第3章 钢的奥氏体化

3.1.3 奥氏体的性能 奥氏体塑性好，强度低，易塑性变形。 ◆ 奥氏体塑性好，强度低，易塑性变形。钢锭或钢坯的热锻轧 温度在1100℃以上。 温度在1100℃以上。 1100℃以上 奥氏体一般呈顺磁性，因此奥氏体钢为无磁性钢。 ◆ 奥氏体一般呈顺磁性，因此奥氏体钢为无磁性钢。 奥氏体比容最小。加热奥氏体化时体积收缩， ◆ 奥氏体比容最小。加热奥氏体化时体积收缩，冷却转变为非 FCC结构组织时体积膨胀，引起组织应力。 FCC结构组织时体积膨胀，引起组织应力。 结构组织时体积膨胀 组织应力 奥氏体线膨胀系数最大。 ◆ 奥氏体线膨胀系数最大。奥氏体钢可制造要求热膨胀灵敏 的仪表元件。 的仪表元件。 奥氏体导热性差，且合金度越高导热性越差。形状复杂、 ◆ 奥氏体导热性差，且合金度越高导热性越差。形状复杂、大尺 寸钢件加热时，加热速度应慢一些，以减少热应力，避免开裂。 寸钢件加热时，加热速度应慢一些，以减少热应力，避免开裂。 热应力
3.2.3 奥氏体形成动力学 1 共析钢奥氏体等温形成动力学 奥氏体等温形成动力学曲线图3-13。 奥氏体等温形成动力学曲线图 13。 奥氏体等温形成图3-14（不是“C曲线”，4线5区）。 奥氏体等温形成图 14（不是“ 曲线” ◆ 4线—开始线、F消失线、碳化物消失线、奥氏体成分均匀线。 开始线、 消失线、碳化物消失线、奥氏体成分均匀线。 2 奥氏体的形核率和长大速度 A的形成速度取决于形核率和长大速度。提高转变温度（过 的形成速度取决于形核率和长大速度。提高转变温度（ 热度），形核率和长大速度都提高，形成速度加快。 热度），形核率和长大速度都提高，形成速度加快。 ），形核率和长大速度都提高
3.2.4 奥氏体转变的影响因素 影响形核率和长大速度的因素都影响奥氏体的形成速度。 影响形核率和长大速度的因素都影响奥氏体的形成速度。 如:加热温度、原始组织、化学成分等。 加热温度、原始组织、化学成分等。 1 加热温度 T↑→孕育期 孕育期↓ 转变始、 形成速度↑ （1） T↑→孕育期↓ →转变始、终时间都变短 →形成速度↑。 （2） T↑→形核率的增速大于长大速度的增速 →起始晶粒越细小。 T↑→形核率的增速大于长大速度的增速 起始晶粒越细小。 之比增大， 消失时残余渗碳体量增多。 （3） T↑→VA-F与VA-cem之比增大，F消失时残余渗碳体量增多。
3.1.2 奥氏体的晶体结构 FCC结构。 FCC结构。C、N位于八面体间隙中—晶胞中心或棱边中心， 结构 位于八面体间隙中—晶胞中心或棱边中心， 形成有限固溶体，碳的最大溶解度为2.11％，相当于2.5个 形成有限固溶体，碳的最大溶解度为2.11％，相当于2.5个γ-Fe 2.11％，相当于2.5 晶胞中才有一个碳原子。氮原子比碳原子小， 晶胞中才有一个碳原子。氮原子比碳原子小，在奥氏体中的最大 溶解度为2.8％。碳 氮原子在奥氏体中呈统计均匀分布。 溶解度为2.8％。碳、氮原子在奥氏体中呈统计均匀分布。 2.8％。 ◆ 奥氏体的晶格常数随碳含量的增加而增加； 奥氏体的晶格常数随碳含量的增加而增加； 合金元素Mn Cr、Ni、Co、 等形成置换固溶体； Mn、 ◆ 合金元素Mn、Cr、Ni、Co、S等形成置换固溶体； 有些合金元素的溶解度甚微， 只能偏聚在晶界、位错等处。 ◆ 有些合金元素的溶解度甚微，如Ｂ只能偏聚在晶界、位错等处。
（1）形核率 均匀形核率(3—2)。 均匀形核率(3—2)。 (3 T↑→△T↑→形核功 ● T↑→△T↑→形核功 W ↓且Q基本不变 → N↑↑ ； 且 T↑→扩散系数 扩散系数↑ 促进奥氏体形核； ● T↑→扩散系数↑，促进奥氏体形核； ● T↑→α-γ界面两侧碳浓度差（Cγ-α—Cα-γ）减小， T↑→α- 界面两侧碳浓度差（ 减小， F向A晶格改组形核所需浓度起伏↓→形核率↑。
（2） 长大速度 奥氏体长大速度是相界面向F Fe3C推移速度的总和。 奥氏体长大速度是相界面向F和Fe3C推移速度的总和。 推移速度的总和 A→F的推移速度为（ A→F的推移速度为（3-4）；A→ Fe3C 的推移速度为 的推移速度为 ）；A→ （3-5）。温度升高，各参数变化都有利于提高推移速度，使 ）。温度升高，各参数变化都有利于提高推移速度， 温度升高 A长大速度加快. 长大速度加快. 注意：两个方向的推移速度相差很大。根据Fe注意：两个方向的推移速度相差很大。根据Fe-C相图计算在 Fe 780℃等温的两项之比（前比后）大致为14， 780℃等温的两项之比（前比后）大致为14，且等温温度越高比 等温的两项之比 14 值越大，而铁素体片厚度约为渗碳体的7 值越大，而铁素体片厚度约为渗碳体的7倍，所以F消失时还有 所以F 残余渗碳体。 残余渗碳体。 ◆ 奥氏体化温度↑ →形核率、长大速度均↑ → A形成速度↑↑ → 奥氏体化温度↑ 形核率、长大速度均↑ 形成速度↑↑ 温度
3.2
奥氏体的等温形成
钢在室温下有平衡和非平衡组织。平衡组织分为亚共析钢、 钢在室温下有平衡和非平衡组织。平衡组织分为亚共析钢、 共析钢、过共析钢。主要学习平衡组织的奥氏体化。 共析钢、过共析钢。主要学习平衡组织的奥氏体化。 平衡组织的奥氏体化 3.2.1 奥氏体形成热力学 1 奥氏体化驱动力 珠光体为例 形成奥氏体的驱动力为奥— 以珠光体为例 形成奥氏体的驱动力为奥—珠两相体积自 由能差。高于平衡温度（ Gv＜ 由能差。高于平衡温度（A1）则△Gv＜0，可自发进行奥氏体 平衡温度 化，△T为过热度。 过热度。 2 加热和冷却时的临界点 规定加热速度下转变的开始温度叫Ac1， 规定加热速度下转变的开始温度叫Ac1，冷却时的开始温 Ac1 度叫Arl。同样有Ac3、Ar3、Accm、Arcm。 度叫Arl。同样有Ac3、Ar3、Accm、Arcm。 Arl Ac3
3.2.2 奥氏体转变机制 奥氏体转变一般认为属于扩散型相变。 奥氏体转变一般认为属于扩散型相变。 奥氏体的形成可分为四个阶段 奥氏体的形成可分为四个阶段 (1)形核 (2)晶核长大 (3)剩余碳化物溶解 (4)奥氏体成分均匀化 (1)形核 (2)晶核长大 (3)剩余碳化物溶解 (4)奥氏体成分均匀化
1
奥氏体的形核 形核位置 铁素体与渗碳体相界面，即非均匀形核。 铁素体与渗碳体相界面，即非均匀形核。
P(F0.02+F3C) → γ0.77 奥氏体碳含量介于铁素体与渗碳体之间； 界面形核的原因 奥氏体碳含量介于铁素体与渗碳体之间；界 面铁素体一侧为BCC结构，容易通过结构起伏形成FCC结构； 面铁素体一侧为BCC结构，容易通过结构起伏形成FCC结构；碳容易 BCC结构 结构起伏形成FCC结构 在相界面上形成较大的浓度起伏，增加A中碳浓度；界面能量较高， 在相界面上形成较大的浓度起伏，增加A中碳浓度；界面能量较高， 浓度起伏 能量起伏满足形核功需求 在界面偏铁素体一侧形核。 易通过能量起伏 易通过能量起伏满足形核功需求 → 在界面偏铁素体一侧形核。 晶核也可在P领域边界、 亚晶界上形成。 ◆ A晶核也可在P领域边界、F亚晶界上形成。
2
奥氏体晶核的长大 奥氏体形核后产生两个新界面，各界面的成分图 奥氏体形核后产生两个新界面，各界面的成分图3-10
结果造成奥氏体晶核内形成碳浓度梯度→碳原子扩散→打破 结果造成奥氏体晶核内形成碳浓度梯度→碳原子扩散→ 与恢复（铁素体向奥氏体晶格改组降低浓度—结构相近；而渗碳 与恢复（铁素体向奥氏体晶格改组降低浓度—结构相近； 晶格改组降低浓度 体溶解使浓度升高） →奥氏体向铁素体和渗碳体中长大。 体溶解使浓度升高） 奥氏体向铁素体和渗碳体中长大
2 碳含量 钢中碳含量愈高，奥氏体形成速度愈快。 钢中碳含量愈高，奥氏体形成速度愈快。 F/cem相界面增加 形核率增大。 相界面增加， 碳含量↑ →碳化物数量↑ →F/cem相界面增加，形核率增大。 碳化物数量↑ →碳原子扩散距离↓ 奥氏体形成速度↑ 。 3 原始组织 钢的原始组织愈细，相界面越多，形核率越大； 钢的原始组织愈细，相界面越多，形核率越大； 原始组织细，片间距小，碳原子扩散距离小，形成速度加快。 原始组织细，片间距小，碳原子扩散距离小，形成速度加快。 与粒状珠光体相比， 转变速度快。 与粒状珠光体相比，片状珠光体奥氏体化的转变速度快。因为 片状组织的F cem相界面多，形核率大，也因界面能高而易于溶解。 片状组织的F-cem相界面多，形核率大百度文库也因界面能高而易于溶解。 相界面多 4 合金元素的影响 合金元素影响碳化物的稳定性、碳原子扩散系数， 合金元素影响碳化物的稳定性、碳原子扩散系数，且合金元素 分布不均匀。所以，合金元素影响奥氏体的形成速度、 分布不均匀。所以，合金元素影响奥氏体的形成速度、碳化物的溶 解以及奥氏体的均匀化。 解以及奥氏体的均匀化。
石家庄铁道学院
《固态相变与热处理原理》 固态相变与热处理原理》
主讲： 主讲：赵田臣
第3章 钢加热时奥氏体的形成
1 钢中的奥氏体
本章主要内容
2 奥氏体等温转变 3 奥氏体连续加热转变 奥氏体晶粒度及其控制 4 奥氏体晶粒度及其控制
钢热处理时要首先将钢加热到临界点以上奥氏体化或部分 奥氏体化，然后以一定的速度冷却， 奥氏体化，然后以一定的速度冷却，获得预期的组织结构和性 能。奥氏体的组织状态对冷却后的组织和性能有直接影响。 奥氏体的组织状态对冷却后的组织和性能有直接影响。
3.1 奥氏体及其特点
3.1.1 奥氏体的定义 奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，存在于A1以上。合金 奥氏体是碳在γ Fe中的间隙固溶体，存在于A1以上。 中的间隙固溶体 A1以上 奥氏体为碳和合金元素在γ Fe中的固溶体。 奥氏体为碳和合金元素在γ-Fe中的固溶体。奥氏体一般为等轴 中的固溶体 多边形晶粒，晶内有孪晶。 多边形晶粒，晶内有孪晶。 Ni、Mn扩大γ区， Ni、Mn扩大γ 扩大 使奥氏体可稳定在室温， 使奥氏体可稳定在室温， 如奥氏体不锈钢、高锰钢 如奥氏体不锈钢、
→奥氏体等温形成图不是 曲线。 奥氏体等温形成图不是C曲线 奥氏体等温形成图不是 曲线。
3
亚（过）共析钢奥氏体等温形成动力学
（1）亚共析钢 铁素体+珠光体。A1以上首先是P→A， F→A。 铁素体+珠光体。A1以上首先是P→A，再F→A。等温形成 以上首先是P→A 图3-15，转变开始线与共析钢的基本一致。但终了线（所有F 15，转变开始线与共析钢的基本一致。但终了线（所有F 的消失线） Ac3以上，与共析钢的基本一致，而在Ac1～ 的消失线）在Ac3以上，与共析钢的基本一致，而在Ac1～Ac3 以上 Ac1 情况较为复杂。 情况较为复杂。 （2）过共析钢 原始组织为珠光体+ Fe3CII。A1以上首先是P→A， 以上首先是P→A 原始组织为珠光体+ Fe3CII。A1以上首先是P→A，再 Fe3CII溶入A 等温形成图3 16与共析钢的基本相似。 Fe3CII溶入A。等温形成图3-16与共析钢的基本相似。但过 溶入 与共析钢的基本相似 共析钢中碳化物溶解的时间更长。 共析钢中碳化物溶解的时间更长。
晶核长大需进行两个基本过程 晶核长大需进行两个基本过程 （1）铁素体向奥氏体的晶格改组； 铁素体向奥氏体的晶格改组； 晶格改组 （2）渗碳体溶解使奥氏体达到平衡成分。 渗碳体溶解使奥氏体达到平衡成分。 平衡成分
3 残留碳化物溶解 奥氏体是通过铁素体转变为奥氏体晶格和渗碳体不断溶解而 长大的。当铁素体刚刚全部转变为奥氏体时，还有残余渗碳体， 长大的。当铁素体刚刚全部转变为奥氏体时，还有残余渗碳体， 随着时间的延长残余渗碳体将继续溶解。 随着时间的延长残余渗碳体将继续溶解。 4 奥氏体成分均匀化 当残余渗碳体刚溶解完时，奥氏体中碳分布仍然不均匀， 当残余渗碳体刚溶解完时，奥氏体中碳分布仍然不均匀， 原来的渗碳体微区碳含量较高， 原来的渗碳体微区碳含量较高，而原来的铁素体区域碳含量较 低。随着时间的延长，将发生奥氏体成分的均匀化过程。 随着时间的延长，将发生奥氏体成分的均匀化过程。