第九章:金属加热过程中的相变一奥氏体相变 概述:热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成,其目的是为了改变金 属或合金的内部组织结构,使材料满足使用性能要求 除回火、少数去应力退火,热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢部 分或全部形成奥氏体,经过适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织,从而获得 所需要的性能。 奥氏体晶粒大小、形状、空间取向以及亚结构,奥氏体化学成分以及均匀性 将直接影响转变、转变产物以及材料性能。 奥氏体晶粒的长大直接影响材料的力学性能特别是冲击韧性 综上所述,研究奥氏体相变具有十分重要的意义。 本章重点:奥氏体的结构、奥氏体的形成机制以及影响奥氏体等温形成的动力学 因素。 本章难点:奥氏体形成机制,特别是奥氏体形成瞬间内部成分不均匀的几 点,即C1、C2、C3和C4。 §9-1奥氏体的组织结构和性能 、奥氏体的结构 定义:C溶于γ-Fe形成的间隙式固溶体。 1C原子位于γ-Fe点阵的中心和棱边的中点( 面体间隙处) 2C原子进入γ-Fe点阵间隙位置引起;y-Fe点阵 等称膨胀;C%增加,奧氏体点阵常数增大,但 奥氏体的最大溶C量(溶解度)为2.1% 图1-1 3C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。 奥氏体的组织: (1)原始组织有关 奥氏体组织通常为等轴状多边形晶粒,这与(2加热速度有关 (3)转变程度有关 不平衡加热奥氏体晶粒呈针状或球状(只作为了解内容)。 三、奥氏体的性能 1机械性能:(1)屈服强度、硬度低 (2)塑性、韧性高 易于变形加工成型;(3)热强性高。 2物理性能:(1)比容最小;(2)导热性差;(3)线膨胀系数大;(4)顺磁性
第九章：金属加热过程中的相变—奥氏体相变 概述：热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，其目的是为了改变金 属或合金的内部组织结构，使材料满足使用性能要求。 除回火、少数去应力退火，热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢部 分或全部形成奥氏体，经过适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织，从而获得 所需要的性能。 奥氏体晶粒大小、形状、空间取向以及亚结构，奥氏体化学成分以及均匀性 将直接影响转变、转变产物以及材料性能。 奥氏体晶粒的长大直接影响材料的力学性能特别是冲击韧性。 综上所述，研究奥氏体相变具有十分重要的意义。 本章重点：奥氏体的结构、奥氏体的形成机制以及影响奥氏体等温形成的动力学 因素。 本章难点：奥氏体形成机制，特别是奥氏体形成瞬间内部成分不均匀的几个 C% 点，即 C1、C2、C3 和 C4。 §9-1 奥氏体的组织结构和性能 一、奥氏体的结构： 定义：C 溶于 γ–Fe 形成的间隙式固溶体。 1.C 原子位于 γ–Fe 点阵的中心和棱边的中点(八 面体间隙处)； 2.C 原子进入 γ–Fe 点阵间隙位置引起；γ–Fe 点阵 等称膨胀；C%增加，奥氏体点阵常数增大，但 奥氏体的最大溶 C 量(溶解度)为 2.11% 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。 二、奥氏体的组织： (1)原始组织有关 奥氏体组织通常为等轴状多边形晶粒，这与 (2)加热速度有关 (3)转变程度有关 不平衡加热奥氏体晶粒呈针状或球状(只作为了解内容)。 三、奥氏体的性能 1.机械性能：(1)屈服强度、硬度低 (2)塑性、韧性高； 2.物理性能：(1)比容最小；(2)导热性差；(3)线膨胀系数大；(4)顺磁性。 易于变形加工成型；(3)热强性高。 图 1-1
3应用:(1)变形加工成型;(2)奥氏体不锈钢耐蚀性:(3)膨胀仪表灵敏元件。 §9-2奥氏体的形成 一、热力学条件 △G=Gr-Gp<0 (1)A和Arl △T 引出临界点概念:{(2)A和A3 (3)Acm和Arcm 二、奥氏体的形核 图1-2 以共析钢为例,讨论钢中奥氏体形成。 奥氏体晶核主要在F和Fe3C的相界面 形核,其次在珠光体团界、F亚结构(嵌镶块) 界面形核。这样能满足:(1)能量起伏;(2)结 构起伏;(3)成分起伏三个条件。 三、奥氏体的长大 Fe3C 晶体结构:体心立方复杂斜方面心立方 含碳量:00218%667%0.77% C. C2 C 奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的, 图1-3 原子扩散包括(1)Fe原子自扩散完成晶格改组 (2)C原子扩散使奥氏体晶核向α相和Fe3C相 两侧推移并长大 1C原子扩散:一旦奥氏体晶核出现,则在奥 氏体内部的C%分布就不均匀,由从图1-3可见: C1一与Fe3C相接的奥氏体的C% C2与F相接的奥氏体的C% C3一与Fe3C相接的F的C%; Fe3C C4一与奥氏体相接的F的C% 从图1-3可以看出,在T1温度下由于C1、C2 C3、C4不同导致奥氏体晶核形成时,C原子扩 散,如图1-4,扩散的结果破坏了T温度下C 的浓度平衡,迫使与奥氏体相接的F和Fe3C溶 体片间 解恢复T温度下C%的浓度平衡,如此历经“破 坏平衡”一—“建立平衡”的反复,奥氏体晶 图1-4 核长大
Gr Gp G A1 T1 T ΔG ΔT 图 1-2 G E P S C4C3C2 C1 T1 图 1-3 3.应用：(1)变形加工成型；(2)奥氏体不锈钢耐蚀性；(3)膨胀仪表灵敏元件。 §9-2 奥氏体的形成 一、热力学条件 ΔG=Gγ－Gp＜0 (1)Ac1 和 Ar1 引出临界点概念： (2)Ac3 和 Ar3 (3)ACcm 和 Arcm 二、奥氏体的形核 以共析钢为例，讨论钢中奥氏体形成。 奥氏体晶核主要在 F 和 Fe3C 的相界面 形核，其次在珠光体团界、F 亚结构(嵌镶块) 界面形核。这样能满足：(1)能量起伏；(2)结 构起伏；(3)成分起伏三个条件。 三、奥氏体的长大 α + Fe3C γ 晶体结构：体心立方 复杂斜方 面心立方 含碳量： 0.0218% 6.67% 0.77% 奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的， 原子扩散包括(1)Fe 原子自扩散完成晶格改组； (2)C 原子扩散使奥氏体晶核向 α 相和 Fe3C 相 两侧推移并长大。 1.C 原子扩散：一旦奥氏体晶核出现，则在奥 氏体内部的C%分布就不均匀，由从图1-3可见： C1—与 Fe3C 相接的奥氏体的 C%； C2—与 F 相接的奥氏体的 C%； C3—与 Fe3C 相接的 F 的 C%； C4—与奥氏体相接的 F 的 C%； 从图 1-3 可以看出，在 T1 温度下由于 C1、C2、 C3、C4 不同导致奥氏体晶核形成时，C 原子扩 散，如图 1-4，扩散的结果破坏了 T1 温度下 C% 的浓度平衡，迫使与奥氏体相接的 F 和 Fe3C 溶 解恢复 T1 温度下 C%的浓度平衡，如此历经“破 坏平衡”——“建立平衡”的反复，奥氏体晶 核长大。 C2 C% A F Fe3C C1 C4 C3 珠光体片间距 图 1-4
2奥氏体晶格改组:(1)般认为,平衡加热过热度很小时,通过Fe原子自扩散 完成晶格改组。(2)也有人认为,当过热度很大时,晶格改组通过Fe原子切变完 成 3奥氏体晶核的长大速度:奥氏体晶核向F和Fe3C两侧的推移速度是不同的 根据公式: dc 1 式中,K一常数:DC在奥氏体中的扩散系数:d一相界面处奥氏体中C的 浓度梯度;△C2—相界面浓度差;“-”表示下坡(高浓度向低浓度处)散。向F 一侧的推移速度与向Fe3C一侧的推移速度之比: a K′△C AC 780c时,G,=△Cmc=2667-089 ≈148。表明相界面向F一侧的推移 0.41-0.02 速度比向re3C一侧的推移速度快148倍,但是通常片状珠光体的F片厚度比 Fe3C片厚度大7倍,所以奧氏体等温形成时,总是F先消失,Fe3C剩余。 四、残余Fe3C和奥氏体均匀化 a→Y结束后,还有相当数量的Fe3C尚未溶解,这些Fe3C被称为残余FeC。 另外在原来Fe3C的部位,C%较高,而原来F部位C%较低,必须经过适当的 保温后,奥氏体中的C%才能趋于均匀。 综上,奥氏体形成分四个阶段:奥氏体形核;核长大;残余Fe3C溶解;奥 氏体均匀化,其示意图见图1-5。 奥氏体形核 核长大 残余Fe3C溶解奥氏体均匀化 图1 五、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
2.奥氏体晶格改组：(1)一般认为，平衡加热过热度很小时，通过 Fe 原子自扩散 完成晶格改组。(2)也有人认为，当过热度很大时，晶格改组通过 Fe 原子切变完 成。 3.奥氏体晶核的长大速度：奥氏体晶核向 F 和 Fe3C 两侧的推移速度是不同的。 根据公式： B B c C K dx C dc G KD = = − / 1 式中，K—常数； DC —C 在奥氏体中的扩散系数； dx dc —相界面处奥氏体中 C 的 浓度梯度； CB —相界面浓度差；“-”表示下坡(高浓度向低浓度处)扩散。向 F 一侧的推移速度与向 Fe3C 一侧的推移速度之比： BF BFe C BFe C Fe C BF F C C K C C K G G = = 3 3 3 / / 780℃时， 14.8 0.41 0.02 3 6.67 0.89 3 − − = = BF BFe C Fe C F C C G G 。表明相界面向 F 一侧的推移 速度比向 Fe3C 一侧的推移速度快 14.8 倍，但是通常片状珠光体的 F 片厚度比 Fe3C 片厚度大 7 倍，所以奥氏体等温形成时，总是 F 先消失，Fe3C 剩余。 四、残余 Fe3C 和奥氏体均匀化 α→γ 结束后，还有相当数量的 Fe3C 尚未溶解，这些 Fe3C 被称为残余 Fe3C。 另外在原来 Fe3C 的部位，C%较高，而原来 F 部位 C%较低，必须经过适当的 保温后，奥氏体中的 C%才能趋于均匀。 综上，奥氏体形成分四个阶段：奥氏体形核；核长大；残余 Fe3C 溶解；奥 氏体均匀化，其示意图见图 1-5。 五、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 奥氏体形核 核长大 残余 Fe3C 溶解 奥氏体均匀化 图 1-5
P→A,这与共析钢相同;然后是先析相的奧氏体化过程。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。 §9-3奥氏体等温形成动力学 奥氏体等温动力学是研究奥氏体等温形成速度问题。本课程只讨论共析钢奥 氏体等温动力学,对于过共析钢先共析相Fe3C溶解与第三阶段差别不大,故不 在讨论:亚共析钢因为(1)组织中有非共析成分;(2)奥氏体转变有两个区间,即 两相区和单相区。因此,这里只定性讨论共析钢奥氏体等温动力学。 奥氏体的形成速度取决于形核率Ⅰ和线长大速度G,在等温条件下,形核率 和线长大速度G均为常数。 、形核率I 均匀形核条件下,形核率Ⅰ与温度的关系为 式中,C一常数;T一绝对温度:;Q一扩散激活能;ΔG一临界形核功;k一玻耳 兹曼常数。可见,奥氏体等温形成时,等温温度T提高,(1)ΔT增大,相变驱动 力增大,ΔG降低,形核率Ⅰ增大;(2)C原子的扩散系数D增大,C的扩散速度 增大,有利于点阵重构,形核率I增大:(3)由相图(图1-3)可见,C2C4=△C减小 奥氏体形核所需的C的浓度梯度减小,形核率I增大。 二、长大速度G 奥氏体的线生长速度为相界面的推移速度, G=-K a△C,△C 式中,“-”表示向减小浓度梯度的下坡扩散:k一常数:D一C在奥氏体中的扩 散系数:“一相界面处奥氏体中C的浓度梯度:AC相界面浓度差。 等温转变时:D、dc(由相图决定=-2)均为常数,△P为珠光体片 间距,平衡冷却时,平均片间距与每一片间距相同。 则:G=-n(1)由于忽略碳在铁素体的扩散,此计算值与实际速度偏小 (2)对粒状珠光体亦适用
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。 §9-3 奥氏体等温形成动力学 奥氏体等温动力学是研究奥氏体等温形成速度问题。本课程只讨论共析钢奥 氏体等温动力学，对于过共析钢先共析相 Fe3C 溶解与第三阶段差别不大，故不 在讨论；亚共析钢因为(1)组织中有非共析成分；(2)奥氏体转变有两个区间，即 两相区和单相区。因此，这里只定性讨论共析钢奥氏体等温动力学。 奥氏体的形成速度取决于形核率 I 和线长大速度 G，在等温条件下，形核率 I 和线长大速度 G 均为常数。 一、形核率 I 均匀形核条件下，形核率 I 与温度的关系为： kT G kT Q I C e e − − = / 式中， / C —常数；T—绝对温度；Q—扩散激活能； G—临界形核功；k—玻耳 兹曼常数。可见，奥氏体等温形成时，等温温度 T 提高，(1) T 增大，相变驱动 力增大， G 降低，形核率 I 增大；(2)C 原子的扩散系数 DC 增大，C 的扩散速度 增大，有利于点阵重构，形核率 I 增大；(3)由相图(图 1-3)可见，C2-C4=C 减小， 奥氏体形核所需的 C 的浓度梯度减小，形核率 I 增大。 二、长大速度 G 奥氏体的线生长速度为相界面的推移速度， B B c C K dx C dc G KD = = − / 1 式中，“-”表示向减小浓度梯度的下坡扩散；k—常数； D c —C 在奥氏体中的扩 散系数； dx dc —相界面处奥氏体中 C 的浓度梯度； CB —相界面浓度差。 等温转变时： D c 、 dx dc (由相图决定 0 1 2 P C C dx dc − = )均为常数， P0 为珠光体片 间距，平衡冷却时，平均片间距与每一片间距相同。 则： CB K G = − / 。(1)由于忽略碳在铁素体的扩散，此计算值与实际速度偏小； (2)对粒状珠光体亦适用
讨论:(温度T升高,D呈指数增加,长大速度G增加,(2)温度T升高 C1-C2增加,“增加,速度G增加:(3温度T升高,△C=C2-C下降,长大速 度G增加。 形核率I 综上:温度T升高, 均增大 长大速度G 三、等温形成动力学曲线 转变量与转变时间的关系曲线一等温动力学曲线,信息少。 转变温度与转变时间的关系曲线一等温动力学图,信息多。 金相法 曲线的建立膨胀法 热分析法 四、影响奥氏体等温形成速度的因素 一切影响形核率Ⅰ和长大速度G的因素均影响珠光体→奥氏体的因素 1加热温度的影响 (1)加热温度T升高,过热度ΔT增大,相变驱动力ΔG增大,原子扩散速度 增加,形核率Ⅰ和长大速度G均增加;(2)从等温转变图可知,加热温度T升高, 奥氏体等温形成的孕育期变小,相变完成时间变短;(3)加热温度T升高,由相 图图1-3)可知C1-C2增大, dold增加,奥氏体界面浓度差△CB减小,长大速度 G均增加;(4)加热温度T升高,奥氏体向F一侧推移速度比向Fe3C一侧推移速 度快,F消失瞬间残余Fe3C量增加,奧氏体中C%降低,相变不平衡程度增加; (5)加热温度T升高,形核率Ⅰ増加的速度比长大速度G增加的速度快,奥氏体 晶粒细化(提高强韧性)。 2原始组织的影响 (1)原始组织越细,碳化物越分散,珠光体的层片间距So越小,相界面越多, 形核率I越大,同时碳的浓度梯度dcx增加,长大速度G均增加:(2)和粒状珠 光体比,片状珠光体相界面大而薄,易于溶解,因此,原始组织为片状珠光体形 成速度比粒状珠光体快。 3合金元素的影响 C%:()随着含碳量的増加,碳化物量増加。珠光体中渗碳体量相对相界面増加 形核率Ⅰ增加。碳原子扩散距离减小,扩散速度提髙,但渗碳体溶解及奥氏体均 匀化时间增加。 合金元素:(1)不影响珠光体转变奥氏体机制。(2)影响碳化物稳定性。(3)影响体 中的扩散系数D减小
讨论：(1)温度 T 升高， D c 呈指数增加，长大速度 G 增加，(2)温度 T 升高， C1-C2 增加， dx dc 增加，速度 G 增加；(3)温度 T 升高， CB =C2-C4 下降，长大速 度 G 增加。 综上：温度 T 升高， 三、等温形成动力学曲线 转变量与转变时间的关系曲线—等温动力学曲线，信息少。 转变温度与转变时间的关系曲线—等温动力学图，信息多。 1、曲线的建立 四、影响奥氏体等温形成速度的因素 一切影响形核率 I 和长大速度 G 的因素均影响珠光体→奥氏体的因素。 1.加热温度的影响 (1)加热温度 T 升高，过热度 ΔT 增大，相变驱动力 ΔG 增大，原子扩散速度 增加，形核率 I 和长大速度 G 均增加；(2)从等温转变图可知，加热温度 T 升高， 奥氏体等温形成的孕育期变小，相变完成时间变短；(3)加热温度 T 升高，由相 图(图 1-3)可知 C1-C2 增大，dc/dx 增加，奥氏体界面浓度差 ΔCB 减小，长大速度 G 均增加；(4)加热温度 T 升高，奥氏体向 F 一侧推移速度比向 Fe3C 一侧推移速 度快，F 消失瞬间残余 Fe3C 量增加，奥氏体中 C%降低，相变不平衡程度增加； (5)加热温度 T 升高，形核率 I 增加的速度比长大速度 G 增加的速度快，奥氏体 晶粒细化(提高强韧性)。 2.原始组织的影响 (1)原始组织越细，碳化物越分散，珠光体的层片间距 S0 越小，相界面越多， 形核率 I 越大，同时碳的浓度梯度 dc/dx 增加，长大速度 G 均增加；(2)和粒状珠 光体比，片状珠光体相界面大而薄，易于溶解，因此，原始组织为片状珠光体形 成速度比粒状珠光体快。 3.合金元素的影响 C%：(1)随着含碳量的增加，碳化物量增加。珠光体中渗碳体量相对相界面增加 形核率 I 增加。碳原子扩散距离减小，扩散速度提高，但渗碳体溶解及奥氏体均 匀化时间增加。 合金元素：(1)不影响珠光体转变奥氏体机制。(2)影响碳化物稳定性。(3)影响体 中的扩散系数 D c 减小。 形核率 I 长大速度 G 均增大 金相法 膨胀法 热分析法