 碍 晶 界 移 动 。 加 入 Cr

50、、 Mo、 W、 V、 Ti等 合 金 元 素 的 钢 亦 是 如 此 。 加 入 B及 少 量 稀 土 元 素 ， 其 吸 附 在 晶 界 上 ， 降 低 晶 界 的 能 量 ， 从 而 减 少 晶 粒 长 大 的 驱 动 力 。 （ 2） 细 化 晶 粒 措 施 ： 工 件 经 热 加 工 （ 铸 造 、 锻 造 、 轨 制 、 焊 接 等 ） 以 后 ， 往往 造 成 晶 粒 粗 大 ， 使 机 械 性 能 ， 同 时 也 对 最 终 热 处 理 不利 ， 可 采 用 完 全 退 火 （ 或 正 火 ） 的 重 结 晶 来 细 化 晶 粒 。 近 年 来 ， 采 用 多 次 循 环 加

51、热 冷 却 的 反 复 重 结 晶 来 细 化 A晶 粒 ， 获 得 超 细 化 晶 粒 ， 淬 火 钢 件 的 机 械 性 能 。 例 9SiCr滚 丝 模 ， 经 新 工 艺 处 理 寿 命 大 幅 度 提 高 。 （ 见图 2-10） 图 2-10 9SiCr滚 丝 模 热 处 理 工 艺 (a)原 工 艺 (b)循 环 加 热 淬 火 结 语 奥 氏 体 化 是 绝 大 多 数 热 处 理 的 第 一 步 ； 奥 氏 体 组 织 ， 是 随 后 冷 却 过 程 时 各 种 转 变 的 母 相 ； 奥 氏 体 化 的 情 况 对 钢 件 机 械 性 能 影 响 很 大 。 尽 管 冶 金

52、 学 家 早就 知 道 这 些 ， 但真 正 开 展 奥 氏 体化 方 面 的 研 究 工作 是 最 近 20年 得事 情 。有 待 解 决的 问 题 转 变 机 理 、 转 变 动 力 学 的 研 究 需 进 一 步 加 强 应 测 出 工 业 常 用 钢 种 甚 至 全 部 钢 种 的 TTA图 热 处 理 规 范 应 当 随 着 物 理 冶 金 的 发 展 而 不 断创 新 ， 以 充 分 发 挥 钢 材 的 潜 力如 ： 高 强 钢 高 温 A化 后 ， 断 裂 韧 性 提 高 循 环 加 热 法 可 以 使 奥 氏 体 晶 粒 细 化 ， 使 钢 进 一 步 强 化 “ 亚 温 淬 火 ” 充 分 利 用 F韧 性 ， 两 相 区 淬 火