第二章鋼中奧氏體的形成 引言 絕大多數熱處理過程都需要將鋼加熱到鋼的臨界點以上 使鋼部分或全部轉化為奧氏體 再適當冷卻加熱轉變的奧氏體狀態 如晶粒大小 形狀 空間取向 亞結構 成分 均勻性等對后續的處理意義重大本章討論平衡態鋼的加熱轉變 以及非平衡態組織的加熱轉變 鐵 碳平衡相圖 2 1A的結構 組織與性能 奧氏體 A 碳溶于 Fe所形成的固溶體大量研究表明 碳溶于 Fe的八面體間隙中心 如果 Fe的每個八面體間隙均溶一個碳原子 最多可溶20wt 的碳 實際只能溶2 11wt 12CrNi3鋼的原奧氏體晶粒組織 A的性能 A為高溫穩定相 在室溫下通常是不穩定的在Fe C合金中加入擴大A相區的元素 可使A在室溫 甚至在低溫下成為穩定相硬度 強度均不高 但塑性好 熱強性好A具有順磁性A導熱性差 線膨脹系數高 2 2奧氏體的形成 本節討論平衡組織奧氏體的形成 F Fe3C P A 轉變順序 先P 再F 最后Fe3C轉變的驅動力為自由能的差值轉變通過擴散進行轉變包含4個階段 A核的形成 A核的長大 Fe3C的溶解 A成分的均勻化 一 A形成的熱力學條件 P A的條件為加熱到A1以上轉變溫度T1與A1之間的差值成為過熱度 T T Gv 轉變速度 T與加熱速度有關 理論上說 加熱足夠慢時 T 0 即可發生轉變 而實際上加熱一般比較快 所以導致 T較大 實際轉變溫度記為AC1 T1 同理有Ar1 二 A核的形成 以非均勻形核為主要形式A核一般在F和Fe3C交界處形成從成分考慮F 0 02 Fe3C 6 69 A 0 77 從能量考慮交界處 界面 界棱 界隅 提供形核所需能量 三 A核的長大 A核的長大是通過Fe3C溶解 C原子在A中擴散 A兩側向F和Fe3C推移完成的 F Fe3C C原子發生擴散 擴散破壞界面C平衡F A Fe3C A以降低 升高 C濃度 促使反應進行 四 滲碳體溶解 當珠光體中鐵素體全部消失時 滲碳體還沒有完全溶解 此時A中C 小于P中的C 對其的解釋可參看教材P 20 自學 在隨后的轉變過程中 Fe3C不斷溶解 C繼續在A中擴散 直至所有Fe3C全部溶解該過程為一個緩慢的過程 五 奧氏體均勻化 同樣為一個緩慢的過程 原鐵素體一側 原滲碳體一側 A形核 A長大 A成分均勻化 殘余Fe3C溶解 2 3奧氏體等溫形成動力學 一 等溫形成動力學圖 有孕育期T 孕育期 加熱時間 二 奧氏體的形核與長大 T I 實驗證明 T從740 到800 I提高270倍 T V 三 影響珠光體轉變為奧氏體的因素 溫度 T 轉變越快原始組織 片狀碳化物快于顆粒狀碳化物 片層薄快于片層厚 擴散距離短 合金元素 加入Ni Mn 可降低臨界點 加速A形成 加入Cr Mo W 降低A中C的擴散系數 使奧氏體形成變慢 加入Co 提高A中C的擴散系數 使奧氏體形成變快 2 4連續加熱時A的形成 生產中 A形成絕大多數在連續加熱過程中形成 即A形成過程中 溫度還在進一步上升連續加熱時 與等溫加熱一樣 A形成也經歷形核 長大 K溶解 A均勻化四個階段共析鋼連續加熱形成如右圖 連續加熱A形成的討論 加熱速度越快 平臺越短 平臺的傾斜度越大 所對應溫度越高 T Ac1 0 A形成是在一定溫度范圍內形成的加熱速度越快 A形成速度越快加熱速度越快 A成分不均勻性越大加熱速度越快 A晶粒越細小 但易長大 2 5非平衡組織加熱時A的形成 問題的提出組織遺傳 相變后新相仍保持舊相晶粒的大小和形狀相遺傳 相變后母相的晶體缺陷遺傳給新相研究目的防止組織遺傳探討非平衡組織加熱時細化晶粒的途徑 針狀奧氏體和球狀奧氏體 Aa 非平衡組織加熱時 奧氏體化初期產生的一種過渡組織形態形成條件 快速或慢速加熱 M未發生再結晶Ag形成條件 中速加熱 M發生再結晶切斷組織遺傳 中速加熱 一次或多次高溫回火 退火A晶粒超細化 2 6A晶粒長大及其控制 A晶粒的形成并不意味著A化的完結 繼續加熱 保溫將導致A晶粒長大A晶粒大小直接影響冷卻轉變的組織和性能一 A晶粒度A晶粒大小用晶粒直徑d 單位面積內晶粒個數n來表示定義 放大100倍 每645m2內晶粒個數為n N為晶粒度 N 1 4粗晶粒鋼N1 超細晶粒 起始晶粒度 加熱轉變終了時A晶粒大小取決于I V實際晶粒度 長大到冷卻開始時的A晶粒大小取決于加熱溫度 保溫時間 化學成分 原始組織等本質晶粒度 930 10 保溫3 8h實際晶粒度與合金元素 脫氧方式有關 奧氏體長大現象 奧氏體晶粒長大機制 長大驅動力驅動力 來自A晶界的晶面能設球形奧氏體晶粒半徑為R 界面能為 則作用在晶界的力P為P 2 R當晶界為平直時 R P 0 奧氏體晶粒的正常長大 D 時間 時 晶粒的平均直徑k0 比例常數Q Fe原子的擴散激活能T 溫度 保溫時間 奧氏體晶粒的異常長大 第二相微粒阻止晶界運動 使得A長大受阻當溫度或時間足夠時 第二相溶解 A繼續生長 影響A長大的因素 加熱溫度 保溫時間加熱速度未溶第二相微粒的釘扎作用提高起始晶粒均勻性 可降低驅動力P 抑制長大原始組織快速加熱