第二章--钢中奥氏体的形成

材料成型与控制工程系1第二章钢中奥氏体的形成钢的热处理过程中将改变钢的组织结构及性能，而在钢的热处理过程中大部分需要加热到临界点以上进行奥氏体化，然后以不同的冷却速度和工艺进行冷却获得不同的组织和性能。钢坯加热LOGO2奥氏体化是获得某种性能的手段而不是目的，但奥氏体化过程中发生的现象将影响随后组织结构及性能。因此研究有实际意义和理论价值。图2-1奥氏体金相组织奥氏体显微组织（晶内有孪晶）1000×材料成型与控制工程系32.1奥氏体的结构、组织和性能2.1.1奥氏体的结构及其存在范围图2-2奥氏体的单胞奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体碳原子位于八面体间隙中心，即FCC晶胞的中心或棱边的中点八面体间隙半径0.52Ǻ碳原子半径0.77Ǻ→点阵畸变材料成型与控制工程系4图2-3奥氏体点阵常数与碳含量的关系碳含量与点阵常数的关系碳原子的溶入使的γ-Fe点阵发生畸变，点常数增大。溶入的碳愈多，点阵常数愈大。如图所示材料成型与控制工程系5图2-4Fe-C相图奥氏体相区：NJESGN包围的区域GS线----A3线ES线----Acm线PSK线----A1线碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11wt%(10at%)碳原子的溶入使γ-Fe的点阵畸变，点阵常数随碳含量的增加而增大材料成型与控制工程系62.1.2奥氏体的性能奥氏体的比容最小，线膨胀系数最大，且为顺磁性（无磁性）。利用这一特性可以定量分析奥氏体含量，测定相变开始点，制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避免工件的变形，不宜采用过大的加热速度。奥氏体塑性很好，σS较低，易于塑性变形。故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。材料成型与控制工程系72.2奥氏体形成的热力学条件图2-5自由能和温度关系图∆G=V∆Gv+Sγ+V∆Gs(2-1)相变必须在一定的过热度∆T下，使得∆GV0，才能得到∆G0。所以相变必须在高于A1的某一温度下才能发生，奥氏体才能开始形核。材料成型与控制工程系8从能量方程可以看出：当T1T0时，ΔGV=Gγ-GP0ΔG0珠光体不能转变为奥氏体；当T1=T0时，ΔGV=Gγ-GP=0ΔG0珠光体不能转变为奥氏体；当T1T0时，ΔGV=Gγ-GP0ΔG0珠光体可能转变为奥氏体；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。只有当珠光体与奥氏体的体积自由能之差能克服界面能和应变能时，珠光体向奥氏体转变才能使系统向低能状态转变，奥氏体才能自发地形成。材料成型与控制工程系9图2-4以0.125℃/min加热和冷却时，Fe-C相图中临界点的移动加热时临界点加注c：Ac1Ac3Accm冷却时临界点加注r：Ar1Ar3Arcm材料成型与控制工程系102.3奥氏体的形成机制奥氏体的形成为形核长大、扩散型相变奥氏体的形成过程可分成四个阶段：（1）奥氏体的形核（2）奥氏体的长大（3）渗碳体的溶解（4）奥氏体的均匀化材料成型与控制工程系11112.3奥氏体的形成机制以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。从珠光体向奥氏体转变的转变方程，a+Fe3C→γ碳含量C%0.02186.670.77晶格类型体心立方复杂斜方面心立方我们可以看出：珠光体向奥氏体转变包括铁原子的点阵改组，碳原子的扩散和渗碳体的溶解。实验证明：珠光体向奥氏体转变符合一般的相变规律，是一个晶核的形成和晶核长大过程。共析珠光体向奥氏体转变包括奥氏体晶核的形成、晶核的长大、残余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化等四个阶段。材料成型与控制工程系12121)奥氏体晶核的形成（1）形核条件－能量、结构和成分起伏；（2）形核部位－相界面、珠光体团的边界，过冷度较大时在铁素体内的亚晶界等；在铁素体和渗碳体相界上优先形核的原因，可做如下的解释：界面两侧两相的碳含量相差很大（0.0218%和6.67%），因此在界面上碳浓度分布很不均匀，比较容易满足成分起伏；界面两侧晶体结构相差较大，原子排列不规则，原子的活动能力较强，比较容易满足结构起伏；界面上原子排列不规则，位错等晶体学缺陷密度较大，处于能量较高的状态，比较容易满足能量起伏，同时新相晶核形成时，可以使部分晶体学缺陷消失，使系统的能量进一步下降，因此在相界面处是奥氏体形核的首选位置。材料成型与控制工程系13132）奥氏体的长大奥氏体晶核形成后便开始长大。奥氏体长大的机制可做如下的解释。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，另一个是奥氏体与铁素体相界面。为讨论问题的方便，我们假定两个相界面都是平直的（参见图）。根据Fe-Fe3C相图可知，材料成型与控制工程系1414图2-9奥氏体晶核的长大∆Cr↔k∆Cr↔αdCdx材料成型与控制工程系15相界面上的碳浓度及扩散C%dCdx材料成型与控制工程系16①奥氏体在α/Fe3C相界面上形核后，将产生三相平衡，产生γ/Fe3C和r/α两个相界面。②Cr-cCr-α，浓度差dC=Cr-c-Cr-α将在奥氏体内产生扩散Cr-α↑→Cr-α’；Cr-c↓→Cr-c’相界面上的平衡浓度被打破③为了恢复并维持相界面上的平衡浓度α点阵重构→γ，向α方向长大，Cr-α’↓→Cr-αFe3C向γ中溶解，向Fe3C方向长大，Cr-c’↑→Cr-c材料成型与控制工程系17173）剩余渗碳体的溶解实验表明在珠光体向奥转变过程中，铁素体和渗碳体并不是同时消失，而总是铁素体首先消失，将有一部分渗碳体残留下来。这部分渗碳体在铁素体消失后，随着保温时间的延长或温度的升高，通过碳原子的扩散不断溶入奥氏体中。一旦渗碳体全部溶入奥氏体中，这一阶段便告结束。碳化物溶入A的机理，现在还不十分清楚，有人认为是通过碳化物中的碳原子向奥氏体中扩散和Fe原子向贫碳的渗碳体区扩散，以及Fe3C向A晶体点阵改组来完成的。材料成型与控制工程系1818为什么铁素体和渗碳体不能同时消失，而总有部分渗碳体剩余？按相平衡理论，从Fe-Fe3C相图可以看出，在高于AC1温度，刚刚形成的奥氏体，靠近Cem的C浓度高于共析成分较少，而靠近F处的C浓度低于共析成分较多（即ES线的斜率较大，GS线的斜率较小）。所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消失时，奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的P刚刚形成的A的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。材料成型与控制工程系19194）奥氏体成分均匀化珠光体转变为奥氏体时，在残留渗碳体刚刚完全溶入奥氏体的情况下，C在奥氏体中的分布是不均匀的。原来为渗碳体的区域碳含量较高，而原来是铁素体的区域，碳含量较低。这种碳浓度的不均匀性随加热速度增大而越加严重。因此，只有继续加热或保温，借助于C原子的扩散才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。材料成型与控制工程系2020以上共析碳钢珠光体向奥氏体等温形成过程，可以用下图形象地表示出来。材料成型与控制工程系2121材料成型与控制工程系222.4奥氏体形成的动力学2.4.1形核率为了满足形核的热力学条件，需依靠能量起伏，补偿临界晶核形核功，所以形核率应与获得能量涨落的几率因子成正比。为了达到奥氏体晶核对成分的要求，需要原子越过能垒，经扩散富集到形核区，所以应与原子扩散的几率因子成正比。kTGmekTGe材料成型与控制工程系2323第二章奥氏体转变（1）奥氏体的形核率研究指出，在奥氏体均匀形核条件下，形核率N和温度之间的关系可以表示为：Cˊ-常数；∆Gm-扩散激活能；T-绝对温度；K-波尔茨曼常数；∆G*-临界形核功，在忽略应变能时，Aˊ-常数；σ-奥氏体与旧相的界面能；ΔGV-奥氏体与旧相之间单位体积自由能之差；kTGkTGmeeCN23/vGAG材料成型与控制工程系24与结晶不同的是，P→A的相变，是在升高温度下进行的相变。1）因温度升高，形核率N以指数关系迅速增加；2）因ΔGV随温度升高而增大，使∆G*减小，使N进一步增大；3）随温度升高原子扩散速度加快，不仅有利于铁素体向奥氏体点阵改组，而且也促进渗碳体溶解，这也加速奥氏体的形核；4）随温度升高铁素体的C%沿QP线增加，另一方面奥氏体在铁素体中形核时所需的碳浓度沿SG而降低，结果减小了奥氏体形核所需要的碳的浓度起伏，促进奥氏体的形核。材料成型与控制工程系25（2）奥氏体晶体的线长大速度关于奥氏体晶体的长大速度，有不少研究者利用扩散规律导出一些计算公式，具有代表性的如下：CCdxdcDdxdcDKVCC2211……碳在铁素体和奥氏体中的扩散系数；CCDD,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。材料成型与控制工程系2626第二章奥氏体转变由于碳在铁素体中的浓度梯度很小，可近似看作是0。上式可以改写为：CCdxdcDKVC利用碳在渗碳体中的浓度梯度等于零的特点，可得界面向渗碳体中推移的速度表达式：cemCcemcemCcemCdxdcDKCCdxdcDKV67.6cemcemCC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。材料成型与控制工程系2727第二章奥氏体转变1）温度升高，扩散系数D（）增大，同时奥氏体的两相界面之间碳浓度差Cr-cem-Cr-a增加，增大了碳在奥氏体中的浓度梯度，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Cr-a-Ca-r以及渗碳体与奥氏体相界面处的碳浓度差Ccem-r-Cr-cem均减小，因此也会加速奥氏体晶体长大。RTGmeDD0材料成型与控制工程系2828第二章奥氏体转变综上所述：奥氏体形成时，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。材料成型与控制工程系2929第二章奥氏体转变3）奥氏体等温形成动力学曲线（1）共析碳钢奥氏体等温形成图建立试样：厚2mm左右，直径约为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的关系曲线，即得到了奥氏体等温形成的动力学曲线。二节奥氏体形成动力学材料成型与控制工程系3030第二章奥氏体转变为方便，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材料成型与控制工程系3131第二章奥氏体转变（2）奥氏体等温形成的特点①在高于AC1温度保温时，奥氏体并不立即形成，而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：从保温开始到转变开始的这段时间称为孕育期。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。②奥氏体形成速度在整个过程中是不同的，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。材料成型与控制工程系3232第二章奥氏体转变③温度越高，奥氏体形成所需的全部时间越短，即奥氏体的形成速度越快。换言之，随温度升高，奥氏体形成始终是加速的。④在奥氏体刚刚形成后，还需一段时间使残留碳化物溶解和奥氏体成分均匀化。温度，℃共析钢奥氏体化曲线（875℃退火