Transcript 第二章钢中奥氏体的形成
金属固态相变原理 Principle of solid-state phase transformation of metals 授课教师： 孙宏飞 教授 山东科技大学材料科学与工程学院 金属固态相变原理 本章主要内容: 1、奥氏体的结构、组织和性能； 2、奥氏体的形成机理 3、奥氏体形成的动力学特点 4、奥氏体晶粒的长大、控制及区别 金属固态相变原理 Page 2 原理与工艺 热处理改变金属工件的性能，是通过改变其内部的组织实现 的。金属材料在热处理过程中，会发生一系列的组织变化， 这些变化具有严格的规律性。金属材料中组织转变的规律， 就是金属固态相变的原理。 根据金属固态相变原理制定的热处理温度、时间、介质等参 数，就是热处理工艺。 金属固态相变原理 Page 3 热处理的实质: 金属材料在固态下加热到预定 的温度，保温预定的时间，然后以预 定的方式冷却。通过这一工艺过程， 改变了金属材料内部的组织结构，从而 使工件的性能发生了预期的变化。 热处理的目的: 改变工件的性能，即改善材料的工艺性能，提高材料的使用性 能。但不能通过热处理改变工件的形状和尺寸。 金属固态相变原理 Page 4 研究A转变的目的 欲使材料获得要求的性能，首先要把钢加热，获得A组织（奥 氏体化），然后再以不同的方式冷却，发生不同转变，以获 得不同的组织。 可以控制A转变的条件获得理想的A组织，为后续处理做好组 织准备。－－ 组织遗传 金属固态相变原理 Page 5 第二章 钢中奥氏体的形成 重点： 1、掌握钢在加热过程的组织转变规律； 2 、奥氏体形成动力学特点； 3 、掌握奥氏体晶粒大小的影响因素及控制措施； 难点：奥氏体的形成机理 金属固态相变原理 Page 6 奥氏体( Austenite )命名： 为纪念英国冶金学家罗伯茨-奥斯汀W. C. Roberts-Austen (1843～1902) 对金属科学中的贡献而命名。铸币权威、共晶理论、金属熔点测量、高 熔点物质的冷却速度测量、显微镜照像研究金相等。 《Introduction to the study of metallurgy 》 《The Metallurgy of Gold》 金属固态相变原理 Page 7 2.1 奥氏体( Austenite ) 的组织特征 2.1.1 奥氏体形成的温度范围 Fe—Fe3C合金相图有如下应用： (1)指出不同Fe—C合金成分的结 晶或熔化温度。 (2)确定C含量已知的Fe—C合金在 任意温度下的平衡状态的组成相。 (3)估算热处理加热温度。 金属固态相变原理 Page 8 铁—碳合金状态图的局限： ①A→P ②不能看出反应速度问题 ③影响反应速度的因素 ④冲击加热时的状态不能反映出来 ⑤不能反映出成分均匀性和晶粒大小等的变化 实际热处理加热过程中所发生的相变 大多都是非平衡的. 金属固态相变原理 Page 9 基本概念 原始组织 original structure 碳钢的平衡态组织 碳钢的非平衡态组织 金属固态相变原理 Page 10 平衡组织 通过缓慢冷却所得到的珠光体 以及先共析铁素体与渗碳体等组织 P (pearlite) P＋F (Ferrite) P＋ Fe3C (Cementite) 金属固态相变原理 Page 11 不平衡组织 通过较快的速度进行冷却时获得的组织 如马氏体，贝氏体等。 马氏体 贝氏体 金属固态相变原理 Page 12 奥氏体形成的温度 金属固态相变原理 Page 13 2.1.2、奥氏体的结构和组织 1.结构： 奥氏体是C溶在γ-Fe中所形成的固溶体。 溶Ｃ的位置 ⑴.主要是在FCC晶胞八面体的晶格中心及棱边 中点; ⑵.晶格缺陷处； ⑶.原子尺寸与Fe原子相差不大的合金元素Si、 Cr、Ni、Co等则固溶于替换位置； ⑷. 一些化学元素吸附于奥氏体晶界等晶体缺 陷处。 金属固态相变原理 Page 14 奥氏体的结构和组织 存在温度是共析温度以上，最大碳含量2.11% 思考：若按所有的八面体间隙位置均填满碳原子计算，单位晶 胞中应含有20%的碳原子，但实际上碳在-Fe中的最大溶解度仅 为2.11%，为什么？ 金属固态相变原理 Page 15 奥氏体的结构和组织 2.奥氏体的显微组织 ①呈多边形等轴晶粒，且每三个晶粒的角度大致是120°，这样能量最低。 ②呈双晶（在晶粒内部往往有挛晶亚结构）：主要是由热应力所形成的， 是塑性变形的结果。 金属固态相变原理 Page 16 暗场、明场金相图 (a) T8 钢的奥氏体晶粒(暗场像) (b) 1Cr18Ni9Ti钢室温的奥氏体组织（明场像为什么有色差） 金属固态相变原理 Page 17 2.1.3 奥氏体的性能 1.力学性能 ①硬度和屈服强度不高； ②fcc滑移系多→塑性高→易变形→钢的锻造加工常要求在奥氏体稳定的高温 区域进行。 “趁热打铁” 2.物理、化学性能 ①比容最小：fcc为密排点阵结构，致密度高； 钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体-珠光体 等组织时，体积膨胀，容易引起内应力。 ②导热性差：奥氏体钢加热时不易采用过大的加热速度，以免热应力变形； 金属固态相变原理 Page 18 奥氏体的性能 ③线膨胀系数大：比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高约一倍。 奥氏体钢可用来作热膨胀灵敏的仪表元件； ④顺磁性：可作为无磁性钢；特殊的Fe－Ni软磁合金，也是奥氏体组 织，但具有铁磁性。 ⑤单相奥氏体具有耐腐蚀性； ⑥Fe原子自扩散激活能大→扩散系数小→奥氏体钢热强性好→高温用钢 金属固态相变原理 Page 19 金属固态相变原理 Page 20 Tea breaks 金属固态相变原理 Page 21 2.1.4 奥氏体形成的热力学条件 条件－－ΔG ＜0 1.热力学表达式 ΔGv=Gγ-Gp<0 2.保证ΔＧＰ→Ａ＜０的条件： 要有过热度ΔT，加热速度快，则ΔT大。过 热度不必过高， 过热度：转变温度与临界点A1之差（ΔT） 过热度越大，驱动力越大，转变速度越快 加热速度极慢时：过热度＞0即可发生转 变，即A1 加热速度较快时：在较大的过热度下才能 发生相变，好象临界点提高了。 金属固态相变原理 Page 22 奥氏体形成的热力学条件 3. 相变的条件： 一定要过热（过冷）， 一定要扩散 加热转变只有在平衡临界点以 上才能进行； 冷却转变只有在平衡临界点以 下才能进行。 实际的加热转变点和冷却转变 点都要偏离平衡临界点。而且 加热和冷却的速度越大其偏离 也越大。 金属固态相变原理 Page 23 奥氏体形成的热力学条件 为了区别平衡临界点，通常 在加热转变点标以“ C”，在 冷却转变点标以“r”。 A1---------Ac1---------Ar1 A3---------Ac3---------Ar3 Acm-------Accm -------Arcm 金属固态相变原理 Page 24 2.2 奥氏体的形成机制 共析钢的A形成： 金属固态相变原理 Page 25 奥氏体的形成机制 珠光体到奥氏体的转变：可分四个阶段 奥氏体晶核的形成 奥氏体的长大 残余碳化物的溶解 奥氏体的均匀化 金属固态相变原理 Page 26 2.2.1 奥氏体晶核的形成 1）形核条件：以下三个条件缺一不可。 成分起伏----局部浓度至少达到形成奥氏体所需含碳量 能量起伏----高能量的微区以提供足够的形核功 结构起伏----满足形成 f.c.c的要求。 2）形核位置： 原始组织不同－－A优先形核的位置不同 （a）F/Fe3C界面； （b）珠光体团交界处； （c）先共析F/珠光体团交界处； 金属固态相变原理 Page 27 奥氏体晶核的形成 粒状珠光体：与晶界相连的/Fe3C界面上 图a所示---位置2、3优先，1次之。 球状Fe3C+F(基体） 金属固态相变原理 Page 28 奥氏体晶核的形成 片状珠光体： 在珠光体团的界面或/Fe3C片层界面上 图b所示---位置2优先。 片状Fe3C+F(基体） 金属固态相变原理 Page 29 奥氏体晶核的形成 3）原因： ①成分起伏------- /Fe3C界面处，C原子浓度相差很大，有利 于获得A晶核所需的C原子。 ②能量起伏--------晶界处有高的畸变能，提供了一定的形核功。 ③结构起伏--------相界面处畸变严重，Q值下降，则有利于扩 散，且有利点阵重构。 金属固态相变原理 Page 30 2.2.2 奥氏体晶核长大 长大过程：原始组织不同，长大的方式也不同。 片状P：垂直于片层和平行于片层的两个方向长大。 奥氏体核两侧碳浓度不等C4>C3-------扩散---------CA--Fe3C下降（<C4)， CA--F上升(>C3)。平衡被破坏，使体系的ΔG升高，不稳定-------重新恢复 平衡的边界浓度。 金属固态相变原理 Page 31 奥氏体晶核长大 粒状珠光体： 1）奥氏体包围渗碳体； 2） /α向α一侧推移， /Fe3C向Fe3C一侧推移。 机理：A晶核两侧碳浓度不等 散 C /Fe3C、 C / α C /Fe3C ＞ C / α C原子在A中体扩 平衡被破坏，系统不稳定恢复平衡 方法：1） Fe3C分解；2） αγ 金属固态相变原理 Page 32 奥氏体晶核长大 金属固态相变原理 Page 33 2.2.3 残留碳化物的溶解 /α向α迁移速度＞ /Fe3C向Fe3C迁移速度 →α完全转变为后仍有一部份Fe3C未溶解， 随保温时间延长，残留碳化物溶解 思考题：当F全部转变为A后，多余的碳即以Fe3C形式存在。为什 么不能够一块转变完成相变呢？ 金属固态相变原理 Page 34 2.2.4 奥氏体成分的均匀化 渗碳体溶解完后，A成分是不均匀的， 原来为渗碳体区域C含量高； 原来为铁素体的区域含量低， 保温通过C的扩散使A中C分布均匀。 金属固态相变原理 Page 35 本课小结： 1、奥氏体的结构、组织和性能； 奥氏体是C溶在γ-Fe中所形成的固溶体。呈多边形等 轴晶粒。强度不高，塑性好，耐蚀，无磁性等。 2、奥氏体的形成机理 扩散 形核－－ 长大－－残余碳化物的溶解－－均匀化。 金属固态相变原理 Page 36 Tea breaks 金属固态相变原理 Page 37 本节课主要内容: （1、奥氏体的结构、组织和性能；） （2、奥氏体的形成机理；） 3、奥氏体形成的动力学特点 4、奥氏体晶粒的长大、控制及区别 金属固态相变原理 Page 38 §2.3 奥氏体形成动力学 形成动力学： 即指形成速度问题。钢的成分、原始组织、加热温度等均影响转变速度。 2.3.1 奥氏体等温形成动力学 将小试样迅速加热到Ac1以上 不同的温度，并在各温度下 保持不同时间后迅速淬冷 测定奥氏体的转变 量与时间的关系 金属固态相变原理 Page 39 奥氏体等温形成动力学 1.TTA图的绘制（Temperature-TimeAustenitization) 四条曲线： 1）A转变开始线 0.5%A； 2） A转变完成线 99.5%； 3）碳化物完全溶解线； 4）A成分均匀后曲线。 A形成+残留碳化物溶解+成分均匀化 亚共析钢：比共析钢多了一条先共析F 溶解线 金属固态相变原理 Page 40 奥氏体等温形成动力学 2.等温形成特点 1）A形成需要一定的孕育期（ 等待临界晶核的形成），T 孕育期 2）转变速度：慢快慢 50%时最快 3）T A形成速度越快： Trk结构起伏 D浓度起伏 驱动力能量起伏 金属固态相变原理 Page 41 奥氏体等温形成动力学 3、奥氏体形成动力学的理论问题 1)奥氏体的形核率 形核率—单位时间在单位体积内形成的晶核数目。 温度↑→形核率↑ 金属固态相变原理 Page 42 奥氏体等温形成动力学 2)奥氏体长大线速度 实质：奥氏体的相界面向F和Fe3C中推移速度的总合。 奥氏体的形核率和长大速度 转变温度 (℃) 形核率N [(mm3/s)] 线生长速度G (mm/s) 转变一半所需的时间 (S) 740 2280 0.0005 100 760 11000 0.010 9 780 51500 0.026 3 800 61600 0.041 1 金属固态相变原理 Page 43 奥氏体等温形成动力学 4、影响奥氏体形成速度的因素 1)温度的影响： T晶粒形成速度；晶粒细化 T 不均匀度提高 A基体的碳含量 降低 有利于强韧化 2)原始组织： 原始组织细小 A形成速度 ①碳化物的形状：A等温形成速度－－ 片状粒状 ②片状珠光体：片层越薄A中的碳浓 度梯度越大扩散速度 长大速度 越大 金属固态相变原理 Page 44 奥氏体等温形成动力学 3)钢的成分（碳和合金元素）： ①ωc Fe3C / F 界面面积 形核率 A形成速度越快； 碳在A中的扩散系数增加 对于过共析钢来说，碳化物过多， 引起残余碳化物和均匀化的时间 增多。 钢碳含量对A转变 50%时间的影响 金属固态相变原理 Page 45 奥氏体等温形成动力学 ②合金成分 对扩散系数的影响 强碳化物形成元素，如Cr、V、Mo、W等，降低碳在奥氏体中的 扩散系数－－减慢。 非碳化物形成元素Co、Ni等增大碳在奥氏体中的扩散系数－－ 加速奥氏体的形成。 合金元素改变临界点 改变奥氏体的形成温度：扩大A相区的元素（Mn、Ni、N）和缩小 A相区（Cr、Mo、W）的元素等；因而改变了过热度，因而影响了 奥氏体的形成速度。 金属固态相变原理 Page 46 奥氏体等温形成动力学 ③ 合金元素影响珠光体的片层间距，改变碳在奥氏体中的溶解 度，从而影响奥氏体的形成速度。珠光体的片层间距愈小，奥氏 体形成速度愈快。 ④合金元素在奥氏体中分布不均匀 合金元素的扩散系数仅仅为碳的1/1000～1/10000,因而,合金 钢的奥氏体形成速度慢，均匀化也慢，需要更长的时间转变完， 均匀化时间也长。 金属固态相变原理 Page 47 2.3.2 连续加热时奥氏体形成动力学 1.转变规律： 同等温转变的规律大体相同: 形核—长大—残余碳化物的 溶解– 奥氏体的均匀化 2.特点： 1）连续加热时的加热速度改变 了Ac1、 Ac3、Accm的位置， 随加热速度的增加，临界点温 度升高，图中V1V2V3V4； 金属固态相变原理 Page 48 连续加热时奥氏体形成动力学 2）相变是在一定温度范围内完成的； 3）奥氏体的形成速度随加热速度的提高而提高， 孕育期和相变的实际时间缩短; 随加热速度，形成温度，形成温度范围； 4）快速加热时形成的奥氏体成分不均匀性提高； 5）可以获得超细晶粒: 条件—超快速加热； 6）钢中原始组织的不均匀 使连续加热时A均匀化的温度； 金属固态相变原理 Page 49 金属固态相变原理 Page 50 §2.4 奥氏体晶粒长大及其控制 一、奥氏晶粒大小对钢性能的影响 晶粒越小，钢的屈服强度越高，钢的韧脆转化温度较低 二、晶粒度的概念 晶粒大小的量度 1.起始晶粒度：临界温度以上，A形成刚刚完成，其晶粒边界 刚刚相互接触时的晶粒大小。 2.实际晶粒度：钢在某一具体的热处理或热加工条件下实际获 得的奥氏体晶粒度。 3.本质晶粒度：在一定加热条件下A晶粒长大的倾向性不是 晶粒大小的实际度量。 金属固态相变原理 Page 51 §2.4 奥氏体晶粒长大及其控制 标准（GB/T 6394--2002 ）测定本质晶粒度： 试样加热到93010℃，保温3~8h，适当方式冷却，在室温下显示 和测量A晶粒的大小： n=2N-1 n—在放大倍数为100倍时，显微组织中每平方英寸（6.45㎝2）中的 晶粒数。 N—A晶粒级别指数或晶粒度级别、晶粒度号数（1~8级）。 1级最粗，8级最细。 晶粒度在1~4级的钢为本质粗晶粒钢， 5~8级的钢为本质细晶粒钢。 金属固态相变原理 Page 52 §2.4 奥氏体晶粒长大及其控制 1~3级：粗晶粒， 大小为0.125~0.25m 4~6级：中等晶粒， 大小为0.088~0.044m 7~8级：细晶粒， 大小为0.03~0.022m 金属固态相变原理 Page 53 奥氏体晶粒长大及其控制 三、奥氏体晶粒长大的特点 铝脱氧钢：含有AlN颗粒，抑 制晶粒长大 －－－ 本质细晶 粒钢 硅脱氧钢：不含抑制晶粒长大 的第二相颗粒－－－ 本质粗 晶粒钢 奥氏体晶粒的实际大小取决于 具体加热规范 思考：晶粒为什么自发长大？ 金属固态相变原理 Page 54 奥氏体晶粒长大及其控制 四、影响奥氏体晶粒长大的因素 长大方式： 通过界面迁移而长大 驱动力：来自A晶界的界面能。 A晶粒的长大将导致界面能降低 P＝2γ/R P－驱动力，R－球面晶界曲 率半径， γ－界面能 晶粒越小，界面能越大，长大 驱动力越大。长大是一个自发 过程，－－即小晶粒合并成大 晶粒，弯曲晶界变成平直晶界。 金属固态相变原理 Page 55 奥氏体晶粒长大及其控制 1.加热温度、时间、加热速度的影响 T ，晶粒长大越明显； t ，晶粒易长大；v T 晶粒 2.含碳量的影响 ωc晶粒 （C在A中扩散速度及Fe的自扩散速度均增加）； 当含碳量超过一定限度， ωc晶粒（第二相阻碍作用）。 3.原始组织的影响 主要影响起始晶粒度。原始组织越细，碳化物分散度A起始晶粒 晶 粒长大倾向性 金属固态相变原理 Page 56 奥氏体晶粒长大及其控制 4.第二相颗粒的影响 在实际材料中，晶界或晶内往往存在很多细小、难溶的第二相沉 淀析出颗粒，会阻止A晶粒长大，对晶界起钉扎作用。当第二相 颗粒非常细小时才能有效阻止晶粒长大。粒子越细，阻力越大。 I－没有颗粒 晶界移动与第二相颗粒间的交互作用 II－有少量颗粒 III－有大量颗粒 金属固态相变原理 Page 57 奥氏体晶粒长大及其控制 强烈阻止晶粒长大：Al、Ti、Zr、V 能够阻止晶粒长大：W、Mo、Cr 阻止晶粒长大作用较弱：Si、Ni、Cu 促进晶粒长大的元素：Mn（ 高碳情况下）、P、C（溶入A中的情况下） s s r 迁移中的晶界 颗粒产生的拖拽力 金属固态相变原理 Page 58 奥氏体晶粒长大及其控制 五、奥氏体晶粒大小的控制 1.合理选择加热温度和加热时间---快速加热细化晶粒 加热温度高，A形成速度快。温度越高，A晶粒长大倾向越大，实 际晶粒越粗。 随保温时间延长，A晶粒长大。合金钢中A的形成和均匀化所需时 间比碳钢长， 所以合金钢一般需较长的加热时间。 金属固态相变原理 Page 59 奥氏体晶粒长大及其控制 2.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P溶解快，转变为A的速度快。 3.加入一定量的合金元素 1）加入Me，在晶界形成弥散化合物，如碳化物、氮化物、氧 化物等。弥散化合物有阻碍晶界迁移的作用，阻碍晶粒长大。 2）有些元素如硼及少量稀土元素加入钢中，主要吸附在晶界 并降低晶界的能量，从而减小晶粒长大的动力。 金属固态相变原理 Page 60 成功案例： 低合金结构钢超细晶粒制备工艺 国家973项目，通过新型电致快速加热法，采用先进热处理工 艺，成功完成低合金结构钢超细晶粒制备。 细化晶粒尺寸达 到1.5μm。与常规工艺相比，材料的抗拉强度提高到 1000MPa以上，达到1500MPa以上，而冲击韧性提高约10%。 该研究成果经高强度螺栓的实物性能测定，达到15.9级性能指 标。 金属固态相变原理 Page 61 成功案例： 超细晶粒组织与性能 在ADF1钢中成功获得1.5μm的超细晶粒组织，且工艺重现 性稳定。 10um 8um 4um 3.5 um 金属固态相变原理 2.5um 1.5um Page 62 尺寸超细处理前晶粒 超细处理后晶粒尺寸 金属固态相变原理 Page 63 §2.5 过热、过烧及其校正 一、过热 1.过热及遗传 在转变终了后，继续升高温度，晶粒继续长大。若仅仅是晶粒长大而在晶界上 并未发生能使晶界弱化的某些变化----过热。 结果：冷却后组织变粗钢的强度与韧性↓ 校正方法：重新加热到临界点以上，再次通过加热转变以求得细的A起始晶粒。 组织遗传：合金钢构件在热处理时，常出现原始有序粗晶组织。这些非平衡 的粗晶有序组织（马氏体、贝氏体、魏氏组织等）在一定加热条件下所形成的 奥氏体晶粒继承或恢复原始粗大晶粒的现象称之。 金属固态相变原理 Page 64 过热、过烧及其校正 影响因素 原始组织（非平衡组织，马氏体、贝氏体等） 在大晶粒生成后的组织转变中维持了严格的晶体学取向关系。 加热速度（慢速或快速加热） 如果加热不当，虽再次加热的温度不高，但只能得到与原过热 组织相同的粗大A晶粒，甚至保留原来的取向和晶界----组织 遗传。 奥氏体形态（针状和颗粒状） 金属固态相变原理 Page 65 过热、过烧及其校正 2.组织遗传的阻断 关键： 破坏第二次转变中新、母相间严格的晶体学取向关系。 措施： 1）避免由不平衡组织直接加热A化； 2）避免新的A以无扩散机理形成； 3）通过多次加热－－冷却循环来破坏新、母相之间的取向关系，从而 获得细小的A晶粒。 相遗传：母相中的晶体缺陷和不均匀性被新相继承下来，可用来强化合 金。 金属固态相变原理 Page 66 原奥氏体晶界 0.1mm 34CrNi3MoV钢粗大（1级）奥氏体晶粒 金属固态相变原理 Page 67 过热、过烧及其校正 二、过烧 1.定义：如由于加热温度过高，不仅A晶粒已经长大，而且在A 晶界上也已发生某些能使晶界弱化的变化----过烧。 结果：导致断口遗传，即在过烧的情况下，虽再次适当加热淬 火消除了粗大晶粒而得到了细晶粒A组织，但在冲断时仍得到了 原粗大A晶粒相对应的粗晶断口。 原因：沿晶界析出了某种相或是形成了某些杂质元素的偏聚－ －MnS 金属固态相变原理 Page 68 过热、过烧及其校正 2.过烧的消除： 1）重新加热到引起过烧的温度，以极慢的速度冷却； 2）重新加热到引起过烧的温度，冷至室温，再加热到较前次 低100~150℃的温度，再冷至室温，如此重复加热，冷却直至 正常加热温度以下为止； 3）重新锻造； 4）进行多次正火。 例子：焊接热影响区 金属固态相变原理 Page 69 本 章 总 结 1、奥氏体的结构、组织和性能； 2、奥氏体的形成机理（重点是珠光体类组织向奥氏体的加热 转变）； 3、奥氏体形成的动力学特点（等温和连续加热）； 4、奥氏体晶粒的长大及其控制（重点：三种晶粒度的概念及 区别；晶粒大小的控制措施）。 金属固态相变原理 Page 70 Thanks Attention ! 金属固态相变原理 Page 71